고효율 인쇄기판형 열교환기 유로 설계 전략
2019-11-06
org.kosen.entty.User@1ae2b0c8
권길성(kks840214)
1. 개요
인쇄기판형 열교환기(printed circuit heat exchanger, PCHE)는 일차측과 이차측의 전열판이 교대로 적층되어 블록을 형상하는 판형 열교환기로 분류할 수 있다. 인쇄기판형 열교환기의 제작에 사용되는 광화학적 식각(photochemical etching)과 확산접합(diffusion bonding)은 인쇄기판형 열교환기가 기존 판형 열교환기와 차별화되는 고유한 특징을 만든다. 광화학적 식각은 전열판에 유로를 형성하기 위해 이용한다. 감광제와의 견고한 접착을 위해 전열판 표면을 세정한 후, 감광제가 전열판 표면으로 도포되고 빛의 조사를 통해 유로 패턴이 형성되며, 감광제를 현상함으로써 식각을 위한 영역이 만들어진다. 재료에 맞춰 식각액(etchant)을 결정한 후, 식각액 내에 직접 담그는 침지법 또는 국부적으로 식각액을 재료에 분사시키는 스프레이법을 사용하여 유로가 제작된다. 확산접합은 블록 제작을 위해 사용한다. 고온/고압로 내에서 전열판의 접촉면 변형과 결정립(grain) 성장으로 접촉부의 공극이 채워짐으로써 결합된다. 가스켓(gasket) 또는 경납땜(brazing) 등으로 전열판을 결합하는 기존 판형 열교환기와는 다르게, 접촉면이 모재(base material)와 동일한 물리적, 화학적, 기계적 성질을 가지기 때문에 고온/고압 환경에서도 우수한 내구성을 보인다. 그림 1은 인쇄기판형 열교환기의 기본 제작 공정 및 개념도이다.
인쇄기판형 열교환기에 대한 개념은 1980년도 초반 시드니 대학교의 연구진에 의해 처음으로 제안되었으며, 1985년도 설립된 Heatric사에 의해 상용화가 시작되어 현재는 제한된 공간으로 인해 소형화된 기기가 요구되는 다양한 석유 및 가스 공정에 2500기 이상 적용되어 가동되고 있다. 인쇄기판형 열교환기에 대한 연구가 학계에서 본격적인 주목을 받은 것은 2000년대 중반 이후로 도쿄공업대학교의 초임계 이산화탄소 발전플랜트에 적용하는 연구 이후로 많은 논문들이 꾸준히 출간되고 있으며, 주로 헬륨을 냉각재로 사용하는 초고온가스로의 중간열교환기 (intermediate heat exchanger, IHX) 또는 초임계 이산화탄소 발전에서 사용화를 위한 핵심 기기인 복열기(recuperator)와 예냉기(precooler) 등과 같은 고온고압용 기기에 적용이 연구되고 있다. 또한, 최근에는 두산중공업 등에서 연료전지 자동차를 위한 수소스테이션에서 700bar로 가압된 고압의 기체 수소를 자동차에 주입 전 –40oC로 냉각하는 용도로 개발이 진행 중에 있다.
2. 유로 형상
인쇄기판형 열교환기의 성능은 열유동 특성과 밀접한 관련을 가지므로 최적의 유로 설계가 중요하다. 본 장에서는 인쇄기판형 열교환기에 적용되는 다양한 유로 형상에 대한 연구를 정리한다.
2.1. 지그재그 유로
지그재그 유로는 단위체적 당 높은 전열면적을 확보할 수 있다는 점으로 인해 인쇄기판형 열교환기를 위한 유로로 가장 널리 적용되고 있다.
Nikitin et al. [2]은 가로 71 mm x 세로 76 mm x 길이 896 mm의 인쇄기판형 열교환기에서 이산화탄소를 사용한 열유체 성능 실험을 수행하였다. 이 실험에는 1개의 고온측 전열판에 두 개의 저온측 전열판이 배치되는 구조를 가졌고, 전열판 내 고온측과 저온측은 서로 다른 형상의 지그재그 유로로 설계되었다 (그림 2). 실험으로부터 최대 출력 밀도는 4.4 MW/m3, 유용도는 ~99%의 결과를 얻었고, Fluent를 사용한 전산유체역학 해석을 통하여 고온측과 저온측의 대류열전달계수와 마찰계수에 대한 상관식을 도출하였다.
