거의 대부분의 열시스템에는 열교환기가 사용된다. 최근 이슈가 되고 있는 컴팩트한 유기 랭킨사이클 (ORC) 발전시스템에서는 사이즈가 작은 열교환기의 사용이 필수적이다. ORC 에서 증발기는 초기 투자비의 큰 부분을 차지하며, 열교환기의 가격은 열전달 면적과 직접적으로 연관된다. 열교환기의 사이즈를 줄일 수 있는 방법으로 본 연구에서는 ...
거의 대부분의 열시스템에는 열교환기가 사용된다. 최근 이슈가 되고 있는 컴팩트한 유기 랭킨사이클 (ORC) 발전시스템에서는 사이즈가 작은 열교환기의 사용이 필수적이다. ORC 에서 증발기는 초기 투자비의 큰 부분을 차지하며, 열교환기의 가격은 열전달 면적과 직접적으로 연관된다. 열교환기의 사이즈를 줄일 수 있는 방법으로 본 연구에서는 다공도가 높은 개방형 메탈 폼을 열교환기에 적용하고자 한다. 열교환기의 성능은 열전달 면적과 직접적인 관계가 있으며, 메탈 폼과 같은 미세격자 구조는 매우 높은 부피 당 표면적 비율을 가지므로 전체적인 열전달 효율을 높일 수 있다. 실험 결과에 의하면 열전달 계수의 증가비는 내부 휜 튜브에서는 2 에서 4배, 비틀림 테이프를 삽입한 관에서는 1.5 에서 6 배, 주름진 관 (corrugated tube)에서는 1.5 에서 4 배, 딤플 관에서는 1.5 에서 4 배 정도이다. 반면에 마찰계수의 증가비도 매끈한 관에 비해 내부 휜 튜브는 1 에서 4 배, 비틀림 테이프 삽입관에서는 2 에서 13 배, 주름진 관에서는 2 에서 6 배, 딤플 관에서는 3 에서 5 배 증가하는 것으로 나타났다. 판형열교환기는 컴펙트 형 열교환기의 대표적인 유형이다. 공기를 작동유체로 실험한 메탈 폼 체널에서의 열전달 향상 효과는 다공도가 0.93 이고, 40-PPI (pore per inch) 메탈 폼에서 비어 있는 체널에 비해 300%의 열전달 향상이 있음이 보고되었다. 본 연구의 주 목적은 단상 유동이 아니라 상변화가 동반될 때 메탈 폼에서의 냉매유동 특성을 파악하고, 종래의 열교환기에 비해 메탈 폼이 삽입된 상변화 열교환기의 열전달 향상 기술을 개발 하고자 한다. 부차적인 목적으로는 개발된 메탈 폼 열교환기를 ORC 사이클에 적용하여 에너지 밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가에 대한 연구이다. 본 연구의 주 목적을 달성하기 위해 이상유동 (two-phase flow)의 유동 특성을 가시화 기법과 열전달 실험으로 연구하였다. 순수 냉매의 경우와 혼합냉매의 경우에 대해 모두 연구를 수행하였고 열전달 및 압력강하에 대한 상관식을 유도하였다. 수직관과 수평관에 대한 비등 열전달 실험을 비교함으로써, 중력의 효과에 대한 고려도 수행하였다. 개방형 메탈 폼이 있을 경우에 대한 상변화 유동 특성을 가시화 기법으로 연구하였고, 열전달 특성에 대해 파악하였다. 메탈 폼을 적용한 열교환기는 shell and tube 형식과 판형열교환기 형식 모두에 대해 연구를 수행하였다. 메탈 폼 열교환기 연구에서는 순수 냉매와 혼합 냉매 모두에 대해 열전달 및 압력강하 실험을 수행하였고, 실험실을 유도하였다. 열교환기의 상관식을 바탕으로 ORC 시스템의 증발기를 설계 제작하였다. 기존의 판형 열교환기의 고온측과 저온측에 최적화된 메탈폼을 삽입하였고, ORC 의 성능을 시험한 결과 우수한 에너지 밀도를 가진 컴펙트형 ORC 에 적용 가능함을 보였다.
