Experimental study on thermal hydraulic characteristics for PCHE in supercritical CO2 near the critical point

Abstract

초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클은 높은 열효율, 간단한 레이아웃, 그리고 기기 소형화의 장점을 갖는다. 이러한 장점은 임계점 부근에서 나타나는 초임계 이산화탄소의 물성치 특성에서 기인한다. 초임계 이산화탄소는 임계점 근처에서 높은 밀도를 갖는다. 따라서 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클은 기존 가스 브레이튼 사이클과 달리 높은 밀도의 영역에서 압축기를 운전하여 압축 일을 획기적으로 줄여 높은 열효율을 달성할 수 있다. 그러나, 임계점 부근에서는 물성치가 급변한다. 초임계 압력 조건에서 밀도는 온도가 상승함에 따라 급격한 감소를 보이고, 비열을 비롯한 열 물성치는 피크(Peak)점을 갖는다. 이러한 변화로 인해 임계점 부근에서는 열전달 현상의 예측이 어렵다. 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클 내에서 이러한 영향을 받는 기기가 예냉각기 (Precooler)이다. 예냉각기 내부에서는 이산화탄소의 급격한 물성치 변화가 일어나며, 이산화탄소와 물, 이종 유체 간의 열교환을 한다. 따라서 본 연구에서는 초임계 이산화탄소의 예비냉각기를 위한 실험적 연구를 수행하였다. 초임계 이산화탄소는 비압축성 유체의 거동을 보이기 때문에 터보기기의 소형화를 이룰 수 있다. 따라서 전체적인 시스템의 소형화를 위해서는 열교환기의 소형화가 필요하다. 이를 위해 확산접합열교환기 (Printed circuit heat exchanger, PCHE)가 각광받고 있다. PCHE는 얇은 판에 에칭 (Etching)을 통하여 미세 유로를 식각하고, 적층하여 확산 접합 (Diffusion bonding)을 통해 제작되는 열교환기로 고온과 고압에서도 견딜 수 있는 장점이 있다. 따라서 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클의 예냉각기 운전조건에서 PCHE를 이용한 이산화탄소와 물 간의 열교환 실험을 수행하였다. 이를 위해, 직관 유로를 갖는 PCHE를 설계 및 제작하였다. 판의 개수는 고온 측과 저온 측 각각 7개이며, 총 유로는 각각 77개를 갖는다. 유로의 폭은 1.2 mm이며, 유로 깊이는 0.6 mm, 유로 길이는 640 mm이다. 제작한 PCHE를 이용하여 3가지 조건에서의 실험을 수행하였다. 1) 초임계 영역에서 급격한 물성치의 변화를 포함하지 않는 냉각 실험, 2) 초임계 영역에서 급격한 물성치의 변화를 포함하는 냉각 실험, 3) 초임계 영역에서 과냉 액체 영역으로의 냉각 실험을 수행하였다. 데이터 분석을 위해 두 가지 방법을 사용하였다. 첫 번째는 엔탈피를 기준으로 한 입구와 출구의 평균 물성치를 사용하는 열전달 계수를 구하는 방법이다. 두 번째는 유로 길이 방향으로 단위 길이를 나누어 단위 영역 내에서의 지역적인 열전달 계수를 구한 후, 길이 방향으로의 평균 열전달 계수를 구하는 방법이다. 두 가지 방법을 이용하여 비교 결과 첫 번째 방법은 물성치가 급변할 때 열교환기 내부에서 발생하는 열전달 계수의 변화를 반영하지 못하는 것을 볼 수 있었다. 따라서 물성치가 급격하게 변하는 영역을 포함하는 실험의 결과를 분석할 때는 길이 방향으로 단위 길이를 나누어 단위 영역 내에서 지역적인 열전달 계수를 구하는 방법이 적합함을 알 수 있었다. PCHE를 이용한 열교환 실험의 경우 입구와 출구에서의 온도, 압력, 유량 조건만 측정이 가능하다. 그러므로 열교환기 내부에서 발생하는 물성치 변화에 따른 열전달 계수 변화를 측정할 수 없다. 따라서 임계점 부근에서의 열전달 현상을 이해하고, PCHE 유로 내부에서의 지역적인 열전달 계수를 예측하기 위해 실험을 수행하였다. PCHE 유로는 에칭 제작 과정에서 단면이 반원 형태가 된다. 따라서 본 연구에서는 실제 PCHE의 유로 형상과 동일한 형상을 이용하여 실험을 수행하기 위해, 반원 형태의 스테인리스 튜브를 제작하였다. 튜브는 7.75 mm의 내부 단면 너비를 가지고 깊이는 3.88 mm를 갖는다. 유동 방향 길이 1000 mm를 전기를 이용하여 직접 가열하였다. 관 내벽 온도를 계산하기 위해 관 상부 중앙, 상부 모서리, 하부 측면(45°)와 하부 중앙에 보정된 열전대를 10개씩 물리적으로 부착하여 총 40 곳에서의 외벽 온도를 측정하였다. 열전대는 80 mm 간격으로 부착되었으며, 물리적 부착을 위해 PEEK 재질의 가이드 구조물을 만들었다. 이 구조물로 인해 단열을 하지 않고 열 손실이 존재하는 시험을 수행하였다. 실험 변수로 열 유속, 질량 유속을 설정하여 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터 실험적 Nusselt number를 계산하고, 난류 열전달에 대한 기준 상관식(Gnielinski 상관식)과 비교하여 열전달 특성을 평가하였다. 열전달 특성은 기준 상관식 대비 실험적 Nu가 증가하면 열전달 증진, 감소하면 열전달 열화로 판단하였다. 분석 결과, 관 상부는 관내 부력 영향으로 발생한 자연대류의 영향으로 관 하부보다 열전달이 열화 되는 경향을 보였다. 관 하부는 자연대류 영향으로 유사 임계온도(Pseudocritical temperature)와 비교적 먼 온도에서는 열전달 증진이 관찰되었다. 열유속이 증가할수록 열전달 열화가 더 급격히 발생하였으며, 질량 유속이 증가할수록 열전달 열화가 점진적으로 발생하였다. 열전달 특성은 관내에서 발생하는 급격한 물성치 변화, 특히 밀도 변화에 의한 유동 가속 현상과 부력 현상에 의해 영향을 받는다. 기존 제시된 부력과 유동 가속의 매개변수를 이용하여 결과를 비교하였다. 유동 가속의 매개변수는 모두 열전달과의 관계성이 약한 것으로 분석되었다. 부력의 매개변수는 부력의 존재 유무를 판단할 수는 있으나, 열전달의 증진과 열화의 경향을 설명하기에는 부적합하였다. 열전달 예측 모델 개발을 위해 본 연구의 실험 데이터와 기존 수평 원형관 조건에서 개발된 열전달 모델을 이용한 계산 결과를 비교하였다. 상부에서는 기존 수평 원형관의 예측 결과와 30% 이내에서 잘 맞는 것을 확인하였다. 그러나 하부에서는 잘 맞지 않는 것으로 나타났다. 그러나 비교 결과는 편향된 형태로 나타났으며 경향성은 일치하므로, 기존 수평 원형관 모델의 계수에 포함된 경계층 두께가 형상의 차이로 인해 변형되어 나타난 결과라고 판단되었다. 따라서 기존의 이론적인 수평 원형관 열전달 모델의 형태를 수평 반원관에서도 사용하기에 적절하다고 판단하였다. 수평 반원관 내부의 초임계 유체를 위한 이론적인 열전달 모델을 제안하기 위해, 각각 유동 가속과 부력의 영향을 설명할 수 있는 강제대류와 자연대류의 항으로 나누어 혼합대류 형태의 이론 모델을 제안하였다. 강제대류의 항은 난류경계층이론과 열저항이론을 활용하였다. 난류경계층은 층류저층, 과도층, 완전난류층으로 구분된다. 이 때, 열저항이론에 따르면 경계층 중 전체 열저항의 대부분이 층류저층에서 발생하는 것으로 근사할 수 있다. 층류저층은 벽 전단응력으로부터 난류유동을 발생시키는 층이다. 벽 근처에서 급격한 밀도 변화로 인해 밀도가 낮은 유체가 발생하면 유동 가속에 의해 전단응력이 감소하게 된다. 이러한 관계를 유동 가속에 대한 열전달 관계로 강제대류에 대한 이론식으로 도출하였다. 자연대류 항은 부력에 의한 수평관 단면에서 자연대류의 영향을 포함하기 위해, 열 경계층에 대해 이론식을 도출하였다. 강제대류와 자연대류 모두 이론식에서 포함된 다른 변수들은 실험적으로 얻을 수 있으나, 경계층 두께는 실험적으로 측정할 수 없으므로 식의 상수에 각각 포함되었다. 이로부터 혼합대류 열전달 모델을 제안하였다. 열전달 모델에서의 계수 변화에 의한 수평 원형관 모델과 수평 반원관 모델의 비교 결과 하부에서의 차이는 자연대류의 상수의 차이에 의해 나타나는 것으로 확인되었다. 따라서 형상 변화에 의한 자연대류의 경계층 두께 변화가 차이의 원인으로 분석되었다. 본 연구에서 제시된 수평 반원관을 위한 이론적인 혼합대류 열전달 모델은 반원관 실험 데이터를 약 20% 수준의 평균오차 범위에서 상부와 하부에서 모두 잘 예측하였다. 또한, 형상의 변화를 포함한 이론적인 혼합대류 열전달 모델은 반원관 실험 데이터와 선행연구의 원형관 실험 데이터를 약 30% 수준의 평균오차 범위에서 상부와 하부에서 모두 잘 예측하였다.