Kim et al. [3]은 헬륨을 사용하여 물결 모양의 지그재그 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기에 대한 열수력 성능 실험과 함께 블록 내 규칙성을 가진 국소 영역에서 전산해석을 수행하였다. 실험에 사용된 인쇄기판형 열교환기(가로 150 mm x 세로 144 mm x 높이 896 mm)는 Heatric에서 제작되었고, 고온측과 저온측의 유로는 동일하게 배열되었다. 식각을 통해 제작된 반원형 유로의 직경과 각도는 1.51 mm와 15°로 고정되었고, 실험과 전산해석 모두 층류 영역에서만 평가하였다. 그림 3은 본 실험에 사용된 인쇄기판형 열교환기 내부 유로 형상이다. 먼저, 실험을 통한 Fanning 마찰 계수와 Nusselt 수에 대하여 10% 이내의 오차를 가지는 상관식을 도출하였다.
실험을 통해서는 국소 영역에 대한 정보를 획득하는 것이 불가능하기 때문에 Fluent를 이용한 전산유체역학 해석을 수행하였다. 입구와 출구에서 평균화된 값을 이용하여 상관식을 개발한 실험과는 다르게, 전산해석에서는 물결 모양의 지그재그 유로에서 단일 피치를 기반으로 Nusselt 수에 대한 상관식이 도출되었다.
실험과 전산해석을 통하여 제시된 상관식이 Reynolds 수에 따라 비교되었고, Fanning 마찰 계수의 경우는 모든 Reynolds 수 범위에서 3% 이내의 작은 오차를 가진 반면 Nusselt 수에서는 기울기 차이로 인해 낮은 Reynolds 수에서 상당히 불일치하였다. 따라서 어떤 상관식이 더 정확하게 실험 결과를 예측할 수 있는지를 알아보고자, 내부 설계 코드(GAMMA 코드)를 이용하여 상관식에 따른 해석 결과를 비교하였고, 전산해석을 통하여 개발된 상관식에서 실험 결과 대비 더 적은 오차가 발생함을 확인하였다.
인하대학교에서는 도쿄공업대학교의 유로 형상을 기반으로 지그재그 유로를 최적화하는 연구를 수행하였다. Lee and Kim [3]에서는 저온측의 지그재그 유로 각도와 종횡비를 설계 변수로 하여 전산유체역학 해석을 수행하였다. 90°에서 180°범위 내의 지그재그형 유로 각도에서 유용도는 110°에서 가장 높은 값을 얻었고, 마찰계수는 지그재그형 유로 각도의 증가와 함께 감소함을 발견하였다. 반원형의 종횡비에 대한 결과에서는 유용도와 압력강하가 종횡비 증가와 함께 증가하는 경향을 보였다. 이 연구를 기반으로 열전달 성능과 마찰 손실을 목적 함수로 하여 다목적 최적화(multi-objective optimization) 알고리즘을 통한 지그재그 유로의 최적 형상을 도출하는 연구가 수행되어, 알고리즘을 통하여 도출된 결과가 실제 전산유체역학 해석을 통한 결과를 유사하게 예측할 수 있음을 보였다.
지그재그 유로의 다양한 단면 형상(반원형, 직사각형, 사다리꼴형, 원형)과 배열에 따른 인쇄기판형 열교환의 성능에 대한 비교 연구가 수행되었다. 그림 4는 단면 형상에 대한 개념도 및 유용도와 마찰계수에 대한 결과이다. 단면 형상에 따른 열수력 성능 연구는 상용 전산유체해석 프로그램인 CFX를 이용하여 수행되었고, 난류 모델로는 k-ε과 k-ω의 장점을 조합한 SST k-ω가 사용되었다. 단면 형상은 동일한 수력직경을 갖도록 설계하였으며, 동일한 수력직경에서 전열면적을 계산해보면 직사각형, 사다리꼴형, 반원형, 원형 순서를 가졌다. 유용도와 마찰계수의 크기는 모두 전열면적의 순서와 동일한 결과를 가짐을 확인하였다
2.2. 개방형 유로
2.2.1. S형핀 유로
S형핀 유로는 일본의 동경공업대학교에서 기존 지그재그형 유로의 높은 압력 손실을 낮추고자 제안되었다. Ngo et al. [4]에서는 전산유체역학을 통해 S형핀 유로를 적용한 인쇄기판형 열교환기에서 기체(이산화탄소)-액체(물) 열교환을 보고하였다. 그림 5는 S형핀 유로의 개략도이다. 해석을 통해 S형핀 유로의 유동장 내에서 높은 압력강하를 유발하는 역류와 와류가 발생하지 않음이 확인되었다. S형핀 유로의 각도를 52°로 고정한 상태에서 일차측(고온·고압 이산화탄소)와 이차측(저온·저압 물)의 최적의 유로 설계 지점을 각각 도출한 후, 기존 기기와의 비교를 통해 S형핀 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기에서 단위체적당 열전달률은 3.3 배 증가함을 보였고, 고온 이산화탄소측과 저온 물측에서의 압력강하는 각각 37%와 1/10 수준으로 감소됨을 보고하였다.
