써모사이폰 열교환기 설계 프로그램의 개발과 검증
A Development and Validation of Thermosyphon Heat Exchanger Design Program
- 주제(키워드) Heat exchanger , Thermosyphon , Heat pipe , design , program
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이정호
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000033408
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
With the rising energy demand, waste heat recovery applications become more important than ever. A thermosyphon heat exchanger is one of the most effective devices for recovering waste heat. Numerical methods can be applicable to design thermosyphon heat exchangers, but it takes huge computation time and cost. For these reasons, several studies tried to calculate the thermal performance of thermosyphon heat exchangers without numerical methods. However, these attempts did not consider phase-change phenomena in thermosyphon and pressure drop through heat exchangers. A design program using an empirical analysis model has been proposed to avoid a complex numerical simulation. The proposed thermal design program includes the thermal resistance model, empirical correlations of tube banks with external flow, and the ε-NTU method for heat exchangers. The overall heat transfer coefficient is obtained through the thermal resistance model to design the heat exchanger based on the ε-NTU method. Empirical correlations are used to obtain phase-change heat transfer coefficients, external convection heat transfer coefficients, and pressure drops of thermosyphon heat exchangers. A heat exchanger including 95 thermosyphons in a staggered array has been manufactured and tested in 9 different conditions to validate the thermal design program. Comparing the design program with the thermal performance test result shows an average error of 2.0% for thermal performance and an average error of 17.4% for pressure drop. This result shows that the thermosyphon heat exchanger design program presented in this study can be useful in the design process in its engineering applications.
more초록/요약
지속적으로 증가하는 에너지 수요로 인하여, 폐열을 회수할 수 있는 장치들에 대한 관심이 높아지고 있다. 써모사이폰 열교환기는 폐열을 회수할 수 있는 장치들 중 하나로, 다른 폐열 회수 장치들에 비하여 높은 효율과 내구성을 가진다. 실제 산업 현장에서 요구하는 성능을 가지는 써모사이폰 열교환기를 제작하기 위해서는, 설계가 필수적으로 진행되어야 한다. 설계에 필요한 성능 계산을 전산유체역학을 통해서도 수행 할 수 있지만 많은 시간과 계산 자원을 필요로 한다. 이를 해결하기 위하여 수치해석을 이용하지 않고 써모사이폰 열교환기의 성능을 계산하기 위한 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 이런 연구들은 단순한 형태의 써모사이폰 열교환기에 대해서만 연구하였고, 써모사이폰 열교환기 내에서의 압력강하에 대한 고려도 부족한 모습을 보였다. 본 연구에서는 관군을 통과하는 외부 대류에 의해 발생하는 열전달과 압력강하의 경험적 상관식과 써모사이폰에 대한 열회로분석, 그리고 열교환기의 ε- NTU법을 사용하여 배플이 적용된 열교환기의 성능을 계산하는 방법을 제시하였다. 또한 프로그램의 신뢰성을 검증하기 위하여 실제 써모사이폰 열교환기를 제작하여, 성능 시험을 진행하였다. 동일 조건에서 설계 프로그램을 통하여 얻은 계산값을 실제 성능시험을 통하여 얻은 값과 비교하여 정확성을 검증하였다.
more목차
제 1 장 서론 1
제 1 절 연구 배경 1
제 2 절 연구 동향 및 분석 4
제 3 절 연구 목적 6
제 2 장 써모사이폰 열교환기 해석 모델 8
제 1 절 써모사이폰 열교환기 열저항 해석 모델 8
제 2 절 써모사이폰 관군에 대한 상관식의 적용 11
제 3 절 열교환기의 ε-NTU법 14
제 4 절 열교환기내 혼합 유동 모델 16
제 5 절 열교환기 내 압력강하의 계산 19
제 6 절 열교환기 열성능 해석 절차 22
제 3 장 열교환기 열성능 평가 실험 24
제 1 절 실험 장치 및 구성 24
제 2 절 실험 장치와 조건 30
제 3 절 데이터 정리와 불확도 분석 34
제 4 장 써모사이폰 열교환기 성능 실험 결과 37
제 1 절 휜이 없는 매끈한 써모사이폰 열교환기 37
제 2 절 원형 휜이 부착된 써모사이폰 열교환기 41
제 3 절 두 써모사이폰 열교환기 사이의 비교 45
제 5 장 써모사이폰 열교환기 설계 프로그램의 검증 49
제 1 절 설계 프로그램을 통한 성능 예측 결과 49
제 2 절 실험 결과를 통한 설계 프로그램의 검증 54
제 3 절 면적비를 이용한 혼합 유동 해석 모델의 타당성 61
제 6 장 결론 68
참고 문헌 71
Abstract 75
