A Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE) is one of the most promising heat exchangers of an intermediate heat exchanger (IHX) in High Temperature Gas-cooled Reactors (HTGRs), since PCHEs offer high effectiveness and a compact size. A PCHE consists of many micro-wavy channels, which increase heat transfer and pressure drop. For the development of the PCHE design technology, analyses of thermal-hydraulic characteristics on PCHE have been performed through experimental and numerical approaches. This thesis covered six research topics regarding PCHE from (a) to (f).
Thermal-hydraulic characteristics on PCHE in single-phase were investigated using a He-He condition and a He-Water condition in order to adapt PCHE to the IHX or the pre-cooler; (a) Thermal-hydraulic characteristic evaluations using a helium test loop and numerical simulations; (b) Thermal-hydraulic characteristic evaluations using a He-Water test loop and numerical simulations.
The correlations of Fanning factor and Nusselt number for various PCHE geometries were proposed to predict accurate pressure drop and heat transfer, since the thermal hydraulic characteristics on PCHE are significantly influenced by the geometrical parameters such as angle, pitch, and hydraulic diameter. Finally, the optimal design of PCHE for an IHX in HTGRs was suggested; (c) Physical model development and optimal design of PCHE for an intermediate heat exchanger (IHX) in HTGRs.
Thermal-hydraulic characteristics on PCHE were investigated using a binary mixture gas, since a mixture cycle can either increase thermal cycle efficiency or decrease turbo-machinery size in gas-cooled reactors. The correlations of Fanning factor and Nusselt number in mixture gas were compared with correlations previously developed in single working fluids; (d) Thermal hydraulic characteristic evaluations on PCHE using a mixture-water test loop and numerical simulations.
He-Water tests of PCHE were performed for GAMMA validations. Since more validations of GAMMA are necessary to prove the accuracy of GAMMA, the behaviors for steady state and two transient scenarios were investigated using the He-Water test loop. The data for steady state and transient state were compared to solutions provided from GAMMA; (e) He-Water tests for GAMMA validations.
Thermal-hydraulic characteristics on PCHE in two-phase were also investigated using a He-Water boiling test loop. These performance data can be used for either He-water steam cycle or steam electrolysis. Numerical solutions were obtained by using MARS code; (f) He-Water boiling tests for producing superheated steam.
인쇄형 열교환기는 높은 열효율을 갖는 소형 열교환기로 원자력 고온가스냉각로 분야뿐 아니라 극저온 유체 등 여러 분야에 사용될 여지가 큰 열교환기입니다. 그러나, 인쇄형 열교환기의 설계 및 제작기술이 현재 영국의 한 회사에 의해 독점되어 고가에 판매되고 있는 실정입니다. 가까운 미래에, 고온 고압 조건, 극저온 상황에 필요한 열교환기 시장이 커지게 될 경우, 로열티를 지급하고 생산하거나 높은 비용을 주고 인쇄형 열교환기를 구입해야하는 상황이 올 것으로 보입니다. 따라서 미래를 준비하고, 인쇄형 열교환기 설계 및 제작의 국산화 측면에서 인쇄형 열교환기 설계를 위한 실험데이터 양산 및 수치해석의 작업은 필수적이라고 할 수 있습니다. 따라서 이를 위해 6가지 주제로, 다양한 유체 및 작동 조건에서 인쇄형 열교환기의 특성을 평가하고 수치해석 작업을 실시하였습니다.
첫째, 중간열교환기 혹은 복열장치로의 적용을 위해 헬륨-헬륨 조건에서 인쇄형 열교환기의 특성을 평가하였습니다. 헬륨-헬륨 실험루프를 구성하였고, FLUENT 코드를 이용하여 수치해석을 수행하였습니다. 전체적 접근방법과 국부적 접근방법을 사용하여 상관식을 개발하였습니다. 두 상관식이 모습이 달라, 두 상관식을 GAMMA 코드에 넣어 시스템을 해석하였고, 그 결과 온도차이가 많이 나는 고온의 열교환기의 경우 국부적 접근방법을 사용해야 한다는 결론을 얻게 되었습니다.
둘째, 예냉기의 적용을 위해 헬륨-물 조건에서 인쇄형 열교환기의 특성을 평가하였습니다. 수평적 설치 및 수직적 설치 운전에 대해서 실험 결과 및 수치해석을 진행하였고, 그 결과, 인쇄형 열교환기 내의 유동 불균일을 줄이기 위해서는 수직적 설치에 의한 운전이 타당함을 밝혀내었습니다. 따라서, 물 쪽의 안정적인 유동을 위해서는 인쇄형 열교환기의 수직적 설치를 추천합니다.
셋째, 인쇄형 열교환기의 설계 및 제작에 기여하고자, 피치, 각도, 열수력직경등의 채널 형상을 고려하여 상관식을 개발하였고, 경제적인 사이즈를 제시할 수 있는 방법론을 제시하였습니다. 이 연구결과를 바탕으로, PBMR의 중간열교환기의 가격 면에서 경제적인 사이즈 및 운전 조건을 제시하였습니다. 본 연구결과는 다른 운전 조건에 최적화된 인쇄형 열교환기 사이즈를 제시할 수 있을 것으로 보입니다.
넷째, 혼합기체-물 조건에서의 인쇄형 열교환기 열수력적 특성을 검증하였습니다. 혼합기체 사용시 는 터빈 및 압축기 사이즈를 줄일 수 있고, 물성치 변화로 인해 전체 발전소 효율을 올릴 수 있는 장점이 있습니다. 본 연구를 통하여 혼합기체 조건에서 Fanning factor 및 Nusselt number 상관식을 제안하였고, “인쇄형 열교환기의 채널 형상(피치, 각도, 열수력직경)이 같다면, 온도, 압력, 유체종류, 혼합기체 혼합정도에 상관없이, 무차원 변수로 표현된 동일한 상관식으로 나타낼 수 있다” 라는 결론을 얻었습니다.
다섯째, 헬륨-물 실험 데이터를 이용한 GAMMA 코드 검증작업을 수행하였습니다. 헬륨-물 실험 루프를 이용하여 두 종류의 시간에 따른 데이터 변화 (물 유량 변화로 인한 시간에 따른 데이터변화와 물 입구 온도 변화로 인한 시간에 따른 데이터변화) 실험을 수행하였습니다. 물 입구 부분의 유량변화와 온도변화 정보를 GAMMA 코드에 반영하여 계산함으로써 GAMMA 코드는 이러한 시간에 따른 데이터 변화 상황을 잘 묘사함을 증명하였습니다.
여섯째, 과열증기를 생산하기 위해 인쇄형 열교환기를 이용한 헬륨-물 비등 실험을 수행하였고, 상당한 양의 열손실이 발생함을 관찰하였습니다. 또한 MARS 코드를 이용하여 열손실을 고려한 경우와 고려하지 않는 경우를 가정하여 수치해석 결과를 얻었고, 이를 실험데이터와 비교하였습니다. 그 결과, 과열증기의 낮은 열전달 계수로 인하여 열전달이 뜨거운 채널에서 차가운 채널로 잘 이루어지지 않고, 열손실로 빠져나감을 증명하였습니다. 인쇄형 열교환기가 과열증기 생산에 적합한 지를 증명하기 위해서는 좀 더 다양한 운전 조건에서의 실험이 필요할 것으로 보입니다.