지그재그형 유로와 S형핀 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기가 이산화탄소를 작동유체로 하여 동등한 유로 각도(52°)에서 전산유체해석을 통해 비교되었다. S형핀 유로에서 지그재그형 유로와 동일한 단위체적당 열전달률을 유지하며 단위길이당 압력손실이 1/15 수준으로 감소하는 결과를 얻었다. 또한, 타원형핀 유로와 변형된 타원형핀 유로 등과의 비교를 통해 압력강하 측면에서 S형 핀 유로의 우수성을 보였다.
지그재그형 유로와 S형핀 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기가 이산화탄소를 작동유체로 하여 동등한 유로 각도(52°)에서 전산유체해석을 통해 비교되었다. S형핀 유로에서 지그재그형 유로와 동일한 단위체적당 열전달률을 유지하며 단위길이당 압력손실이 1/15 수준으로 감소하는 결과를 얻었다. 또한, 타원형핀 유로와 변형된 타원형핀 유로 등과의 비교를 통해 압력강하 측면에서 S형 핀 유로의 우수성을 보였다
2.2.2. 익형핀 유로
인쇄기판형 열교환기의 전열면적 상승과 함께 유로 저항 감소를 위하여 익형(NACA 0020) 모양의 핀이 포항공과대학교와 한국원자력연구원의 연구자에 의해 2008년도에 처음으로 제안되었고, 전산유체역학 해석을 통하여 지그재그형 유로와 동일한 조건에서 비교되었다. 연구자들은 전산유체역학 해석에 대한 유효성을 확보하기 위해 지그재그형 유로에 대한 해석 결과를 기존 실험 문헌의 결과와 비교하였고, 저온측과 고온측의 출구 압력 편차는 10.7%와 1.7%, 저온측과 고온측의 출구 온도 편차는 0.51%와 2.4%로 비교적 잘 예측할 수 있음을 보였다. 이 문헌에서 익형핀 수평 간격, 익형핀의 최대 두께 및 길이는 3.34 mm와 0.8 mm, 4 mm로 각각 고정한 상태에서 익형핀의 수직 간격을 4 mm, 2 mm, 1 mm로 변경하여 해석을 수행하였다. 해석을 위한 유체로는 이산화탄소가 사용되었고, 난류 모델로는 Renormailization group (RNG) k-ε을 이용하였다. 그림6은 해석에 사용된 익형핀의 형상 및 유로 배열에 대한 개념도이다. 전산유체역학 해석을 통해 익형핀 유로에서는 유동 박리 현상이 지그재그형 유로와 비교하여 현저히 적어짐으로 인해 압력 강하가 상당히 감소하는 것을 발견하였고, 익형핀의 수직 간격이 1 mm인 경우에, 거의 동등한 단위체적당 열전달률을 가지면서, 압력 강하는 1/12 수준으로 감소하는 결과를 얻었다.
2.2.3. 3차원 유로
3차원 유로는 중심면을 기준으로 상부와 하부가 서로 다른 방향의 지그재그 패턴을 가지도록 구성되며, 상부와 하부의 지그재그 패턴이 교차하는 영역에서 유체 혼합이 발생한다. 이와 같은 유체 혼합은 열전달을 개선할 수 있다고 예상된다. Villito et al. [5]에서는 그림 7과 같이 3차원 지그재그 유로에 대해 연구하였다. 본 연구에서 작동 유체는 질소로, 입구온도는 350oC로, 상하부의 열유속은 32.4 kW/m2으로 고정하여 해석을 수행하였다. 해석의 신뢰성 확보를 위하여 y+를 변경하며 격자 해석을 수행하였고, y+가 1.2에서 해석 결과가 격자에 의해 민감하게 변화하지 않음을 발견하였다. 두 가지 다른 지그재그 각도(20o와 45o)에서 Reynolds 수가 20000에서 60000으로 변화시켜가며 마찰계수와 Nusselt 수를 도출하였고, 도출된 결과를 이용하여 아래와 같은 상관식을 개발하였다. 본 문헌에서는 3차원 유로 적용 시 직선형 유로 대비 단위부피당 출력이 최대 40% 개선될 수 있다고 보고하였다.
