이 연구는 고온 조건에서 산업용 plate and shell heat exchanger (PSHE)에서 물의 단상 열전달, 압력강하 및 온도분포를 연구합니다. 이 실험에서 hot side의 유체는 플레이트 측에서 아래쪽으로 흐르고 cold side의 유체는 쉘 측에서 위쪽으로 흐릅니다. 고온 조건에서 냉매의 2상 응축열전달 특성을 예측하기 위해서는 물에 대한 근본적인 열전달 연구가 선행되어야 합니다. 냉매의 열전달계수를 계산하기 위해서는 수정된 Wilson 플롯 방법을 사용하여 쉘 측의 물에 대한 대류열전달계수를 구해야 합니다. PSHE에서는 구조 및 유동 특성에 따라 플레이트 측과 쉘 측 사이의 압력강하가 다릅니다. Re가 증가함에 따라 플레이트 측의 압력강하는 포트 압력강하의 차이와 흐름 방향 및 위치의 차이로 인해 쉘 측보다 빠르게 증가합니다. Re가 2620일 때 플레이트 측과 쉘 측의 압력강하는 각각 52.5 kPa 및 25.5 kPa로 51.4%의 차이가 있습니다. 원형 플레이트의 온도편차는 Re가 감소함에 따라 증가하며, 특히 플레이트의 불균일한 흐름 분포로 인해 플레이트의 가장자리와 바닥 사이에서 증가합니다. 원형 플레이트의 분배 문제는 전체 열전달효율을 감소시킵니다.
본 연구에서는 R-245fa의 2상 응축열전달 및 압력강하 특성을 큰 원형 플레이트를 갖는 산업용 PSHE에서 고온 조건에서 열유속, 질량유속, 포화온도 및 평균 증기건도에 대해 측정합니다. 응축 열전달계수는 대류열전달의 증가로 인해 평균 증기건도, 질량유량 및 열유속이 증가함에 따라 증가합니다. 또한 액체 열전도율의 증가로 인해 포화온도가 감소함에 따라 증가합니다. 마찰 압력강하는 유체와 플레이트의 전단력 증가로 인해 평균 증기건도와 질량유속이 증가함에 따라 증가하는 반면 포화온도가 증가함에 따라 증기밀도 감소로 인해 감소합니다. 그러나 열유속의 영향은 거의 무시할 수 있습니다. 마찰 압력강하는 큰 원형 플레이트로 인해 이전 연구의 값보다 큽니다. 따라서 Nu/f 값은 큰 원형 판의 흐름 불균형으로 인한 마찰 압력강하가 높고 열전달 효율이 낮기 때문에 이전에 연구된 PHE 값보다 낮습니다. 마지막으로 실험데이터를 기반으로 고온 조건에서 산업용 PSHE에 적용할 수 있는 응축 열전달계수와 마찰 압력강하에 대한 새로운 상관식을 개발합니다. 측정된 Nu 값과 마찰계수는 각각 예측 상관값의 ±10% 및 ±15% 이내로 예측됩니다.
이 연구는 PSHE에서 R-245fa의 응축 하향 유동 패턴의 특성을 조사합니다. 냉매의 이상 유동은 모든 실험조건에서 중력, 표면장력 및 밀도의 차이로 인해 액체 우선 유동과 증기 우선 유동으로 나뉩니다. 액상 유동은 플레이트의 중앙에 집중되고 증기상은 플레이트의 가장자리로 우선적으로 유동합니다. 액체 우선 유동에서는 냉매의 두꺼운 액체와 증기상이 혼합되어 빠르게 유동하면 거친 계면을 형성합니다. 증기 우선 유동에서는 얇은 액막으로 흐르고, 유동이 적은 플레이트의 가장자리에서는 응축되어 유동합니다. 또한, 플레이트 사이의 교차점에서는 액체 브리지가 형성되고, 플레이트 가장자리의 하단에는 액체 브리지가 모여 플레이트의 출구로 유동하게 됩니다. 높은 증기 건도에서도 PSHE의 구조로 인해 출구 하단에서는 모든 실험조건에서 액상 정체 현상이 관찰됩니다. 고유량 조건에서는 단면이 교차하는 교차점에서는 유체를 분산시키고 난류의 증가로 인해 열전달이 증가합니다. 그러나 저유량 교차점에서는 액체 브리지를 형성하기 때문에 유체가 가장자리로 유동하는 것을 방해합니다. PSHE의 하향 유동으로 액상의 정체와 교차점과 원형 플레이트의 구조로 인해 열전달 효율이 감소합니다. 또한 PSHE에서 R-245fa의 유동 패턴맵을 제안합니다. 유동 패턴맵은 PSHE에서 유동 특성을 예측하여 열전달 효율을 향상시키는데 유용합니다.

