The wavy channels of a Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE) cause physical phenomena such as eddy and recirculation. In its channels both of the overall heat transfer coefficient and the pressure drop are enhanced. We built two test loops to study the thermal-hydraulic performance of a PCHE manufactured by Heatric Company: KAIST Air and Helium Test Loops. The KAIST tests are performed in laminar region. We estimated the fanning factor, overall heat transfer coefficient, and effectiveness based on their experimental data. We developed the empirical correlation for the fanning factor in the micro-wavy channels of the PCHE assuming that the total pressure drop is the sum of friction loss and form loss. From the results of the KAIST Air Test, the fanning factor is the same as that of the semi-circular pipe in the low Reynolds number: when the Reynolds number is lower than 120, the form loss can be negligible. However, the fanning factor in the KAIST Helium Test shows different behavior from that in KAIST Air Test: the loss factor for the pressure drop for Helium flow is much higher than that for air flow. We developed the empirical correlation for the heat transfer coefficient in the micro-wavy channels of the PCHE in the laminar region. The heat transfer coefficient in the PCHE is higher than that in the straight circular tube in the laminar region: it is proportional to the Re number.
21세기 에너지 고갈이라는 문제의 대안으로서 원자력의 가치가 대두대면서 원자력분야에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. Gen Ⅳ reactor 중 하나인 VHTR은 높은 효율과 quality 높은 고열, 그리고 수소생산 등 많은 장점을 가지고 있는 차세대 원자로이다. 본 연구에서 다루는 부분은 이 VHTR의 열교환기 부분으로, VHTR의 열교환기는 고온 고압을 견뎌내고 열전달효율이 좋아야 하므로 기존의 shell and tube 방식과는 다른 방식의 열교환기가 필요하게 되었고, 그러한 대안들 중 하나로 제시된 것이 인쇄형 열교환기이다. 열수력학적 특성을 파악하기 위한 parameter로서 fanning factor, overall heat transfer coefficient, effectiveness 를 사용하였다. 인쇄형 열교환기는 수력학적 지름이 0.922mm인 1.51mm 반원형의 1280개의 채널이 765mm길이로 지그재그모양을 하고 있다. 마이크로 지그재그 유로형상으로 인하여 에디와 리서큘레이션과 같은 물리적 현상이 발생함으로써 열전달효율을 높여주지만, 열교환기내 더 많은 압력손실을 초래하는 단점을 가지게 된다. 이러한 인쇄형 열교환기의 열수력학적 특성을 파악하기 위하여 두 가지 실험을 수행하였다. 하나는 공기를 이용한 KAIST Air Test와 다른 하나는 헬륨을 이용한 KAIST Air Test이다. KAIST Air Test는 송성주 졸업생이 예전에 디자인한 실험장치로, 그가 수행했던 실험을 다시 수행하고 잘못된 데이터 분석을 수정하고 결과를 재분석하였다. 이후 KAIST He Test 실험을 설계하고 디자인하였다. 본 연구에서는 인쇄형열교환기가 기존의 열교환기에 비해 얼마나 더 열전달효율을 증가시키는지, 그리고 얼마나 더 많은 압력 강하가 생기는지를 비교하여, 인쇄형열교환기의 열수력학적 특성을 분석하였다. 헬륨 실험에 여러가지 문제로 인하여, hydraulic test일부만 수행할 수 밖에 없었던 점을 아쉽게 생각한다. 실험 결과를 살펴보면, 인쇄형 열교환기를 사용할 때, Effectiveness의 경우 90~94% 정도의 높은 값을 나타내었고, fanning factor 의 경우 Air 와 Helium 매질을 달리 할 때의 경향이 다소 상이함을 보인다. 레놀드 넘버가 작은 영역에서의 실험이 아직 수행되지 않아 결론지어 이야기하기 어려우므로, 낮은 영역에서 실험을 더 추가하여 연구를 더 수행하여야 할 것 같다. Air 의 경우 overall heat transfer 증가량은 실험 결과부분에 잘 나타나 있다. 현재 코드를 이용한 검증이 되지 않아 인쇄형 열교환기에서의 열수력적 현상과 기존 열교환기의 열수력적 현상을 CFD로 검증하는 작업이 더 추가로 필요할 것 같고 이산화탄소 사이클의 경우를 생각하여, 이산화탄소를 넣어서 실험하여 실험해보는 것도 좋은 방법일 것으로 생각된다. 또한 인쇄형 열교환기 내에 헬륨과 물의 열수력적 특징을 알아보는 역시 좋은 실험이 될 것 같다.