[논문]인쇄기판형열교환기 핵심치수 구조설계

김용완; 강지호; 사인진; 김응선

doi:10.20466/kpvp.2018.14.1.024

인쇄기판형열교환기 핵심치수 구조설계
Structural Design for Key Dimensions of Printed Circuit Heat Exchanger 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.14 no.1, 2018년, pp.24 - 31

김용완 (한국원자력연구원) , 강지호 (한국원자력연구원) , 사인진 (한국원자력연구원) , 김응선 (한국원자력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The mechanical design procedure is studied for the PCHE(printed circuit heat exchanger) with electrochemical etched flow channels. The effective heat transfer plates of PCHE are assembled by diffusion bonding to make a module. PCHE is widely used for industrial applications due to its compactness, cost efficiency, and serviceability at high pressure and/or temperature conditions. The limitations and technical barriers of PCHE are investigated for application to nuclear components. Rules for design and fabrication of PCHE are specified in ASME Section VIII but not in ASME Section III of nuclear components. Therefore, the calculation procedure of key dimensions of PCHE is defined based on ASME section VIII. The effective heat transfer region of PCHE is defined by several key dimensions such as the flow channel radius, edge width, wall thickness, and ridge width. The mechanical design procedure of key dimensions was incorporated into a program for easy use in the PCHE design. The effect of assumptions used in the key dimension calculation on stress values is numerically investigated. A comparative analysis is done by comparing finite element analysis results for the semi-circular flow channels with the formula based sizing calculation assuming rectangular cross sections.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 인쇄기판형열교환기의 단위모듈 치수설계를 수행하기 위해서 표준화된 치수결정 계산절차를 확립하였다. 열교환기의 설계압력에 대해 설계온도에서 재료의 허용응력값을 기준으로 ASME 절차에 준해 유효전열지역의 피치결정, 두께결정 등의 핵심치수를 결정하였다.

가설 설정

인쇄기판형열교환기의 설계압력과 설계온도를 입력하여 기술기준의 절차에 따라 계산한다. 반원형형상의 유로단면에 대한 응력은 수식적으로 계산할 수 없으므로 Fig. 1과 같이 직사각형으로 가정하여 계산한다.
전술한 바와 같이 수식에서는 반원형형상은 수식적으로 계산할 수 없으므로 직사각형으로 가정하여 계산하였다. 반원형태의 유로를 사각형으로 가정한 것에 대한 타당성을 유한요소해석으로 비교평가하였다.

