○ ○

열전도 ( thermal conduction )

① 물질의 내부를 열이 이동하는(단, 단일물체의 열이동을 의미) 것을 의미

② 고체 또는 정지상태의 유체 내에서 이루어짐

③ 고체 내에서는 격자진동의 형태인 원자의 운동에 의해 이루어짐

④ 전자의 이동에 의하여 온도가 높은 영역으로부터 낮은 영역으로 에너지가 이송하는 열흐름 Mechanism 이며 Fourier 의 열전도 법칙에 따름.

⑤ 금속 : 자유전자에 의해 에너지를 전송

⑥ 비금속 : 분자의 진동에 의해 에너지를 전송

⑦ 영향요소

- 흐름의 경로의 단면적 ; 단면적이 커지면 열흐름양은 증가

- 흐름 길이 : 길이가 길어지면 열흐름 저항이 증가하여 열흐름양을 감소

- 열전도도 ; 열전도도가 크면 열흐름 저항이 작아져 열 흐름양은 증가

- 목재와 플라스틱과 같은 적층재료 ; 열흐름이 평행한 경우 빠르고 수직인 경우느림.

⑧ 열전도식

정상상태에서 열전달율은 단위시간당 전달되는 열 양에 대한 Fourier 의 법칙을 따름

식   Q     [eqn: =`` lambda ` {F`` DELTA t} over {l}]

Q : 1시간에 흐르는 열량 (㎉/h),    [eqn: lambda] : 열전도율(㎉ / m h℃)

[eqn: l] : 길이 (두께, m),         [eqn: DELTA t] : 온도차(℃)

열전도저항    [eqn: Wc```=` {l} over {lambda ``F} `] [ ℃ h / ㎉ ]

○ ○

열유속 (heat Flex) : 단위시간당 단위면적의 열 전달량을 의미

열전달 ( heat transfer)

고체의 표면과 그것과 접하는 유체 사이의 열이동 (유체와 고체간의 열이 이동하는 것)

식 [eqn: Q``=`` alpha ``F`` DELTA t]

여기서 [eqn: Q] : 1시간동안 전해진 열량( ㎉ / h )

[eqn: alpha]  : 열전달률 (㎉ / ㎡ h℃)

[eqn: F]  : 전열면적 (㎡)       [eqn: DELTA t] : 온도차( ℃ )

열전달률 = 표면 전열률 = 경막계수

열관류 ( heat transmission )

격벽, 또는 보온, 보냉을 위한 단열벽 등에서 고체벽을 통과하여 한쪽에 있는 고온 유체가 다른쪽에 있는 저온 유체로 열이 이동하는 것.

① 열관류율

열관류에 의한 열관류열량의 계수이며 전열의 정도를 표시할 때 사용된다.

정상 유체상태에서 사이에 고체 벽을 두고 단위시간과 면적당 이동열량을

[eqn: Q```=``K````F```(``t _{2} ``-`t _{1} `)][㎉/h]로 표시되고 비례정수 [eqn: K]를 열관류율 [㎉/㎡h℃]

또는 열통과율이라고 한다.

② 열관류저항

열전도저항과 열전달저항의 합으로 나타내며 열관류의 역수

식으로 표현한다면  [eqn: R``=`` {1} over {K``F}] 로 표시.

○ ○

평판전열벽

식

열통과저항  ( 열저항 )

[eqn: R``````=``` {1} over {K} ````=`` {1} over {alpha _{1}} ```+```` SIGMA `` {1} over {lambda } ````+``` {1} over {alpha _{2}}] [㎡h℃/㎉ ]

열통과율

[eqn: K`````=` {1} over {R} ```=` {1} over {{1} over {alpha _{1}} ```+``` SIGMA {1} over {lambda } ```+`` {1} over {alpha _{2}}}]  [㎉/㎡h℃ ]

푸리에(Fourie)의 열전도 법칙

[eqn: q``=`q _{1``} ``=`q _{2``} ``=``q _{3``} ``]

전도에서 물질의 가장 중요한 물성

① 열전도도 (ｋ) 밀도 ([eqn: rho]) 비열 (c)

② 단위면적당 열용량 ([eqn: rho]c)  : 1k 만큼 물질의 단위체적의 온도를 올리는데        필요한 열량()

③ 열확산도 ([eqn: {k} over {rho c} ``=` alpha])

- 단위체적당 열용량에 대한 열전도도의 비

- 열관성 ([eqn: k rho c]) : 열속에 노출되었을때 표면의 온도가 어떻게 빨리 상승하는지를 결정 열관성이 낮을 수록 쉽게 발화

- 열이 벽을 통과하는데 소요되는 시간은 계산하는데 이용

[eqn: t`````=```` {l ^{2} rho c} over {16k} `````=` {l ^{2}} over {16 alpha } `(sec)`]

