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문제 정의
- 본 연구는 고성능 및 고효율에 따른 새로운 소형열교환기의 개발과 연구의 일환으로 마이크로 채널을 적용한 PCHE를 제안하고자 한다. 또한, 기존의 열교환기에 사용된 다양한 형상을 마이크로채널 PCHE의 내부 형상으로 설계하여 제작하고 그에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 살펴본다.
- 본 연구는 새로운 소형열교환기의 개발의 일환으로 마이크로채널과 확산접합의 마이크로채널 PCHE를 제작하였고 다양한 채널형상을 적용하여 열전달 및 압력강하 특성을 파악하였다.
- 또한, 기존의 열교환기에 사용된 다양한 형상을 마이크로채널 PCHE의 내부 형상으로 설계하여 제작하고 그에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 살펴본다. 이러한 새로운 소형열교환기 개념인 마이크로채널 PCHE의 형상 성능 연구를 통하여 다양한 적용분야에 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- (4)은 Nikitin et al.(3)의 직관채널 PCHE를 개선하여 S 형태의 핀 형상을 가진 새로운 PCHE를 제작하여 실험하였다. 또한, 3차원 전산해석을 통해 열적 수력성능을 평가하였다.
- (3)이 초임계의 CO2에 대해 열전달 및 압력강하 특성을 실험하였고, 레이놀즈수에 따른 국부 열전달계수와 압력강하 인자에 대한 실험상관식을 제안하였다. Ngo et al.
- Tsuzuki et al.(5)은 S 형상과 다양한 지그재그 형상에 있어 3차원 전산해석을 이용하여 열전달 및 압력강하를 계산하여 열적 수력성능을 평가하였다. PCHE 연구는 현재까지 고온/고압 유체적용에 따른 열적 성능특성과 효율을 개선시키기 위한 형상 연구에 국한되어 있었다.
- 마이크로채널 PCHE의 열교환량을 측정하기 위해 유입/유출부에 질량유량계, 열전대, 압력계 및 차압계를 설치하였다. 각 계측 장치는 보정(Calibrations)을 수행한 후 유량, 온도, 압력 및 차압 등을 데이터 수집장치를 이용하여 정상상태에서 모든 결과물을 0.5초 간격으로 저장하였다.
- 2에 나타내었다. 고온유체를 냉각하는 목적으로 내부를 고온측 유체가 흐르고 냉각수는 외부를 감싸면서 흐르는 방식으로 적층하였고, 대향류 유동배열을 선택하였다. 마이크로채널의 자세한 사양과 적층수는 Table 1에 제시하였다.
- 1에 나타내었다. 기초 형상으로 직관채널, 사인파 굴곡을 가진 파형채널, 그리고 옵셋 스트립 채널로 총 3종류의 마이크로채널 형상을 설계하여 금속 박판을 제작하였다. 직관채널은 대표적인 기초형상으로 다른 형상과의 비교대상으로 적용하였다.
- 평균열전달률의 결과는 고온측과 저온측의 입· 출구온도차와 질량유량에 따라 변하기 때문에 각형상의 마이크로채널 PCHE의 성능을 비교하는 지표로 사용하는데 한계가 있다. 따라서 Fig. 7에 고온측 레이놀즈수에 따른 대수평균온도차에 의한 총괄열전달계수를 계산하여 열전달 성능을 비교하였다. 파형채널과 옵셋 스트립 채널은 레이놀즈수가 증가할수록 총괄열전달계수도 증가하는 경향을 나타낸다.
- (3)의 직관채널 PCHE를 개선하여 S 형태의 핀 형상을 가진 새로운 PCHE를 제작하여 실험하였다. 또한, 3차원 전산해석을 통해 열적 수력성능을 평가하였다. Tsuzuki et al.
- 본 연구는 고성능 및 고효율에 따른 새로운 소형열교환기의 개발과 연구의 일환으로 마이크로 채널을 적용한 PCHE를 제안하고자 한다. 또한, 기존의 열교환기에 사용된 다양한 형상을 마이크로채널 PCHE의 내부 형상으로 설계하여 제작하고 그에 따른 열전달 및 압력강하 특성을 살펴본다. 이러한 새로운 소형열교환기 개념인 마이크로채널 PCHE의 형상 성능 연구를 통하여 다양한 적용분야에 기초자료로 활용하고자 한다.