제안 방법

ASME Section III에서 장기적으로 인쇄기판형열교환기에 대한 설계기준 수립을 계획하고 있지만, 잠정적으로 원자력급 인쇄기판형열교환기의 설계에는 ASME Section VIII의 인쇄기판형열교환기 해당부분과 ASME Section III Div.5 Subsection HB, Subpart B Design for Class A Service의 평가절차를 준용하는 방안을 사용하였다. 하중에 의한 허용응력을 만족해야 할 뿐만 아니라 막응력(membrane stress)과 선형화된 굽힘응력(bending stress)은 운전조건을 만족해야한다.
비선형연립방정식이 되므로 이를 구하기 위해서 초기 값으로 예상하고 수식을 풀어서 t₁과 t₂를 구한다. 구한 t₁과 t₂를 이용하여 K를 평가한 후 새로 구한 값을 입력하여 다시 수식을 푼다. 이렇게 반복 계산하여 수식에 사용한 값과 계산 후에 평가된 값이 일정한 범위(0.
전술한 바와 같이 수식에서는 반원형형상은 수식적으로 계산할 수 없으므로 직사각형으로 가정하여 계산하였다. 반원형태의 유로를 사각형으로 가정한 것에 대한 타당성을 유한요소해석으로 비교평가하였다. 형상비교는 Table 1에서 보는 것과 같이 세 가지 모델에 대해 비교하였는데 모델 1은 판의 두께와 유로 사이의 간극이 두꺼운 고압용에 사용되는 인쇄기판형열교환기 치수이며, 모델 3은 판이 얇고 유로 간극도 좁은 형태의 모델이며, 모델 2는 중간 형상이다.
두 가지 모델의 선형화된 응력값의 차이는 크지 않으므로 사각형으로 가정하여 치수를 결정하는 절차는 타당하다. 수식으로 결정된 치수에 대해 여유도가 작은 경우는 추가로 유한요소해석을 활용하여 반원모델의 응력을 평가하여 검증한다.
유효전열지역과 함께 여러 가지 형상의 원형 혹은 사각형의 헤더부위에 대한 치수결정도 할 수 있도록 프로그램에 추가하였다. 수식으로 치수를 결정하는 과정에서 사용되는 가정에 대해 비교계산을 수행하였다. 유효전열지역의 단면은 반원형이나 실제 수식에서는 사각형 단면으로 강도를 계산하므로 유한요소해석법으로 두가지 방법에 대해 계산을 수행하여 형상적 가정이 응력값에 미치는 영향에 대해 평가하였다.
본 연구에서는 인쇄기판형열교환기의 단위모듈 치수설계를 수행하기 위해서 표준화된 치수결정 계산절차를 확립하였다. 열교환기의 설계압력에 대해 설계온도에서 재료의 허용응력값을 기준으로 ASME 절차에 준해 유효전열지역의 피치결정, 두께결정 등의 핵심치수를 결정하였다. 치수설계는 여러 가지의 비선형수식으로 연계되어 있으므로 되풀이반복계산으로 설계 값을 결정하였다.
이는 열설계 절차와 연동하여 다양한 인쇄기판형열교환기의 설계에 활용될 수있다. 원자력기기로 적용할 경우에 대한 설계 및 계산 절차에 대해서도 ASME Section VIII의 인쇄 기판형열교환기 설계기준과 Section III division 5에 기초하여 적용성을 분석하였다. 제시된 절차로 초고온가스로의 중간열교환기 모듈 및 초고압용 인쇄기판형열교환기의 핵심치수를 계산하여 설계에 활용하였다.
치수설계는 여러 가지의 비선형수식으로 연계되어 있으므로 되풀이반복계산으로 설계 값을 결정하였다. 유효전열지역과 함께 여러 가지 형상의 원형 혹은 사각형의 헤더부위에 대한 치수결정도 할 수 있도록 프로그램에 추가하였다. 수식으로 치수를 결정하는 과정에서 사용되는 가정에 대해 비교계산을 수행하였다.
수식으로 치수를 결정하는 과정에서 사용되는 가정에 대해 비교계산을 수행하였다. 유효전열지역의 단면은 반원형이나 실제 수식에서는 사각형 단면으로 강도를 계산하므로 유한요소해석법으로 두가지 방법에 대해 계산을 수행하여 형상적 가정이 응력값에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 본 절차와 방법은 여러 가지의 인쇄기판형열교환기의 치수설계로 활용할 수 있다.
구조적인 치수결정계산에서 판의 두께와 피치를 결정한다. 인쇄기판형열교환기의 설계압력과 설계온도를 입력하여 기술기준의 절차에 따라 계산한다. 반원형형상의 유로단면에 대한 응력은 수식적으로 계산할 수 없으므로 Fig.
인쇄기판형열교환기의 핵심치수를 수치적으로 결정하는 절차를 연구하고 이를 프로그램화하여 설계에 사용하였다. 이는 열설계 절차와 연동하여 다양한 인쇄기판형열교환기의 설계에 활용될 수있다.
그러나 현재까지 확산접합을 원자력압력경계에 적용하는 기준은 없다. 잠정적으로, ASME Section III Division 5의 class A 기기로서 검토하면 유한요소해석을 수행한 후 다음과 같이 치수를 결정하는 방안이 제시된다.
제시된 절차로 초고온가스로의 중간열교환기 모듈 및 초고압용 인쇄기판형열교환기의 핵심치수를 계산하여 설계에 활용하였다.
초고온가스로의 중간열교환기는 950℃의 초고온에서 8MPa의 압력을 받으면서 운전된다. 초고온재료인 Alloy 617로 인쇄기판형열교환기 형태로 중간열교환기 모듈의 핵심치수를 결정하였다. 설계온도 950℃에서 Alloy 617의 허용응력은 7.
이 경우 수식이 단순화되어 별도의 비선형수식을 연계하여 계산할 필요가 없고 단순하게 계산 할 수 있다⁽²⁾. 측면의 두께가 판의 아래 두께에 비해 매우 크다는 가정이 없이 계산한 값을 기준으로 가정을 한 경우에 대한 차이 값을 비교하였다. t₁을 결정하는 전체응력 값을 Q와 N의 위치에서 비교한 것이 Fig.
치수 결정 수식의 가정을 분석하기 위해 유로의 직경은 고정하고 판의 두께와 유로사이의 벽이 두꺼운 경우와 얇은 경우를 중심으로 반원형유로 및 직사각형유로를 가정하여 유한요소해석을 수행하여 비교하였다.
열교환기의 설계압력에 대해 설계온도에서 재료의 허용응력값을 기준으로 ASME 절차에 준해 유효전열지역의 피치결정, 두께결정 등의 핵심치수를 결정하였다. 치수설계는 여러 가지의 비선형수식으로 연계되어 있으므로 되풀이반복계산으로 설계 값을 결정하였다. 유효전열지역과 함께 여러 가지 형상의 원형 혹은 사각형의 헤더부위에 대한 치수결정도 할 수 있도록 프로그램에 추가하였다.
3이다. 탄성해석이므로 단위압력을 가하여 응력해석을 수행하였다. 본 계산은 형상가정에 의한 상호비교를 조사하기 위해 수행한 내용으로서 ABAQUS의 3차원 요소인 C3D8을 사용하여 계산을 하였다.

