열대류

열대류(熱對流, heat convection)는 기체나 액체 내부에서 가열된 입자의 이동에 의해 열이 전달되는 것으로서, 온도가 불균일한 부분의 비중 차에 의하여 대류가 생겨 열이 이동하는 현상을 말한다.

자동차의 표면은 고온이고 실내는 저온 상태이기 때문에 패널이나 트림을 통해서 기관 및 도로로부터의 외기의 열이 침입한다. 대류에 의한 열부하는 대략 500~600kcal/h이다. 또 자동차 실린더는 열대류 현상에 의해 냉각된다. 실린더의 열을 빼앗아 뜨거워진 냉각수는 라디에이터 팬에 의한 열대류로 냉각되는 것이다.

개요

열대류는 태양열에 의해 지면 가까운 공기가 가열되어 상승하면서 발생하는 대류현상이다. 상승하는 공기덩어리를 공기포라고 부르며, 적운, 적란운이 발생한다. 지표면의 상태에 크게 영향을 받아서 모래지역, 도시 등에서는 상승기류가, 삼림, 호수에서는 하강기류가 발생하기 쉽다.

여름철에 태양이 강하게 내리쬐고, 지표면이 열을 받으면, 지표면 가까이에 있는 공기가 가열 상승해서 대류현상을 일으킨다. 이와 같은 공기덩어리의 상승은 기포와 같은 모양이 되므로 공기포(空氣泡)라고도 한다. 열대류에 의해서 적운(積雲)이나 적란운(積亂雲)이 생기는데, 그 구름 속에는 많은 공기포가 있어 그것이 상승운동을 하고 있다는 사실이 확인되었다. 열대류를 교묘히 이용하고 있는 새로는 솔개나 수리 등이 있다. 이런 새들이 공중에 원을 그리면서 날개를 치지 않고도 나는 것은 그 때문이다. 또 글라이더가 활공할 때 열대류를 이용하여 장시간 비행하기도 한다. 열대류는 지표면의 상태에 크게 영향을 받는데, 사지(砂地) ·나지(裸地) ·도시 등에서는 상승기류가 발달하며, 삼림 ·호수 등에서는 하강기류가 되기 쉽다.

열대류에 의한 열전달

열대류란 액체나 기체와 같은 유체를 통해서 열이 전달되는 것으로 대류가 자연적으로 발생할 경우를 자연 대류, 펌프나 펜 등의 강제수단에 의해 대류가 발생하는 경우 강제대류라고 하며 자연대류냐 강제대류의 차이가 대류 열전달계수에 영향을 미친다.

열 전달량은 (대류 열전달계수)*(대류 열전달이 발생하는 면적)*(표면과 유체의 온도차)만큼 일어난다. 그래서 냉각이 잘 되게 하려면, 강제대류를 일으켜 대류 열전달계수를 높이던가 대류가 발생하는 면적을 넓히던가, 유체와 표면의 온도차이를 크게 할수록 열 전달량은 많아지고 그만큼 냉각이 잘 된다.

대류에 의한 열전달량

대류에 의해서 일어나는 전열량 Q는 뉴턴의 냉각법칙에 의한다.

Q = αA(t-tw)(㎉/hr)

t : 유체의 온도(℃)

tw : 고체의 온도

α: 대류 열전달 계수(㎉/㎡hr℃)

대류의 열전달 계수 : 대류현상에 의해 고체 표면에서 유체에 열을 전달하는 크기를 나타낸다. 일반적으로 열전달계수는 시스템, 유체의 물성값 및 ∆T크기에 따라 변한다.

• 정지된 공기 : 3 ∼30
• 유동하는 공기 : 10 ∼500
• 유동하는 물 : 200 ∼ 2000
• 비등하는 물 : 4000 ∼6000
• 응축하는 증기 : 7000 ∼12000

전기차 배터리 열관리

전기자동차 배터리 열 관리 시스템에서 공기 냉각 시스템은 시스템 구조의 단순성, 적은 비용, 정비의 용이성, 경량 시스템, 에너지 소모 저감 등의 장점으로 실제 상용화된 전기자동차에 널리 적용되고 있다. 그 예로는 Nissan Leaf, Toyota Prius Prime, Honda FitEV, Hyundai IONIQ 을 들 수 있다. 자연 대류 및 강제 대류를 적용한 시스템이 각기 적용되고 있는데 강제 대류 시스템이 배터리 열을 방출하는 데 있어 더 효율적인 방안이 된다.

참고자료

• 〈열대류〉, 《자동차용어사전》
• 〈열대류〉, 《두산백과》
• 탁상공론, 〈열대류에 의한 열전달 대류 열전달계수 면적 자연대류 강제대류〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-22
• 꿀벌소리, 〈냉방 부하를 결정하기 위한 자동차의 각종 열부하〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-11
• MCARFE, 〈현대모비스 냉각수 가지고, 냉각 효율... 측정해볼까?〉, 《네이버 블로그》, 2017-06-20
• 김한상, 〈전기자동차에서의 배터리 열 관리 기술〉, 《한국자동차기자협회》, 2022-10-10
• 쌀롱, 〈대류 열전달〉, 《티스토리》, 2019-03-26

같이 보기

• 대류
• 열복사
• 열부하

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