The printed circuit heat exchanger (PCHE) has advantages such as operation in wide temperature range, high effectiveness, compactness, high structural integrity and reliability in comparison with the existing heat exchangers. Through this dissertation, the most suitable channel type for the intermediate heat exchanger (IHX) of KAIST Advanced Pyro-SFRs (KAPS), which is an advanced integrated reactor, was determined.
We devised and evaluated the following three channel configurations: the Straight PCHE, the S-shape PCHE and the Zig-Zag PCHE. These three types were compared with respect to pressure drop and demanded surface area by design methodology. As a result, in case of the pressure drop, while the Zig-Zag PCHE had the excessive pressure drop, the pressure drop of the Straight PCHE was lowest among three PCHE types: pressure drops in a supercritical CO2 (SCO2) channel for a 12 module case are 247,574 Pa (Straight PCHE), 585,570 Pa (S-shape PCHE) and 2,889,321 Pa (Zig-Zag PCHE). The Zig-Zag PCHE was calculated to give the minimum required wall surface area while the S-shape PCHE needed the largest surface area among the three PCHE types: the required wall surface area are 10,824 m2 (Straight PCHE), 14,081 m2 (S-shape PCHE) and 5,502 m2 (Zig-Zag PCHE) when 12 modules of PCHEs was applied to KAPS. As the maximum surface area to be manufactured for a SCO2 channel with 12 modules of PCHE is 12,503 m2, the Straight PCHE with 10,824 m2 satisfied the required wall surface area requirement.
In the total cost calculation, pump operating cost was the dominant one. Therefore the PCHE with the lower pressure drop showed the lower total cost under the same module number. We found out that 12 modules of Straight PCHE showed the lowest total cost among the three candidate designs for KAPS operation according to the design methodology.
We conducted the CFD calculation using fluent to validate the design methodology. The CFD analysis estimated 200,896 Pa and 10,824 m2 for the pressure drop and the surface area in the SCO2 channel of Straight PCHE with 12 modules as, respectively. Comparing the CFD results and the design methodology ones, the pressure drop and the required wall surface area from the CFD results are slightly lower than those from the design methodology.
인쇄기판형 열교환기 (PCHE)는 기존 열교환기에 비교하여 넓은 온도 범위에서 운전 가능하며 높은 효율, 작은 부피 그리고 높은 구조건전성과 안전성을 갖는다. 본 논문에서는 일체형 원자로인 KAPS의 1차측 소듐과 2차측의 초임계 이산화탄소 (SCO2)를 연결하는 열교환기로서, 어떤 유로 형상의 PCHE가 적합할 것인가에 대해서 다루었다.
본 논문에서는 Straight형, S-shape형 그리고 Zig-Zag형, 이 3가지 종류의 PCHE에 대해서 연구하였다. 이 3가지 형태의 PCHE는 디자인 방법론에 의해 압력강하 및 필요 열전달 면적에 대해서 비교되었다. 그 결과, Zig-Zag PCHE가 가장 높은 압력강하를 보였으며, Straight PCHE가 가장 낮은 수준이었다. 12개 모듈을 사용하였을 때, SCO2 유로의 압력강하는 247,574 Pa (Straight PCHE), 585,570 Pa (S-shape PCHE) 그리고 2,889,321 Pa (Zig-Zag PCHE) 이었다. 반면, 필요 열전달 면적 같은 경우, Zig-Zag PCHE가 최소의 면적을 보였으며, S-shape PCHE가 가장 많은 필요 열전달 면적이 요구 되었다. 예를 들어, 12개의 모듈을 사용하였을 때, 필요 열전달 면적은 각각10,824 m2 (Straight PCHE), 14,081 m2 (S-shape PCHE) 그리고 5,502 m2 (Zig-Zag PCHE) 으로 계산되었다. 제작사에서 제작가능한 12개 모듈 최대사이즈에서의 필요 열전달 면적이 12,503m2 이므로 Straight PCHE인 경우, 조건을 만족한다고 볼 수 있다.
총 비용은 압력강하에 따른 펌프비용에 큰 영향을 받게 된다. 이로 인해 같은 모듈수를 사용하였을 때, 가장 낮은 압력강하를 갖는 PCHE가 총 비용을 최소로 갖게 된다. 계산결과, 같은 모듈수를 사용했을 때, Straight PCHE가 최소의 비용을 듦을 확인하였다. 디자인 방법론을 이용하여 계산한 결과, 3가지 종류의 PCHE중에서 KAPS 조건에 만족하는 PCHE는 12모듈의 직선형 PCHE이었다.
디자인 방법론을 뒷받침하기 위해서 CFD 검증이 하였고. CFD 계산을 통해서 12개의 Straight PCHE의 SCO2 채널의 압력강하는 200,896 Pa, 채널 면적 10,824m2을 구할 수 있었다. 디자인 방법론을 통해서 구한 결과와 비교하면 압력강하는 18% 감소하였고, 면적은 8.3% 낮게 측정 되었다.
