현재 전 세계적으로 석유 및 가스처리 플랜트에서 정제, 분리, 액화의 목적으로 다양한 형태의 열교환기들이 사용되고 있으며 소형화, 경량화 및 고성능화를 위해 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 플레이트-핀 열교환기(Plate-Fin Heat Exchanger, PFHE)는 주로 Air Separation, Cryogenic, LNG, LPG, Ethylene, ...
현재 전 세계적으로 석유 및 가스처리 플랜트에서 정제, 분리, 액화의 목적으로 다양한 형태의 열교환기들이 사용되고 있으며 소형화, 경량화 및 고성능화를 위해 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 플레이트-핀 열교환기(Plate-Fin Heat Exchanger, PFHE)는 주로 Air Separation, Cryogenic, LNG, LPG, Ethylene, Ammonia 등의 열교환에 많이 사용되며, 다른 종류의 열교환기에 비해 매우 우수한 온도 접근성과 단위 면적당 열전달율이 높은 장점으로 인해 사용범위가 확대되고 있다.
일반적으로 플레이트-핀 열교환기는 판형 열교환기의 특성과 유사한 문제를 가지고 있으나 설계인자의 변화에 따라 불균일한 유량 분배 문제가 발생하며 그 영향에 의해 전열판에서의 압력강하 및 온도분포의 변화가 심해지는 문제점이 있다. 이러한 유량 분배의 불균일성은 각 채널에서의 유동 및 전열 특성에 영향을 미치고 유량 분배의 불균일성이 증가하면 채널별 유동 및 전열 특성이 큰 편차를 보이게 된다.
최근 플레이트-핀 열교환기에 관한 주요 연구들은 열교환기 전체의 성능에 관한 연구이거나 설계인자의 단순 변화에 따른 영향에 관한 실험적인 연구가 많다. 그리고 채널에서의 유동 및 전열 특성에 관한 연구들은 주로 전열판 중 채널의 입·출구 부분만 고려한 연구들이 대부분이며, 유량 분배가 채널의 열적 성능에 미치는 영향에 관한 연구와 유량 분배 성능 및 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 주요 설계 인자의 상관관계에 관한 연구는 미흡하다. 그리고 여러 분야에서 최적설계 기법을 이용하여 다양한 연구들을 수행하고 있는데 열교환기 관련 연구에는 최적설계 기법을 적용한 연구가 부족하고, 특히 최적화에 의한 주요 설계 인자의 상관관계를 제시한 연구는 미흡하다.
따라서, 본 연구에서는 플레이트-핀 열교환기의 전체 형상에서 각 채널로 유입되는 유량의 균등한 분배 문제와 열교환기의 열적 성능 향상에 영향을 미치는 주요 설계 인자를 파악하고 최적 설계 기법을 적용하여 주요 설계 인자에 따른 유동 및 전열 특성에 관련된 연구를 수행하였으며 그 결과를 상관관계식으로 제시하여 플레이트-핀 열교환기 설계에 기초 자료로 제시하였다.
플레이트-핀 열교환기의 유동 및 전열 특성에 대한 설계 인자들의 영향과 중요도를 파악하기 위하여 민감도 분석을 수행하였고, 민감도 분석에 의해 도출한 주요 설계 변수를 이용하여 실험계획법의 하나인 라틴하이퍼큐브 샘플링(Latin Hypercube Sampling, LHS)을 적용하여 설계영역을 대표하는 설계점을 선택하였다. 크리깅메타모델(Kriging Metamodel, KRG)을 통해 최적화를 수행하였으며 크리깅(Kriging) 메타모델에 의한 예측치와 수치해석 결과의 오차율은 Ft=1.19%, Fp=7.67%, Reynolds number=1.7%, Nusselt number=6.43%이다.
연구 결과, 분배기 중앙부 채널 간격과 핀 간격의 비가 플레이트-핀 열교환기의 열전달 성능에 영향을 미치는 인자로 판단되고, 이를 Colburn j-factor, Fanning friction factor와의 상관관계식으로 정의하였다. 제시된 상관관계식은 입구 형태가 측면에 위치한 Plain 형태의 플레이트-핀 열교환기에서 열전달 매체로 공기의 경우, Fouling이 없는 매끈한 알루미늄, 주요 설계 인자인 중앙부 채널 간격(X₃)과 핀 간격(X₄)의 비가 1≤X₃/X₄≤1.5의 조건을 만족하는 열교환기 설계에 적합하다고 사료된다.