대상 데이터

핵심치수 중 유로반경은 열교환기의 압력강하와 전체적인 크기 등의 영향을 받으므로 열유체설계에서 선정하고 이 값을 바탕으로 각 두께를 결정한 것이 Table 5와 같다. 설계에서는 열설계와 제작을 고려하여 유로반경은 0.5mm, t₁은 20mm, t₂는 1mm, 그리고 t₃는 1.5mm를 적용하였다.
유한요소해석은 상용 구조 해석프로그램인 ABAQUS를 사용하였다⁽¹²⁾. 해석에 사용한 탄성계수는 206GPa이며, 포와송비는 0.3이다. 탄성해석이므로 단위압력을 가하여 응력해석을 수행하였다.

이론/모형

탄성해석이므로 단위압력을 가하여 응력해석을 수행하였다. 본 계산은 형상가정에 의한 상호비교를 조사하기 위해 수행한 내용으로서 ABAQUS의 3차원 요소인 C3D8을 사용하여 계산을 하였다.
형상비교는 Table 1에서 보는 것과 같이 세 가지 모델에 대해 비교하였는데 모델 1은 판의 두께와 유로 사이의 간극이 두꺼운 고압용에 사용되는 인쇄기판형열교환기 치수이며, 모델 3은 판이 얇고 유로 간극도 좁은 형태의 모델이며, 모델 2는 중간 형상이다. 유한요소해석은 상용 구조 해석프로그램인 ABAQUS를 사용하였다⁽¹²⁾. 해석에 사용한 탄성계수는 206GPa이며, 포와송비는 0.

