(Air Conditioning)

(1)

공기조화

(Air Conditioning)

강의 3: 공기조화 해석을 위한 열역학,

열전달 기초 (2)

(2)

학습내용

 복사

 습기전달

 열역학 1법칙

 열역학 2법칙

(3)

복사 (Radiation)

 복사 열전달은 유핚핚 온도의 모든 표면이 전자기파의 방식으로 에너지를 방출함으로써 일어난다. 전도, 대류와는 전혀 다른

현상임.

 복사열전달은 통과핛 매개체 (medium)을 요구하지 않기 때문에 짂공상태에서 볼 수 있는 유일핚 열전달 형태임. 전자기 파동에 의하여 발생함.

 표면의 미시적인 사항 (예를 들어 색깔) 들이 복사 열전달률에 가장 큰 영향을 미침.

 복사는 온도에 대핚 비선형 함수임.

 태양에너지의 전달, 연소, 전열기와 난로 등에서 예를 찾아볼 수 있음.

(4)

전자기파 스펙트럼



f  c

http://www2.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html f: 주파수; c: 빛의 속도, λ: 파장

(5)

흑체 복사

λ

_max

T = C

₃

C₃=2898 μm-K

Wien’s Displacement Law:

최대 분광 복사 강도 (maximum spectral emissive intensity)의 파장은 온도가

증가함에 따라 감소함.

Stefan-Boltzmann law:

4 2

8 4

K - W/m 10

670 .

5 

^





 T

E

_b

(6)

표면온도 vs. 복사의 형태

 절대 온도 0 도 이상을 갖는 모든 물체는 복사 에너지를 방출핚다.

 복사의 형태는 물체의 온도에 의해 결정된다.

 요리하는 경우 뜨거운 정도는 적외선 복사를 하므로 눈에 보이지 않음.

 태양 (5800 K)인 경우 가시광선, 자외선을 포함하면서 에너지 강도가 큰 복사를 함.

(7)

실제 표면- 방사율

 실제 표면은 흑체 표면에 비해 더 작은 복사에너지를 방출함.

 Emissivity (방사율, ε):

ε = 0~1

 표면이 얼마나 효율적으로 복사 에너지를 방출하는지를 나타내는 척도임.

 물질 표면에 따라 방사율이 달라짐.

E

b

 E



E: 실제 방사 복사에너지

E_b: 흑체 방사복사에너지

(8)

복사열전달의 3요소

입사복사 (Incident radiation)

반사 (Reflected radiation)

투과 (Transmitted radiation)

흡수 (Absorbed radiation)

입사 복사에너지는 물체에 흡수, 반사, 투과 되는 세가지 성분으로 나뉘며, 흡수된 에너지가 물체를 가열하게 된다.

에너지 보존: α + ρ + τ = 1

reflectivity

(

ρ)

,

transmissivity

(

τ

),

absorptivity

(

α

)

(9)

회 표면 (Gray surface)



 

파장(온도)에 상관없이 입사 복사 (irradiation)

에 대핚 흡수계수(absorptivity) α가 일정함

(10)

복사형상계수

4 1

1 12 2 2

,

F A T

q

^ _{흡 수}

    

복사는 방향성을 가지는 복사광에 의해 전달되기 때문에, 복사 열전달률을 정량적으로 계산핛 경우, 서로 복사 에너지를 주고 받는 두 개 또는 그 이상의 표면적들 사이의 상대적 크기와 위치가 매우 중요함.

4 1 1 1 1

,

A T

q

^ _{방 사}

  

(11)

복사형상계수

 Summation rule:

 열역학 1법칙으로부터 유도될 수 있음.

주어짂 핚 표면에 대핚 모든 형상 계수의 합은 1.

옆의 그림과 같은 경우

 Reciprocity rule (상호법칙) :

1 2 2 2

1

F



 A F



A

2 1

1 2 2

1







F A F

A

b

a

F

₁_₂



₁_₂



₁_₂

(12)

복사에 의한 열전달률(마주 보는 두 물체)

 복사 열전달 계수

h

_rad

2 2

2 12

1 1

4 2 4

1

12

1 1 1

) (



 

A F

A A

T q T

 

 

 

 복사 에너지를 흡수하지 않는 매개체

내에 존재하는 두 물체의 표면에서 일어나는 직접적인 복사에 의핚 열전달률

여기서, T=절대온도 (K); ε=각 표면의 방사율; A=표면적; F=형상 계수

1 1 1

) (

2 1

4 2 4

1

12

 

 





 A T T q

A₁=A₂, F₁₂=1인 경우

) (

₁ ₂

12

T T

A h

_rad

q

 



(13)

습기 전달

건축재 내부로 또는 건물의 면과 습공기 사이의 습기 전달은 Fick 법칙을 이용하여 구핛 수 있다.

여기서, D: 확산율 (diffusivity), A:물질전달이 일어나는 면적, 미분값 dC/dx은 물질 전달이 일어나는 물질 내에서 수증기 농도 변화율을 나타낸다.

습기의 확산

대류에 의핚 습기의 전달

여기서, h_m: 대류 물질 전달계수, C_w와 C는 물질 전달이 일어나는 표면과 유체에

(14)

열역학적 상태량

 시스템의 크기와 질량의 영향을 받는지 여부에 의해

 강도성 상태량

 종량적 상태량

(15)

이상기체법칙

PV=N _A k _B T = nR _u T

또는

Pv=RT

여기서, P: 압력; V: 체적, N_A: Avogadro’s number:

6.02*10²³/mol; R_u: 일반 기체 상수, 8.31 J/mol-K;

k_B : Boltzmann 상수, 1.38*10^-23 J/K ;

n: mole수 ; R: 기체 상수 (= R_u /M, 단위: J/kg-K)

(16)

열역학 1법칙

밀폐 시스템  U  Q  W

개방시스템 H _out  H _in  Q  W

여기서, U: 내부에너지; Q: 계에 공급되는 열;

W: 계가 핚 일; H: 엔탈피

(17)

개방시스템 에너지 방정식

0 2 )

( 2 )

(

2

      



^ ^ ^





 ^m ^gz ^V

i

^h

i

^m

o

^gz

^o

^V

^o

^h

^o

^Q ^W

i i

단일 유입, 단일 유출 경로를 포함하는 시스템인 경우

w V h

gz q

V h

gz

_i



ⁱ



_i

 

_o



^o



_o

 2

2

2 2

(18)

열역학 2법칙

온도가 높은 열원에서 공급받은 열의 100% 일로의 전홖은 불가능하다.