미니 열교환기의 다양한 유동 분포 정량화 방법 비교

Sep 16, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11482(2023) 이 기사 인용

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연구의 목적은 속도, 질량유량, 압력 및 온도를 사용하여 다양한 흐름 불량분포 정량화 방법을 비교하는 것입니다. 실험적으로 검증된 수치 연구가 준비되었으며 직경 3.1mm의 34개 반원형 채널이 있는 열교환기가 테스트되었습니다. 미니채널은 50, 60, 70, 80kW/m2의 열 유속으로 바닥부터 가열되었습니다. 0.1, 0.2, 0.3, 0.4m/s의 다양한 입구 속도에 대한 사례가 테스트되었습니다. 다양한 열 유속과 다양한 물 유입 속도를 갖는 총 16가지 경우가 생성됩니다. 그런 다음 16개 사례마다 속도, 압력 및 온도 프로파일을 기반으로 문헌에서 널리 사용되는 흐름 불량분포 계수를 계산했습니다. 연구에 따르면 모든 방법은 동일한 방식으로 열 교환기의 흐름 분포를 정의해야 하는 동일한 매개변수의 다른 결과를 제공합니다. 따라서 문헌에서 찾을 수 있는 열 교환기의 유체 분포 결론의 모호함은 흐름 불량 분포 계수의 다른 해석으로 인해 발생할 수 있습니다. 사용된 모든 열수력 매개변수에 대해 동일한 결과를 제공하는 정규화된 흐름 불량 분포 계수가 제안되었습니다.

Tuckerman과 Pease1는 채널의 수력학적 직경을 줄이면 열 전달이 더 강해진다는 것을 증명했습니다. 그 이후로 많은 연구자들이 미니 또는 마이크로채널을 다루고 있습니다2,3. 그러나 잘 알려진 바와 같이 채널의 수력학적 직경이 작을수록 속도(일정한 질량 유량의 경우)가 높아져 압력 강하도 커집니다. 열 교환기 흐름의 압력 강하를 합리적인 수준으로 유지하기 위해 총 질량 흐름 속도를 여러 가지로 나눌 수 있습니다. 이는 모든 경로의 속도를 낮추고(총 질량 유량을 일정하게 유지하면서) 압력 강하를 줄입니다. 그러나 공통 입구 및 출구 매니폴드와 연결된 많은 미니채널은 또 다른 유압 문제, 즉 불균일한 분포4를 제공합니다. 이 현상은 가장 흔히 흐름 불량 분포라고 불리며 열 교환기5뿐만 아니라 가스 탈황 타워6 또는 연료 전지7와 같은 다른 기술 영역에서도 문제를 야기합니다.

그러나 불균일한 흐름이 바람직할 수 있으며 전체 흐름을 개선하기 위해 의도적으로 불균일한 분포를 사용하는 응용 분야(예: 반응기에서 반응을 설계할 때 화학 공학8 또는 표면의 이질적인 열 유속이 발생할 수 있는 냉각 전자 장치9)가 있습니다. 장치의 성능. Li 등10은 불균일한 다중 피크 열 유속이 발생할 때 온도 핫스팟을 제거하기 위해 병렬 미니채널 방열판의 흐름을 맞춤화할 수 있음(모든 채널에서 서로 다른 질량 유량)을 보여주었습니다. 따라서 흐름의 잘못된 분포("잘못된/잘못된/잘못된" 분포)는 반드시 불균일한 분포를 의미하는 것은 아니며, 동시에 불균일한 분포 흐름이 항상 잘못된 분포를 의미하는 것은 아닙니다. 그럼에도 불구하고, 이 논문에서는 유리한 유체 분포가 균일한 속도 및 온도 분포와 동일하다고 가정하므로 여기서는 "유동 불량 분포"와 "비균일 유동"이라는 용어를 같은 의미로 사용합니다.

지난 몇 년간 미니, 마이크로, 콤팩트 및 매크로채널 열교환기의 유동 불균형에 관한 몇 가지 리뷰가 발표되었습니다11,12,13,14. Dario et al.11은 2상 흐름의 잘못된 분포에 영향을 미치는 요소와 흐름 균일성을 향상시키는 일부 헤더 설계가 논의된 병렬 채널의 2상 흐름 분포에 중점을 두었습니다. Siddiqui와 Zubair12는 열 교환기의 기하학적 구조(주로 매니폴드) 관점에서 흐름 불량 분포를 논의했습니다. 저자는 흐름 불량 분포를 수학적으로 설명하려고 시도한 몇 가지 분석 모델을 보여주었습니다. Ghani et al.13은 유동 불균형 분포 범위에서 매니폴드 설계에 주로 초점을 맞췄습니다. 저자들은 어떤 다양체를 구별할 수 있는지, 그리고 특정 다양체가 유체 분포에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 깊이 논의했습니다. Singh et al.14은 여러 열 교환기(플레이트, 플레이트-핀 및 튜브-핀)의 흐름 불량 분포를 설명하고 흐름 분포에 대한 상 변화 및 특성 변화의 영향을 보여줍니다. 저자는 태양열 집열기와 보다 지속 가능한 에너지 활용이라는 맥락에서 자신의 작업을 진행합니다.