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1999-E-FM02-P-22

배가스용 내식성 판형 열교환기 개발

A Study on Development of Corrosion Resistant

Plate Heat Exchanger for Flue Gases Utilization

최종보고서( )

2001. 9. 26

산 업 자 원 부

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제 출 문

산업자원부장관 귀하

본 보고서를 배가스용 내식성 판형 열교환기 개발 과제의 최종보고서로 제출합니“ ”

다.

2001. 9. 26

사업주관기관명 : 한국에너지기술연구원

수 행 책 임 자 : 박 주 석

연 구 원 : 박 상 일

연 구 원 : 김 홍 수

연 구 원 : 김 준 수

연 구 원 : 유 윤 종

연 구 원 : 김 시 경

연 구 원 : 고 창 복

연 구 원 : 김 정 근

연 구 원 : 임 혁

연 구 원 : 송 영 호

연 구 원 : 이 수 우

연 구 원 : 박 봉 희

위탁사업기관명 :

수 행 책 임 자 :

참 여 기 업 체 : 원열판주식회사

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요 약 문

제목. :Ⅰ

배가스용 내식성 판형 열교환기 개발

기술개발목적 및 중요성.Ⅱ

배가스 열회수시 이슬점 이하에서 일어나는 저온부측 전열면 부식현상으(dew point)

로 열교환기 성능은 물론이고 수명단축으로 인해 조업에 막 한 영향을 주고 있다.

년도 산업자원부 통계자료에 의하면 경제적으로 재이용 가능한 폐열은 우리나1997

라 총 에너지 소비량의 약 이상으로 금액환산 약 조원인 것으로 추정하고 있20% 2

다 일반적으로 배가스 온도를 낮출 때마다 열효율은 정도 향상되기 때문. 20 1%℃

에 문제가 해결된다면 막 한 에너지를 절약할 수 있으며 동시에 환경오염물질을,

수 있어 이에 한 기술개발이 절실히 요구된다.

본 연구에서는 이슬점 이하에서 내산 내알칼리성이 우수한 세라믹 재료 및 금속,

재료를 주철재나 재료를 전열면으로 하는 모재 표면에 중 또는SUS (base plate) 2 3

중으로 플라즈마 코팅하여 내식성이 탁월한 전열판재를 제작할 수 있는 생산기술

을 개발하고자 하며 전열판재의 기계적 특성과 황산 염산용액에 한 내부식성, ,

등 특성평가를 하여 내식성 열교환기를 제작하고 이에 한 성능평가를 하여 새로, ,

운 형태의 내식성 열교환기 제작에 필요한 주변요소기술까지 개발하고자 한다.

기술개발내용 및 범위.Ⅲ

기술개발내용 기술개발범위

1

차

년

도

내식성 용사용분말 특성평가1.

내식성 코팅기술개발2.

내3. PLASMA SPRAY COATED

식성

열교환기 설계 및 제작기술

코팅판매 전열성능 및 내식성능4.

평가

분말최적화 공정연구 구 형화- :

(Spherical)

최적크기 분포도 유동성, ,

고융점 내식재료 세라믹 계열 합금- , : ,

계열 비산화물 계열의 특성화,

현재 보급되고 있는 열교환기 적- 10T/hr

용

2

차

년

도

내식성 전열판재 제작기술확립1.

내식성 열교환기 제작 및 성능2.

평가

현장실증시험3.

이슬점 이하에서 운전특성평가-

보급화 방안 마련-

공정기술연구 특성 확립- : Parameters

및 세라믹 코팅 특성평가- (SUS)母材

내식성 염: 1~2 / year(25 , 20%① ㎎ ㎡ ℃･산 황산, ) 0.5~1 / year(25 , 20%㎎ ㎡ ℃･

용액NaCl )

열전달계수 열교환 판재 수준: Ti②

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기술개발결과 및 활용에 한 건의.Ⅳ

기술개발결과1)

본 연구에서는 저온부식에 강한 판형 열교환기 제작을 위해 플라즈마 용사 코팅기

술을 개발하였으며 내식성 소재인 알루미나계 질코니아계 세라믹 분발의 국산화를,

위한 기초자료를 확보하였다 특히 이슬점 이하에서 내식성이 우수한 세라믹 재료.

및 금속재료의 코팅공정을 개발하므로서 부식저항과 전열특성이 우수한 전열판재를

개발하였다.

코팅된 전열판재의 인장강도와 굽힘강도값이 모재에 비해 약 이상의 기계20~25%

적 성능을 증가시키므로서 가혹한 내부식 환경하에서 운전성능을 향상시킬 수가 있

었다 따라서 본 기술을 전열면적이 인 산업용 시작품에 적용하여 황산. 0.22㎡

에서 시간 연속운전한 결과 비롯한 등으로 제작한18~20% 72 , Ti SUS 304, 304L

열교환기는 저온부식이 심하게 일어나 약 이상의 무게변화를 보인 반면 본, 10% ,

연구에서 개발한 시작품은 전혀 변화가 없이 안정된 동작을 하였다 그러나 열전달.

계수값은 모재에 비해 약 정도 감소하므로서 전열특성이 다소 감소하였지12~16%

만 가혹한 부식 환경속에서도 문제점 없이 동작하였다 다만 내구성 확인을 위한, .

운전시간이 짧았던 관계로 향후 최종적인 성능확인을 위한 추가작업이 요구된다.

국내 출원특허 내식성 판재 제작기술 국내특허출원 제 및- : ( : 98-30792)

판형 열교환기용 전열판의 부식실험장치 건(10-2000-0034689), 2

활용방안 활용에 한 건의2) ( )

내식성 열교환기는 보통 계 열교환기에 비해 약 배 정도 가격이 비싸기 때SUS 5~8

문에 특수한 부식환경 이외에는 사용하지 않는다 심지어 심한 부식환경에 노출되.

어있는 화학플랜트나 해수를 냉각수로 사용하고 있는 발전소 경우라도 기술적 경,

제적 이유 때문에 저렴한 계 스틸이나 계 열교환기로 사용하는 경우가Carbon SUS

많아 연도의 배가스 온도를 높게 배출하고 있다 그러나 플라즈마 공법을 사용한, .

내식성 열교환기를 사용할 경우에는 매우 저렴한 가격으로 내식성과 전열성능이 뛰

어난 열교환기를 설치할 수 있기 때문에 막 한 에너지를 절약할 수가 있다 특히.

플라즈마 공법에 의한 내부식성 판형 열교환기는 외국에서도 현재 기술개발단계에

있는 첨단기술이기 때문에 선진국 제품에 하여 기술적 우위성과 가격경쟁력을 동

시에 가질 수가 있다 따라서 현재 국내 열교환기 시장의 약 이상을 알파. 85%

스웨덴 네덜란드 히사카 일본 와 같은 외국계열기업이 거의 독점-Laval( ). Sondex( ), ( )

하고 있는 현실에 비추어 본 기술은 국내 열교환기 산업분야의 활성화는 물론 수,

출증 에도 크게 기여할 수가 있을 것이다 특히 본 기술은 동시에 기계 항공산업. ,

분야 등의 신제품 수요창출에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다 따라서 본 기.

술이 완전 국산화 기술로서 정착할 때까지 원이 요청되며 보급화에 한 지원체제

가 필요하다.

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기 효과.Ⅴ

◆ 열교환기 시장의 수입 체 효과

연간 억원 규모 년도 기준 의 국내 시장- 300~400 (1998 )

국내기업 시장 점유율 약 억원 년: 50 /•

국외기업 시장 점유율 억원 년: 250~350 /•

국외시장 점유율에 한 점진적 체로 인한 수입억제효과

◆ 열효율 향상으로 인한 에너지 절감효과

년도 산자부 통계 기준(1998 )

연간 국내 에너지 총 소비량 금액환산 억( ) : $ 275①

산업부문 소비량 : 51.4%②

본 기술적용시 산업부문 에너지 사용비율의 약 점유 가정1.0%③

본 기술의 에너지 절약율 : 10%④

본 기술의 국내 보급률 가정: 2.5%⑤

연간 에너지 절약효과 억- : × × × × =$ 0.35① ② ③ ④ ⑤

◆ 환경 오염물질 감소효과

보급시 연간 에너지 절약효과 억100% : $ 14①

발전시 연간 환경오염물질 발생량 년도 환경연구원자료1MW (1998 )②

CO2 = 520 Ton. SOx = 11 Ton. NOx = 4.4 Ton

보급시 연간 환경오염물질 감소량100% : ×③ ① ②

CO2 = 26.000 Ton. SOx = 550 Ton. NOx = 220 Ton

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목 차

제 장 서론1

제 절 연구개요1

연구개발의 필요성1.

