An experimental study has been conducted to examine the flow distribution of two-phase mixture in small-scale header-channels assembly.
As a fundamental approach, prediction models, originally developed for large T -junctions, were assessed based on the experimental results. Among the prediction models for T -junction flows, the model by Hwang et al. (1988) was concluded to be the most appropriate.
As for the effect of the flow interaction between two neighboring branches, the liquid flow rate (and hence, the total flow rate) through the downstream branch becomes smaller with the smaller branch distance. A correlation for the liquid dividing line was proposed to take account of the effect of the 'branch distance in predicting the liquid separation fraction within the accuracy of ?15% by modifying the model of Hwang et al. (1988).
The distribution pattern of the flow to the channels was determined by the flow recirculation occurred near the end plate of the header. The header flow consists of three zones, namely, regions A, B and C, regardless of inlet flow rate of the liquid and the gas. In the entrance region of the header (region A), less amount of the liquid was separated out through the channels as the two-phase mixture proceeded in the downstream direction. At the immediate upstream of the end plate (region C), the amount of the liquid separation also decreased as approaching the end plate but gradually due to the flow recirculation. In between those regions (i.e., in region B), the liquid separation rate increased along the downstream direction because of the interaction between the reverse flow (by the flow recirculation in region C) and the forward flow (in region A). For the gas flow distribution, the trend appeared opposite to the liquid case throughout the header section, but the variation was relatively small.
The rate of the liquid flow separation to the channels near the entrance of the header (i.e., region A) was well predicted by the modified model for single T junctions since this region is not affected by existence of the end plate (partition). For the other regions (i.e., region B and C), where the local flow recirculation effect predominates, no prediction model has been proposed up to date.
The distribution pattern is relatively insensitive to existence of the membranes inside the channels, number of the channels and spacing between the channels. On the other hand, the distribution pattern is strongly influenced by the two-phase flow configuration inside the header, which is easily controlled by adjusting the depth of the channel intrusion to the header wall. The optimum value of the intrusion depth for even distributions of the liquid and the gas flows to the channels was found to be about 1/8 of the header hydraulic diameter.
일반적으로 열교환기 유로 내를 흐르는 유량은 균일하지 않고, 심지어 유체가 지나가지 않는 유로도 존재하여, 본래의 성능을 발휘할 수 없게 된다. 따라서 균일한 유동 분배와 헤더에서의 2상 유동 분배를 예측하기 위해, 실험적 연구를 수행하였다.
전체적인 유동의 형태를 파악하기 위해, 15개의 채널이 존재하는 헤더에 대한 상 유동 분배에 관한 실험을 수행하였다. 이를 통해 유동 특성이 다른 개의 영역이 존재함을 알 수 있었다. 즉, 헤더 입구 부분에서는 하류의 영향을 받지 않는 영역(region A)이, 헤더의 끝부분에서는 그에 의한 영향을 받아 유동 재순환 영역이 발생하는 영역(region C)이 각각 존재하며, 두 영역 모두 하류로 갈수록 액체의 분기가 작아지는 경향이 나타났다. 두 영역의 사이(region B)에서는 하류의 재순환에 의한 액막의 역류 때문에 상류로 갈수록 액체의 분기량이 감소했다. 기체의 경우는 액체의 분기와 반대의 경향을 나타내지만, 그 변화는 작았다.
이러한 결과를 예측하기 위해, 헤더-채널의 형상을 T 자관의 병렬 형태로 간주하였다. 따라서 우선적으로 단일 T 자관에 대한 모델을 검토하였고, 그 다음 단계에서는 2 개의 T 자관이 병렬 연결된 경우에 대하여 두 번째 분기관에서의 상 유동 분배를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 단일 T 자관의 경우, 기존의 예측식 중 Hwang 등 (1988)의 모델이 -10 ~ 25%의 오차범위에서 실험결과를 잘 나타냈다. 또한, 2개의T 자관이 병렬 연결된 경우, 두 유로 사이가 가까울수록 두번째 유로로 분기되는 액체의 양이 첫번째 유로보다 상대적으로 적어짐을 확인할 수 있었고, 이를 Hwang 등 (1988) 모델을 수정하여 ±15% 의 오차 범위 이내로 표현할 수 있었다. 수정된 모델을 다 채널 헤더에서의 상 유동 분배 실험 결과에 적용할 경우, 하류의 영향이 없는 영역(region A)에서의 유동 분배 예측이 가능하였다.
분배에 영향을 미치는 중요한 인자들을 파악하고 균일한 유동 분배 조건을 제시하기 위해, 채널 멤브레인(membranes)의 존재 유무, 채널의 개수, 채널 간 거리, 그리고 채널의 헤더 내 돌출 길이에 대한 영향을 살펴보았다. 채널의 개수가 변하더라도 유동의 분배 경향은 변하지 않으며, 채널 멤브레인의 존재 유무 및 채널 간 거리의 영향은 작았다. 반면, 채널의 헤더 내 돌출 길이는 유동의 형태를 크게 변화시키며, 그에 의해 분배의 경향이 크게 달라짐을 관찰하였다. 이러한 실험 결과로부터 균일한 유동 분배를 얻을 수 있는 최적의 돌출길이가 헤더 수력직경의 1/8이 됨을 확인하였다.
