인쇄기판형 열교환기 양면 유로의 열수력 성능 및 특성에 관한 수치해석적 연구

Abstract

인쇄기판형 열교환기는 화학적 식각과 확산 접합을 통해 제작될 수 있는 소형 열교환기의 일종이다. 이러한 제작 공정으로 인해, 인쇄기판형 열교환기는 높은 집적도와 유효도를 가지며, 높은 구조 건전성을 갖는다. 이처럼, 열교환기의 소형화와 넓은 범위의 온도와 압력에서 사용이 가능한 인쇄기판형 열교환기는 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클, 해양 플랜트 등과 같은 다양한 산업 분야에 적용되기 위해 활발한 연구가 이루어 지고 있다. 인쇄기판형 열교환기는 화학적 식각을 통해 미세유로를 제작함에 따라 다양한 패턴의 유로를 형성시킬 수 있다. 이러한 열교환기 내의 유로 패턴에 따라 열교환기의 성능이 결정되며, 높은 열전달 성능 대비 낮은 압력강하를 갖도록 유로를 설계하는 것이 중요하다. 이에 따라, Kim et al. (2008)은 유로 내에 NACA 0020 익형 핀을 적용하여 기존의 지그재그형 인쇄기판형 열교환기와 동등한 단위 부피당 전열량을 유지하되, 압력강하를 1/20 수준으로 줄일 수 있는 익형유로 인쇄기판형 열교환기를 제안한 바가 있다. 익형유로 인쇄기판형 열교환기가 제안된 이후, 많은 연구자들에 의해 이에 대한 상세 설계 및 분석이 이뤄졌으며 또한, 기존의 익형 핀을 개조하여 더 높은 열수력 성능을 확보하기 위한 노력이 있었다. 그러나, 획기적인 성능 증진을 보이는 유로는 제안되지 못하였다. 본 연구에서는 2차원 유로 설계로 인한 유로 개발의 정체를 해소할 수 있는 양면 식각 기술을 통한 3차원 유로를 새로이 제안하고자 하였다. 3차원 유로 설계에 앞서, 현재까지 많은 연구가 이루어진 직관, 지그재그, 웨이비, 익형 핀을 기존 유로 4종으로 선정하여 열전달 및 압력강하의 특성과 원리를 수치해석적으로 분석하여 3차원 양면 유로를 제안하였다. 3차원 전산 유체 역학 해석을 위한 형상 모델링은 SolidWorks 2012를 사용하였고, 격자 생성은 ANSYS ICEM-CFD 16.2를 사용하여 사면체 또는 육면체 격자를 생성하였으며, 전산 해석은 ANSYS CFX 16.2를 사용하였다. 선정된 기존4종 유로 및 새롭게 제안된 2종의 3차원 유로의 형상변수는 ㈜두산중공업의 구조해석 기술을 지원받아 상온, 20MPa에서 구조건전성이 확보되는 값으로 선정하였고, 화학적 식각으로 제작되는 시편의 형상을 정확히 모델링하기 위해 ㈜CA tech의 Rexcan4 스캐너를 이용한 3차원 스캐닝 및 역설계 모델링과 실제 시편의 단면 정보를 기반으로 하는 이미지 기반 모델링을 동시에 수행하여, 3차원 형상 모델링을 진행하였다. 전산 유체 역학 해석은 수치해석적 방법론의 검증을 위한 더블 뱅킹 모델과 유로의 특성 분석 및 평가를 위한 싱글 뱅킹 모델을 구성하여 각각 수행하였다. 작동 유체는 물을 사용하였고, 비압축성 유체임을 고려하여, NIST REFPROP으로부터 물성치를 얻어 온도의 함수로 솔버 내에 입력하였다. 난류 모델은 y+의 민감도를 줄일 수 있다고 알려진 k-ω SST 모델을 이용하였다. ㈜ 두산중공업 위탁 연구 과제로부터 본 연구에서 수행된 6종의 유로에 대한 실험값을 얻을 수 있었으며, 이를 수치해석의 결과와 비교하였을 때, 압력강하는 26% 이내, 입출구 엔탈피 차이와 총 열저항은 각각 7%, 17% 이내의 오차를 보였다. 이는, 실험에서의 결합부에서의 압력강하 및 열전달 영향을 완벽히 배제할 수 없음과 3차원 모델링의 오차 등을 고려할 때 감안할 수 있는 오차로 판단되었다. 기존 4종 유로의 열전달 및 압력강하 특성을 분석한 결과를 바탕으로, 2종의 3차원 유로를 제안할 수 있었다. 첫번째로, 기존 지그재그 유로의 유동 특성을 유지하되, 판형 열교환기의 열전달 방향이 위, 아래인 특성을 이용하여 유동이 위, 아래로 영향을 끼쳐 유로 내의 윗면과 아랫면의 열전달 증진을 극대화할 수 있을 것이라 기대되는 계단식 유로를 제안하였다. 두번째 3차원 유로는 기존의 직관 유로의 낮은 압력강하 특성을 이용하고, 유체의 혼합을 유도하여 열전달 성능을 증진시키고자 하였다. 이를 위해, 기존의 직관 유로를 비스듬히 서로 맞대어, 서로 다른 유동 방향의 유체가 맞닿는 면에서 유체 혼합을 유도할 수 있는 양면 직관 유로를 제안하였다. 3차원 양면 유로에 대한 3차원 전산 유체 역학 분석을 통해 열전달 및 압력강하 특성을 분석한 결과, 계단식 유로의 유동은 위, 아랫면으로 부딪힘에 따라 높은 운동량을 그 위치에서 보임에 따라, 열전달 성능이 국소적으로 증진되었으나, 유동 박리 및 2차 유동으로 인해 높은 압력강하를 가질 것으로 예상되었다. 양면 직관 유로는 서로 다른 유동 방향을 갖는 계면에서의 마찰로 인해 소용돌이 유동이 발생하는 것을 확인하였다. 이로 인해, 전반적으로 균일한 열전달 계수 및 전단응력 분포를 보였다. 최종적으로, 3차원 양면 유로 2종의 열수력 종합 성능을 정량적으로 평가하고자, 무차원 성능 지수를 이용하여 평가하였다. 계단식 유로는 가장 높은 열전달 성능을 보였으나, 유동 박리 및 2차 유동의 발생으로 높은 압력강하를 보임에 따라 가장 낮은 열수력 종합 성능을 가졌다. 그러나, 양면 직관 유로의 경우, 일반적으로 열전달과 압력강하는 서로 상충관계에 있음에 반해, 유로 내의 소용돌이 유동으로 인해 2번째로 높은 열전달 성능을 가졌으나, 그에 비해 비교적 낮은 압력강하 성능을 가졌다. 이로 인해, 본 연구에서 수행된 6종 유로 중에 가장 높은 열수력 종합 성능을 가지는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 양면 식각 기술을 활용하여 양면 유로 2종을 제안하여, 양면 유로를 통한 성능 개선의 가능성을 확인하였다. 제안된 2종 유로 이외에도 3차원 양면 유로는 기존의 제한적이었던 2차원 유로보다 더욱 폭넓게 설계될 수 있으므로, 앞으로의 전망이 기대된다.