○ ○

소방에서 응용되는 전도 현상

① 고체가연물의 점화와 화염전파

- 화염의 복사 대류열은 고체표면을 가열하고 가열된 고체표면은 내부로 열을 전다하여 열분해를 촉진(선박화재에서의 철재바닥과 칸막이 벽을 통한 직접적인 열전도)

② 건축물의 방화구획의 내화성능의 문제

- 화재실을 구획하고 있는 벽체의 재료는 하중을 받고 있는 철골 철근에 열전달을 지연시켜 붕괴와 화염의 전파를 방지

③ 스프링클러설비의 감열부의 RTI와 관련된 문제를 취급시 고려

- 스프링클러헤드의 열소자가 가열되면 에너지는 연결된 배관과 배관내 유체로 이동하면서 열소자의 온도상승을 방해하여 작동시간에 영향을 준다.  (열전도율이 작을수록 빨리 개방됨)

대 류

① 고체표면과 움직이는 유체사이에서 분장의 불규칙한 운동과 거시적인 유체의 유동에 의해서 이뤄진다.

② 유체가 고체의 표면위를 흐르고 이들 사이의 온도가 서로 다른 때에는 액체의 운동에 의하여 유체와 고체표면사이에 발생하는 열전달 형식

③ 기본적으로 전도의 법칙에 지배를 받음

④ 경계층 유체가 고체 표면 위를 흐를때 표면에서의 속도는 0 이되고 표면에서 멀어지게 되면 속도가 증가하게 되어 최종적으로 속도가 일정하게 유지되는 영역에 도달하게 되는데 이처럼 거리에 따라 속도가 변화하게

○ ○

되는 현상.

대류 열전달에 관계되는 요인

① 온도차, 밀도차 (부력의 차이)

② 층류화염이 난류화염에 비해 높은 열전달율을 가짐.

③ 천정에 부딪히는 화재플럼은 열흐름이 직각으로 가장 높은 배치 형상.

④ 속도가 증가하면 열전달율이 달라짐.

⑤ 열전달계수는 온도차에 따라 변하지만 그 크기가 작아 일정한 특정값을 사용

⑥ 열전달계수 ([eqn: h], w/㎡k,   J/sec ㎡k )

[eqn: dot{q`} ``=`kA` {DELTA T} over {l}]        [eqn: dot{q} ` '' `=`k {DELTA T} over {l} `=`h`(`T _{2} ``-`T _{1`} ``)]    [eqn: h`=` {k} over {l}]

여기서 [eqn: dot{q} '']  :  단위면적당 열전달율 (w/㎡, J/s ㎡)

[eqn: DELTA T] :  유체 표면 사이의 온도차 ( k )

[eqn: T _{2}]  :  화염의 온도  ( k )

[eqn: T _{1}]  :  공기의 온도  ( k )

전도와 대류의 복합적인 적용 (열통과율)

① 조건

- 각 층의 벽면을 통과하는 열량은 항상 동일하다.

② [eqn: T _{h}]부터 [eqn: T _{c}]  까지의 전달열류

[eqn: dot{q} ` '' `=`h`(`T _{h} ``-`T _{1`} ``)`=` {k _{1}} over {L _{1}} ``(T _{1`} `-`T` _{2} `)`=` {k _{1}} over {L _{1}} ``(T _{2`} `-`T` _{3} `)`][eqn: `=` {k _{3}} over {L _{3}} ``(T _{3`} `-`T` _{4} `)`=`h _{c} ``(T _{4`} `-`T` _{c} `)`]

③ 이식을 다시 정리하면

[eqn: dot{q} ` '' ``=` {T _{h} ``-`T` _{c}} over {{1} over {h _{h}} `+` {L _{1}} over {k _{1}} `+` {L _{2}} over {k _{2}} ``+`` {L _{3}} over {k _{3}} ``+`` {1} over {h _{c}}}]

○ ○

여기서,  [eqn: h _{h}]  [eqn: h _{c}]  : 고온부와 저온부의 대류 열전달계수 (w/㎡k)

[eqn: k _{1} `,```k _{2} `,````k _{3}] : 각 층의 전열계수 (열전도도,  w/mk )

[eqn: L _{1} `,```L _{2} ,```L _{3`}] : 각 층의 두께 (m)

[eqn: T _{c} ,``T _{h``} ``] : 저온부와 고온부의 온도 (k)

소방분야에서 적용되는 대류현상

① 복사열전달이 적은 초기 불꽃화재에 적용 (부력)

- 화염은 벽면, 등받이가 있는 가연물과 같은 수직면을 따라 빠르게 상승

② 고온 연기유동과 이에 따른 열전달

- 고온의 연소생성물은 부력에 의해 상승하고 천장면을 따라 이동

- 거실 ⇒ 복도 ⇒ 계단 ⇒ 상부층 순으로 연기를 확산

③ 스프링클러헤드, 열감지기의 열교환기등에 적용

- 고온의 Ceiling Jet 는 이동 중 스프링클러헤드와 감지기의 열소자를 가열하여 개방, 고온기류에 동반된 연기에 의해 감지기의 작동을 촉진.

