열전달 메커니즘

열전달의 세 경로

열전달은 온도차에 의해 열에너지가 이동하는 현상이다.

열이 옮겨 가는 길은 전도, 대류, 복사의 세 가지다.

전도와 대류는 물질을 매개로 하고, 복사는 매질 없이 일어난다.

세 경로의 기본 법칙

전도 열유속은 온도 기울기에 비례하며, 푸리에 법칙으로 나타낸다.

k는 열전도도이고, dT/dx는 거리에 따른 온도 기울기다.

고체 표면과 유체 사이의 대류는 뉴턴의 냉각 법칙으로 근사한다.

h는 대류 열전달 계수이고, Ts와 T∞는 표면과 주변 유체의 온도다.

복사는 절대온도의 네제곱에 비례해, 고온에서 지배적이다.

복사 열유속 계산

가상의 예로 화염 온도 1,000K, 방사율 0.9인 화염을 가정한다.

복사 열유속은 방사율, 슈테판-볼츠만 상수, 절대온도의 네제곱을 곱해 구한다.

계산하면 약 5.1×10⁴ W/m², 즉 51 kW/m²가 나온다.

온도가 500K로 절반이면 열유속은 약 1/16 수준으로 줄어든다.

실내화재에서의 열전달

실내 화재에서는 화원의 연소가 시작되면 열이 세 경로로 이동한다.

고온 가스는 부력으로 상승하며 대류로 열을 운반하고, 천장 아래에 열기층을 만든다.

열기층의 열은 천장과 벽체 내부로 전도되어 스며든다.

화염과 가열된 벽, 천장의 복사는 주변 가연물을 열분해시켜 착화를 일으킨다.

복사 열유속이 임계치를 넘으면 실 전체가 동시에 연소하는 플래시오버로 진행한다.

시험 포인트와 대책

앞 문제의 정답은 전도다. 벽체 내부로 열이 스며드는 경로다.

시험에서는 메커니즘별로 대책을 짝지어 쓰는 것이 핵심이다.

전도는 불연·단열로, 대류는 방화구획과 배연으로, 복사는 이격과 방화문으로 막는다.

수치 없이 원리만 쓰면 감점되므로 복사 열유속의 네제곱 조건을 함께 쓴다.