Chapter 14

대류 물질 전달

대류 물질 전달은 유체 유동에 의해 화학종이 이동하는 현상이다. Sherwood 수 Sh는 대류 물질 전달과 확산의 비를 나타내며, 열전달의 Nusselt 수와 정확히 대응한다. Re와 Sc의 함수로 표현되는 상관식은 열전달 상관식에서 Pr을 Sc로 치환하여 얻는다.

Sherwood Number Schmidt Number Mass Transfer Coefficient Nu-Sh Analogy Turbulent Correlation

대류 물질 전달의 기초

대류 물질 전달에서 물질 전달 계수 $k_c$는 표면에서의 몰 플럭스를 농도 차이로 나눈 값이다. 열전달의 대류 열전달 계수 $h$와 정확히 대응하며, 무차원화하면 Sherwood 수가 된다.

$$ N_A = k_c(C_{A,s} - C_{A,\infty}) $$
$$ \text{Sh} = \frac{k_c L}{D_{AB}} \quad \longleftrightarrow \quad \text{Nu} = \frac{hL}{k} $$
$$ \text{Sc} = \frac{\nu}{D_{AB}} \quad \longleftrightarrow \quad \text{Pr} = \frac{\nu}{\alpha} $$
Q1. 평판 위 난류 경계층에서 열전달 상관식이 $\text{Nu} = 0.332\,\text{Re}^{0.5}\,\text{Pr}^{1/3}$일 때, 대응하는 물질 전달 상관식은?
열-물질 전달 유사성에 의해, Nu 상관식에서 Nu를 Sh로, Pr을 Sc로 치환하면 된다. 계수와 지수는 동일하게 유지된다. 이것이 열전달 상관식을 물질 전달에 활용할 수 있는 강력한 도구이다.

Sh vs Re 상관식 시각화

난류와 난류 영역에서의 Sh-Re 상관식을 로그-로그 그래프로 보여준다. 난류에서는 $\text{Sh} = 0.332\,\text{Re}^{0.5}\,\text{Sc}^{1/3}$, 난류에서는 $\text{Sh} = 0.023\,\text{Re}^{0.83}\,\text{Sc}^{1/3}$이다. Sc 슬라이더를 조절하여 공기(Sc~0.7)와 물(Sc~1000)에서의 차이를 비교하라.

Interactive Figure 14.1 Sh vs Re (로그-로그) -- 열전달 유사성 비교
Sc 7.0
Sc --
Sc1/3 --
유체 --
Sh (물질 전달) -- 난류
Sh (물질 전달) -- 난류
Nu (열전달, Pr=0.7)
Q2. 같은 Re에서 Sc = 1000 (물)과 Sc = 0.7 (공기)의 Sh 값은 어떻게 다르나?
$\text{Sh} \propto \text{Sc}^{1/3}$이므로, Sh 비율 = $(1000/0.7)^{1/3} = 1429^{1/3} \approx 11.3$배이다. 물에서는 농도 경계층이 얇아 표면 농도 기울기가 가파르고, 따라서 물질 전달 계수가 더 크다. 그러나 $D_{AB}$ 자체가 물에서 훨씬 작으므로 절대적 플럭스는 공기보다 작을 수 있다.

열-물질 전달 유사성

열-물질 전달 유사성의 근본 이유는 두 현상을 지배하는 미분 방정식이 수학적으로 동일하기 때문이다. 경계 조건이 동일하면, 무차원 온도 프로파일과 농도 프로파일이 같은 형태를 갖는다. 이는 Sc = Pr인 경우에 정확하고, 그 외의 경우에도 1/3 승 보정으로 좋은 근사를 제공한다.

$$ \frac{\text{Sh}}{\text{Sc}^{1/3}} = \frac{\text{Nu}}{\text{Pr}^{1/3}} \quad \text{(at same Re)} $$
$$ k_c = \frac{h}{\rho c_p} \cdot \text{Le}^{-2/3} \quad \text{(Lewis relation)} $$
Q3. 습구 온도계에서 Le ≈ 1 (공기-수증기)일 때, 열전달 계수와 물질 전달 계수의 관계는?
Lewis 관계식 $k_c = h/(\rho c_p) \cdot \text{Le}^{-2/3}$에서 Le = 1이면 $k_c = h/(\rho c_p)$가 된다. 공기-수증기 시스템에서 Le ≈ 0.85로 1에 가까우므로, 이 근사가 잘 적용된다. 이것이 습구 온도 측정의 이론적 기초이다.