[논문]LNG FPSO 액화공정에 적용되는 플레이트 핀 열교환기의 열전달 특성

유선일; 김현우; 정영권; 윤정인; 박승하; 김창수

doi:10.5916/jkosme.2010.34.6.798

LNG FPSO 액화공정에 적용되는 플레이트 핀 열교환기의 열전달 특성
Heat Transfer Characteristics of Plate-fin Heat Exchanger Using LNG FPSO Liquefaction Process 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.6, 2010년, pp.798 - 805

유선일 (한국가스공사) , 김현우 (부경대학교 대학원 냉동공조공학과) , 정영권 (부경대학교 대학원 냉동공조공학과) , 윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과) , 박승하 (주식회사 동화엔텍) , 김창수 (주식회사 동화엔텍)

초록
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LNG FPSO 액화 플랜트와 같은 초저온 분야에서 플레이트 핀 열교환기의 국내 연구 실적은 전무한 상태이다. 본 연구에서는 플레이트 핀 열교환기의 독자적 기술을 확보하기 위해 응축 열전달 특성을 이론 및 실험적으로 검증하였다. 시뮬레이션 결과 Plain fin을 제외한 Serrated, Wavy fin은 압력 69bar, 온도 $-140^{\circ}C$에서 응축되었고, 국소열전달계수는 Serrated, Wavy, Plain fin 순으로 높게 나타났다. 실험결과는 정상상태에서 10분간 데이터를 획득하였고 시뮬레이션 데이터값과 12% 미만의 오차범위를 만족하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

There are no domestic researches of plate fin heat exchanger in the field of cryogenic such as LNG FPSO liquefaction plant. In this study, condensing heat transfer characteristics of nitrogen according to three kinds of fin type in the plate fin heat exchanger were analyzed through simulation and experiment to secure independent technologies. In the simulation, nitrogen was condensed at 69bar and $-140^{\circ}C$ in serrated and wavy fin of plate-fin heat exchanger. The serrated fin shows the highest value of local heat transfer coefficient, followed by wavy and plain fin. The experimental results were shown errors less than 12% comparing with the simulation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 LNG 액화공정중 액화 프로세스 과정에서 가장 중요한 설비중 하나인 플레이트 핀 열교환기에 대한 이론해석을 바탕으로 열교환기를 제작한 후 실험적 연구를 통해 그 기본 성능을 파악하고자 한다.
열교환기 성능에 중요한 요소인 핀 타입을 Figure 3에 나타내었다. 본 연구에서는 Plain, Wavy, Serrated fin을 사용하였으며 각각의 핀 형상이 열교환기의 전열특성에 어떠한 영향을 미치는지 비교해 보았다. 그 각각의 핀의 사양은 Table 1과 같다.

제안 방법

Table 2는 시뮬레이션 가정조건이며, Nigeria 플랜트에서 생산되어 전처리 공정을 마친, 정제된 천연가스의 압력이 50bar이지만 본 연구에서는 열교환기 내 안전율을 고려해 더 높은 69bar의 질소 압력으로 시뮬레이션 하였다.
먼저 질소를 응축시키기 위한 액화 사이클을 상용프로그램인 HYSYS_V7.1[16]을 이용해 열교환기 입·출구의 온도, 압력, 유량 등의 조건을 성립시켰으며, 상세도는 Figure 4와 같다.
시뮬레이션 조건이었던 69bar의 작동압력을 허용할 수 있는 플레이트 핀 열교환기의 제작 및 실험을 10/35/69bar의 3단계로 나누어 실시할 계획이며, 먼저, 본 연구에서는 설계압력 10bar의 조건에서 실시하였다.
시뮬레이션은 Plain, Wavy, Serrated fin을 각각 사용한 플레이트 핀열교환기 내에서의 응축현상 및 열전달 특성을 비교, 고찰하였다.
시뮬레이션은 뮤즈(MUSE) 상용툴[12]을 이용하여 응축 조건 모사를 수행하였고, 실험은 Lab scale 규모로 장치를 제작하여 응축열전달 특성을 검증하고자 하였다.
이때 열교환기 입출구에서 각각 온도, 압력, 유량을 측정하고, 계측장치에서 발생한 신호는 Labview board(BNC-2120)를 통해 컴퓨터로 데이터를 전송하였다. Figure 6은 실제 실험한 장치의 사진이다.
천연가스 액화공정에서 중요한 고부가가치 설비인 초저온 플레이트 핀 열교환기에 대해 각각의 3가지의 핀 별로 작동유체 N₂를 사용해 응축 특성을 분석하였고, Lab scale로 실험장치를 구성하여 실험적 분석을 수행하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

5kW급 열교환기의 개략도이다. N₂와 LN₂를 작동유체로 사용하였으며, 열교환기의 흐름은 대향류이며 재질은 알루미늄이다. 설계된 열교환기의 유효길이, 폭, 두께는 각각 249, 148, 115mm이다.
본 연구는 선행연구로써 천연가스 대신 초저온 냉매인 LN₂(액체질소)와 N₂(질소)로 시뮬레이션과 실험을 진행하였다.
N₂와 LN₂를 작동유체로 사용하였으며, 열교환기의 흐름은 대향류이며 재질은 알루미늄이다. 설계된 열교환기의 유효길이, 폭, 두께는 각각 249, 148, 115mm이다.