열교환기 연구개발현황2.

열교환기의 재질3.

제 장 플라즈마 용사 코팅기술2

제 절 기존 코팅기술 장단점 비교1

제 절 플라즈마 코팅공정 선정 및 평가2

본 연구에 적용한 플라즈마 공정1.

플라즈마 기술분석 및 평가2.

제 장 세라믹 코팅 판형 열교환기 특성3

제 절 판형 열교환기의 전열특성1

판형 열교환기의 정의와 특정1.

판형 열교환기의 전열성능 이론2.

제 절 판형 열교환기의 부식2

판형 열교환기와 부식문제1.

제 절 내부식성 전열판의 특성평가3

내부식성 플라즈마 용사 코팅 전열판의 제작1.

프라즈마 코팅 전열판의 전열성능실험2.

플라즈마 용사 코팅 전열판의 전열특성3.

플라즈마 용사 코팅 전열판의 실제 부식특성4.

자동화 공정제작한 열교환기 내식 특성5.

전열판과 내식성능 비교실험6. Ti

판형 열교환기 내식성능 실증실험7. DX-22

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제 장 코팅막 성능분석 및 평가4

제 절 실험장치 및 방법1

시험편 제작1.

코팅 막의 특성분석2.

전열성능실험3.

코팅 전열판의 부식거동4.

코팅막의 기계적 강도측정5.

제 절 실험결과 및 고찰2

코팅 전열판의 표면 및 계면구조1.

플라즈마 용사 코팅한 전열판의 전열특성2.

코팅된 전열판의 부식거동3.

코팅 전열판의 기계적 강도시험4.

제 장 결 론5

참 고 문 헌

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그 림 목 차

그림 도시쓰레기 소각로의 배가스 냉각장치[ 1]

그림 테프론 코팅 전열판의 구조[ 2]

그립 질산플랜트에 적용된 열교환기[ 3]

그림 분무건조기의 유리 열교환기의 구조[ 4]

그림 조립식 판형 열교환기의 외형[ 5a]

그림 조립식 판형 열교환기의 구조[ 5b]

그림[ 6] Bishop-Stern Chart

그림 본 실험에 사용한 플라즈마 장치도[ 7]

그림 플라즈마 코팅 전열판의 전열성능 실험장치도[ 8]

그림 판형 열 교환기 전열성능 실험장치[ 9] DX-01

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄 열 전달계수 측정결과[ 10] (a)

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄 열 전달계수 측정결과[ 11] (b)

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄 열 전달계수 측정결과[ 12] (c)

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄 열 전달계수 측정결과[ 13] (d) ·

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄 열 전달계수 측정결과[ 14] (e)

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄 열 전달계수 측정결과[ 15] (f)

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄 열 전달계수 측정결과[ 16] (g)

그림 실리콘 가스켓을 장착한 전열판의 사진[ 17] DX-01

그림 플라즈마 용사코팅 전열판의 내 부식 특성 실험장치도[ 18]

그림 판형 열교환기의 내식 성능실험장치의 설치장면[ 19] DX-01

그림 판형 열교환기의 내식 성능시 물의 온도변화[ 20] DX-01

그림 전열판 내식 실험시 무게 변화율[ 21] DX-01

그림 의 코팅시 무게변화율[ 22a] FineCera #350 top (a)

그림 의 코팅시 무게변화율[ 22b] FineCera #600 top (b)

그림 모재 와 국내 사 제품코팅 무게변화율[ 23] (SUS 304) A

그림 국내 사의 제품 코팅시 무게변화[ 24a] B

그립 국내 사의 제품 코팅시 무게변화[ 24b] B

그림 로봇 제작한 전열판의 내식성능 측정결과[ 25]

그림 수정제작 전열판과 개발제품의 비교실험 결과[ 26a] SULZER METCO (a)

그림 수정제작 전열판과 개발제품의 비교실험 결과[ 26b] SULZER METCO (b)

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그림 발생부위[ 27] Crack

그림 로봇 공정에 의한 코팅판과 티타늄 전열판의 비교실험결과[ 28]

그림 전열판의 내식 성능실험장치의 공정도[ 29] DX-22

그림 전열판의 내식성능 실증실험장치의 설치도[ 30] DX-22

그림 전열판 사진[ 31] DX-22

그림 플라즈마 코팅한 사진[ 32] DX-22

그림 판형 열교환기의 내식성능실험시 물의 온도변화[ 33] DX-22

그림 용사코팅 전열판의 사진[ 34] SEM

그림 코팅 전열판의 단면도[ 35] SEM

그림 코팅막의 분석결과[ 36] XRD

그림 코팅 전열판의 황산 분위기에서 운전상태[ 37] DX-01 20 vol%

그림 코팅 전열판의 황산 분위기에서 운선상태[ 38] DX-01 20 vol%

그림 본 연구에서 사용한 코팅재료의 양극산화특성[ 39]

그림 코팅 전열판의 곡선[ 40] -ρ ε

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표 목 차

표 여러 가지 열교환기의 특성 비교< 1>

표< 2> Comparision of Flame Temperature and Particle Velocity in Different

Types of Coating Processes

표 용사시 와 과 모재간 거리가 기공에 미치는 영향< 3> Alumina Gas Gun

표 플라즈마 용사코팅 전열판의 구조< 4> (a)

표 플라즈마 용사코팅 전열판의 구조< 5> (b)

표< 6> Ucal과 Uexp의 비교

표 각 전열판의 총괄 열 전달계수 실험결과< 7> (kcal/ hr ) (a)㎡ ℃

표 각 전열판의 총괄 열 전달계수 실험결과< 8> (kcal/ hr ) (b)㎡ ℃

표 각 전열판의 총괄 열 전달계수 실험결과< 9> (kcal/ hr ) (c)㎡ ℃

표 각 전열판의 총괄 열 전달계수 실험결과< 10> (kcal/ hr ) (d)㎡ ℃

표 전열판의 총괄열전달계수 실험결과< 11> (kcal/ hr ) (e)㎡ ℃

표 여러 가지 재료들의 상온에서의 열전도도< 12>

표 전열판 내식실험의 무게변화< 13> DX-01

표 과 의 코팅시 무게변화< 14> FineCera#350 #600 top

표 모재 와 국내 사 제품코팅 무게변화< 15> (SUS 304) A

표 국내 사의 제품코팅시 무게변화< 16> B

표 로봇 제작 전열판의 내식성능 측정< 17>

표 개발제품과 비교실험결과< 18> SULZER METCO

표 판형 열교환기 내식실험의 전열판의 무게변화< 19> DX-01

표 전열판 조립순서 및 무게변화 측정결과< 20> DX-22

표 코팅 재료와 두께< 21>

표 플라즈마 코팅 인자< 22>

표 코팅 시험편의< 23> Ucal과 Uexp 총괄전열계수 비교

표 코팅 전열판의 열전달 특성< 24>

표 본 실험에 사용한 재료의 열전도도< 25>

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제 장 서론1

제 절 연구개요1

연구개발의 필요성1.

배가스 열회수시 이슬점 이하에서 일어나는 저온부측 전열판 부식현상으(dew point)

로 열교환기 성능저하는 물론이고 수명단축으로 인해 조업에 막 한 영향을 주고,

있다 년도 산업자원부 통계자료에 의하면 경제적으로 재이용이 가능한 폐열. 1997 ,

은 우리나라 총 에너지 소비량의 약 이상으로 금액환산 약 조원인 것으로 추20% 2

정하고 있다 이 가운데 절반이상은 배가스에 의한 열손실로서 이슬점. (dew point)

이하에서 일어나는 저온 부식현상 때문에 출구 온도를 이하로 낮추지 못하250℃

고 있어 막 한 에너지가 손실되고 있는 실정이다 따라서 이미 오래전부터 이를.

해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으나 기술적 경제적 한계성 때문에 큰 진,

전은 보이지 않고 있다 일반적으로 배가스 온도를 약 낮출 때마다 열효율은. 20℃

정도 향상되기 때문에 부식문제가 해결된다면 막 한 에너지를 절약할 수 있으1%

며 동시에 환경오염물질을 줄일 수 있어 이에 한 기술 개발이 절실히 요구된다, .

