The printed circuit heat exchanger (PCHE) with airfoil fins has the benefits of high compactness, high efficiency and superior heat transfer performance. A novel multi-objective optimization approach is presented to design the airfoil fin PCHE in this paper. Three optimization design variables (the vertical number, the horizontal number and the staggered number) are obtained by means of dimensionless airfoil fin arrangement parameters. And the optimization objective is to maximize the Nusselt number (Nu) and minimize the Fanning friction factor (f). Firstly, in order to investigate the impact of design variables on the thermal-hydraulic performance, a parametric study via the design of experiments is proposed. Subsequently, the relationships between three optimization design variables and two objective functions (Nu and f) are characterized by an improved particle swarm optimization-backpropagation artificial neural network. Finally, a multi-objective optimization is used to construct the Pareto optimal front, in which the non-dominated sorting genetic algorithm II is used. The comprehensive performance is found to be the best when the airfoil fins are completely staggered arrangement. And the best compromise solution based on the TOPSIS method is identified as the optimal solution, which can achieve the requirement of high heat transfer performance and low flow resistance.
Kim, Jungchul;Shin, Jeong Heon;Kim, Dong Ho;Choi, Jun Seok;Yoon, Seok Ho
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.41
no.11
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pp.767-773
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2017
Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE) has an advantage for exchanging thermal energy between high-pressure and high-temperature fluids because its core is made by diffusion bonding method of accumulated metal thin-plates which are engraved of flow channel. Moreover, because it is possible that the flow channel can be micro-size hydraulic diameter, the heat transfer area per unit volume can be made larger than traditional heat exchanger. Therefore, PCHE can have higher efficiency of heat transfer. The smaller channel size can make the larger heat transfer area per unit volume. But if high pressure fluid flows inside the channel, the channel wall can be deformed, the structure and shape of flow channel and header have to be designed appropriately. In this study, the design methodology of PCHE channel in high pressure environment based on pressure vessel codes was investigated. And this methodology was validated by computational analysis.
Kim, Jun-Tae;Heo, Hoe-jun;Kim, Hyeon-Jun;Kang, Chung-Yun
Journal of Welding and Joining
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v.34
no.2
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pp.46-53
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2016
Effect of heating rate on microstructure of brazed joints with STS 304 Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE),which was manufactured as large-scale($1170(L){\times}520(W)){\times}100(T)$, mm), have been studied to compare bonding phenomenon. The specimens using MBF 20 was bonded at $1080^{\circ}C$ for 1hr with $0.38^{\circ}C/min$ and $20^{\circ}C/min$ heating rate, respectively. In case of a heating rate of $20^{\circ}C/min$, overflow of filler metal was observed at the edge of a brazed joints showing the height of filler metal was decreased from $100{\mu}m$ to $68{\mu}m$. At the center of the joints, CrB and high Ni contents of ${\gamma}$-Ni was existed. For the joints brazed at a heating rate of $0.38^{\circ}C/min$, the height of filler was decreased from $100{\mu}m$ to $86{\mu}m$ showing the overflow of filler was not appeared. At the center of the joints, only ${\gamma}$-Ni was detected gradating the Ni contents from center. This phenomenon was driven from a diffusion amount of Boron in filler metal. With a fast heating rate $20^{\circ}C/min$, diffusion amount of B was so small that liquid state of filler metal and base metal were reacted. But, for a slow heating rate $0.38^{\circ}C/min$, solid state of filler metal due to low diffusion amount of B reacted with base metal as a solid diffusion bonding.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.1
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pp.53-59
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2009
The objectives of this paper are to study the characteristics of heat transfer and pressure drop of the micro channel heat exchangers using diffusion bonding technology. Four types of heat exchangers are designed and manufactured, which are straight type, long dot type, splited wavy type and straight double side type. Heat transfer and pressure drop performance of each heat exchangers are measured in various operating conditions, and compared each other. The results show that the $(j/f)^{1/3}$ performance of splited wavy type and long dot type increases about 10.3% and 6.1% at the Reynolds number 470 compared to that of straight type, respectively. On the other hand, $(j/f)^{1/3}$ performance of straight double side type decreases 19.7%.
