A Design and Fabrication Method of New Compact Heat Exchangers Using Triply Periodic Minimal Surface

김지호; 유동진

doi:10.7736/JKSPE.020.025

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자료유형: 학술저널

저자정보: 김지호 (대진대학교) 유동진 (대진대학교)

저널정보: Korean Society for Precision Engineering Journal of the Korean Society for Precision Engineering Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol.37 No.7

발행연도: 2020.7

수록면: 509 - 518 (10page)

DOI: 10.7736/JKSPE.020.025

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This paper describes a new design method for constructing a heat exchanger computational model comprising TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) core structures. These TPMS-Based core structures cannot be designed using the existing CAD systems, especially for heat exchangers with a high level of geometric complexity. This paper introduces a new implicit design algorithm based on the VDF (Volumetric Distance Field) calculation. All geometric components, including the TPMS-based core structures, heat exchanger exterior shapes, a set of parts for inlets and outlets, are represented by the VDF in a given design area. This enables the efficient design of computational models for the arbitrary-complex heat exchangers. The proposed design method extends the 2D flow pattern of the existing CHE into the 3D flow pattern, providing high heat transfer efficiency and low-pressure drop. Investigation of the design results and manufactured prototypes using the AM (Additive Manufacturing) technology showed that the proposed TPMS CHE design method can open a new paradigm for generating high-performance next-generation CHEs which cannot be designed and manufactured with the existing CAD and CAM technologies.

#Triply periodic minimal surface (삼중 주기적 최소 곡면) #Compact heat exchangers (고집적 열교환기) #Additive manufacturing (적층 제조) #Boolean operation (불리언 연산) #Three-dimensional flow pattern (3차원 유동 패턴)

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Wang, C. C., Lee, W. S., and Sheu, W. J., “A Comparative Study of Compact Enhanced Fin-and-Tube Heat Exchangers,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 44, No. 18, pp. 3565-3573, 2001.

Wang, L. and Sunden, B., “Optimal Design of Plate Heat Exchangers with and without Pressure Drop Specifications,” Applied Thermal Engineering, Vol. 23, No. 3, pp. 295-311, 2003.

Khan, T., Khan, M., Chyu, M. C., and Ayub, Z., “Experimental Investigation of Single Phase Convective Heat Transfer Coefficient in a Corrugated Plate Heat Exchanger for Multiple Plate Configurations,” Applied Thermal Engineering, Vol. 30, Nos. 8-9, pp. 1058-1065, 2010.

Zhang, J., Zhu, X., Mondejar, M. E., and Haglind, F., “A Review of Heat Transfer Enhancement Techniques in Plate Heat Exchangers,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 101, pp. 305-328, 2019.

Yoo, D. J., “Porous Scaffold Design Using the Distance Field and Triply Periodic Minimal Surface Models,” Biomaterials, Vol. 32, No. 31, pp. 7741-7754, 2011.

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