배가스에 의한 저온부식을 해결하기 위한 책기술로서는 또는 와Ti, Zr Graphite

같은 고가의 내식성 재료를 사용하거나 저온의 경우 테프론 관이나 전열면 내부를,

테프론 라이닝을 하거나 또는 내식성 재료로 전열면을 코팅하여 사용하는 것이다.

그러나 어느 경우에서도 기술적 경제적 한계성이 있어 이들 방법은 특수용도 이외,

에는 중화되지 못하고 있다 지금까지 알려져 있는 종래의 코팅기술은 주로 도자.

기 산업에서 사용하고 있는 함침 방법이나 담금질 방법에 의한 것이 부분으로서,

이러한 방법은 두께 조절과 표면의 균일화를 가하기 어렵고 도자기 제조공정과 같,

은 많은 제조단계를 거쳐야 하기 때문에 제작비가 많이 드는 단점이 있다 또한 전.

열면 치수에 제한이 있어 형화가 어렵고 설치비가 많이 들며 많은 기술적 제약이

따른다는 점이다 특히 이 방법은 전열면과의 접착력이 약해 가열 냉각이 반복되는. -

경우 열응력에 쉽게 깨지는 단점이 있다 일반적으로 내식성 열교환기에서 고려해, .

야 할 사항은 전열성능 내식성 수명 작업성 가격 등으로서 사용, , , ,① ② ③ ④ ⑤

자의 요구에 적합하도록 제작할 수 있어야 한다는 점이다 여기에 적합한 것이 플.

라즈마 코팅기술로서 기존 기술로는 해결할 수 없는 이상되는 고융점 세, 1,600℃

라믹 분말이나 계열 와 같은 금속분말을 주철이나 와 같은 모재SUS , Hastelloy SUS

상에 단일층 또는 복합층으로 간단히 제작할 수 있으며 기계적 집착강도가 높아 많

은 기술개발이 이루어지고 있다 또한 전열면의 표면구조나 재료의 가하학적 구조.

에 의해서 발생하는 양극부식을 동시에 방지할 수 있는 잇점도 있어 많은 기술개발

이 추진되고 있는 첨단기술이다.

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본 연구에서는 이슬점 이하에서 내산 내알칼리성이 우수한 세라믹 재료 및 금속재,

료를 주철재나 재료를 전열면으로 하는 모재 표면에 중 또는 중으로SUS ( ) 2 3母材

플라즈마용사방법으로 코팅하여 내식성이 탁월한 전열판재를 개발하고자 하였으며,

전열판재의 기계적 특성과 황산 염산용액에 한 내식성등 특성평가를 하여 내식, ,

성 열교환기를 개발하고자 하였다.

열교환기 연구개발현황2.

가 국외의 경우.

내식성 열교환기에 있어서 가장 중요한 내식성 소재에 한 연구는 미국과 유럽이

가장 활발하게 추진하고 있는데 현재 많은 신소재들이 개발되어 실용화되고 있다.

미국은 내식성 열교환기 시장이 매년 성장하고 있어 DOE(Department of Energy)

와 에서는 전략적으로 원으로 내식성 향상을 위한 새GRI(Gas Research Institute)

로운 합금이나 복합재료에 한 소재개발을 적으로 추진하고 있으며 부식환경,

시험을 거쳐 새로운 열교환기에 한 실용화 기술개발을 추진하고 있다 현재 이들.

의 목표는 내식성 열교환기의 수명연장과 생산비 절감기술 개발이며 일반 stainless

계열의 내식 특성개선을 비롯하여 과 같은 재료에steel Ti, Zr, Nb, Ta reactive

한 반응성 연구 과 같은 플라스틱 재료에 한 상용화 기술 또는, tefIon graphite

계열의 복합재료에 한 특성연구가 진행되고 있다 이들 가운데 나. glass enamel

및 Al2O3, ZrO2와 같은 세라믹 재료는 혹독한 부식환경에도 잘 견디면서 전열관의,

보수가 쉽고 제작비용이 저렴하기 때문에 이에 한 연구가 활발히 추진되고 있으,

며 특히 내식성을 갖는 세라믹이나 합금재료의 플라즈마 코팅기술에 한 연구가

매우 활발히 진행되고 있다.

한편 표면개질분야 가운데 가장 첨단기술로서 각광을 받고 있는 플라즈마기술은 장

치자체가 매우 간편하면서 소형에서 형구조물에 이르기까지 적용할 수 있어 많은

기술개발이 이루어지고 있다 특히 가스터빈을 비롯한 각종 열설비의 열효율을 증.

시키기 위해서 고온에서의 용 세라믹 재료 및 금속표면의 코팅기, thermal barrier

술에 한 연구가 추진되고 있고 의 온도영역에서 견딜 수 있는 내, 1000~1300℃

열 내식성 연구가 거의 실용화 단계에 있다 반면에 저온영역에서의 내식성 코팅기, .

술을 비롯하여 저온 폐열회수에 관한 연구는 거의 이루어지고 있지 않은 실정이다.

그 이유로는 현재 연료로 이용되는 유류 및 가스 가격이 세계적으로 안정적이며 저

렴하며 저온폐열을 회수해서 사용할 필요성을 느끼고 있지 않기 때문으로 여겨지고

있다 그 신에 중 고온에 서의 열교환기용 금속재료에 한 연구는 활발히 추진. ･되고 있다 그 중에서도 부식에 강한 이나 고가의 합금재료가 연구. stainless steel

상으로 많은 연구가 추진되고 있지만 이들 재료는 장치상 상당한 비용이 유발되기.

때문에 저온 폐열회수를 위해 이용하기에는 경제적으로 타당치 않은 것으로 여겨지

고 있다.

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그런데 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방법이 플라즈마 용사 코팅 기술이다 플.

라즈마 기술은 년 후반 에서 개발된 이후 상용화되어 현재 자동차 산업1970 NASA

을 비롯한 섬유 선박분야에서 널리 이용되고 있다 플라즈마 용사 코팅 기술은 기, .

존 기술로는 해결할 수 없는 이상의 융점을 지난 알루미나 질코니아와 같1,600 ,℃

은 세라믹 분말이나 또는 와 같은 금속합금 분말을 주철과stainless steel hastelloy

같은 저렴한 모재 위에 단일층 또는 복합층 형태로 쉽게 코팅할 수 있으며 또( ) ,母材

한 모재와 코팅층간의 접착강도가 매우 높기 때문에 소재의 표면개질 목적으로 광

범위하게 사용되고 있는 첨단기술로서 지원 하에DOE(Department of Energy)

웨스팅하우스 등에서 기술개발에 많은 노력을 기울GRI(Gas Research Institute),

이고 있다.

한편 환경산업측면에서 보면 폐열회수용으로서 여러 가지 형태의 배가스용 열교환,

기가 이미 개발되어 일부는 이미 상품화가 되어 있기도 하며 또한 이들을 적용하여

소각로 산업용 보일러 등의 배가스의 폐열회수용으로 사용하기 위한 실증연구가,

이루어지고 있다 현재 지원하에 실용화에 한 연구가 이루어지고 있는 배가. DOE

스용 열교환기를 소개한다.

축열식 및 재생식 열교환기①

고온 폐열을 회수하기 위한 축열식 재생식 열교환기는 이미 오래전부터 상품화되,

어 널리 보급되고 있을 정도로 높은 수준에 있으며 이미 국내에도 수십기가 설치.

되어 가동 중에 있다 그러나 저온형은 아직 연구단계에 있는데 특히 미국. , CHX

에서는 튜브를 이용한 열교환기를 개발하고 있으며 현재 일부는 실용Corp. Teflon ,

화 단계에 있다 그러나 이하에서 사용해야만 하는 온도제한성과 테프론의. 180℃

성형특성이 나쁘기 때문에 형화하기가 어렵다는 단점이 있어 PEK(Poly Ether

나 와 같은 체재료에 한 연구가 수행되Ketone) PEEK(Poly Ether Ether Ketone)

고 있다.

실용화 단계에 있는 배가스 응축시스템 열교환기②

용량의 도시쓰레기 소각로에 설치하여 배가스 내의 수분을 응축하기 위하여 냉각

기 외에 보조기기로서 가습장치 재열기 그리고 경우에 따라서는 배가스 내의 폐열,

을 이용하기 위하여 히트펌프를 사용한다 배가스가 응축시스템에 도달하기 전에.

