The supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle has been receiving worldwide attention because of the high thermal efficiency at moderate turbine inlet temperature (300~700℃) due to relatively low compression work near the CO2 critical point (30.98℃, 7.38MPa). For the stable operation achieving high efficiency, maintaining compressor inlet condition near the critical point is important. Due to this reason, the heat exchanger design for the S-CO2 Brayton cycle has been one of the main engineering issues. The thermal hydraulic performance of a heat exchanger needs to be precisely predicted for the S-CO2 Brayton cycle system configuration. To predict the heat transfer performance and the pressure drop of a heat exchanger, a printed circuit heat exchanger (PCHE) design and analysis code was developed; namely KAIST_HXD and further improved by the author. By utilizing a conventional heat transfer correlation and a friction factor correlation, a small scale PCHE was manufactured and tested for the KAIST_HXD design code verification. From the experimental results, the designed PCHE showed sufficient heat transfer performance and the design code showed acceptable performance prediction as well. However, to design a PCHE with realistic pressure loss estimation, a friction factor correlation had to be modified by using computational fluid dynamics (CFD) analysis.
The main purpose of this study is to check applicability of a conventional correlation for designing a PCHE near the critical point, and presenting experimental results of the designed PCHE to validate the suggested design methodology.
초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 비교적 낮은 온도에서 간단한 싸이클 구성만으로도 높은 효율을 얻을 수 있어 주목을 받고있는 차세대 발전 싸이클이다. 초임계 이산화탄소 싸이클은 이산화탄소의 임계점 (31℃ 7.4MPa) 이상에서 액체와 기체를 구분할 수 없는 상태의 유체를 작동유체로 하는 발전 싸이클로 다른 유체보다 밀도가 높아 컴팩트한 터보기기와 열교환기 설계가 가능하다. 이 외에도 단순한 싸이클 레이아웃 만으로도 비교적 낮은 온도인 300~700℃의 터빈 입구온도에서도 높은 효율을 갖기 때문에 원자력을 비롯한 다양한 열원과의 적용을 위해 연구가 활발하다. 특히 차세대 원전은 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클이 높은 효율을 갖는 온도영역에서 개발되고 있기 때문에 소듐냉각 고속로 등과 연계되어 미래의 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 핵심 기술이 될 것으로 전망된다.
초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클이 높은 효율을 얻기 위해선 압축기 입구조건을 임계점 근처로 조절하여 압축일을 줄이는 것이 핵심 기술인데, 이를 위해선 예냉각기의 역할이 중요하다. 특히 물성치가 급변하는 임계점 근처에서 운전하기 때문에, 기존의 설계방식의 적용이 어렵고 성능 예측이 쉽지 않기 때문에 열교환기 설계 방법론에 대한 연구 필요성을 확인하였다. 하지만 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 최저압력이 임계압력(7.4MPa) 이상으로 상당히 고압이기 때문에 사용 가능한 열교환기가 제한적이다. 따라서 고압에서 운전 가능한 고집적 열교환기인 인쇄기판형 열교환기 설계 코드를 개발하였으며, 이를 통해 실제로 열교환기를 설계하였다. 설계 코드 검증을 위해서 임계점 근처 다양한 온도 압력 범위에서 성능 평가 실험을 하였으며, 설계코드를 통한 탈-설계점의 성능예측 결과와 비교하여 분석하였다. 본 연구를 통해서 기존 연구에서 제안된 초임계 영역의 상관관계식이 임계점 근처에서도 사용 가능함을 확인하였으며, 열교환기 설계 코드를 통한 정상상태 열교환 성능 예측이 유사함을 확인하였다. 또한 설계 및 성능예측의 정확성을 높이기 위해 실제 형상의 유로로부터 전산유체 해석을 통해 내부 유동장을 구하고 수정된 압력강하 상관 관계식을 제안하였다. 실제 유로는 기존 실험 및 해석 연구의 지그재그 채널 형상과 달리 모서리가 둥근 형상이었으며, 이와 같은 형상 차이가 압력손실 측면에서 큰 이득을 얻을 수 있음을 확인하였다. 개발된 설계 코드와 수정된 상관관계식을 통해 실제 시스템의 열교환기를 설계 시 부피 및 성능예측의 정확성을 높이는 것이 가능하며, 대형 시스템 설계 및 다양한 산업분야에서 활용이 가능할 것으로 생각된다.
추후 대형 열교환기 설계 시 고려되어야 할 입구영역 유동분배와 교차유동에 의해 발생하는 열전달 성능 변화에 대한 연구가 진행될 것이다. 또한 임계점 근처에서 운전되는 열교환기가 비 정상상태 또는 상태변화를 동반한 경우 성능변화와 시스템 안정성에 미치는 영향에 대해 연구할 계획이다.
