[논문]플랜트산업에서의 열교환기 기술 동향

박찬우; 송찬호; 윤석호

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박찬우 (전북대학교 기계설계공학부) , 송찬호 (한국기계연구원 열공정극한기술연구실) , 윤석호 (한국기계연구원 열공정극한기술연구실)

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문제 정의

국내에서는 전북대학교 및 한국기계연구원에서는 판형열교환기 형태의 폴리머 복합소재 열교환 구조를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 기존 스테인리스강 판형열교환기와 비교하여 동등한 수준의 열전달성능을 가지는 폴리머 복합소재의 개발, 고집적 유로형상 설계 기술 및 대면적 열교환기 단위 박판 제조기술에 관한 기초 연구를 수행하였고 플랜트 배가스 열교환기 등의 상용화에 적용성 연구를 진행중이다. 그림 6은 표면 요철이 있는 열전도성 폴리머(HDPE)재질 판형 열교환기 전열판을 제작하기 위해서 금형틀과 전열판 제작품을 나타낸다.
본 장에서는 일반적으로 플랜트에서 사용되고 있는 열교환기로 Shell & Tube type 열교환기, Platetype 열교환기, Plate-fin type 열교환기, PCHE(인쇄기판형 열교환기)를 소개하고자 한다.

제안 방법

최근 국내 판형 열교환기 업체인 삼일 산업에서는 완전 용접 제조방식 판형 열교환기를 개발하여 기존 동브레이징 판형 열교환기의 문제점을 해결하고 있다. 기존의 동과 같은 용접모재가 필요 없는 Sus 전열판을 직접 붙인 제살용접 방식의 자동용접 방식 제조기술을 확보하여 고온/고압 환경에서 고온의 열과 고압에 의한 크랙 및 열변형이 완벽히 제거되도록 구조적인 설계를 제품을 개발하였다.
현재 영국의 Heatric사의 PCHE가 상업적으로는 가장 앞서있다. 주로 고온/고압 환경에서 작동해야 하는 가스 및 오일 플랜트, 발전 플랜트, 화학반응기, 심해저 플랜트 등 다양한 용도로 PCHE를 제조하여 공급하고 있으며 최고 내압성능은 600bar, 최고온도조건은 900℃까지의 제품을 개발하였다. 초고온 환경에서는 인코넬과 같은 특수한 재질로 열교환기가 제작되어야 하는데 최근에 한국기계연구원에서는 인코넬 617을 이용한 확산접합기술을 개발하여 PCHE를 개발한 바가 있다.

이론/모형

그림 5에 마이크로 채널을 식각한 SUS 박판과 각 가공방법에 의한 채널 형상 단면을 나타내었다. 이렇게 만들어진 박판을 적층하고 접합을 하여 열교환 코어(core)를 만드는 데 브레이징(brazing) 방식 또는 확산접합(diffusion bonding) 방식을 사용한다. 극저온/초고온 또는 고압 환경 등의 극한환경에서 사용되는 열교환기를 만들기 위해서는 주로 확산접합 방식을 주로 사용한다.

성능/효과

단순한 플라스틱 소재는 열전도도가 매우 취약하므로 그 특성을 비약적으로 발전시킨 열전도성 폴리머 복합소재가 주목 받고 있는데 열전도성 폴리머 복합소재는 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 등의 기존 플라스틱 소재에 전기/열전도 특성이 뛰어난 탄소계열의 입자 혹은 섬유를 첨가제로 추가해서 제조된다. 근래 나노기술의 발달로 카본블랙(Carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 등 높은 전기/열 전도율을 가지는 나노입자의 대량생산이 가능해졌으며 생산단가도 비약적으로 감소하고 있으므로 폴리머 복합소재의 생산단가도 획기적으로 감소시킬 수 있게 되었다.
완전용접식 판형열교환기는 전열판을 적층을 하는 방식으로 제조하기 때문에 용량 제한이 없고, 자동용접 제조방식을 적용하여 용접시간 단축에 따른 생산성 향상, 불량률을 최소화하였다. 특히, 고온 고압에 우수성을 지니고 있기 때문에 향후 플랜트 산업에 사용되는 쉘앤튜브 방식 열교환기의 대체품으로 적합할 것으로 예상 된다.
또한 폴리머열교환기는 전 세계 열교환기 시장의 약 1/4에 해당되는 저온/저압 환경에서 작동하는 열교환기에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 특히 나노기술의 발전과 기능성폴리머 소재 개발에 따라 기존 금속을 대체하는 수준이아니라, 열교환기의 설계 패러다임을 바꾸는 방향으로 발전될 가능성이 매우 높을 것으로 판단된다.