성능/효과

본 해석에서는 단 세가지 모델에 대해서 평가하였고 형상에 의해서 최대 15%이내의 차이가 발생하였다. ASME Section VIII의 설계여유도를 고려할 때 사각형으로 가정하고 설계를 위한 초기치수결정방법은 타당하다고 판단된다.
세 가지 모델에 대해 막응력과 전체응력을 비교해 한 결과는 Table 2,3,4와 같다. 유로단면의 형상이 반원형인 경우와 사각형인 경우의 선형화된 응력값의 최대 차이는 고압용으로 설계된 모델 1에서는 13%, 모델 2에서는 8%, 그리고 모델 3에서는 15%로 계산되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인쇄기판형열교환기의 장점은 무엇인가?	최근에 다양한 분야에서 사용하기 시작한 컴팩트 열교환기 중의 한 가지 형태인 인쇄기판형열교환기(printed circuit heat exchanger)는 화학적인 에칭방법으로 제작된 매우 작은 유로를 갖는 열교환기로서 확산접합으로 제작된다(1,2). 전열성능대비 부피가 다른 형태의 열교환기에 비해 매우 작고, 매우 작은 유로로 설계되므로 튜브형에 비해 고압이나 고온에서 사용이 유리한 것이 큰 장점이다. 이미 산업용에서는 간단한 에어쿨러를 비롯해 수소스테이션의 수소열교환기나 천연가스의 열전달용 열교환기 등 용도가 계속 확장되고 있다(3).
	인쇄기판형열교환기는 어떻게 제작되는 가?	최근에 다양한 분야에서 사용하기 시작한 컴팩트 열교환기 중의 한 가지 형태인 인쇄기판형열교환기(printed circuit heat exchanger)는 화학적인 에칭방법으로 제작된 매우 작은 유로를 갖는 열교환기로서 확산접합으로 제작된다(1,2). 전열성능대비 부피가 다른 형태의 열교환기에 비해 매우 작고, 매우 작은 유로로 설계되므로 튜브형에 비해 고압이나 고온에서 사용이 유리한 것이 큰 장점이다.
	인쇄기판형열교환기의 구조적인 특징은?	인쇄기판형열교환기는 화학적에칭으로 유로를 가공하기 때문에 유로의 형상이 반원이나 타원에 가까운 형태가 되며 유로의 크기도 통상 3mm를 넘지 않는다. 반원형의 형상이므로 강도 측면에서 치수를 결정하는 간단한 수식을 유도하거나 경험식을 제시하는 것이 어려우므로 적절한 가정이 필요하다.

참고문헌 (12)

Southall, D., Le Pierres, R., and Dowson, S.J., 2008, "Design Considerations for Compact Heat Exchangers," Proceedings of ICAPP'08, Anaheim, USA.
Le Pierres, R., Southall, D., and Osborne, S., 2011, "Impact of Mechanical Design Issues on Printed Circuit Heat Exchangers," Proceedings of SCO2 power cycles symposium.
Sabharwall, P., Carlk, D.E., Mizia, R.E., Glazoff, M.V., and McKellar, M.G., 2013, "Diffusion -Welded Microchannel Heat Exchanger for Industrial Processes," Journal of Thermal Science and Engineering Applications, MARCH 2013, Vol. 5 / 011009-1-12.
Futterer, M.A., Li, F., Sink, S., Groot, S., Pouchon, M., Kim, Y.W., Carre, F., Tachibana, Y., 2014, "Status of the Very High Temperature Reactor System," Progress in Nuclear Energy, Vol.77, pp. 1-16.

상세보기
Dostal, V., Driscoll, M.J., Hejzlar, P., 2004, "A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors," MIT-ANP-TR-100.
Kim, Y.W., et al., 2015, "Development of Key Technologies for Nuclear Hydrogen," KAERI/RR-3936/2014.
ASME, 2015, "Rules for Diffusion Bonded, Flat Plate, Microchannel Heat Exchanger," ASME B&PV Section VIII Code case 2437-1.
ASME, 2015, "Diffusion Bonding Section VIII, Division1," ASME B&PV Section VIII Code case 2621-1.
Nestell, J., Sham, T.L., 2015, "ASME Code Considerations for the Compact Heat Exchanger," ORNL/TM-2015/401.
ASME, 2015, "Materials," ASME B&PV Section II Part D.
Kim, Y.W., Kim, E.S., 2017, "Mechanical Design of Printed Circuit Heat Exchanger," KAERI/TR-6898/2017.
Dassault Systemes Simula Corp, 2013, "ABAQUS 6.13 Analysis User's Manual".

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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