[논문 리뷰] Numerical studies of an eccentric tube-in-tube helically coiled heat exchanger for IHEP-ADS helium purification system

Jianqin Zhang, Shaopeng Li|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 30.

Spacecraft and Cryogenic Technologies참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 IHEP-ADS 헬륨 정제 시스템을 위한 이심 튜브인튜브 나선형 코iled(TTHC) 열교환기에서 20 MPa에서의 헬륨을 대상으로, 난류 유동 및 열전달을 수치적으로 조사한다. 열전달 특성은 온도에 따라 변화하는 물성값을 고려한다. 결과적으로 이심도를 증가시키면 캐뉼러스 영역의 푸셀트 수가 크게 향상되며, 내부 및 외부 유동에 대해 레이놀즈 수와 이심도의 함수로 표현되는 새로운 경험적 상관식이 도출된다.

ABSTRACT

The tube-in-tube helically coiled (TTHC) heat exchanger is preferred in the purifier of IHEP-ADS helium purification system. The position of an internal tube is usually eccentric in a TTHC heat exchanger in practice, while most TTHC heat exchangers in the literature studied are concentric. In this paper, TTHC heat exchangers with different eccentricity ratios are numerically studied for turbulent flow and heat transfer characteristics under different flow rates. The fluid considered is helium at the pressure of 20Mpa, with temperature dependent thermo-physical properties for the inner tube and the annulus. The inner Nusselt number between the concentric and eccentric TTHC heat exchangers are compared, so is the annulus Nusselt number. The results show that with the eccentricity increasing, the annulus Nusselt number increases substantially. According to the numerical data, new empirical correlations of Nusselt number as a function of Reynolds number and eccentricity for the inner tube and the annulus are presented in this paper. The TTHC heat exchanger of the purifier is designed under the given conditions.

연구 동기 및 목표

• IHEP-ADS 헬륨 정제 시스템에 사용되는 TTHC 열교환기에서 이심도가 난류 유동 및 열전달에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 동일한 작동 조건에서 농축형과 이심형 구조 간의 열전달 성능을 비교하기 위해.
• 내부 및 외부 유동에 대해 레이놀즈 수와 이심도의 함수로 표현되는 푸셀트 수를 위한 경험적 상관식을 개발하기 위해.
• 고압 헬륨 조건에서 헬륨 정제 시스템을 위한 최적화된 TTHC 열교환기 설계를 지원하기 위해.

제안 방법

• 다양한 이심비를 가진 나선형 코일 TTHC 열교환기에서 난류 유동 및 열전달의 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 내부 튜브 및 캐뉼러스 영역에서 20 MPa에서의 헬륨에 대해 온도에 따라 변화하는 열물성 특성을 적용하였다.
• 난류 유동 특성을 시뮬레이션하기 위해 표준 k-ε 난류 모델을 사용하였다.
• 내부 및 외부 유동의 국부적 및 평균 푸셀트 수를 계산하여 열전달 성능을 평가하였다.
• 유량 및 이심비 비율을 체계적으로 변화시켜 열전달 향상에 미치는 영향을 평가하였다.
• 내부 및 외부 유동 영역에서의 레이놀즈 수와 이심도에 따른 푸셀트 수를 정량화하기 위해 수치 데이터 기반의 경험적 상관식을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TTHC 열교환기의 캐뉼러스 영역에서 이심도를 증가시키면 푸셀트 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 동일한 유량 조건에서 이심형 TTHC 구조의 상대적 열전달 성능은 농축형 구조와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 레이놀즈 수와 이심도가 내부 튜브 및 캐뉼러스 영역의 푸셀트 수에 공동으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고압 헬륨 시스템에서 이심 TTHC 열교환기의 푸셀트 수를 정확하게 예측할 수 있는 경험적 상관식을 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 이심도를 증가시킬수록 캐뉼러스 영역의 푸셀트 수가 상당히 증가하여 외부 유동 영역의 열전달 성능 향상이 확인되었다.
• 내부 푸셀트 수는 이심도 증가에 비해 상대적으로 안정되어 있으며, 캐뉼러스 측과 비교해 미미한 변화를 보였다.
• 특히 중간에서 고레이놀즈 수 조건에서 이심비가 높아질수록 캐뉼러스 푸셀트 수가 크게 증가하였다.
• 내부 튜브 및 캐뉼러스 영역에 대해 레이놀즈 수와 이심도를 변수로 포함한 새로운 경험적 상관식이 유도되었다.
• 수치적 결과는 특정 고압 헬륨 조건에서 IHEP-ADS 헬륨 정제 시스템을 위한 TTHC 열교환기 설계의 타당성을 입증하였다.