3. 결언
본 코센보고서에서는 높은 단위체적당 전열면적과 결합면에서 소재와 유사한 구조적 강도를 가지는 인쇄기판형 열교환기의 유로 설계에 대해 다루었다. 초기 지그재그 유로로 국한된 연구에서 압력강하로 인한 에너지 손실을 줄이기 위해 신규 유로가 제안되었으며, 이를 최적화하는 연구가 진행 중에 있다.
References
1. Nikitin, K., Kato, Y., & Ngo, L. Printed circuit heat exchanger thermal-hydraulic performance in supercritical CO2 experimental loop, International Journal of Refrigeration 29, 807-814, 2006.
2. Kim, I. H., No, H. C., Lee, J. I., & Jeon, B. G., Thermal hydraulic performance analysis of the printed circuit heat exchanger using a helium test facility and CFD simulation, Nuclear Engineering and Design 239, 2399-2408, 2009.
3. Lee, S. M., & Kim, K. Y. A parametric study of the thermal-hydraulic performance of a zigzag printed circuit heat exchanger, Heat Transfer Engineering 35. 1192-1200, 2014.
4. Ngo, T. L., Kato, Y., Nikitin, K., & Ishizuka, T. Heat transfer and pressure drop correlations of microchannel heat exchangers with S-shaped and zigzag fins for carbon dioxide cycles, xperimental Thermal and Fluid Science 32, 560-570, 2007.
5. Vitillo, F., Cachon, L., Reulet, P., Laroche, E., & Milan, P. An innovative plate heat exchanger of enhanced compactness, Applied Thermal Engineering 87, 826-838, 2015.
인쇄기판형 열교환기(printed circuit heat exchanger, PCHE)는 일차측과 이차측의 전열판이 교대로 적층되어 블록을 형상하는 판형 열교환기로 분류할 수 있다. 인쇄기판형 열교환기의 제작에 사용되는 광화학적 식각(photochemical etching)과 확산접합(diffusion bonding)은 인쇄기판형 열교환기가 기존 판형 열교환기와 차별화되는 고유한 특징을 만든다. 광화학적 식각은 전열판에 유로를 형성하기 위해 이용한다. 감광제와의 견고한 접착을 위해 전열판 표면을 세정한 후, 감광제가 전열판 표면으로 도포되고 빛의 조사를 통해 유로 패턴이 형성되며, 감광제를 현상함으로써 식각을 위한 영역이 만들어진다. 재료에 맞춰 식각액(etchant)을 결정한 후, 식각액 내에 직접 담그는 침지법 또는 국부적으로 식각액을 재료에 분사시키는 스프레이법을 사용하여 유로가 제작된다. 확산접합은 블록 제작을 위해 사용한다. 고온/고압로 내에서 전열판의 접촉면 변형과 결정립(grain) 성장으로 접촉부의 공극이 채워짐으로써 결합된다. 가스켓(gasket) 또는 경납땜(brazing) 등으로 전열판을 결합하는 기존 판형 열교환기와는 다르게, 접촉면이 모재(base material)와 동일한 물리적, 화학적, 기계적 성질을 가지기 때문에 고온/고압 환경에서도 우수한 내구성을 보인다. 그림 1은 인쇄기판형 열교환기의 기본 제작 공정 및 개념도이다.