배가스 내의 먼지가 전기집진기에서 제거된다 첫 번째 냉각단계에서 배가스 내의.

불순물의 제거와 포화상태를 유지하기 위하여 물을 첨가한다 그리고 다음 단계에.

서 배가스 내의 수증기를 응축시킨다 냉각은 배가스와 물의 직접 접촉방식이나 열.

교환기를 사용하는 방식으로 냉각된다 이러한 배가스 냉각시스템을 그림 에 나. [ 1]

타내었다.

- 14 -

그림 도시쓰레기 소각로의 배가스 냉각장치[ 1]

도시쓰레기 소각로의 배가스 내의 수증기량의 변화가 심하나 개 의, 40%~60%

댐위에 있으며 이에 상당하는 노점은 의 범위에 있다 이러한 응축시스템, 65~73 .℃

을 사용하면 배가스 내의 오염물질을 많이 제거할 수 있다 보고된 바에 의하면 응. ,

축시스템에서의 배가스 정화성능은 먼지의 경우 의 경우40~80%, SOx 10~80%,

그리고 의 경우 정도이다 소각로에서는 배가스의 산성성분과 높은HCl 96~99% .

의 함량으로 부식의 문제가 제기된다 따라서 황산염이나 염산염의 건조단계에HCI .

서 특별한 주의가 요구된다 이것은 고온 배가스의 가습부분과 재가 열장치부분에.

서 매우 중요하다 스크라버와 응축기의 재질로서. glass-reinforced polyester. 254

또는 을 사용하는 경우 부식문세를 해결할 수 있었다 재열기에SMO polypropylene .

서는 액적의 건조시 부식이 발생하나 여러 가지 재질을 실험한 결과, , PTFE,

과 의 경우 부식문제는 없었enamelled carbon steel, polypropylene UNS S32750

다.

천연가스를 사용하는 산업용 보일러에 배가스의 폐열회수장치③

회수된 열은 보일러의 보충수를 가열하는데 사용되었다 전열관의 재질은.

이며 이것은 외부에 배가스 내의 산성성분에 의copper-nickel tube (Alloy 706) ,

한 부식을 고려하여 테프론으로 코팅되어 있다 배가스 및 공기댐퍼를 사용PTFE .

하여 열교환기 입구에서의 배가스 온도를 의 허용온도 이하로 유지하였다PTFE .

는 내식성이 우수하고 응축시 을 유지하므로 코팅이PTFE dropwise condensation

않된 금소재질의 표면보다 열전달계수가 향상된다 그러나 의 열전도도가 낮. , PTFE

으므로 전열효과가 감소한다 의 생산자에 의하면 고온에서의 재질 손상의 위. PTFE ,

험성이 있으므로 배가스의 사용온도는 이하로 유지하여야 한다 물측을260 .℃

합금은 온수내의 자유산소에 높은 저항을 나타낸다copper-nickel .

- 15 -

그림 에 열교환기의 전열 관 및 관판 구조를 나타내었다[ 2] .

그림 테프론 코팅 전열관의 구조[ 2]

실증실험 결과 열교환기 전열면의 유지관리면에서의 문제점은 없었다 그리고, .

와 금속 재질의 손상은 발견되지 않았다 그러나 보일러의 중단시 문제점이PTFE . ,

발생하였다 환기장치가 작동하지 않은 관계로 외부 공기가 굴뚝 내부로 내려와 전.

열관의 내부의 물을 냉각시켜 약 의 전열관이 동파되었다 실험결과 년간 증60% . ,

가발생량은 이었으며 열량으로 환산하면 이다 그리고70,324,000 kg , 9,540 MWh .

연간 평균 연료절감량은 정도이며 이로 인한 투자회수 간은 약 년10%~16% 2.8

정도로 나타났다.

질산 플랜트에서의 폐열회수용 열교환기④

질산가스는 기존의 플랜드의 배출온도에서 의 가열과 수증기 발생 그리고tail gas

보일러 보충수의 가열 과정을 통하여 로 냉각된다 흡수탑에 공급되기 전200 oC .

에 냉각용 응축기에서 로 더욱 냉각된다 암모니아 버너를 통과한 질산가스50 oC .

는 차의 절탄기를 통과하면서 에서 로 냉각된다 차의 절탄기를2 200 oC 170 oC . 2

통과한 질산가스는 까지 냉각되며 이 과정에서 의 보충수를140 oC 25 oC 75 oC

로 가열하여 탈기기로 보낸다 이 열교환과정에서 약한 질산이 열교환기 전열관 표.

면에서의 응축과 재증발은 매우 부식성이 강한 분위기를 유발한다 따라서 부식문.

제를 해결하기 위하여 설계 단계부터 각별한 주의가 필요하다 먼저 전열관 표면을.

젖은 상태로 유지하여야 하며 재증발을 억제하고 과 틀 건조한, · shell tube sheets

상태를 유지하고 그리고 낮은 압력손실을 유지하도록 한다 열교환기는 평면 코일.

형태를 가지며 구조는 그림 과 같다, [ 3] .

- 16 -

그림 질산플랜트에 적용된 열교환기[ 3]

공정가스는 열교환기를 통과하며 수직으로 하강한다 부식문제로 열교환기는. 25/20

로 제작되었다 열교환기를 설치하기 전에 초음파 측정기를 사Cr/Ni stainless steel .

용하여 입구와 출구를 포함한 부분과 전열관의 두께를 측정하였다 설치후 개shell . 6

월후에와 년후에 열교환기의 상태를 점검하였으나 부식현상은 거의 없었다 열교1 , ,

환기 제어장치를 사용하여 폐열회수 성능을 측정하였으며 이로부터 새로운 보일러,

급수가열기에서 회수된 열량은 정도이었으며 보충수 가열기에서의 회수열1.9 MW

량은 정도인 것으로 나타났다2.6 MW .

유리 열교환기를 사용한 분무건조기에서의 폐열회수⑤

유기산의 와 의 의 분무potassium salt ethylene diene tetra-acetic acid(EDTA) salt

건조공정에 배가스 폐열회수장치를 설치하였다 분무건조기내에서는 공급된 액체가.

고온공기내에서 분무되어 미립화된다 공급공기는 직화식 공기가열기로 가열되어.

약 정도가 된다 증발공정후에 분진입자와 가스의 혼합유체가 사이클론200~300 .℃

을 통과하면서 부분의 고형물은 포집된다 사이클론을 통과한 배가스내에는 미세.

입자가 일부 함유되어 있으므로 기로 방출되기 전에 후처리공정이 필요하다 이.

를 위하여 벤츄리 스크라버가 설치되어 미세입자를 공기로부터 제거한다 이러한.

공정중 열교환기가 사이클론의 후단에 설치되어 폐열을 회수하여 분무건조기로 공

급되는 공기를 예열한다 이것은 유리 전열관을 사용한 열교환기로서 유리관 내부.

에 배가스가 수직으로 상승하며 입구공기는 교류형으로 유리관 외부를 통과한다, .

평판을 사용하여 파울링과 부식문제를 줄였다 이러한 유리판을 사용하면 많은 장.

점을 갖출 수 있다.

- 17 -

먼저 내식성능이 우수하고 청소가 쉽고 육안 관찰이 쉽고 열충격에 강하고 경제, , ,

성이 우수하다 이러한 열교환기의 상부에 물분사를 이용한 청소장치가 있으며 이. ,

의 구조는 그림 과 같다[ 4] .

그림 분무건조기의 유리 열교환기의 구조[ 4]

물은 분무노즐에서 공급되며 전열관 보강판위를 물로 충진시켜 전열관을 통하여,

흘러내리도록 설계되었다 처음 설치에서 배가스내의 분진의 농도가 높아서 폐열회.

수량이 감소하였다 육안 점검 결과 전열관 내부에 파울링이 발생하여 열전도율이. ,

감소하고 압력손실은 에서 약 정도로 증가하였다 전열관의 입구부250 Pa 1,000 Pa .

분에 결정화 침작 을 형성하였으며 열팽창의 차이로 인하여 전(crystalline deposit) ,

열판이 파괴되었다 이것은 청소에 인하여 발생하였다 분무된 물이 건조되. on-line .

면서 입자의 부착이 심하게 발생하였다 이러한 문제는 유로를 추가로 설. by-pass

치하므로서 해결되었다 이러한 열교환기를 설치하므로서 건조기에 소용되는 열량.

을 정도 줄여 에너지를 절약할 수 있다20%~30% .

