플라스틱 코팅 알루미늄 판형 열교환기의 성능에 관한 수치해석적 연구 :A Numerical Analytical Study on the Performance of Plastic Coated Aluminum Plate Heat Exchanger

최근호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최근호 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김영일

발행연도: 2017

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

플라스틱 코팅 알루미늄 판형 열교환기의 성능에 관한 수치해석적 연구

최근호 , 김영일 , 김명수 한국지열·수열에너지학회논문집 2018.03 학술저널

2017

플라스틱 코팅 알루미늄 판형 열교환기의 성능에 관한 수치해석적 연구

최근호 2017.01 학위논문

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본 연구에서는 PCAM PHE(Plastic Coated Aluminium Material Plate Type Heat Exchanger)이라고 명명하는 플라스틱 코팅 알루미늄 판형 열교환기의 예비성능을 검토하는데 목적이 있다.
PCAM PHE는 열전도성 플라스틱 나노복합수지를 알루미늄 재질로 성형된 판의 면 양쪽에 80μm씩 도포한 열교환기이다. 일반적으로 판형 열교환기에서 사용되는 Stainless 계열의 재질은 열전도도 작고, 내식성 및 내화학성이 작기 때문에 이를 향상시켜 내구성을 높이기 위해서는 고가의 재질을 사용하여야 하지만 고가인 원재료의 수급이 어렵기 때문에 널리 보급되지 못하고 있다. 이에 강도는 다소 약하지만 이러한 단점을 극복하고 제품을 경량화 하면서도 특수공정에 널리 적용하기 위하여 PCAM PHE를 개발할 목적으로 사전에 제품의 성능을 수치해석과 실험을 병행하여 비교 분석 하고자 한다.
CFD해석은 Solid-works프로그램으로 3차원 모델링하고 상용 해석 프로그램인 ANSYS FLUENT로 열유동 해석을 하였으며 실험은 실무에서 공인된 검증 프로그램인 HTRI를 이용하여 설계 및 검증하였다. 판형 열교환기 재질은 STS316, TITANIUM, PCAM 세 가지 케이스로 하였으며 열용량이 6.3kW인 열교환기에서 온수는 33℃에서 28℃, 냉수는 7℃에서 12℃로 각각 온도차가 5℃인 두 유체가 열교환하는 부하조건이다. 유량은 0.301 kg/s를 100%로 하여 50%, 150%로 축소, 확대하면서 압력손실과 총괄열전달계수를 비교 분석하였다.
결과는 판의 물결형상이 복잡하기 때문에 모델링의 단순화와 3차원 해석이므로 계산을 줄이기 위하여 3개의 열판만 사용하였기 때문에 실무 검증 프로그램과 다소 수치적 차이는 있지만 PCAM 열교환기가 기존 제품의 재질과 비교하여 성능이 가장 우수하였으며 그 다음으로 TITANIUM, STS316 순으로 열교환 성능을 보였다. ANSYS와 HTRI의 결과값 차이를 만드는 요인은 3D Modeling Work이 유연하게 되지 않아 부분적으로 유량분배가 불균형화 되어 분석 결과의 차이를 나타내었지만, 실무 검증 프로그램인 HTRI의 결과 값과 CFD 해석의 결과 값이 둘 다 열전달율이 우수한 경향이 보인다는 결과를 확인하였다.

This present paper aimed at examining the preliminary performances of Plastic Coated Aluminium Material Plate Heat Exchanger called PCAM PHE.
PCAM PHE is a heat exchanger which thermally conductive plastic nanoscale composite resin was applied 80μm on each side of plates which were molded with aluminum materials. The stainless materials which are generally used in plate type heat exchangers are low in heat conductivity, corrosion resistance, and chemical resistance. Therefore, they should use high-priced materials in order to improve the above-mentioned facts and raise the durability. However, it cannot be popularized because it is hard to supply and demand the high-priced, raw materials. Therefore, this paper aimed at comparing and analyzing the product’s performances in advance along with the numerical analysis and experiments for the purpose of developing PCAM PHE in order to overcome these shortcomings even though it is a little weak in solidity, to lighten the product, and also to apply it broadly to the special process.
CFD Simulation used 3D modelling by Solid-works program and analyzed heat flow with the commercial simulation program ANSYS Fluent. And the experiments were designed and verified by using HTRI which is the certified qualification program in business practice. The materials of plate type heat exchangers were three cases: STS316, Titanium, and PCAM. And the load conditions were for two fluids to have heat exchange under 5 degree differences in temperature respectively while warm water ranged from 33℃ to 28℃ and cold water ranged from 7℃ to 12℃ in a heat exchanger with heat capacity 6.3kW. The pressure loss and overall heat transfer coefficient were compared and analyzed by decreasing and increasing 50% and 150% with the flux of 0.301 kg/s as 100%.
As a result, it was revealed that there occurred a little numerical differences from the qualification program in business practice because modelling was made simple because the waves in the plates were complex, and also because it is a three dimensional analysis, only three heat plates were used in order to reduce calculation. However, it was shown that PCAM heat exchanger had the best performance compared to the materials of the existing products. And in the order of Titanium and STS316 heat exchangers, the heat transferge performance was shown good. The results of ANSYS and HTRI are different because the 3D modeling work is not flexible and the flow distribution is partially unbalanced. However, the results of HTRI and CFD analysis both results showed that the heat transfer rate tended to be superior.

#PCAM(플라스틱 코팅 알루미늄) #Plate heat exchanger(판형 열교환기) #Turbulent flow(난류 유동) #Numerical analysis(수치해석) #Heat transfer(열전달)

요약 ⅰ
표목차 ⅱ
그림목차 ⅲ
기호설명 iv
I. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 선행 연구 2
II. 이론적 고찰 4
1. 이론적 고찰 4
2. 연구방법 5
3. 해석 모델링 6
III. 수치해석 방법 8
1. 지배방정식 8
2. 격자계 10
3. 경계조건 11
IV. HTRI 프로그램 결과 및 고찰 13
1. 쉐브론 각도에 따른 열전달 비교 결과 13
2. 30°쉐브론 각도에서 질량유량의 증감에 따른 열전달 비교 결과 14
3. 60°/ 30°쉐브론 각도에서 질량유량의 증감에 따른 열전달 비교 결과 15
V. 수치해석 결과 및 고찰 17
1. 질량유량 비에 따른 압력강하와 판 내부 흐름 17
2. 60°쉐브론 각도에서 질량유량 비에 따른 열전달 성능 결과 18
Ⅵ. 결 론 23
참고문헌 24
영문초록(Abstract) 26
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