- 마이크로채널 PCHE의 내부 채널형상은 직관, 파형, 옵셋 스트립으로 기존 열교환기에 연구되고 있는 형상을 적용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시스템 및 시험부의 열손실을 최소화하기 위해 실험장치 전 구간에 걸쳐 단열처리를 하였다. 마이크로채널 PCHE의 열교환량을 측정하기 위해 유입/유출부에 질량유량계, 열전대, 압력계 및 차압계를 설치하였다. 각 계측 장치는 보정(Calibrations)을 수행한 후 유량, 온도, 압력 및 차압 등을 데이터 수집장치를 이용하여 정상상태에서 모든 결과물을 0.
- 본 연구에서 마이크로채널 PCHE를 동일한 작업조건 하에서 여러 개 제작하였으며, 그 중 하나를 절단 후 마이크로채널 단면에 대해 실측하여 열전달 면적과 단면적을 계산에 반영하였다.
- 옵셋 스트립 채널은 스트립을 불연속적으로 지그재그 형태로 설치하여 새로운 경계층의 성장, 발달, 소멸을 반복하여 열전달 성능을 촉진 시키는 역할을 하게 된다(6,7). 본 연구에서는 3가지 형상을 마이크로채널 PCHE에 적용하여 열전달 및 압력강하를 비교하였다. 금속박판의 적층 상태와 유동 배열은 Fig.
- 시스템의 맥동방지를 위해 댐퍼를 사용하였고, 유체의 이물질을 여과하기 위해 마이크로 필터를 사용하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 최소화하기 위해 실험장치 전 구간에 걸쳐 단열처리를 하였다. 마이크로채널 PCHE의 열교환량을 측정하기 위해 유입/유출부에 질량유량계, 열전대, 압력계 및 차압계를 설치하였다.
- 고온유체와 냉각수의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 항온조, 정량펌프를 사용하였다. 시스템의 맥동방지를 위해 댐퍼를 사용하였고, 유체의 이물질을 여과하기 위해 마이크로 필터를 사용하였다. 시스템 및 시험부의 열손실을 최소화하기 위해 실험장치 전 구간에 걸쳐 단열처리를 하였다.
- 마이크로채널의 자세한 사양과 적층수는 Table 1에 제시하였다. 입·출구 포트(Port)와 노즐 (Nozzle)을 용접하여 일체형의 마이크로채널 PCHE를 제작하였고 Fig. 3에 나타내었다.
대상 데이터
- 실험 장치는 고온유체 순환부, 냉각수 순환부, 고온유체와 냉각수가 열교환하는 시험부로 구성된다. 고온유체와 냉각수의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 항온조, 정량펌프를 사용하였다. 시스템의 맥동방지를 위해 댐퍼를 사용하였고, 유체의 이물질을 여과하기 위해 마이크로 필터를 사용하였다.
- 본 연구의 레이놀즈수 범위는 수력직경의 유효 열전달면적에 따라 영향을 미치게 된다. 금속 박판 설계 시 채널 형상에 따른 유효 열전달면적을 계산하여 직관채널은 26,037mm2, 파형채널은 26,486mm2, 옵셋 스트립 채널은 26,497mm2이다. 직관채널의 수력직경은 0.
- 마이크로 포토에칭 기술을 적용하여 제작된 마이크로채널 형상을 가진 금속박판을 Fig. 1에 나타내었다. 기초 형상으로 직관채널, 사인파 굴곡을 가진 파형채널, 그리고 옵셋 스트립 채널로 총 3종류의 마이크로채널 형상을 설계하여 금속 박판을 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 고온유체와 냉각수는 DI-water를 사용하였다. 고온유체에 대한 입구온도는 40 ℃이고 냉각수의 입구온도는 20 ℃의 일정한 온도조건에서 실험을 수행하였다.
- 4에 나타내었다. 실험 장치는 고온유체 순환부, 냉각수 순환부, 고온유체와 냉각수가 열교환하는 시험부로 구성된다. 고온유체와 냉각수의 온도와 유량을 일정하게 유지하기 위해 항온조, 정량펌프를 사용하였다.