나 국내의 경우.

내식성 열교환기에 한 연구는 주로 국책연구소에서 내식성 합금재료나 세라믹 재

료를 중심으로한 소재연구와 내식성 재료를 코팅하는 연구가 산발적으로 수행된 바

있을 뿐 현재 매우 초보적인 수준에 머물러 있다 지금까지 이들의 연구는 사용온, .

도범위가 넓지 못할 뿐만 아니라 제작 공정의 문제점으로 인하여 상용화가 지연되

고 있다 년도에는 고온의 배가스열을 회수하기 위한 세라믹 관형 열교환기를. 1992

개발하여 실험적으로 동 용해로의 공기예열기로 사용하고자 현장실험을 수행한 바

가 있다.

- 18 -

그러나 세라믹 전열관의 두께가 두꺼워 열전달율이 감소하는 현상과 특히 가스누설

의 위험 및 현장 작업성이 떨어지는 문제점이 있어 아직 실용화가 되지 못하고 있

다 최근들어 튜브를 사용한 열교환기에 한 연구가 실험실적 규모로 수행. Teflon

된바가 있으며 현재 테프론 전열관 에 한 기술개발이 추진, (Teflon Covered Pipe)

되고 있다 테프론 전열관은 내식성은 우수하나 재질의 특성상 배가스 온도가 약.

이하에서만 사용할 수 있어 배가스 사용온도 범위가 극히 제한적이며 값이180℃

비싸서 실용화에 문제점이 있다 한편 본 연구에서와 같이 최첨단 플라즈마 기술과.

내식성 전열면 제작기술을 접목한 새로운 내식성 열교환기를 상품화하려는 시도는

전혀 없을 정도로서 미개척 분야이다.

다 원열판의 가스용 판형 열교환기.

원열판 주 에서는 판형 열교환기 형태의 가스쿨러를 개발하였다 이것은 가스의( ) .

냉각 공기의 예열 및 냉각에 사용될 수 있으며 발전소 형보일러 제철소 도장, , , , ,

건조설비 및 소각설비등에 광범위하게 사용될 수 있다 이러한 가스쿨러의 구조는.

해체와 조립이 가능하며 열매와 피가 열유체의 사이에 열교환이 이루어질 수 있는,

조립식 판형 가스쿨러의 형식을 가진다 현재에는 열교환기을 위한 가스쿨러는 파.

이프 또는 핀튜브를 사용하여 왔으며 최근에는 용접구조로 된 판형 가스쿠러를 일,

부 사용하고 있다 그러나 이러한 가스쿨러의 경우 일일이 용접공정을 실시하는. , ,

공정수가 많게 되므로 제작에 소요되는 인건비가 과중하게 되는 부담이 있고 작업

능률이 저조하게 되는 문제점이 있다 또한 스케일이나 먼지가 전열면에 부착되면.

이를 제거하기가 어려우며 일부분에 부식이 발생하면 전체를 교체하여야 하므로,

두께가 두꺼운 자재를 사용하게 되어 제작단가가 높은 반면 열효율이 저하되고 유

지관리가 어려운 문제점이 있다 또한 사용도중 용량의 증가가 요구될 경우 이에. ,

한 응이 불가능하여 열교환기 자체들 제작 설치하여야 하는 단점이 있다 그리.

고 종래의 가스쿨러를 고온의 가스를 냉각시키는 용도로 사용하는 경우 전열판의

열팽창으로 인하여 전열판이 손상되므로 사용가능 온도가 낮게 제한되는 문제점이

있다.

현재 분해 조립형 판형 열교환기는 액체 액체의 열교환에만 사용되고 있으며 가스- ,

분야의 편형 열교환기는 외국에서도 용접구조형 판형 열교환기만 제작하고 있다.

그러나 이러한 용접형 열교환기의 경우 미국 형과 일본의 행이 있다, , APEX HINO .

미국 제품은 평면형으로서 고온에서의 열팽창의 문제점이 있어서 주로APEX 60

이하에서 사용되고 있다 일본 형의 제품은 평면돌기형으로 온도에 큰 구0 . HINO℃

애를 받지 않고 높은 효율을 나타내고 있으나 제작 단가가 아주 높은 문제점이 있, .

다 그러나 원열판의 조립형 가스쿨러는 전열판과 가스켓을 중첩시켜 가스 쿨러.

를 구성하였다.

- 19 -

중첩된 전열판과 가스켓 양측에 플임을 배치하고 이들 프레임들을 조임볼트 및 너

트 그리고 스프링 와셔에 의하여 체결하며 조임볼트에 닿는 전열판의 모서리에 반, ,

원형의 요홈과 가스켓을 배치하여서 된 조립식 판형 가스콜러를 구성하였다 이러.

한 가스쿨러는 평면 에 일정한 돌기부를 형성해주므로서 적은 유속에서도 난plate

류를 형성하여 높은 전열 효율 의 약 배 을 나오게 하고 난류흐름을(pipe type 1.5~2 )

인하여 전열판 표면에 먼지 빛 이 적게 부착되어 전열자형을 줄여 주는 효과scale

가 있다 전열효율의 증 로 인한 열교환기의 크기가 약 감소하고 분해. 30~50%

교체할 수 있는 구조로 인해 전열판의 두께를 감소시킬 수 있기 때문에 같은 용량

의 타종의 열교환기에 비하여 크기 및 중량이 이하로 줄어 들어 이에 따라서1/2 ,

설치공간 및 설치비가 줄어들 것으로 판단된다 그리고 전열판이 금형 제품. PRESS

으로 재질별 일정한 재고를 비축하여 제작 납품기간을 일 이내로 줄여 현재 소요30

기간의 으로 줄일 수 있고 조립형으로서 몇 가지 표준 을 개발하여1/3~1/4 , model

용량에 따라 적은 노동량으로 생산성을 극 화할 수 있다 그리고 내부 전열판에.

용접을 하지 않으므로 제품의 뒤틀림 변형 등을 방지하고 고합금강일 경우 열처리, ,

등이 불필요하게 된다.

이러한 조립식 가스쿨러는 용접이 아닌 조립에 의하여 가스쿨러의 제작이 가능하므

로 작업이 용이하게 되어 작업능률이 향상되고 소요 인건비를 크게 절감할 수 있

다 그리고 열변형에 응하여 보상함으로서 누설을 방지하고 사용 가능한 온도를.

크게 상승시킬 수 있게 된다 또한 가스용량의 증가시 용량에 상응하는 가스쿨러의.

전열판의 수를 증가시키면 되므로 형 열교환기를 제작하는 경우에도 제작 비용을

크게 절감할 수 있다.

그림 조립식 판형 열교환기의 외형[ 5a]

- 20 -

이러한 여러 가지 형태의 판형 열교환기의 특성을 정리하여 요약하면 표 와 같< 1>

이 나타낼 수 있다 그리고 이러한 조립식 판형 가스쿨러를 부식성 가스에 적용하.

는 경우 프라즈마 코팅 전열판을 사용하므로서 부식의 문제를 해결할 수 있을 것,

으로 판단된다 이러한 조립식 판형 가스쿨러의 외형도는 그림 그림 와 같. [ 5a][ 5b]

다.

그림 조립식 판형 열교환기의 구조[ 5b]

- 21 -

표 여러 가지 열교환기의 특성 비교< 1>

PIPE TYPEFIN TUBE

TYPE

용접식

PLATETYPE조립식 PHE

제작방법 용접구조형법 용접구조형 용접구조형 분해조립형

용도 기체 기체:기체 기체:

기체 액체:기체 기체: 기체 기체:

효율

전열계수( )낮음(5~10) 낮음(5~10) 높음(15~30) 높음(15~30)

제작단가

같은용량(

가격: )

100/SET 60/SET 50~120/SET 30/SET

오염정도 많음 많음 적음 적음

용량 및

재질변경불가능 불가능 불가능 가능

국내제작여부 다수 다수

APEX

제작LICENSE

개1

없음

부분부식시

책교체 교체 교체

만ELEMENT

교체

청소가능 여부

불가SHELL : 불가SHELL :BOTH SIDE

부분가능

BOTH SIDE

가능100%가능TUBE : 가능TUBE :

제작단가 높음 중간 높음 낮음

부피 형 중 형 소형 소형

- 22 -

열교환기의 재질3.