인쇄기판형 열교환기에 대한 개념은 1980년도 초반 시드니 대학교의 연구진에 의해 처음으로 제안되었으며, 1985년도 설립된 Heatric사에 의해 상용화가 시작되어 현재는 제한된 공간으로 인해 소형화된 기기가 요구되는 다양한 석유 및 가스 공정에 2500기 이상 적용되어 가동되고 있다. 인쇄기판형 열교환기에 대한 연구가 학계에서 본격적인 주목을 받은 것은 2000년대 중반 이후로 도쿄공업대학교의 초임계 이산화탄소 발전플랜트에 적용하는 연구 이후로 많은 논문들이 꾸준히 출간되고 있으며, 주로 헬륨을 냉각재로 사용하는 초고온가스로의 중간열교환기 (intermediate heat exchanger, IHX) 또는 초임계 이산화탄소 발전에서 사용화를 위한 핵심 기기인 복열기(recuperator)와 예냉기(precooler) 등과 같은 고온고압용 기기에 적용이 연구되고 있다. 또한, 최근에는 두산중공업 등에서 연료전지 자동차를 위한 수소스테이션에서 700bar로 가압된 고압의 기체 수소를 자동차에 주입 전 –40oC로 냉각하는 용도로 개발이 진행 중에 있다.
2. 유로 형상
인쇄기판형 열교환기의 성능은 열유동 특성과 밀접한 관련을 가지므로 최적의 유로 설계가 중요하다. 본 장에서는 인쇄기판형 열교환기에 적용되는 다양한 유로 형상에 대한 연구를 정리한다.
2.1. 지그재그 유로
지그재그 유로는 단위체적 당 높은 전열면적을 확보할 수 있다는 점으로 인해 인쇄기판형 열교환기를 위한 유로로 가장 널리 적용되고 있다.
Nikitin et al. [2]은 가로 71 mm x 세로 76 mm x 길이 896 mm의 인쇄기판형 열교환기에서 이산화탄소를 사용한 열유체 성능 실험을 수행하였다. 이 실험에는 1개의 고온측 전열판에 두 개의 저온측 전열판이 배치되는 구조를 가졌고, 전열판 내 고온측과 저온측은 서로 다른 형상의 지그재그 유로로 설계되었다 (그림 2). 실험으로부터 최대 출력 밀도는 4.4 MW/m3, 유용도는 ~99%의 결과를 얻었고, Fluent를 사용한 전산유체역학 해석을 통하여 고온측과 저온측의 대류열전달계수와 마찰계수에 대한 상관식을 도출하였다.
Kim et al. [3]은 헬륨을 사용하여 물결 모양의 지그재그 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기에 대한 열수력 성능 실험과 함께 블록 내 규칙성을 가진 국소 영역에서 전산해석을 수행하였다. 실험에 사용된 인쇄기판형 열교환기(가로 150 mm x 세로 144 mm x 높이 896 mm)는 Heatric에서 제작되었고, 고온측과 저온측의 유로는 동일하게 배열되었다. 식각을 통해 제작된 반원형 유로의 직경과 각도는 1.51 mm와 15°로 고정되었고, 실험과 전산해석 모두 층류 영역에서만 평가하였다. 그림 3은 본 실험에 사용된 인쇄기판형 열교환기 내부 유로 형상이다. 먼저, 실험을 통한 Fanning 마찰 계수와 Nusselt 수에 대하여 10% 이내의 오차를 가지는 상관식을 도출하였다.
실험을 통해서는 국소 영역에 대한 정보를 획득하는 것이 불가능하기 때문에 Fluent를 이용한 전산유체역학 해석을 수행하였다. 입구와 출구에서 평균화된 값을 이용하여 상관식을 개발한 실험과는 다르게, 전산해석에서는 물결 모양의 지그재그 유로에서 단일 피치를 기반으로 Nusselt 수에 대한 상관식이 도출되었다.
실험과 전산해석을 통하여 제시된 상관식이 Reynolds 수에 따라 비교되었고, Fanning 마찰 계수의 경우는 모든 Reynolds 수 범위에서 3% 이내의 작은 오차를 가진 반면 Nusselt 수에서는 기울기 차이로 인해 낮은 Reynolds 수에서 상당히 불일치하였다. 따라서 어떤 상관식이 더 정확하게 실험 결과를 예측할 수 있는지를 알아보고자, 내부 설계 코드(GAMMA 코드)를 이용하여 상관식에 따른 해석 결과를 비교하였고, 전산해석을 통하여 개발된 상관식에서 실험 결과 대비 더 적은 오차가 발생함을 확인하였다.