이론/모형

Property package는 Peng-Robinson이 제시한 식 (1), (2)를 사용하였으며, 엔탈피와 엔트로피를 계산하기 위해서 Lee-Kesler-Plocker가 제시한 식 (3)을 사용하였다[17].

성능/효과

(1) Serrated, Wavy fin은 국소 열전달계수가 비슷한 기울기 경향을 보였고, 유효길이의 230mm 지점에서 열전달계수가 커지며 액화가 시작되었으나, Plain fin은 출구 건도가 0.93으로 응축되지 않았다.
(2) Plain fin을 제외하고 Serrated, Wavy fin은 작동 압력 69bar에서 약 -140℃에서 완전히 액화되었고, 열교환을 하는 두 스트림의 온도 격차는 Serrated fin이 가장 가깝고 Wavy, Plain fin 순으로 점점 멀어졌다.
(3) 시뮬레이션 및 실험 결과 값은 오차 범위 12% 미만으로 만족하였다.
그러나 이번 실험결과와 시뮬레이션 결과의 비교에서 열용량이 12% 이내의 오차를 보였고, 유량, 온도, 압력이 비슷한 결과 값을 보임을 알 수 있다.
또한 유체가 흐르는 평판과 핀 사이의 접촉이 브레이징에 의한 금속관 결합으로 기존의 확관에 의한 기계적 접촉방식보다 접촉저항을 크게 줄일 수 있어 높은 UA값을 얻을 수 있다.

후속연구

(4) 추후의 연구에서는 35bar, 69bar의 작동압력을 허용할 수 있는 초저온 플레이트 핀 열교환기를 제작하여 시뮬레이션 연구와 실험적 연구를 병행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG FPSO란 무엇인가	LNG FPSO(Floating Production Storage and Offloading)는 해저 가스전으로부터 유입된 천연가스를 전처리, 액화, 저장하는 설비를 갖춘 부유식 해상 구조물이다[3]. 이와 같은 LNG FPSO 액화플랜트의 고부가가치는 액화공정 자체의 라이센스와 주요기기로 나눌 수 있다.
	플레이트 핀 열교환기는 무엇으로 구성되는가	플레이트 핀 열교환기는 Figure 2와 같이 크게 헤더, 평판, 핀으로 구성되며, 평행한 다열 평판 사이에 고밀도의 핀이 위치하며, 고온의 로(furnace)에서 브레이징(brazing)으로 처리되어 제작된다.
	플레이트 핀 열교환기의 장점은 무엇인가	장점으로는 유체의 유동이 열교환기의 핀에 수직으로 유입되므로, 플레이트 면을 지나는 유동은 평판 후부에서 와류에 의해 발생되는 압력손실을 상당히 감소시킬 수 있다. 또한 유체가 흐르는 평판과 핀 사이의 접촉이 브레이징에 의한 금속관 결합으로 기존의 확관에 의한 기계적 접촉방식보다 접촉저항을 크게 줄일 수 있어 높은 UA값을 얻을 수 있다. 많은 장점 중에서도 핀에 의한 전열면적 증가에 비해 열교환기의 내부체적의 감소가 가능하므로 사용 냉매량과 열교환기의 크기를 줄일 수 있어 컴팩트화, 고효율화가 가능하다는 것이 가장 큰 장점이다[13-15].

참고문헌 (17)

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유선일, 김현우, 정영권, 윤정인, 박승하, 김창수, 플레이트 핀 열교환기의 열전달 특성에 관한 이론적 연구, 한국동력기계공학회 2010 춘계학술대회 논문집 pp. 159-162.
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오승택, 이호생, 이경범, 윤정인, 이상규, "2단 압축방식을 적용한 초저온 액화 사이클 특성", 대한설비공학회, 하계학술대회 논문집 p. 109, 2009.
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Minsoo Kim, Kwansoo Lee, Simon Song, "Effects of pass arrangement and optimization of design parameters on the thermal performance of a multi-pass heat exchanger", International journal of heat and fluid flow 29, pp. 352-363, 2008.

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Aspentech, aspen HYSYS_V7.1, EHY221 dynamic modeling using aspen HYSYS dynamics
Wen-sheng Cao et. al., "Parameter comparison of two small-scale natural gas liquefaction process in skidmounted package", Applied Thermal Engineering, vol. 26, pp. 898-904, 2006.

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