열교환기의 화학적 부식 또는 마모와 같은 문제를 해결하는 여러 가지 방법이 있

다 먼저 부식 분위기를 변화시키는 방법이 있으며 이러한 방법으로는 온도를 낮추. ,

거나 마모를 일으키는 물질을 제거하거나 산성농도를 조절하거나 산소농도를 낮, , ,

추거나 다른 부식방지제를 추가하는 것들이다 그리고 열교환기 재질을 보호하기.

위하여 코팅을 하거나 재질을 좀 더 내식성이 우수한 재질로 바꾸는 방법이 있다, .

열교환기의 재질의 선정을 위하여 들 사용할 수 있으며 이것Bishop-Stern chart ,

을 그림 에 나타내었다[ 6] .

그림[ 6] Bishop-Stern Chart

그림 에서 보면 략적으로 가지의 재질군으로 나눌 수 있으며 이들은 금속[ 6] , 3 ,

재질 금속표면 위에의 코팅재질 그리고 비금속재료들이다 일반적인 와, . SUS 304

의 합금강은 환원분기에서와 염소가 존재하는 분위기에서는 사용이 제한SUS 316

된다 그러나 과 은 사용할 수 있다 부식이. super stainless steel dustainless steel .

더 심한 경우 좀 더 안정적인 보호막을 형성하는 티늄과 같은 재질을 사용할 수,

있다 코팅재질의 경우 에나멜과 의 가지 방법이 있다. , thermal spray (TS) 2 .

- 23 -

이러한 코팅 방법을 사용할 경우 코팅재질은 치밀하고 충분한 두께를 유지하여 부, ,

식성 물질이 침투하여 모재를 부식시키지 않도록 하여야 한다 또 다른 것은 코팅.

재질이 모재에 부착성을 유지하여야 한다는 것이다 코팅 재질의 다른 특성은 열전.

도도 얇은 두께 강도 내열성과 경제성 등이 있다 또한 부식성 환경에 사용하는, , , .

열교환기의 재질로는 세라믹 유리 유리 세라믹 재질과 프라스틱과 같은 비금속재, ,

질이 있다.

열교환기의 전열면은 내식성능이 우수한 에thermally sprayed coating(TS coating)

의하여 부식성 분위기로부터 보호될 수 있다 코팅은 전열면을 마모와 과열 그. TS-

리고 산화로부터 보호하는 역할을 한다 이러한 코팅에는 여러 가지 코팅 방법과.

여러 가지의 코팅 재질이 있다 코팅 재질로는 산화물 금속 그. , , carbides, nitrides

리고 프라스틱 등이 있다 개 코팅 방법은 분말이나 나사모양으로 코팅재료가 공.

급되며 열원은 가스화염 과 전기아크 또는 플라즈마, (3,000 ) (5,500 )℃ ℃

을 사용할 수 있다 용융면 코팅 재질은 고속으로 전열면으로(10,000~25.000 ) .℃

이동하며 금속면에 부착된다 코팅 재질은 여러 가지가 시장에 공급되고 있다 부. .

분은 산화물로서 Al2O3, Cr2O3, ZrO2 그리고 TiO2 등이 있으며 이러한 산화물들은,

거의 모든 부식성 환경에서 사용될 수 있다 그리고 금속재질을 코팅 재질로 사용.

할 수 있으며 이러한 종류로는 또는 등이 있다 다른 금속 재료로는, AI, Cr Ni .

Cr2O3, Al2O3 또는 Y2O3 등의 보호 산화막을 형성한다 어떤 경우에는 전열판에의.

접착성을 증 시키기 위하여 또 다른 금속재질을 코팅막을 형성하는 경우가 있다.

Al2O3는 가격이 저렴하며 쉽게 분사되고 코팅면은 단단하여 마모에도 강하다, . Al2O3

와 TiO2를 혼합하면 코팅은 조직이 더욱 치밀하고 매끄러운 표면특성을 가지나 코,

팅의 경도는 감소한다 세라믹 산화물 재질중에. Cr2O3가 가장 마모에 강한 특성을

가지나. Al2O3 경우보다 분사가 쉽지 않다. Al2O3와 Cr2O3는 이상의 온도에500℃

서 사용될 수 없다 이것은 상변화가 나타나 코팅 재질을 약화시키기 때문이다. .

산화물의 코팅 재질은 비교적 정도로 비교적 낮은 열전도도를 갖는다1 W/m K .･따라서 코팅의 두께를 얇게 유지하는 것이 중요하다 이것은 특히 양측의 전열유체.

가 액체인 경우 액체측의 열전달계수가 매우 크기때문에 더욱 중요하게 된다 예를, .

들면 만약 두께의 탄소강판에 의 코팅을 추가할 경우 총괄열전달, 1 mm 0.15 mm ,

계수는 코팅에 의하여 약 정도 감소하게 된다 다른 경우 즉 가스 가스 열교10% . , -

환기와 가스 액체 열교환기에서는 총괄열전단계수의 감소는 그다지 크지 않다 금- .

속재질의 코팅을 수행할 경우 총괄열전달계수는 거의 영향을 받지 않는다 반면에, . ,

프라스틱을 코팅할 경우에는 이의 열전도도가 약 정도로 매우 낮기 때0.1 W/m K･문에 전열성능의 감소는 더욱 커진다 략 액체 액체 열교환기의 경우 약 정. - 60%

도의 총괄열전달계수의 감소가 나타날 수 있으며 가스 액체 열교환기의 경우 감소-

율은 약 정도가 될 수 있다 코팅재질의 급속한 냉각으로 인하여 코팅은10% . TS

다공성의 층구조를 갖는다.

- 24 -

이로써 가 증가한다 프라즈마 코팅방법에 의한 코팅구조는 높은 온도permeability .

에서 더욱 높은 속도로 분사되기 때문에 다른 코팅 방법을 사용한 경우보다 기공이

적다 분사온도가 높을수록 코팅의 냉각속도는 느려지고 액적이 더욱 퍼지게 된다. , .

코팅의 성질을 향상시키기 위해서는 불활성 가스를 사용하며 보호하거나 진공을 유

지할 수도 있다.

- 25 -

제 장 플라즈마 용사 코팅기술2

제 절 기존 코팅기술 장단점 비교1

산업체나 발전소 등에서 사용하고 있는 열교환기는 용도와 적용처에 따라 수많은

종류의 것이 사용되고 있는 다품종 소량생산인 중소기업형 제품으로서 보통 카본,

스틸 재질의 것이 사용되고 있으며 화학플랜트나 발전소와 같은 심, AI, Cu, brass ,

한 부식환경에 노출된 경우에는 계 합금 제나 또는 과Ni . super s. steel Ti, Zr, Nb

같은 재료로 만든 열교환기가 사용되고 있다 이러한 방식은 제작방법이reactive .

비교적 간단하고 작업성이 용이하다는 장점은 있지만 과 같은 내식, SUS 304, 316

성 열교환기에 비해 당 제작가격이 약 배 정도 비싸기 때문에 특수한 용도, 5~8

에만 적용되고 있다 한편 원재료 가격이 비교적 저렴하면서 내식성이 우수한 에나.

멜 와 같은 세라믹으로 만든 열교환기가 있으나 급열 급냉에 약하고 제작공, glass ,･정이 까다로워 실용화 단계에서 중단된 바도 있었다 으로 만든 열교환기가, Teflon

현재 실용화 단계에 있으나 전열성능이 낮은 반면 제작가격이 비싸고 형화의 어. ,

려움과 주로 이하에서만 사용해야하는 단점이 있어 실용화에 어려움이 많다180 .℃

한편 종래의 코팅기술은 주로 도자기 산업에서 사용하고 있는 함침 방법이나 담금,

질 방법에 의한 것으로 이러한 방법은 두께조절과 표면의 균일화를 기하기 어렵고, ,

다단계의 제작공정을 거쳐야 하기 때문에 제작비가 많이 든다 특히 전열면이 가열.

냉각과 같이 주기적으로 반복되는 되는 경우에는 취성 으로 쉽게 파손되(brittleness)

어 작업도중 자주 교체해야하는 단점이 있으며 제작공정상 형 구조물에는 적용,

할 수 없다는 문제점이 있어 실용화에 어려움이 있다 이에 하여 플라즈마 기술.

