초록 ▼

400 kW급 만액식 칠러 시스템용 증발기로 사용할 쉘-플레이트 열교환기를 개발하기 위하여 본 열교환기의 잠재 고객인 전세계 선박용 HVAC 시스템 시장 점유율 1위 기업인 하이에어코리아(주)와 공동개발협약을 맺은 후 함께 과제를 진행하였다.
쉘-플레이트 열교환기는 크게 유체간 열교환이 일어나는 전열판(plate)과 이를 담고 있는 쉘(shell)로 구성된다. 본 과제에 적합한 전열판을 신규로 개발하기 위하여 전열판 강도해석을 통한 전열판 최적 두께 산출, 전산해석(CFD)을 통한 전열판 성능 예측, 실제 전열판을 성형할 때

400 kW급 만액식 칠러 시스템용 증발기로 사용할 쉘-플레이트 열교환기를 개발하기 위하여 본 열교환기의 잠재 고객인 전세계 선박용 HVAC 시스템 시장 점유율 1위 기업인 하이에어코리아(주)와 공동개발협약을 맺은 후 함께 과제를 진행하였다.
쉘-플레이트 열교환기는 크게 유체간 열교환이 일어나는 전열판(plate)과 이를 담고 있는 쉘(shell)로 구성된다. 본 과제에 적합한 전열판을 신규로 개발하기 위하여 전열판 강도해석을 통한 전열판 최적 두께 산출, 전산해석(CFD)을 통한 전열판 성능 예측, 실제 전열판을 성형할 때 발생할 수 있는 스프링 백(spring back) 해석, 그리고 파일럿 금형 테스트 등을 실시 하였다.
개발 용량(400 kW급)에 적합한 열교환기 전체 열설계를 하고자 하였으나, 국내에서는 본 연구와 같이 쉘-플레이트 열교환기의 만액식 증발기로의 적용이 처음이다보니 열설계에 참고할만한 자료가 없었다. 이에 우선 동일 용량의 쉘-튜브형 열교환기와 비교하여 전열면적을 같게 설계하였다. 이후 핀란드 바트라스(Vahterus)社가 이 분야에 많은 실적을 가지고 있는 것을 확인하고는 이를 참조하여 최종적으로 열설계를 마무리 지었다.
이를 바탕으로 전체적인 쉘-플레이트 열교환기 구조설계가 이루어졌다. 이에 쉘에 대한 구조해석을 ASME Code Sec Ⅷ, Div 2에 의거 실시하였으며, 이와 함께 쉘-플레이트 열교환기를 선박에 적용할 때 발생할 수 있는 파랑운전에 대한 강도해석, 자유진동수를 구할 수 있는 진동해석, 그리고 이를 이용한 내진해석까지 실시하여 쉘-플레이트 열교환기의 구조적 안정성을 확인하였다.
상기 과정을 거친 후 시제품을 개발하였으며, 완성된 시제품에 대하여 테스트 압력(25 bar, 설계압력 20 bar)까지 내압 테스트를 실시하였고, 테스트 결과 아무런 문제없음을 확인하였다. 제작된 시제품을 “만액식 칠러 시스템용 증발기”로 적용하기 전, “단상 열전달 및 압력강하”를 평가하여 그 성능을 확인하였다.
단상 실험이 완료된 시제품을 만액식 칠러 시스템용 증발기로 적용하기 위하여 수정작업을 실시하였다. 수정작업은 하이에어코리아(주)와 함께 이루어졌다. 여러 회의를 거친 후 최종 수정안을 도출하였으며, 수정안에는 증발기로서의 역할과 함께 최우선적으로 전체 칠러 시스템이 안정적인 운전이 될 수 있도록 하는 것에 중점을 두었다.
최종 성능평가를 하기 위하여 칠러 시스템을 다음과 같이 구성하였다.
