예열수 열교환기 성능 해석 및 최적 설계

Abstract

예열수 열교환기는 혹한에서도 엔진 냉각수의 온도를 일정온도 이상으로 높이는데 사용하는 장치이다. 수치해석을 이용하여 다양한 예열수 열교환기 모델의 성능을 평가했으며 설계변수를 이용하여 예열수 열교환기를 최적화하였다. 예열수 열교환기 기준 모델은 직교류 형태의 열교환기이며 패스 수는 냉각수 측과 예열수 측 모두 1 패스 이다. 코어의 패스 수 변경에 따른 영향을 살펴보았으며 유량 분배 개선을 위해 헤더 설계를 하였다. 그 결과, 예열수 열교환기 성능 개선 모델을 결정하였으며 패스 수는 냉각수 측 4 패스, 예열수 측 2 패스이며 입ㆍ출구는 헤더의 윗면에 위치에 있다. 그리고 전열량은 예열수 열교환기 기준모델에 비해 47% 증가하였다. 입ㆍ출구 형상, 입구 위치, 코어 위치를 설계 변수로 택하고 유량 불균일도를 목적함수로 정하여 최적화를 진행하였으며 그 결과, 최적 모델을 선정하였다. 유량 분배는 열교환기 성능 개선 모델에 비해 개선되었지만 전열 성능은 거의 향상되지 않음을 확인하였다.; An engine coolant preheater is adopted to raise the temperature of a coolant for the proper operation of the engine at a harsh environment. We evaluated the performance of a preheater operating at a specified condition using numerical analysis, and optimized the preheater with design variables. The reference preheater model is a simple cross-flow heatexchanger with a single path for both coolant and heating water. We changed the number of flow paths in the core of the preheater and designed the header to improve flow distributions. The results indicate that the improved preheater exhibits a better performance than the reference model. The heat transfer rate increased by 47% when the preheater has four paths for the coolant and two paths for the heating water and when the inlets and outlets are located at the top of the header. In addition, we optimized the preheater with inlet and outlet shapes, inlet locations, and core location as design variables, and with a flow maldistribution index as the objective function. The results show that the optimization improved the flow distribution while it hardly affected the heat exchanger performance.