은 기존 기술로는 해결할 수 없었던 이상되는 고융점 세라믹이나 초1,600 SUS℃

경재료와 같은 내식성 재료를 두께 미크론 또는 그 이상의 두께로 코팅할50~200

수가 있고 접착강도는 이상으로 유지할 수 있으며 전열면의 크기에 관, 25~40Mpa

계없이 임의 설계 제작이 가능하기 때문에 현재 많은 기술개발이 이루어지고 있다.･특히 종래의 제작기술과는 달리 별도의 열처리 시설이나 형로를 비롯한 담금질

가마 등이 필요없기 때문에 생산수율이 높아 불량 제품이 거의 발생하지 않는다는

잇점이 있어 제품경쟁력 을 향상시킬 수 있는 특징이 있다 전열면의 수명은 보통.

일반 열교환기에 비해 평균 배 이상으로 나타나 심한 부식환경에서 충분히 사7~10

용할 수가 있다 전열성능은 약 정도 떨어지지만 계열과 비슷한 전. 10~15% , SUS

열성능을 갖기 때문에 사용상 별 문제점은 없을 것으로 판단된다 또한 금속 전열.

면과 세라믹 코팅계면간의 용착상태가 나빠 발생하는 박리현상은 층을 만들buffer

어 주므로서 해결할 수 있으며 특히 모재 표면의 특수 처리는 내식성과, Anodizing

전열성능을 동시에 해결할 수가 있는 최첨단 기술이다.

- 26 -

제 절 플라즈마 코팅공정 선정 및 평가2

본 연구에 적용한 플라즈마 공정1.

플라즈마 용사법은 이나Ar N2 플라즈마 열을 이용하는 방법이기 때문에 플라즈마

빔의 온도가 정도로서 매우 높으며 용융입자의 표면을 향한 비행15,000~30,000K

속도가 로 매우 크기 때문에 치밀하고 우수한 코팅층을 얻을 수 있다250~650m/s .

그러나 코팅층의 성능은 약 여개 이상의 공정변수들에 의해 영향을 받기 때문에50

최적용사조건의 선정이 매우 중요하다 특히 코팅막의 용도에 따라 코팅재료 및.

제작공정이 달라지게 되고 세라믹 금속 고분자 또는 비칠재료를 단일층 또는 복합, ,

층으로 용사하는 경우에는 이들 재료간의 원자결합방식이 서로 다르기 때문에 화학

적 결합을 얻기가 어렵다 간 코팅의 경우에는 열팽창계수의 차이가 크고 코팅. ,異種

층이 급냉되기 때문에 열응력 발생이 가장 큰 문제가 되기도 한다 따라서 보통은.

접합력 개선과 특히 표면산화방지를 위해 하지코팅 층을 첨가하기도(Bond Coating)

하는데 열적 특성이 다른 이종 재료를 코팅할 경우에는 하지코팅층의 조성과 용사

변수들에 의해 크게 영향을 받기 때문에 재료 및 공정의 최적화가 필요하다 특히.

이들 특성은 분말의 성상에 크게 영향을 받으며 작업자의 숙련도나 코팅장비의 성

능에 의해서도 달라지기 때문에 철저한 공정관리와 품질관리가 요구된다 본 절에.

서는 세부공정별 기술적 특성에 하여 언급한다.

그림 에는 본 실험에 사용한 플라즈마 장치도를 실었다[ 7] .

그림 본 실험에 사용한 플라즈마 장치도[ 7]

여기서 는 플라즈마건 는 분말 이송장치 는 제어장치 는 용사장치를 냉각A , B , C , D

시키는 열교환가를 말하며 는 공기청정기 는 가스조절기 는 발전기를 나타낸, E , F , G

다.

- 27 -

플라즈마 기술분석 및 평가2.

가 세라믹 분말선정 및 제조.

내부식성이 요구되는 부위에 사용할 코팅재료의 선정은 일반적인 분말과는 달리 매

우 복잡하다 그 이유는 부식형태의 다양성 사용온도 주위환경조건 등이 복합적으. , ,

로 작용하기 때문이다 따라서 제품의 용도와 사용환경에 따라 모재 와. (Base Plate)

의 물리적 기계적 특성이 충분히 검토되어야 한다 특히 내식성 분말설계시, . Al2O3,

ZrO2와 같은 세라믹 재료를 비롯하여 계열 및Stainless Steel , SiC, TiC Graphite

계열과 같은 고융점 재료의 단일성분 또는 복합성분을 사용 할 경우에는 분말의

가 더욱 중요하다 기분적으로는 내식성 분말의 유동성이 좋아야 하고Morpholgy . ,

비산성이 우수해야한다 따라서 분말의 형태는 구형이 최적이며 용사후 조밀성을.

유지하도록 최적분포를 갖도록 해야 한다 특히 코팅된 모재에 요구되는 특성조건.

즉 사용온도 경도 접합강도 및 열적특성 등에 따라 용사공정이 달라지기 때문에, ,

분말의 최적화 기술이 필요하다 현재 이틀 분말은 부분 비싼 가격으로 전량 수.

입에 의존하고 있어 원가상승요인이 되고 있으며 다품종 소량생산기술이 요구되는

분야이다 따라서 기술의 속성상 국산화를 위해서는 다양한 시장과 량의 수요처.

가 있어야 하는 관계로 국산화에 많은 어려움이 있다.

본 연구에서 사용하고 있는 Al2O3, TiO2와 같은 세라믹 분말은 국산화되어 있어 수

입가격의 정도로서 저렴하게 구입할 수 있지만 용사용 분말로 사용하기1/4~1/5

위해서는 입자의 형태를 재조정하여 용사 가능한 구형으로 제조하여 사용해야 하기

때문에 추가 제조공정이 필요하다.

나 플라즈마 코팅특성의 결정요소.

플라즈마를 이용한 코팅기술은 모재와의 융착에 있어서 현재까지 알려진 기술가운

데 가장 신뢰성이 있는 기법으로 금속 비금속 탄화물 산화물 붕화물 질화물 규, , , , , ,

화물 등을 플라스틱이나 유리 등에도 코팅할 수 있으며 모재보다도 더 우수한 물,

리 화학적 특성이나 기계적 특성을 갖는 것이 특징이다 따라서 모재가 과열되거나.･특성이 저하되는 것을 방지하기 위해서는 각별한 주의가 요구된다 보통 플라즈마.

용사에 사용되는 전압은 이며 전류는 통상 의 전80~160 Volt , 50~1,000 Amperes

류를 공급하게 된다 은 개의 가스 흡입구가 있고 텅스텐 전극봉으로. Plasma Gun 2

흡입된 가스는 아크에 의하여 이온화되고 노즐의 형상에 의한 압축효과에 의하여,

이상으로 고속분사되기 때문에 주로650m/sec Ar/H2 와 같은 불활성 가스를 사용

해야한다 헬륨가스도 사용할 수 있으나 차 가스로는 거의 사용하지 않는다 질소. , 1 .

의 경우는 융착금속과 모재의 취성에 영향을 주므로 주의를 해야 한다 통상 질소.

나 아르곤 가스에 의 수소가스를 첨가하면 높은 온도를 얻을 수 있다 플라5~25% .

스마 용사에 사용되는 가스의 유량은 보통 이고 분말을 이송시키는2.3~2.9 /h , 2㎥

차가스의 유량은 이다0.5~0.9 /h .㎥

- 28 -

플라스마 용사는 인 산소 아세틸렌 용사에 비하여 고품질의 코팅을 얻을 수HVOF -

있고 거의 모든 종류의 물질을 용사할 수 있으며 산화현상 또한 적다 용사의 두께.

는 적용되는 경우에 따라 다르지만 개 한 패스당 이고 용사효율은0.03~005mm

정도가 된다 그러나 플라스마 용사의 결점은 작업자의 숙련이 필요하다60~90% .

는 것이다 플라즈마 용사는 한 패스에 의 두께와 적절한 폭이 유지되도록. 0.03mm

노즐을 선택해야 하고 두께를 조절할 수 있어야 한다 그러나 최근에는 로봇에 의, .

한 반자동 및 전자동화된 장치들이 개발되어 보급되고 있으므로 코팅 제품의 질적

향상을 기하고 있다.

표< 2> Comparision of Flame Temperature and Particle Velocity in Different

Types of Coating Processes

표 에서 보는 바와 같이 각 용사기법별로 화염의 온도와 입자의 비산속도는 현< 2>

저하게 차이가 있고 이 두가지 요소는 용사의 품질을 결정하는 중요한 요소이므로

적용용도에 따라 용사기법 및 용사재를 선택하여 사용하여야 한다 용사업자 빚 모.

