While various Brayton cycles have been studied, the supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle was identified as one of the promising candidates for a future power cycle since it has high cycle efficiency at moderate temperature range and can be realized with compact components and simple layout. To develop an efficient S-CO2 cycle, the major technical challenge exists in the design of cycle components. In this thesis, CFD analysis of S-CO2 centrifugal compressor and PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger) are presented. The numerical results of S-CO2 compressor were compared to the experimental data obtained from S-CO2 Pressurizing Experiment (SCO2PE) facility. A three dimensional mesh was produced by utilizing a compressor full geometry provided by compressor manufacturer. A property table of CO2 was generated by an in-house code and implemented to the CFD code. The compressor efficiency and pressure ratio of S-CO2 compressor were investigated. To design a PCHE in wide Reynolds number range, important information such as local friction factor and Nusselt number are required. Since the PCHE utilizes micro channel technology it is very difficult to measure the local parameters inside the channels. Therefore, numerical investigation to recover this information is essential. The main purpose of this study is to check if pre-existing set of correlations can successfully applied to the PCHE design and provide a conservative component design for the nuclear appli-cation.
초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 미래의 동력 변환 시스템의 강력한 후보 중 하나이며, 활발하게 연구가 진행 중이다. 초임계 이산화탄소 싸이클은 비교적 낮은 온도범위에서 높은 싸이클 효율과 작은 부피의 컴포넌트 크기를 갖고 있으며 단순한 레이아웃으로 제작할 수 있다. 이러한 여러가지 장점들 때문에, 다음세대 원자력 시스템의 동력 변환 계통으로 주목 받고 있다. 또한 집중 태양광 발전 (Cencentrated Solar Power) 및 화력발전 시스템의 전력 생산 싸이클로 적용될 수 있다. 또한 초임계 이산화탄소 싸이클이 소듐냉각 고속로에 적용될 경우, 격렬한 소듐-물 반응을 상대적으로 약한 소듐-이산화탄소 반응으로 대체할 수 있어서 원자로의 안전성이 향상될 수 있다.
초임계 이산화탄소 싸이클은 다른 Brayton 싸이클에 비해 적은 압축일을 소비한다. 초임계점 근방의 이산화탄소가 비압축성 유체에 가까운 성질을 나타내기 때문에, 비압축성으로 인해 적은 압축일로도 쉽게 압력이 증가할 수 있다. 따라서 초임계점 근방에서 높은 싸이클 효율을 달성할 수 있다. 이전의 실험연구로부터 초임계 이산화탄소의 비압축성을 확인할 수 있었다. 따라서 물펌프 기술을 기반으로 한 압축기를 압축기 실험루프에 설치하고 일부 비압축성을 갖는 초임계 이산화탄소의 압축기 실험을 수행하였다. 초임계 이산화탄소 압축기 실험루프의 실험결과는 이 연구에서 수행한 전산유체해석 결과와 함께 비교되었다.
이 연구에서는 초임계 이산화탄소 압축기의 형상으로부터 격자를 제작하고, 압축기의 효율과 압력비 특성을 조사하고 초임계점 근방에서 나타나는 물리적 현상을 이해하기 위해 전산유체해석을 수행하였다. 초임계점 근방에서 심하게 변하는 이산화탄소 물성치를 모사하기 위해서 RGP 테이블이 제작되어 전산유체해석에 사용되었다. 여러가지 정밀도의 테이블이 제작되었고, 테이블에 크기에 따른 물성치 오차를 조사하여 적절한 크기의 테이블을 선택하였다. 전산해석 결과 초임계점에서 먼 작동 조건과 물을 작동 유체로 적용한 해석결과는 실험결과와 높은 일치도를 보였으나, 초임계점 근방의 작동 조건 에서는 압축기 효율이 17-21%의 상대오차를 나타내었다. 이 오차는 초임계점과 가까운 상태에서의 물성치 오차와, 미임계 영역이 일부 구간에서 발생했기 때문으로 예상된다.
초임계 이산화탄소 싸이클에 적용할 수 있는 PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger) 기술로 인해서 열전달 성능이 좋지 않은 기체나 초임계 유체도 동력 싸이클의 작동유체로 사용할 수 있게 되었다. PCHE는 부피가 작으면서 뛰어난 열전달 성능을 가지고 있기 때문에, 초임계 이산화탄소 싸이클에 적용하기에 적합하다. 초임계 이산화탄소 PCHE에 대한 이전의 실험연구로부터 열전달 성능과 압력강하에 대한 상관식이 도출되었다. 그러나 이 상관식은 제한된 레이놀즈 수 영역에서만 사용할 수 있기 때문에, 상용화 크기의 PCHE의 설계를 위해서는 더 넓은 레이놀즈 수 영역에서 사용할 수 있는 상관식의 개발이 필수적이다. 따라서 이 연구에서는 PCHE의 전산유체 해석을 수행하여 Nusselt수와 압력강하 성능을 기존의 상관식과 비교하고, 상관식이 사용될 수 있는 영역을 조사하였다. PCHE의 해석결과 고온부의 유효범위 내에서는 상관식과 좋은 일치도를 나타냈으나, 저온부 에서는 기존의 상관식과 큰 오차를 보였다. 저온부 에서 실험과 전산유체해석 모델의 채널 각도가 차이가 있었으며, 이산화탄소 물성치가 실제값과 차이를 나타냈기 때문에 발생한 오차로 예상된다. 이 해석 결과를 통해서 Ngo 상관식을 사용하고 있는 열교환기 설계코드인 KAIST-HXD가 보수적인 설계코드임을 확인하였다. 향후 연구에서는 주기적인 경계조건을 유지하면서 저온부에서 정확한 각도를 갖는 모델이 개발될 것이다. 또한 물성치 테이블을 이용하여 정확한 물성치를 모사하고, 보다 정확한 전산유체해석을 수행하여 PCHE 설계에 사용할 수 있는 상관식을 개발할 예정이다. 또한 이산화탄소의 임계점 근방의 조건에서의 해석을 통해서 PCHE recuperator 뿐만 아니라 PCHE pre-cooler에 대한 연구도 수행할 것이다.