이론/모형
- 마이크로채널 PCHE의 수력직경과 레이놀즈수는 Cowell(8)에 의해 제시된 방법을 이용하여 계산하였고 식 (1)과 식 (2)에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 파형채널과 옵셋 스트립채널은 유사한 열전달 성능을 보였으며 직관채널보다 높은 열전달 성능을 보였다.
- (2) 파형채널과 옵셋 스트립채널은 레이놀즈수 100 ∼ 700 범위에서 약 0.5 ∼ 0.9 정도의 유용 도를 나타내었다.
- (3) 파형채널이 레이놀즈수가 증가함에 따라 압력강하가 크게 증가하였으며, 옵셋 스트립채널이 직관채널보다 낮은 압력강하 특성을 보였다.
- 파형채널은 레이놀즈수가 증가할수록 유동의 불안정성이 커지며, 옵셋 스트립 채널도 열 경계층이 앏아져 전열성능이 크게 향상된다. 그리고, 본 연구의 레이놀즈수 범위와 동일한 유효열전달 면적에서 옵셋 스트립은 파형채널과 유사한 열전달 성능을 나타내었다.
- 6의 결과에서도 볼 수 있듯이 질량유량이나 레이놀즈수에 따른 평균열전달률은 거의 유사한 경향을 나타낸다. 모든 형상은 레이놀즈수가 증가할수록 평균열전달률도 증가하였다. 파형채널과 옵셋 스트립 채널은 유사한 경향을 보이며, 직관채널보다 우수한 열교환 성능을 나타내었다.
- 파형채널이 가장 높은 압력강하를 나타내고 있으며, 옵셋 스트립 채널이 낮은 압력강하를 나타내었다. 열전달 특성과 달리 직관채널은 옵셋 스트립보다 20∼30% 높은 압력강하를 보였다. 파형채널은 사인파 굴곡에 의한 유속의 갑작스런 변화로 유동의 저항과 유동의 운동량 손실이 커져 압력강하도 상당히 높은 결과를 나타내었다.
- 7에 고온측 레이놀즈수에 따른 대수평균온도차에 의한 총괄열전달계수를 계산하여 열전달 성능을 비교하였다. 파형채널과 옵셋 스트립 채널은 레이놀즈수가 증가할수록 총괄열전달계수도 증가하는 경향을 나타낸다. 파형채널은 레이놀즈수가 더욱 증가하면 옵셋 스트립 채널 보다 더 높은 열전달 성능을 보일 수 있다.
- 모든 형상은 레이놀즈수가 증가할수록 평균열전달률도 증가하였다. 파형채널과 옵셋 스트립 채널은 유사한 경향을 보이며, 직관채널보다 우수한 열교환 성능을 나타내었다.
- 열전달 특성과 달리 직관채널은 옵셋 스트립보다 20∼30% 높은 압력강하를 보였다. 파형채널은 사인파 굴곡에 의한 유속의 갑작스런 변화로 유동의 저항과 유동의 운동량 손실이 커져 압력강하도 상당히 높은 결과를 나타내었다. 반면 옵셋 스트립 채널은 비교적 높은 열전달 성능과 낮은 압력강하를 나타내었다.
후속연구
- 6 정도에서 사용되어지므로 마이크로채널 PCHE도 소형화된 상용열 교환기로 활용될 수 있음을 보여준다. 또한, 다양한 형상 최적화를 통하여 유용도을 향상시킬 수 있으리라 판단된다.
- 다양한 마이크로채널 형상을 가진 PCHE는 고성능 및 고효율의 소형열교환기로 여러 적용분야에 활용할 수 있으나, 현재까지의 연구가 매우 미비한 실정이다. 최적화된 다양한 마이크로채널 형상 적용으로 열전달 성능과 압력강하 특성 연구가 요구되어지며, 체계적인 연구를 통한 마이크로채널 PCHE의 제작과 성능 자료를 확보하여 기존 상용열교환기의 대체 가능성에 관한 연구가 요구된다. 본 연구는 에너지관리공단(에너지기술 학술진흥사업 : 2006-E-CM03-P-03-0-000-2007)지원에 의하여 수행되었으며 이에 감사드립니다.
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