This study investigates the single-phase heat transfer, pressure drop, and temperature distribution of water in an industrial plate and shell heat exchanger (PSHE) under high-temperature conditions. In this experiment, the hot fluid flows downward on the plate side, whereas the cold fluid flows upward on the shell side. The fundamental heat transfer research on the water should be preceded owing to predict the two-phase condensation heat transfer characteristics of refrigerants under high-temperature conditions. In the single-phase heat transfer experiment on water, the convective heat transfer coefficient of water on the shell side is calculated using the modified Wilson plot method under high-temperature conditions owing to calculate heat transfer coefficient of refrigerant. In the PSHE, the pressure drop between the plate side and the shell side is different owing to the structure and flow characteristics. As Re increases, the pressure drop on the plate side increases more rapidly than that on the shell side because of the differences in the port pressure drop, flow direction, and flow position on the plate. When Re is 2620, the pressure drops on the plate and shell sides are 52.5 kPa and 25.5 kPa, respectively, a difference of 51.4%. The temperature deviation on the circular plate increases as Re decreases, especially between the edge and bottom of the plate because of the uneven flow distribution on the plate. The distribution problem in the circular plate reduces the overall heat transfer efficiency.
In this study, the two-phase condensation heat transfer and pressure drop characteristics of R-245fa are measured with respect to the heat flux, mass flux, saturation temperature, and mean vapor quality under high-temperature conditions in a PSHE with a large circular plate. The condensation heat transfer coefficient increases with an increase in the mean vapor quality, mass flow rate, and heat flux, owing to an increase in the convective heat transfer; it also increases as the saturation temperature decreases owing to an increase in liquid thermal conductivity. The frictional pressure drop increase as the mean vapor quality and mass flux increase owing to an increase in the shear force of the fluid and plate, whereas it decreases owing to a decrease in vapor density as the saturation temperature increases. However, the effect of heat flux is almost negligible. The frictional pressure drop is larger than the value of previous studies owing to the large circular plate. Therefore, the Nu/f values are lower than the previously studied PHE values because of the high frictional pressure drop and low heat transfer efficiency owing to the flow imbalance of the large circular plate. Finally, based on the experimental data, a new correlation is developed for the condensation heat transfer coefficient and frictional pressure drop in an industrial PSHE under high-temperature conditions. The measured Nu values and friction factor are predicted to be within ±10% and ±15% of the predicted correlation values, respectively.
This study investigates the characteristics of the condensation downward flow pattern of R-245fa in a PSHE. The refrigerant flow is divided into liquid-preferred and vapor-preferred flows owing to differences in gravity, surface tension, and density under all experimental conditions. The liquid-phase flow is concentrated in the center of the plate, and the vapor phase flows preferentially to the edge of the plate. In the liquid preferential flow, the thick liquid and vapor phases of the refrigerant are mixed and flow rapidly to form a rough interface. In vapor preferential flow, it flows as a thin liquid film and condenses from the edge of the plate with less flow. In addition, a liquid bridge is formed at the interface between the plates, and at the lower end of the edge of the plate, the liquid bridges are gathered to flow to the outlet of the plate. Even at high vapor quality, liquid stagnation is observed under all experimental conditions at the bottom of the outlet owing to the structure of the PSHE. The heat transfer increases owing to disperse the fluid at the high-flow intersections and the increase in the turbulence. However, the fluid is prevented from spreading to the edges because of forming the liquid bridges at the low-flow intersections. As the downward flow in the PSHE, the heat transfer efficiency is reduced owing to the stagnation of the liquid phase and the shape of the circular plate at the intersections. In addition, The flow pattern map of R-245fa in PSHE is suggested. The flow pattern map is useful for improving heat transfer efficiency by predicting flow characteristics in PSHE.