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문제 정의
- 무차원화된 지배방정식과 경계조건으로부터 열교환기 성능에 영향을 미치는 요소는 Re, Pr, Kr 세 개의 무차원수라는 것을 알고 있다. 새로운 채널 배열로 인한 성능 향상에 각각의 변수가 미치는 영향을 관찰해보자. 기존 열교환기 채널 배열과 새로운 열교환기 채널 배열로 인한 성능 향상을 ε으로 정의한다.
가설 설정
- (9) 이산화 방법으로는 유한체적법을 사용하였다. Reynolds 수가2000 이하인 층류 모델을 적용하였고, 비압축성, 일성 물성치 유동으로 가정하였다.
제안 방법
- 마이크로 채널을 적용한 열교환기에 관한 기존 연구들을 살펴보면 다음과 같다. Gromoll(2)이 작동유체로 압축공기를 사용하여 마이크로채널을 이용한 냉각기에 대한 실험을 수행하였으며, 마이크로 열교환기의 열전달계수를 제시하였다. Harris 등(3)은 마이크로 직교류(Cross flow) 열교환기에 대한 수치해석을 수행하여 최적의 열교환기 형상을 도출한 후 폴리머와 금속의 두 가지 재질을 사용하여 공기 대 물 실험을 통해 압력강하 특성을 비교하였다.
- 그러나 고체부의 온도는 채널 배열 차이로 인하여 다른 분포를 보인다. 고체부 온도 분포를 관찰하기 위하여, Fig. 6의 단면에서 채널 중심을 지나는 가로, 세로 방향의 직선을 만들어 온도를 관찰하였다. Fig.
- )을 적용하였다. 기존의 열교환기와 본 연구에서 제안하는 열교환기 성능 비교를 위하여 기존 열교환기를 모델링할 때는 아래 두 채널에 고온 유체, 위 두 채널에 저온 유체를 유입시키고, 제안하는 열교환기에서는 대각선 방향으로 고온 및 저온 유체를 유입시킨다. 열유체 상용 프로그램인 Fluent v12를 이용하여 3차원 정상상태 조건에서 계산을 수행하였다.
- Ngo 등(7)은 직관 채널 PCHE를 개선하여 S 형태의 핀 형상을 가진 새로운 PCHE를 제작하여 실험하였다. 또한, 3차원 전산해석을 통해 열적 수력성능을 평가하였다. Tsuzuki 등(8)은 S 형상과 다양한 지그재그 형상에 있어 3차원 전산해석을 이용하여 열전달 및 압력강하를 계산하여 열적 수력성능을 평가하였다.
- 유용도와 압력강하의 상호관계를 나타낸 모델로 기존 문헌의 실험결과와 비교하여 타당성을 제시하였다. 또한, 마이크로 열교환기의 재료 물성과 치수에 따른 열전달률과 압력강하 관계를 분석하였다.
- 열교환기 성능 향상을 위하여 한 플레이트에 차가운 유체와 뜨거운 유체가 번갈아가며 흐르는 채널 배열을 제안하였다. 지배방정식과 경계조건으로부터 열교환기 성능에 영향을 미치는 요소는 Re, Pr, Kr이다.
- Kang과 Tseng(5)은 마이크로 직교류 열교환기의 열 및 유동 특성을 예측할 수 있는 이론적 모델을 제시하였다. 유용도와 압력강하의 상호관계를 나타낸 모델로 기존 문헌의 실험결과와 비교하여 타당성을 제시하였다. 또한, 마이크로 열교환기의 재료 물성과 치수에 따른 열전달률과 압력강하 관계를 분석하였다.
- 직관 채널은 한 층에 2개씩 총 4개의 채널이 사용되었으며 채널의 가로, 세로 종횡비는 1로 고정된다. 이러한 형상이 연속적으로 나타나 열교환기를 구성하므로 고체 벽의 상하 좌우에는 주기 경계조건(Periodic B.C.)을 적용하였다. 기존의 열교환기와 본 연구에서 제안하는 열교환기 성능 비교를 위하여 기존 열교환기를 모델링할 때는 아래 두 채널에 고온 유체, 위 두 채널에 저온 유체를 유입시키고, 제안하는 열교환기에서는 대각선 방향으로 고온 및 저온 유체를 유입시킨다.
- 해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위하여 격자 의존성 테스트를 수행하였다. Re=100, Pr=10, Kr=10에서 격자수 변화에 따른 열전달률 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 4에 나타내었다. 제작 특성과 문헌에 보고된 내용을 바탕으로 채널의 폭과 높이는 0.6mm, 채널 사이의 간격은 채널의 폭과 같은 0.6mm, 길이는 84mm로 설정하였다. 채널 배열에 따른 열성능 향상이 주된 관심사이기 때문에 유입구와 유출구는 제외하였다.
- 채널 배열에 따른 열성능 향상이 주된 관심사이기 때문에 유입구와 유출구는 제외하였다. 해석 모델은 작동유체가 흐르는 직관 채널과 열전도가 일어나는 고체부로 구성된다. 직관 채널은 한 층에 2개씩 총 4개의 채널이 사용되었으며 채널의 가로, 세로 종횡비는 1로 고정된다.