후속연구

또한 플랜트가 점차 고도화 되어가고 있고 이에 따라 작동환경이초고온, 내부식성 등 극한 조건에 대응하도록 요구되어가고 있다. 극한환경 조건에 적합한 재질, 설계, 공정의 개발은 열교환기의 부가가치를 높일 수 있으므로 지속적인 연구가 필요하겠다. 초고온고압 환경에 적합한 PCHE와 같은 열교환기는 향후 플랜트의 핵심기기로 더욱 주목해야 할 것으로 예상된다.
초고온고압 환경에 적합한 PCHE와 같은 열교환기는 향후 플랜트의 핵심기기로 더욱 주목해야 할 것으로 예상된다. 또한 폴리머열교환기는 전 세계 열교환기 시장의 약 1/4에 해당되는 저온/저압 환경에서 작동하는 열교환기에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 특히 나노기술의 발전과 기능성폴리머 소재 개발에 따라 기존 금속을 대체하는 수준이아니라, 열교환기의 설계 패러다임을 바꾸는 방향으로 발전될 가능성이 매우 높을 것으로 판단된다.
극한환경 조건에 적합한 재질, 설계, 공정의 개발은 열교환기의 부가가치를 높일 수 있으므로 지속적인 연구가 필요하겠다. 초고온고압 환경에 적합한 PCHE와 같은 열교환기는 향후 플랜트의 핵심기기로 더욱 주목해야 할 것으로 예상된다. 또한 폴리머열교환기는 전 세계 열교환기 시장의 약 1/4에 해당되는 저온/저압 환경에서 작동하는 열교환기에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
완전용접식 판형열교환기는 전열판을 적층을 하는 방식으로 제조하기 때문에 용량 제한이 없고, 자동용접 제조방식을 적용하여 용접시간 단축에 따른 생산성 향상, 불량률을 최소화하였다. 특히, 고온 고압에 우수성을 지니고 있기 때문에 향후 플랜트 산업에 사용되는 쉘앤튜브 방식 열교환기의 대체품으로 적합할 것으로 예상 된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

국내 기업인 삼일 산업의 완전 용접 제조방식 판형 열교환기 특성은?

최근 국내 판형 열교환기 업체인 삼일 산업에서는 완전 용접 제조방식 판형 열교환기를 개발하여 기존 동브레이징 판형 열교환기의 문제점을 해결하고 있다. 기존의 동과 같은 용접모재가 필요 없는 Sus 전열판을 직접 붙인 제살용접 방식의 자동용접 방식 제조기술을 확보하여 고온/고압 환경에서 고온의 열과 고압에 의한 크랙 및 열변형이 완벽히 제거되도록 구조적인 설계를 제품을 개발하였다.

열교환기의 역할은 무엇인가?

발전 플랜트의 효율을 높이기 위해서 고온부와 저온부에서의 발생하는 열교환 과정이 매우 중요하다. 이와 같이 열원과 작동 유체 사이의 열에너지를 전달하는 열교환기는 플랜트 공정효율에 큰 영향을 미치는 핵심기자재이다. 플랜트 시장의 확대에 따라 플랜트용 열교환기의 수요도 증가하고 있는데 해외 플랜트 발주는 연평균 7% 대의 지속적인 성장이 예상되고 있다.

판형열교환기 주요 업체는 무엇이 있는가?

브레이징 형(용접형)은 내부 청소나 용량 조절이 어려우나 개스킷형에 비해 보다 높은 내압성을 지니는 특징이 있다. 판형열교환기 주요 업체로는 Alfa Laval(Sweden), GEA(Germany), Hisaka(Japan), APV(U.K), SWEP(US) 등이 있으며, 이중 스웨덴의 Alfa Laval사가 세계 판형열교환기 시장의 60% 이상을 점유하고 있다. 각 제작 회사마다 개스킷의 구조, 전열판의 형상등에 대해 차별화된 기술과 적용 분야를 가지고 있다.

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