The supercritical carbon dioxide Brayton cycle (sCO2 BC) is a promising power conversion system. The advantages of sCO2 BC are the result of high density and low compressibility of sCO2 near the critical point of CO2 (30.98 °C, 7.38 MPa) due to wide and rapid variation in the thermodynamic properties of sCO2 near the point. The precooler of sCO2 BC operated at high density region near the critical point. Thus, experiments and analysis for precooler are more complex due to changes in properties and different working fluids on the two sides of heat exchanger. Therefore, experiments were conducted to investigate the operating condition of precooler; CO2 cooling process by using water. A discretization method is proposed to estimate significant changes in properties near the critical point of CO2 in PCHE. The results of PCHE experiment were compared according to different data reduction method. Also, to estimate the characteristics of local heat transfer in the channel of a printed circuit heat exchanger (PCHE), a semicircular tube was manufactured to replicate the channel shape of the PCHE. The heat transfer in a horizontal semicircular tube has different behaviors at the top and bottom walls. Buoyancy and flow acceleration have substantial influence on the convective heat transfer of a semicircular tube with supercritical pressure fluids. They are induced by a drastic variation in the thermophysical properties near the critical point, especially density. Thus, to investigate the effect of buoyancy and flow acceleration on the heat transfer of supercritical CO2, an experiment was conducted in a horizontal semicircular tube. And a heat transfer model was proposed for supercritical pressure CO2 in horizontal semicircular tube. The heat transfer model was developed as a form of mixed convection which is the superposition of forced convection for flow acceleration and natural convection for buoyancy. The proposed heat transfer model of semicircular tube could reliably predict heat-transfer phenomena in horizontal flow of a supercritical CO2.