인하대학교에서는 도쿄공업대학교의 유로 형상을 기반으로 지그재그 유로를 최적화하는 연구를 수행하였다. Lee and Kim [3]에서는 저온측의 지그재그 유로 각도와 종횡비를 설계 변수로 하여 전산유체역학 해석을 수행하였다. 90°에서 180°범위 내의 지그재그형 유로 각도에서 유용도는 110°에서 가장 높은 값을 얻었고, 마찰계수는 지그재그형 유로 각도의 증가와 함께 감소함을 발견하였다. 반원형의 종횡비에 대한 결과에서는 유용도와 압력강하가 종횡비 증가와 함께 증가하는 경향을 보였다. 이 연구를 기반으로 열전달 성능과 마찰 손실을 목적 함수로 하여 다목적 최적화(multi-objective optimization) 알고리즘을 통한 지그재그 유로의 최적 형상을 도출하는 연구가 수행되어, 알고리즘을 통하여 도출된 결과가 실제 전산유체역학 해석을 통한 결과를 유사하게 예측할 수 있음을 보였다.
지그재그 유로의 다양한 단면 형상(반원형, 직사각형, 사다리꼴형, 원형)과 배열에 따른 인쇄기판형 열교환의 성능에 대한 비교 연구가 수행되었다. 그림 4는 단면 형상에 대한 개념도 및 유용도와 마찰계수에 대한 결과이다. 단면 형상에 따른 열수력 성능 연구는 상용 전산유체해석 프로그램인 CFX를 이용하여 수행되었고, 난류 모델로는 k-ε과 k-ω의 장점을 조합한 SST k-ω가 사용되었다. 단면 형상은 동일한 수력직경을 갖도록 설계하였으며, 동일한 수력직경에서 전열면적을 계산해보면 직사각형, 사다리꼴형, 반원형, 원형 순서를 가졌다. 유용도와 마찰계수의 크기는 모두 전열면적의 순서와 동일한 결과를 가짐을 확인하였다
2.2. 개방형 유로
2.2.1. S형핀 유로
S형핀 유로는 일본의 동경공업대학교에서 기존 지그재그형 유로의 높은 압력 손실을 낮추고자 제안되었다. Ngo et al. [4]에서는 전산유체역학을 통해 S형핀 유로를 적용한 인쇄기판형 열교환기에서 기체(이산화탄소)-액체(물) 열교환을 보고하였다. 그림 5는 S형핀 유로의 개략도이다. 해석을 통해 S형핀 유로의 유동장 내에서 높은 압력강하를 유발하는 역류와 와류가 발생하지 않음이 확인되었다. S형핀 유로의 각도를 52°로 고정한 상태에서 일차측(고온·고압 이산화탄소)와 이차측(저온·저압 물)의 최적의 유로 설계 지점을 각각 도출한 후, 기존 기기와의 비교를 통해 S형핀 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기에서 단위체적당 열전달률은 3.3 배 증가함을 보였고, 고온 이산화탄소측과 저온 물측에서의 압력강하는 각각 37%와 1/10 수준으로 감소됨을 보고하였다.
지그재그형 유로와 S형핀 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기가 이산화탄소를 작동유체로 하여 동등한 유로 각도(52°)에서 전산유체해석을 통해 비교되었다. S형핀 유로에서 지그재그형 유로와 동일한 단위체적당 열전달률을 유지하며 단위길이당 압력손실이 1/15 수준으로 감소하는 결과를 얻었다. 또한, 타원형핀 유로와 변형된 타원형핀 유로 등과의 비교를 통해 압력강하 측면에서 S형 핀 유로의 우수성을 보였다.