데이터처리
- 기존의 열교환기와 본 연구에서 제안하는 열교환기 성능 비교를 위하여 기존 열교환기를 모델링할 때는 아래 두 채널에 고온 유체, 위 두 채널에 저온 유체를 유입시키고, 제안하는 열교환기에서는 대각선 방향으로 고온 및 저온 유체를 유입시킨다. 열유체 상용 프로그램인 Fluent v12를 이용하여 3차원 정상상태 조건에서 계산을 수행하였다.(9) 이산화 방법으로는 유한체적법을 사용하였다.
이론/모형
- 열유체 상용 프로그램인 Fluent v12를 이용하여 3차원 정상상태 조건에서 계산을 수행하였다.(9) 이산화 방법으로는 유한체적법을 사용하였다. Reynolds 수가2000 이하인 층류 모델을 적용하였고, 비압축성, 일성 물성치 유동으로 가정하였다.
성능/효과
- Kr이 작아지면 ks가 감소하고 전도열저항이 증가한다. 결론적으로 전도열저항이 크고, 대류열저항이 작을수록, 본 연구에서 제안된 채널 배열로 인한 성능 향상이 증가한다고 볼 수 있다.
- 한 채널을 기준으로 보면 위 아래로는 다른 온도의 유동이 존재하지만, 좌우로는 같은 온도의 유동이 존재하게 된다. 그에 반해 본 연구에서 제안하는 열교환기는 같은 층 내에서도 차가운 유체와 뜨거운 유체가 번갈아가며 존재하여 상하좌우 4방향 모두 다른 온도의 유동이 존재한다.
- 기존 배열에서 고체부의 온도는 유동 온도에 따라 플레이트별로 고온, 저온이 번갈아가며 나타나게 되는데, 이러한 현상으로 인해 열응력으로 인한 변형이 발생할 수 있다. 본 논문에서 제안된 채널 배열에서는 플레이트별로 고온, 저온이 주기적으로 존재하는 현상을 방지할 수 있다.
- Re, Pr이 증가할수록, Kr이 감소할수록 제안된 채널 배열로 인한 성능 향상이 증가한다. 열교환기의 총괄 열전달계수는 고온, 저온부의 대류열저항과 고체부의 전도열저항으로 나타낼 수 있는데, 전도열저항이 크고 대류열저항이 작을수록 제안된 채널 배열로 인한 성능 향상이 크다. 열전도계수가 작은 재료를 사용하고, Pr이 높은 유체를 작동 유체로 사용하고, Re가 큰 유동에 본 연구에서 제안한 채널 배열을 적용할 때 높은 열전달 성능 향상을 기대할 수 있다.
- 83W를 나타낸다. 이상의 결과로부터 고온 유동과 저온 유동이 번갈아가며 존재하는 채널 배열을 통하여 열교환 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
- Rachkovskij 등(4)은 마이크로 채널의 종횡비와 함께 적층수가 20장인 직교류 열교환기에 대한 연구를 수행하였다. 작동유체는 공기 대 공기로 실험을 통해 우수한 온도 근접성과 높은 체적열전달계수를 나타내었다. Kang과 Tseng(5)은 마이크로 직교류 열교환기의 열 및 유동 특성을 예측할 수 있는 이론적 모델을 제시하였다.
- 채널 벽에서의 열전달률을 비교해보면 기존 형상은 가로 방향 3.07W, 세로 방향 3.80W의 열전달률을 나타내고, 제안된 형상은 가로 세로 방향 모두 3.83W를 나타낸다. 이상의 결과로부터 고온 유동과 저온 유동이 번갈아가며 존재하는 채널 배열을 통하여 열교환 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
후속연구
- 열교환기의 총괄 열전달계수는 고온, 저온부의 대류열저항과 고체부의 전도열저항으로 나타낼 수 있는데, 전도열저항이 크고 대류열저항이 작을수록 제안된 채널 배열로 인한 성능 향상이 크다. 열전도계수가 작은 재료를 사용하고, Pr이 높은 유체를 작동 유체로 사용하고, Re가 큰 유동에 본 연구에서 제안한 채널 배열을 적용할 때 높은 열전달 성능 향상을 기대할 수 있다.
- 또한 화학반응이 일어나는 반응기는 반응물 및 생성물로 부식성이 강한 물질이 존재하는 경우, 비금속 물질을 사용해 제작하여야 한다. 이러한 열전도계수가 낮은 물질로 열교환기 또는 반응기를 제작할 때 본 연구에서 제안한 채널 배열을 적용하면 열성능 향상 효과를 볼 수 있을 것이다.
- 채널 형상 변화와 핀 설치 등은 압력 강하의 증가를 필요로 한다. 하지만 본 연구에서 제안하는 한 플레이트 안에서 차가운 유체와 뜨거운 유체가 번갈아가며 흐르는 채널 배열은 직관채널과 같은 형상으로 추가적인 압력 강하 없이 열성능 향상을 기대할 수 있다.
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