복사 (Radiation)

①복사 열전달은 물질에서 방사되는 에너지가 전자기적인 파동에 의해 전달

② 물체의 온도에 따라서 방출되는 에너지

감마선  -  X 선  - 자외선 - 자외선 / 가시광선 -  적외선 - 마이크로파

[eqn: 10 ^{-4}]      [eqn: 10 ^{-2}]     [eqn: 10 ^{-1}]                10         10²

열복사영역

○ ○

③ 전달매체가 필요 없는 열전달의 방식

④ 진공 속에서도 감쇄나 약화가 발생 하지 않음

⑤ Flashover, 원거리에서의 인접 건물등의 발화의 원인이 되기도 함.

복사에너지의 방사

① Stefan - Boltzmann의  법칙

- 절대온도 T 의 물체로부터 방사되는 최대복사열속을 구하는 식

[eqn: dot{q} ` '' `=` sigma `T ^{``4}]

여기서  [eqn: dot{q} ''] : 단위면적당 복사 방출 (w /㎡)

[eqn: sigma]  : 스테판-볼쯔만 상수 (5.67 x [eqn: 10 ^{-8}] w /㎡k⁴)

[eqn: T]  : 절대온도 (k)

② 흑체 (Black Body)

- 입사한 총에너지에 대한 세 가지의 비율을 흡수율, 반사율, 투과율이라  하며 이들의 합이 1인 물체 ([eqn: alpha ``+`` beta ``+`` gamma ``=`1])

- 대부분의 고체는 복사에너지를 투과시키지 않으므로 투과율이 0

- 흡수율이 1인 경우에는 입사된 복사에너지가 물체에 모두 흡수되며, 이와 같은 특징을 갖는 이상적인 물체를 흑체라 함

③ 표면 방사율 (ε)

- Stefan-Boltzmann의 공식([eqn: dot{q} ` '' `=` sigma `T ^{``4}])은 완전복사체, 흑체에만 적용이 가능

- 대부분의 물체는 표면효과와 흡수효과에 의해 감소

- 실제 값에 대한 이론값의 비율을 방사율이라 함

[eqn: epsilon ``=`1`-`e ^{-kl}]

○ ○

여기서 [eqn: k] : 화염의 흡수 계수 ( m[eqn: {} ^{-1}]) -화염의 성질을 얼마나 쉽게 화염을 관통해서 복사하는지를 나타내는 값- 화염의속 입자농도 및 화염두께에 의존

ε : 표면방사율 (0≤ε≤1 흑체인 경우 ε = 1)

[eqn: l] :  화염의 두께 (m)

[eqn: epsilon `=` {실제표면의`방사에너지} over {흑체의`방사에너지} ``=`` {dot{q`} ˝} over {sigma T ^{4}}] , [eqn: dot{q`} ˝``=` epsilon sigma T``` ^{4}]

④ 형태계수 ([eqn: F _{12}])

- 복사열원인 고온 표면이나 화염의 온도가 이면 거리 c 에 있는 목표물이 받는 복사열유속은 에서 방출되는 에너지보다 감소하는데 이 에너지감소율을 의미

- 거리, 열원의 크기, 열유속을 받는 물체의 방향에 따라 달라지며, 이때 목표물이 받는 열유속은 다음과 같음.

[eqn: dot{q`} ˝``=` epsilon sigma T``` ^{4} F _{12}]

여기서 [eqn: T] : 복사체의 온도 (k) [eqn: F _{12}] : 형태계수

⑤ 화염의 직경이 두배이상 떨어진 목표물에 대한 복사열류 계산

- 잠재적인 손상과 원격발화의 가능성을 평가하기 위하여 사용

[eqn: dot{q} `˝`= {X _{r`} dot{Q``}} over {4 pi r ^{2}}]

여기서 [eqn: dot{Q``}] : 화재시 연소에너지 방출속도 ( ㎾ )

[eqn: r]  : 화재중심과 목표물과의 거리 ( m )

[eqn: X _{r}] : 총 방출에너지 중 복사된 에너지 분율 ( 0.15 ~ 0.6 )

○ ○

- 연료의 복사에너지 분율

메탄(CH₄) : 15 ~ 20 %

부탄(CH₁) : 20 ~ 40 %

헥산 ( )    : 40 ~ 60 %

소방에서 적용하는 복사현상

① 원거리의 물체의 발화

- 화구(Fire Ball), Jet Flame 및 Pool Fire에서 발생

- 화염과 직접 닿지 않아도 방사에너지에 의한 인근 가연물과 인명에 대한 피해

② 분진 폭발의 화염전파

- 가연성 고체분진이 복사열을 받아 인근 가연물보다 원거리 가연물이 먼저발화.