현재 전 세계적으로 석유 및 가스처리 플랜트에서 정제, 분리, 액화의 목적으로 다양한 형태의 열교환기들이 사용되고 있으며 소형화, 경량화 및 고성능화를 위해 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 플레이트-핀 열교환기(Plate-Fin Heat Exchanger, PFHE)는 주로 Air Separation, Cryogenic, LNG, LPG, Ethylene, Ammonia 등의 열교환에 많이 사용되며, 다른 종류의 열교환기에 비해 매우 우수한 온도 접근성과 단위 면적당 열전달율이 높은 장점으로 인해 사용범위가 확대되고 있다.
일반적으로 플레이트-핀 열교환기는 판형 열교환기의 특성과 유사한 문제를 가지고 있으나 설계인자의 변화에 따라 불균일한 유량 분배 문제가 발생하며 그 영향에 의해 전열판에서의 압력강하 및 온도분포의 변화가 심해지는 문제점이 있다. 이러한 유량 분배의 불균일성은 각 채널에서의 유동 및 전열 특성에 영향을 미치고 유량 분배의 불균일성이 증가하면 채널별 유동 및 전열 특성이 큰 편차를 보이게 된다.
최근 플레이트-핀 열교환기에 관한 주요 연구들은 열교환기 전체의 성능에 관한 연구이거나 설계인자의 단순 변화에 따른 영향에 관한 실험적인 연구가 많다. 그리고 채널에서의 유동 및 전열 특성에 관한 연구들은 주로 전열판 중 채널의 입·출구 부분만 고려한 연구들이 대부분이며, 유량 분배가 채널의 열적 성능에 미치는 영향에 관한 연구와 유량 분배 성능 및 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 주요 설계 인자의 상관관계에 관한 연구는 미흡하다. 그리고 여러 분야에서 최적설계 기법을 이용하여 다양한 연구들을 수행하고 있는데 열교환기 관련 연구에는 최적설계 기법을 적용한 연구가 부족하고, 특히 최적화에 의한 주요 설계 인자의 상관관계를 제시한 연구는 미흡하다.
따라서, 본 연구에서는 플레이트-핀 열교환기의 전체 형상에서 각 채널로 유입되는 유량의 균등한 분배 문제와 열교환기의 열적 성능 향상에 영향을 미치는 주요 설계 인자를 파악하고 최적 설계 기법을 적용하여 주요 설계 인자에 따른 유동 및 전열 특성에 관련된 연구를 수행하였으며 그 결과를 상관관계식으로 제시하여 플레이트-핀 열교환기 설계에 기초 자료로 제시하였다.
플레이트-핀 열교환기의 유동 및 전열 특성에 대한 설계 인자들의 영향과 중요도를 파악하기 위하여 민감도 분석을 수행하였고, 민감도 분석에 의해 도출한 주요 설계 변수를 이용하여 실험계획법의 하나인 라틴하이퍼큐브 샘플링(Latin Hypercube Sampling, LHS)을 적용하여 설계영역을 대표하는 설계점을 선택하였다. 크리깅 메타모델(Kriging Metamodel, KRG)을 통해 최적화를 수행하였으며 크리깅(Kriging) 메타모델에 의한 예측치와 수치해석 결과의 오차율은 Ft=1.19%, Fp=7.67%, Reynolds number=1.7%, Nusselt number=6.43%이다.
연구 결과, 분배기 중앙부 채널 간격과 핀 간격의 비가 플레이트-핀 열교환기의 열전달 성능에 영향을 미치는 인자로 판단되고, 이를 Colburn j-factor, Fanning friction factor와의 상관관계식으로 정의하였다. 제시된 상관관계식은 입구 형태가 측면에 위치한 Plain 형태의 플레이트-핀 열교환기에서 열전달 매체로 공기의 경우, Fouling이 없는 매끈한 알루미늄, 주요 설계 인자인 중앙부 채널 간격(X₃)과 핀 간격(X₄)의 비가 1≤X₃/X₄≤1.5의 조건을 만족하는 열교환기 설계에 적합하다고 사료된다.
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