○ 1×100% CONDENSING UNIT + 1×100% COOLER
?CONDENSING UNIT = Screw compressor + Shell & tube type condenser + Electric expansion valve
?COOLER = Flooded type evaporator
성능테스트는 R-134a와 R-404A, 두 가지 냉매에 대하여 실시되었으며, R-134a에 대한 성능실험을 먼저 실시하였다. 1차 실험결과 설계용량이 400 kW이었으나, 실제 결과는 500 kW 이상 나오는 것을 확인하였다. 이는 쉘-플레이트 열교환기를 만액식 칠러 시스템의 증발기로 적용하는 것이 처음이다보니 열설계가 잘못되었던 것으로 판단되었다. 이에 1차 실험
결과를 바탕으로 과대 설계된 시제품을 수정하였으며, 수정과정은 1차 실험결과의 용량을 평균 500 kW 정도로 판단하고, 이는 실제보다 25% 높게 나온 것으로, 거기에 해당하는 개수만큼 전열판의 열교환이 이루어지지 않게 하였다. 2차 실험결과 칠러 시스템의 운전상태가 비정상상태를 지나 정상상태가 되면 전체 칠러 시스템도 안정적으로 운전되기 시작하였고, 냉각용량도 설계치인 400 kW 정도가 꾸준히 나오는 것을 확인할 수 있었다. 1차 실험 후, 시제품의 수정방법이 단순히 산술적으로 계산되어 이루어졌지만, 최적의 설계를 통해서만 최상의 가격경쟁력을 가질 수 있기 때문에 향후 이 부분에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
마지막으로 R-404A를 사용하여 성능테스트 실시하였으며, 실험방법은 R-134a에서 실시한 것과 동일하게 진행하였다. 일반적인 건식(dry) 타입의 경우 R-404A가 R-134a에 비해 냉각 용량이 약 10 ~ 15% 정도 높지만, 만액식에서는 실험결과 평균 냉각 용량이 R-134a에 비해 약 65% 수준을 나타났다. 이는 R-404A가 혼합냉매이기 때문으로, 혼합냉매의 경우 조성 냉매들의 비점이 달라 비점이 낮은 냉매가 먼저 증발하게 되면 남아있는 냉매의 조성비가 달라져 전혀 새로운 냉매가 되어버리기 때문이다. 따라서 만액식 칠러 시스템의 경우 냉매로써 단일 냉매만을 사용하고 있다. 상기 모든 과정을 통해 선박용 만액식 칠러 시스템용 증발기로써의 쉘-플레이트 열교환기의 적용 가능함을 확인하였다.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출서 ...3
• 제출문 ...5
• 보고서 초록 ...7
• 목차 ...11
• 제1장 서론 ...15
• 제1절 개발기술의 개요 ...15
• 제2절 쉘-플레이트 열교환기 ...22
• 제2장 수치해석 ...25
• 제1절 전열판 강도해석 ...25
• 1. 해석 모델 ...26
• 2. 경계조건 및 하중조건 ...26
• 3. 전열판 구조해석 결과 ...28
• 제2절 쉘-플레이트 열교환기 유동해석 ...33
• 1. 수치해석 가정 ...33
• 2. 모델링 및 경계조건 ...34
• 3. 유동해석 결과 ...38
• 제3절 수치해석 결론 ...50
• 제3장 시제품 개발 ...51
• 1. 개발 대상 전열판 금형 도면 설계 ...51
• 2. 금형 및 전열판 제작 ...56
• 3. 시제품(쉘-플레이트 열교환기)의 열설계 및 구조설계 ...59
• 4. 시제품(쉘-플레이트 열교환기) 제작 및 내압 테스트 ...61
• 제4장 단상 열전달 및 압력강하 ...69
• 1. 실험장치 ...69
• 2. 실험방법 ...69
• 3. 실험결과 및 고찰 ...73
• 4. 수치해석결과와의 비교 ...78
• 제5장 만액식 칠러 시스템용 증발기 성능 평가 ...81
• 1. 만액식 칠러 시스템용 증발기 제작 ...81
• 2. 만액식 칠러 시스템 구성 ...81
• 3. 제어로직 구성 ...85
• 4. 만액식 칠러 시스템 제작 ...87
• 5. 2차 시제품 성능 테스트 ...90
• 제6장 설계 프로그램 개발 ...101
• 1. 열교환기 설계 프로그램 ...101
• 2. 설계 프로그램 개발의 필요성 ...102
• 3. 개발 완료된 설계 프로그램 ...103
• 제7장 결론 ...107
• 첨부 A. 수치해석 ...111
• A.1. 쉘-플레이트 열교환기 내압해석 ...113
• A.2. 선박 파랑운동에 따른 강도해석 ...132
• A.3. 진동해석 ...146
• A.4. 내진해석 ...150
• 첨부 B. 시제품의 단상 실험 데이터 ...153
• 첨부 C. 시제품의 실증 실험 데이터 ...163