거의 대부분의 열시스템에는 열교환기가 사용된다. 최근 이슈가 되고 있는 컴팩트한 유기 랭킨사이클 (ORC) 발전시스템에서는 사이즈가 작은 열교환기의 사용이 필수적이다. ORC 에서 증발기는 초기 투자비의 큰 부분을 차지하며, 열교환기의 가격은 열전달 면적과 직접적으로 연관된다. 열교환기의 사이즈를 줄일 수 있는 방법으로 본 연구에서는 다공도가 높은 개방형 메탈 폼을 열교환기에 적용하고자 한다. 열교환기의 성능은 열전달 면적과 직접적인 관계가 있으며, 메탈 폼과 같은 미세격자 구조는 매우 높은 부피 당 표면적 비율을 가지므로 전체적인 열전달 효율을 높일 수 있다. 실험 결과에 의하면 열전달 계수의 증가비는 내부 휜 튜브에서는 2 에서 4배, 비틀림 테이프를 삽입한 관에서는 1.5 에서 6 배, 주름진 관 (corrugated tube)에서는 1.5 에서 4 배, 딤플 관에서는 1.5 에서 4 배 정도이다. 반면에 마찰계수의 증가비도 매끈한 관에 비해 내부 휜 튜브는 1 에서 4 배, 비틀림 테이프 삽입관에서는 2 에서 13 배, 주름진 관에서는 2 에서 6 배, 딤플 관에서는 3 에서 5 배 증가하는 것으로 나타났다. 판형열교환기는 컴펙트 형 열교환기의 대표적인 유형이다. 공기를 작동유체로 실험한 메탈 폼 체널에서의 열전달 향상 효과는 다공도가 0.93 이고, 40-PPI (pore per inch) 메탈 폼에서 비어 있는 체널에 비해 300%의 열전달 향상이 있음이 보고되었다. 본 연구의 주 목적은 단상 유동이 아니라 상변화가 동반될 때 메탈 폼에서의 냉매유동 특성을 파악하고, 종래의 열교환기에 비해 메탈 폼이 삽입된 상변화 열교환기의 열전달 향상 기술을 개발 하고자 한다. 부차적인 목적으로는 개발된 메탈 폼 열교환기를 ORC 사이클에 적용하여 에너지 밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가에 대한 연구이다. 본 연구의 주 목적을 달성하기 위해 이상유동 (two-phase flow)의 유동 특성을 가시화 기법과 열전달 실험으로 연구하였다. 순수 냉매의 경우와 혼합냉매의 경우에 대해 모두 연구를 수행하였고 열전달 및 압력강하에 대한 상관식을 유도하였다. 수직관과 수평관에 대한 비등 열전달 실험을 비교함으로써, 중력의 효과에 대한 고려도 수행하였다. 개방형 메탈 폼이 있을 경우에 대한 상변화 유동 특성을 가시화 기법으로 연구하였고, 열전달 특성에 대해 파악하였다. 메탈 폼을 적용한 열교환기는 shell and tube 형식과 판형열교환기 형식 모두에 대해 연구를 수행하였다. 메탈 폼 열교환기 연구에서는 순수 냉매와 혼합 냉매 모두에 대해 열전달 및 압력강하 실험을 수행하였고, 실험실을 유도하였다. 열교환기의 상관식을 바탕으로 ORC 시스템의 증발기를 설계 제작하였다. 기존의 판형 열교환기의 고온측과 저온측에 최적화된 메탈폼을 삽입하였고, ORC 의 성능을 시험한 결과 우수한 에너지 밀도를 가진 컴펙트형 ORC 에 적용 가능함을 보였다.
Almost all thermal systems use heat exchangers. Compact-size organic Rankine cycle (ORC) power generators call for small-scale heat exchangers to work with them. Evaporators contribute to a big portion of the capital cost, and their price is directly related to their size or transfer area. Highly po...