지그재그형 유로와 S형핀 유로를 가진 인쇄기판형 열교환기가 이산화탄소를 작동유체로 하여 동등한 유로 각도(52°)에서 전산유체해석을 통해 비교되었다. S형핀 유로에서 지그재그형 유로와 동일한 단위체적당 열전달률을 유지하며 단위길이당 압력손실이 1/15 수준으로 감소하는 결과를 얻었다. 또한, 타원형핀 유로와 변형된 타원형핀 유로 등과의 비교를 통해 압력강하 측면에서 S형 핀 유로의 우수성을 보였다
2.2.2. 익형핀 유로
인쇄기판형 열교환기의 전열면적 상승과 함께 유로 저항 감소를 위하여 익형(NACA 0020) 모양의 핀이 포항공과대학교와 한국원자력연구원의 연구자에 의해 2008년도에 처음으로 제안되었고, 전산유체역학 해석을 통하여 지그재그형 유로와 동일한 조건에서 비교되었다. 연구자들은 전산유체역학 해석에 대한 유효성을 확보하기 위해 지그재그형 유로에 대한 해석 결과를 기존 실험 문헌의 결과와 비교하였고, 저온측과 고온측의 출구 압력 편차는 10.7%와 1.7%, 저온측과 고온측의 출구 온도 편차는 0.51%와 2.4%로 비교적 잘 예측할 수 있음을 보였다. 이 문헌에서 익형핀 수평 간격, 익형핀의 최대 두께 및 길이는 3.34 mm와 0.8 mm, 4 mm로 각각 고정한 상태에서 익형핀의 수직 간격을 4 mm, 2 mm, 1 mm로 변경하여 해석을 수행하였다. 해석을 위한 유체로는 이산화탄소가 사용되었고, 난류 모델로는 Renormailization group (RNG) k-ε을 이용하였다. 그림6은 해석에 사용된 익형핀의 형상 및 유로 배열에 대한 개념도이다. 전산유체역학 해석을 통해 익형핀 유로에서는 유동 박리 현상이 지그재그형 유로와 비교하여 현저히 적어짐으로 인해 압력 강하가 상당히 감소하는 것을 발견하였고, 익형핀의 수직 간격이 1 mm인 경우에, 거의 동등한 단위체적당 열전달률을 가지면서, 압력 강하는 1/12 수준으로 감소하는 결과를 얻었다.
2.2.3. 3차원 유로
3차원 유로는 중심면을 기준으로 상부와 하부가 서로 다른 방향의 지그재그 패턴을 가지도록 구성되며, 상부와 하부의 지그재그 패턴이 교차하는 영역에서 유체 혼합이 발생한다. 이와 같은 유체 혼합은 열전달을 개선할 수 있다고 예상된다. Villito et al. [5]에서는 그림 7과 같이 3차원 지그재그 유로에 대해 연구하였다. 본 연구에서 작동 유체는 질소로, 입구온도는 350oC로, 상하부의 열유속은 32.4 kW/m2으로 고정하여 해석을 수행하였다. 해석의 신뢰성 확보를 위하여 y+를 변경하며 격자 해석을 수행하였고, y+가 1.2에서 해석 결과가 격자에 의해 민감하게 변화하지 않음을 발견하였다. 두 가지 다른 지그재그 각도(20o와 45o)에서 Reynolds 수가 20000에서 60000으로 변화시켜가며 마찰계수와 Nusselt 수를 도출하였고, 도출된 결과를 이용하여 아래와 같은 상관식을 개발하였다. 본 문헌에서는 3차원 유로 적용 시 직선형 유로 대비 단위부피당 출력이 최대 40% 개선될 수 있다고 보고하였다.
3. 결언
본 코센보고서에서는 높은 단위체적당 전열면적과 결합면에서 소재와 유사한 구조적 강도를 가지는 인쇄기판형 열교환기의 유로 설계에 대해 다루었다. 초기 지그재그 유로로 국한된 연구에서 압력강하로 인한 에너지 손실을 줄이기 위해 신규 유로가 제안되었으며, 이를 최적화하는 연구가 진행 중에 있다.
References
1. Nikitin, K., Kato, Y., & Ngo, L. Printed circuit heat exchanger thermal-hydraulic performance in supercritical CO2 experimental loop, International Journal of Refrigeration 29, 807-814, 2006.
2. Kim, I. H., No, H. C., Lee, J. I., & Jeon, B. G., Thermal hydraulic performance analysis of the printed circuit heat exchanger using a helium test facility and CFD simulation, Nuclear Engineering and Design 239, 2399-2408, 2009.
3. Lee, S. M., & Kim, K. Y. A parametric study of the thermal-hydraulic performance of a zigzag printed circuit heat exchanger, Heat Transfer Engineering 35. 1192-1200, 2014.
4. Ngo, T. L., Kato, Y., Nikitin, K., & Ishizuka, T. Heat transfer and pressure drop correlations of microchannel heat exchangers with S-shaped and zigzag fins for carbon dioxide cycles, xperimental Thermal and Fluid Science 32, 560-570, 2007.
5. Vitillo, F., Cachon, L., Reulet, P., Laroche, E., & Milan, P. An innovative plate heat exchanger of enhanced compactness, Applied Thermal Engineering 87, 826-838, 2015.