Abstract
In this study, the heat transfer and pressure drop characteristics were evaluated for multi-tube $CO_2$ water heaters with lengths of 4.5 m and 7.5 m. The evaluation was done using the -NTU method, and the results were compared with experimental data. Water flows through the shell side of the water heater, while $CO_2$ flows through 8 inner tubes. The heater uses a counter-current design to maximize the heat transfer efficiency. The energy balance equation describing the flows of $CO_2$ and water for each node is set up using the section-by-section method. The calculated heat transfer rates agree well with the experimental data within ${\pm}5%$ error. The outlet water temperature decreased linearly with the increase of the water flow rate. The calculated heat transfer rates agreed well with the experimental data within ${\pm}3%$ error. The results show that the heat transfer rate increases almost linearly with the increase of water flow rate or $CO_2$ inlet temperature in both the 4.5-m and 7.5-m water heaters, whereas the water outlet temperature linearly decreases with the increase of the water flow rate. The comparison of the $CO_2$ pressure drop between the calculation and experiment results shows good agreement at the high $CO_2$ flow rate within 5 % error, but the value is about 20 % higher in the experimental pressure drop at the low $CO_2$ flow rate.
본 연구에서는 길이 4.5 m와 7.5 m의 다중관 $CO_2$ 급탕 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성을 ${\epsilon}-NTU$ 방법을 사용하여 해석하고 결과를 기존의 실험 데이터와 비교하였다. 급탕 열교환기는 쉘측에 물이 흐르고 8개로 구성된 내부 튜브에 $CO_2$를 흐르게 하였으며 열전달 효율을 최대화하기 위하여 대향류로 설계하였다. 각 노드에 대한 물과 $CO_2$ 냉매의 유동에 대한 에너지 평형 방정식은 단면분할법을 이용하여 해석하였다. 열전달율 계산값은 실험값과 ${\pm}5%$ 범위 내에서 잘 일치하였다. 반면에 물의 출구온도는 물 유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소하며 계산값과 실험값은 ${\pm}3%$ 내에서 일치하였다. 결과에서 열전달율은 4.5 m와 7.5 m 급탕 열교환기 모두 물 유량 또는 $CO_2$ 입구온도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며, 반면에 물 유량이 증가함에 따라 물의 출구온도는 선형적으로 감소하였다. $CO_2$ 압력강하 계산값과 실험값은 $CO_2$가 고유량일 때 5 % 내에서 잘 일치한 반면에 $CO_2$가 저유량일 때 실험값이 약 20 % 높게 나타났다.