Almost all thermal systems use heat exchangers. Compact-size organic Rankine cycle (ORC) power generators call for small-scale heat exchangers to work with them. Evaporators contribute to a big portion of the capital cost, and their price is directly related to their size or transfer area. Highly porous open-cell metal foams are being considered to improve performance while keeping the size of heat exchangers small. Since the heat transfer area plays a direct role in the performance of heat exchangers, micro-cellular structures such as metal foams are proposed to increase the heat duty of heat exchangers by increasing the surface area while maintaining their small size. The enhancement ratio of experimental Nusselt numbers over predicted values is 2 to 4 for an integral finned tube, 1.5 to 6 for a twisted tape insert, 1.5 to 4 for a corrugated tube, and 1.5 to 4 for a dimpled tube. On the other hand, compared to a normal unenhanced tube, the experimental friction factor increases by 1 to 4 for tubes with integral fins, 2 to 13 for inserted twisted tape, 2 to 6 for corrugated tubes, and 3 to 5 for a dimpled tube. Plate heat exchangers are mainly appealing because of their compactness. An increase of up to 300% in the heat transfer coefficient using 40-PPI aluminum metal foam with porosity of 0.93 and air as the fluid compared to an empty channel is reported. The primary objective is to understand the phase change phenomena in refrigerants, and improve the heat transfer coefficient of conventional heat exchangers. The secondary objective is to apply those results in organic Rankine cycle systems and contribute to compact ORC units. Since the primary objective of this study is to enhance the heat transfer coefficient of two-phase flows, in following chapters, thermal enhancement using open-cell porous media, metal foams, is investigated. Both shell and tube configuration and plate heat exchangers are studied. In this section, pure fluids and zeotropic mixtures are considered. The results of these two preliminary researches are used to design a novel plate heat exchangers that utilizes metal foam to enhance the heat transfer from the hot side to the cols side. In the last chapter, this novel evaporator is used in an ORC system. In almost all chapters, experimental data are compared to existing predictive correlations and in case of necessity, new correlation are proposed.
Almost all thermal systems use heat exchangers. Compact-size organic Rankine cycle (ORC) power generators call for small-scale heat exchangers to work with them. Evaporators contribute to a big portion of the capital cost, and their price is directly related to their size or transfer area. Highly porous open-cell metal foams are being considered to improve performance while keeping the size of heat exchangers small. Since the heat transfer area plays a direct role in the performance of heat exchangers, micro-cellular structures such as metal foams are proposed to increase the heat duty of heat exchangers by increasing the surface area while maintaining their small size. The enhancement ratio of experimental Nusselt numbers over predicted values is 2 to 4 for an integral finned tube, 1.5 to 6 for a twisted tape insert, 1.5 to 4 for a corrugated tube, and 1.5 to 4 for a dimpled tube. On the other hand, compared to a normal unenhanced tube, the experimental friction factor increases by 1 to 4 for tubes with integral fins, 2 to 13 for inserted twisted tape, 2 to 6 for corrugated tubes, and 3 to 5 for a dimpled tube. Plate heat exchangers are mainly appealing because of their compactness. An increase of up to 300% in the heat transfer coefficient using 40-PPI aluminum metal foam with porosity of 0.93 and air as the fluid compared to an empty channel is reported. The primary objective is to understand the phase change phenomena in refrigerants, and improve the heat transfer coefficient of conventional heat exchangers. The secondary objective is to apply those results in organic Rankine cycle systems and contribute to compact ORC units. Since the primary objective of this study is to enhance the heat transfer coefficient of two-phase flows, in following chapters, thermal enhancement using open-cell porous media, metal foams, is investigated. Both shell and tube configuration and plate heat exchangers are studied. In this section, pure fluids and zeotropic mixtures are considered. The results of these two preliminary researches are used to design a novel plate heat exchangers that utilizes metal foam to enhance the heat transfer from the hot side to the cols side. In the last chapter, this novel evaporator is used in an ORC system. In almost all chapters, experimental data are compared to existing predictive correlations and in case of necessity, new correlation are proposed.
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