Printed Circuit Heat Exchanger(PCHE) is one of the promising candidates to be apply to various industries such as nuclear reactors, offshore plant, solar power system due to its high efficiency, high compactness and excellent structural integrity. There are a lot of efforts to improve the thermal-hydraulic performance of PCHE, but an innovative channel haven’t been suggested after the airfoil fin channel due to constraints of two-dimensional(2-D) design. In this research, using the double-sided etching technology, two channels with three-dimensional(3-D) geometry were proposed based on thermal-hydraulic characteristics of four conventional channels which were straight channel, wavy channel, zigzag channel, airfoil channel. The thermal-hydraulic characteristic and performance of them were numerically investigated. First, in order to improve the heat transfer performance, the newly-designed threshold channel which could make flow climb up and down was proposed. This threshold channel could improve the heat transfer coefficient at the top and bottom walls, thus showed the highest Nusselt number. Second, the double-sided straight channel was designed to improve the heat transfer performance of straight channel with inducing the mixing. The double-sided straight channel was composed of facing two straight channels diagonally each other. This configuration of the double-sided straight channel induced the swirling flow, it showed the best thermal-hydraulic performance evaluated with thermal performance factor and volume-goodness factor among the investigated channels in this research. Consequently, it could be concluded that the thermal-hydraulic performance of PCHE could be improved through the 3-D design of channel.