Compact and high-effectiveness heat exchangers are required to ensure overall system performance in cryogenic processes. For that purpose, parallel microchannel heat exchangers have been studied in decades. To design conventional heat exchangers, the impacts of axial conduction and flow mal-distribution are not considered because their effects on a conventional heat exchanger performance are quite low. However, such impacts become substantial in heat exchangers for cryogenic applications due to their compactness and high effectiveness. The objective of this thesis is to investigate the impacts of axial conduction and flow mal-distribution and to improve the effectiveness by suppressing their negative impacts.
The numerical model is developed to describe the impacts of axial conduction and to reflect details of heat exchanger structures. The results show that the impact of axial conduction is negligible with dimensionless axial conduction parameter less than 0.005. The heat exchanger is fabricated to reduce axial conduction effect. The dimensionless axial conduction parameter of the fabricated heat exchanger reaches to ~ 0.001 with an improved design by reducing cross sectional area and increasing the length of the heat exchanger.
The impact of flow mal-distribution is investigated by numerical simulations which describe thermal hydraulic characteristics of multi-channel heat exchangers. The results show that the effectiveness is potentially decreased by several percent due to the flow mal-distribution in each channel. The impacts of flow mal-distribution in horizontal and vertical directions are separately considered, and the impact of vertical mal-distribution is slightly more substantial in a current configuration. The flow mal-distribution is predicted in the current configuration of the heat exchanger. The vertical mal-distribution is negligible, but a quite serious mal-distribution is observed in horizontal direction which can cause the effectiveness decrease by ~ 1%. The performance of the heat exchanger is improved by adopting flow re-distributing (bypass) structure near channel inlets, which redistributes flows evenly. The bypass structure is designed after performing simple numerical simulations, and the investigation shows that the width of bypass should be more than three times of channel diameter to make uniform flow distribution. Using the final version of design, the experiment is carried out to evaluate the heat exchanger performance in cryogenic environment and the heat exchanger almost reaches ideal effectiveness, ~ 98 %.
This work suggests the guideline in designing compact and high-effectiveness parallel microchannel heat exchangers. For those heat exchangers, the axial conduction parameter should be less than ~ 0.005, and the flow mal-distribution should be suppressed by adopting flow redistribution structure such as bypass.
열교환기는 극저온 공정에서 성능을 결정하는 매우 중요한 구성 요소이다. 최근 극저온 시스템의 소형화에 따라 열교환기의 크기도 감소해야 하는데, 이 때 마이크로 채널 열교환기를 사용할 수 있다. 일반적으로 열교환기를 설계할 때는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 문제를 무시하고 설계를 하지만, 극저온 상황에서는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 문제가 열교환기의 유용도에 심각한 영향을 나타내며, 이는 극저온 공정의 성능 하락으로 이어진다. 본 학위논문에서는 초박형 마이크로 채널 열교환기에서 발생되는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 문제에 따른 유용도를 정량적으로 표현하였으며, 이 두 가지 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시하였다.
먼저 축방향 열전달 효과를 확인할 수 있는 열교환기 모델을 제시하였다. 축방향 열전달 게수 (λ)가 0.005 이하일 때, 축방향 열전달의 효과를 무시할 수 있는 경우인 것을 확인하였다. 실제 열교환기 제작에 있어서 열교환기의 단면가공을 통하여 축방향 열전달 길이와 단면적을 증가할 수 있으며, 축방향 열전달 계수를 0.001 정도로 유지할 수 있는 방법을 제시하였다.
축방향 열전달 문제와 더불어, 유동 불균형 문제를 확인할 수 있는 열교환기 모델을 제시하였다. 마이크로 채널 열교환기에서 발생할 수 있는 유동 불균형의 양상과 정도를 가정하였으며, 정도와 양상에 따라 열교환기의 유용도 하락을 계산하였다. 마이크로 채널 열교환기의 입구(헤더)에서는 적층 방향과 평행 방향으로 유동 불균형이 발생할 수 있으며, 특히 적층 방향으로의 유동 불균형이 더욱 큰 유용도 손실을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이 때, 유동 불균형을 해소할 수 있는 구조가 열교환기 내부에 설치되어 있으면, 열교환기의 유용도 손실을 회복할 수 있는 것을 알 수 있었다. 평행 마이크로 채널을 형성하는 벽의 일부분을 허물어 바이패스 구조를 형성하면, 유동 재분배 역할을 하는 것을 CFD를 통하여 알 수 있었다.
축방향 열전달을 구분할 수 있는 열교환기, 유동 불균형 현상을 구분할 수 있는 열교환기를 각각 제작하여 극저온 혼합냉매 줄톰슨 공정에 적용하여 열교환기의 유용도를 관찰하였다. 유동 불균형과 축방향 열전달에 제어되면, 예상한 유용도를 나타내는 것을 실험적으로 확인하였다.
본 논문은 초박형 마이크로 채널 열교환기에서 발생할 수 있는 유동 불균형 문제와 축방향 열전달 효과를 수치적, 실험적으로 확인할 수 있었다. 열교환기 설계에 있어서, 제시하는 모델을 이용하면 더욱 정확한 유용도를 예측할 수 있으며, 축방향 열전달과 유동 불균형 해소법을 적용하여 고효율 열교환기를 제작할 수 있을 것이다.
