Experiments and computational analysis are done to investigate thermal hydraulic performance of a PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger) for IHX (Intermediate Heat Exchanger) of HTGR (High Temperature Gas cooled Reactor). After a PCHE is installed in a test loop, thermal hydraulic performance of a PCHE is conducted experimentally in an air test loop. We use the PCHE with the wavy channels of the cross-section of a semicircle whose length and hydraulic diameter are 765 mm and 0.922 mm, respectively, the mass flow rates of air range 80 - 250 kg/h and the maximum inlet temperatures are 350 ℃ and 200 ℃ at hot and cold sides, respectively. The range of the average Reynolds numbers in the PCHE is about 800 -3500. The friction factors were obtained in the present experiment. The friction factors in the wavy channels are by about 50% larger than that of the straight pipe while they are by more than 100% lower than the results from Hesselgreaves’ correlation. The pressure drop predicted by FLUENT agrees with that of the experimental data within 12.6 %. The data of thermal performance is analyzed to obtain overall heat transfer coefficient. The overall heat transfer coefficient ranges about 106~280 W/㎡K$ in the laminar region. The overall heat transfer coefficient increases linearly as the Reynolds number does. It turns out that the effectiveness of the PCHE is about 95 %.
고온가스 냉각로는 수소 생산 등 많은 열적 응용이 가능하고 높은 효율을 가지는 것으로 이에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 간접 사이클을 이루는 고온 가스 냉각로에서는 일차 측에서 이차 측으로 열전달을 이루는 중간 열교환기가 필수 요소이다. 이 중간 열교환기의 조건으로 고온 고압의 조건에서 열부식성이 강하고 고온고압의 상황에서 높은 열효율이 요구되고 있으며, 이에 따라 기존의 쉘 앤 튜브형 열교환기가 아닌 새로운 개념의 밀집형 열교환기의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 이러한 밀집형 열교환기의 한 종류인 인쇄형 열교환기의 열수력학적 성능을 평가하기 위해 인쇄형 열교환기의 마찰계수, 총합 열전달 계수와 열효율을 평가하였다. 또한 CFD 모델링을 통한 CFD 해석을 수행하여 감압의 정도를 실험과 비교해보았다.
수력학적 지름이 0.922 mm 를 가진 지름이 1.51 mm 인 반원형의 채널이 지그재그형상을 이루고 있는 PCHE는 1280개의 채널을 가지고 있다. 전체 유로의 길이는 765 mm 정도로 대향류 열교환을 하고 있다. 피치의 길이는 약 12 mm로 한 채널당 약 60개의 피치를 가지고 있는 것으로 측정된다. 유량은 125 kg/h를 기준으로 80 ~ 250 kg/h까지 되도록 하였고 이때 평균 게이지 압력은 약 150 kPa 이었다. 이때 일차측 입구 온도는 최고 350도 까지 가열되도록 하였으며 이차측 온도는 최고 200도까지 가열되도록 하였다.
인쇄형 열교환기의 열적 성능을 평가하기 위해 공기를 이용한 개방형계의 실험 장치를 구성하고, PCHE 양단에 온도와 압력을 측정하여 그 성능을 평가하였다. 먼저 실험은 히터에서 가열된 공기가 대향류 열교환을 이루는 열교환기를 통과할 때 층류 영역을 이루도록 하였으며, 레이놀즈수가 약 800에서 3500에 이르는 영역에서 실험을 수행하였다. 이때 열효율은 약 95 % 정도로 높게 나타났으며, 총합 열전달 계수는 106~280 W/ ㎡K$ 으로 측정되었다. 또한 압력강하는 18~78 kPa을 나타내었다. 이를 통해 패닝 마찰 계수는 0.0079 ~ 0.0205로 나타났다. 이는 기존의 플레이트 타입의 열교환기보다 낮은 마찰계수를 나타내었다. 그리고 압력강하는 입출구의 노즐과 노즐에서 공동으로의 확대와 축소, 공동에서 채널로의 확대화 축소에 의한 압력손실을 계산하여 측정값에서 보정하여 보다 정확한 결과를 나타내었다. 또한 입출구의 손실은 측정된 값의 4 ~ 12 % 를 나타내었다.
압력강하는 실험과 함께 CFD해석을 통해서도 비교 평가하였다. 실험값에서 측정된 한 지점에서의 데이터를 바탕으로 채널의 형상을 모델링한 후 FLUENT코드를 이용하여 그 압력강하를 계산하였다. 이를 반원형의 직관과 열수력학적 지름이 같은 원형직관에 대해서도 함께 계산을 수행하여 비교하였다. CFD해석은 실험값보다 약 12.6 %가 초과 계산하였다.