The objectives of this paper are to study the characteristics of heat transfer and pressure drop of the micro channel heat exchangers using diffusion bonding technology. Four types of heat exchangers are designed and manufactured, which are straight type, long dot type, splited wavy type and straight double side type. Heat transfer and pressure drop performance of each heat exchangers are measured in various operating conditions, and compared each other. The results show that the $(j/f)^{1/3}$ performance of splited wavy type and long dot type increases about 10.3% and 6.1% at the Reynolds number 470 compared to that of straight type, respectively. On the other hand, $(j/f)^{1/3}$ performance of straight double side type decreases 19.7%.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.16
no.1
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pp.64-71
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2012
While a conventional ECS mainly consisted of an air cycle machine and heat exchangers, a new concept of a phase change heat exchanger was added to improve the transient performance of the ECS. As a result, an ECS modeling program including the phase change heat exchanger is newly developed to estimate its effect in various flight conditions such as take-off, maneuver, cruise, and landing. The simulation result regarding a virtual flight profile has confirmed the new ECS fulfilled the requirement by showing the temperature of the cooling air returned from the bay was always kept below $80^{\circ}C$. Through this study, the new ECS concept with PCHE was verified successfully.
In this paper, an investigation of a room temperature active magnetic regenerative refrigerator is carried out. Experimental apparatus includes two active magnetic regenerators containing 186 g of Gd spheres. Four E-type thermocouples are installed inside the Active magnetic regenerator(AMR) to observe the instantaneous temperature variation of AMR. Both warm and cold heat exchangers are designed for large temperature span. The cold heat exchanger, which separates the two AMRs, employs a copper tube with length of 80 mm and diameter of 6.35 mm. In order to minimize dead volume between the warm heat exchanger and AMRs, the warm heat exchangers are located close to the AMRs. The deionized water is used as a heat transfer fluid, and maximum 1.4 T magnetic field is supplied by Halbach array of permanent magnets. The AMR plate, which contains the warm and the cold heat exchangers and the AMRs, has reciprocating motion using a linear actuator and each AMR is alternatively magnetized and demagnetized by a Halbach array of permanent magnet. Since the gap of the Halbach array of permanent magnets is 25 mm and two warm heat exchangers have the motion through it, a compact printed circuit heat exchanger (PCHE) is used as a warm heat exchanger. A maximum no-load temperature span of 26.8 K and a maximum cooling power of 33 W are obtained from the fabricated Active Magnetic Regenerative Refrigerator (AMRR).
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.27
no.2
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pp.87-93
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2015
Recently, the heat exchangers are requiring higher performance and reliability since they are being used under the operating condition of high temperature and pressure. To satisfy these requirements, we need special materials and bonding technology. This study presents a manufacturing technology for high temperature and high pressure micro channel heat exchanger using Inconel 617. The bonding performance for diffusion bonded heat exchanger was examined and analyzed. The analysis were conducted by measuring thermal and mechanical properties such as thermal diffusivity and tensile strength, and parametric studies about bonding temperature and pressing force were also carried out. The results provided insight for bonding evaluation and the bonding condition of $1200^{\circ}C$, and 50 tons was found to be suitable for this heat exchanger. From the results, we were able to establish the base technology for the manufacturing of Inconel 617 heat exchanger through the application of the diffusion bonding.
The supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle is an important energy conversion technology for the fourth generation of nuclear energy. Since the printed circuit heat exchanger (PCHE) used in the S-CO2 Brayton cycle has narrow channels, Rayleigh-Bénard (RB) convection is likely to exist in the tiny channels. However, there are very few studies on RB convection in supercritical fluids. Current research on RB convection mainly focuses on conventional fluids such as water and air that meet the Boussinesq assumption. It is necessary to study non-Boussinesq fluids. PRB convection refers to RB convection that is affected by horizontal incoming flow. In this paper, the computational fluid dynamics simulation method is used to study the PRB convection phenomenon of non-Boussinesq fluid-supercritical carbon dioxide. The result shows that the inlet Reynolds number (Re) of the horizontal incoming flow significantly affects the PRB convection. When the inlet Re remains unchanged, with the increase of Rayleigh number (Ra), the steady-state convective pattern of the fluid layer is shown in order: horizontal flow, local traveling wave, traveling wave convection. If Ra remains unchanged, as the inlet Re increases, three convection patterns of traveling wave convection, local traveling wave, and horizontal flow will appear in sequence. To characterize the relationship between traveling wave convection and horizontal incoming flow, this paper proposes the relationship between critical Reynolds number and relative Rayleigh number (r).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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