재의 산화는 용사의 품질을 저하시키는 결정적인 원인이 되므로 이를 방지하기 위

하여 용사재의 용융속도와 용융된 입자의 비산속도를 가능 하면 빠르게 하는 것이

좋다 경우에 따라. Low Pressure Plasma Spraying System, Vacuum Plasma

을 사용하기도 한다Spraying System .

다 아크가스.

아크가스는 용사되는 의 종류에 따라서 결정되어야 한다 보통 플라즈마 용Powder .

사용 아크가 스로는 과 이 많이 사용되며 질화물의 형성으로 융착금속의 취성Ar He

이 강해지는 경우가 아니면 질소가 사용되는 경우도 있다 질소나 수소같은 원자. 2

형의 가스를 사용할 때의 장점은 같은 온도에서의 헬륨이나 아르곤보다 더 높은 열

에너지를 함유하고 있기 때문에 모재의 과열을 방지할 수만 있다면 산화물과 같이

용융점이 높은 재료를 용사하는 경우 유리하다 그러나 열에너지가 높은 것이 장점,

은 있으나 노즐의 침식이 심해지는 단점이 있다 그러므로 차가스로서 을 사용. 1 Ar

하고 차가스로는 수소나 질소를 사용하는 것이 일반적이다 또한 차가스로 아르2 . 1

곤이나 수소를 사용하고 차가스로 질소에 의 수소를 첨가하여 사용하기도2 5~25%

한다.

- 29 -

아르곤 가스는 기공의 과다발생과 이물질의 혼합을 방지하기 위해 플라스마 용사에

가장 널리 사용되고 있다 아크가스의 성분은 아크전압과 에 영향을 준. Power Level

다 즉 수소 또는 질소와 아르곤 가스와의 혼합 가스보다 순수 아르곤 가스가.

을 유지하는데는 더 높은 전류가 필요하다 아크 가스량이 과다하게 되Power Level .

면 특히 차가스의 경우 플라스마의 열에너지를 감소시키고 용사입자의 열에너지1 ,

를 증가시켜서 용사입자의 용융시간을 감소시킨다 심할 경우에는 용사입자가 과열.

되어 기화되거나 송입구 혹은 에 부착하게 되며 결과적으로 작은Powder Nozzle ,

덩어리가 뭉쳐서 큰 덩어리 가 되어 코팅 속으로 침적되어 코팅의(Agglomerates)

질을 저하시킨다 그러므로 용사 작업도중 이런 현상을 발견하는 즉시 작업을 멈추.

고 덩어리를 제거한 후 상기한 작업조건을 점검하여야 한다.

라. Arc Power Level

의 용사능력은 의 종류와 전극봉을 냉각시키는 장치의 효율에 좌Plasma Gun Gun

우된다 은 사용되는 전력과 전압의 크기에 따라 아크 발생열량이. Arc Power Level

달라지기 때문에 용사온도에 직접적인 영향을 미친다 따라서 높은 용융점을 갖는.

용사재료를 용사할때에는 을 높이 유지할 필요가 있다 보통 아크가스Power Level .

의 형태와 유량에 따라 전압이 조절되는데 수소나 헬륨이 사용되는 차가스의 유, 2

량의 증감에 따라 전압이 변하게 된다 확정된 작업조건에 의하여 가스유량을 조절.

하는 경우라도 전압이 부적절한 경우가 있는데 이때는 전극봉의 침식으로 인하여,

아크의 길이가 변했기 때문이다 만약 전압이 적정범위에 있는데도 이. Power Level

적정 범위를 벗어나게 되면 이때는 전류값을 조절해야 한다 따라서 플라즈마 용사.

를 시작할 때 모든 조건이 적절하여 작업이 정상적으로 진행된다 하더라도 용사작

업이 끝날때까지 작업조건을 계속 점검하여야 한다 이는 차가스량의 변화 전극. 2 ,

봉의 침식등에 의해 조건이 변하기 때문이다 특히 이 최적치보다 낮을. Power Level

경우는 분말입자가 완전히 용융되지 않기 때문에 접착강도 강도 경도 용, Coating , ,

착효율 등이 떨어지게 되며 이 높을 경우는 분사입자가 기화되어 용착, Power Level

금속의 화합물에 영향을 주고 모재와 용착물 사이에 기공을 발생시켜 접착력을 떨

어뜨린다 또한 전기소모가 심하고 의 부품을 쉽게 마모시키는 경향이. Spray Gun

있어 최적조건설정이 매우 중요하다.

- 30 -

마. Feeding Rate

플라즈마 용사에 사용되는 입자의 크기는 용사작업에 있어서 매우 중요하powder

다 예를 들면 입자의 크기가 클 경우 열에너지가 많이 필요하고 용융에 필요한 시. ,

간이 길어지게 되므로 입자의 크기에 따라 과 가스 유량등이 조절되어Power Level

야 한다 입자의 크기는 코팅막의 질에도 영향을 미치는데 이는 용사업자가 모재에.

충돌할 때의 운동에너지에 영향을 주기 때문이다.

또한 입자의 크기가 아주 작을 경우에는 용사시에 용사입자의 속도가 많이 감소하

기 때문에 밀도와 용착효율이 크게 저하된다 입자의 최적크기는. Powder 140~325

이다 그러나 입자의 크기가 클 경우 입자의 열 함유도도 좋mesh(0.1~0.04 mm) . ,

고 입자가 모재에 분사되었을 때 변형율도 좋기 때문에 접착강도를 향상시킬 수도

있다.

이 결정되면 그에 맞는 이 결정되는데Power Level Powder Peed Rate Powder

이 적정치보다 클 경우 용사입자가 적당히 열을 받지 못하므로 기공이Feed Rate ,

발생하고 가 저하된다 반 로 이 낮을 경우는 용. Deposition Efficiency , Feed Rate

사입자가 과열되어 기화하게 된다 는 운송이나 저장하는 동안에 입자의 크. Powder

기에 따라 층을 이루면서 분리되는 경향이 있는데 이를 방지하기 위해서는 Powder

를 적절하게 섞어두는 것이 필요하다 에 영향을 미치는 기타 요소. Powder Feeding

는 의 직경과 길이 의 수분함유량 의 유량Powder Feed Line , Powder , Carrier Gas

등을 들 수 있다.

바. Spray Distance

플라즈마 용사시 모재와 사이의 거리는 코팅막의 특성을 지배하는 인자 가운데Gun

가장 중요하다 노즐과 모재와의 거리는 된 입자가 모래에 용착되는 순간의. Spray

속도와 온도에 의해 결정되며 특히 모재와 용착금속의 온도에 큰 영향을 미친다.

용사거리는 장비 용사 재료 등에 따라 결정된다 통상 정, Power Level, . 5~12.7cm

도의 거리가 사용되고 있고 특별한 경우는 의 오차를 가지고 용사를 하여야0.5cm

하는 경우가 있는데 이때는 자동화 장비를 사용하여야 한다 용사거리가 길 경우에.

는 용사업자가 과냉되어 입자가 모재에 용착할때 변형이 적어지므로 접착강도와,

용착효율이 저하되고 기공이 발생하게 된다 또한 용사거리가 짧은 경우에는 모재.

가 과열되어 모재의 표면을 산화시키거나 모재가 너무 팽창하여 용착금속이 모재로

부터 탈락하게 된다 그러나 적절한 용사와 냉각방법을 사용한다면 용사거리가 짧.

은 경우에 매우 조밀한 용착금속을 얻을 수 있는데 이때 사용되는 냉각방법의 하,

나는 용융입자가 모재에 용착되는 즉시 액화 CO2 가스를 용착표면에 분사하는 것

이다 표 은 로 용사를 할 경우 용사 과 모재와의 거리에. < 3> Alumina Plasma , Gun

따른 용착금속내의 기공의 변화를 나타낸 것이다.

- 31 -

표 용사시 와 과 모재간 거리가 기공에 미치는 영향< 3> Alumina Gas Gun

사. Spray Angle

일반적으로 용사각도는 모재에 수직으로 행하는 것이 원칙이고 이때 접착강도 코, ,

팅강도 용착효율이 가장 높다 용사각도는 모재에 하여 수직으로부터 이상, . 15°

기울여서는 좋지 않다 그러나 모재의 표면형태에 따라 용사각도를 조절하는 것이.

좋을 경우도 있어 초기설정이 중요하다.

아. Surface Speed of Deposition

침적표면의 속도는 의 노즐이 모재 표면을 지나는 속도 또는 모재 표면이Gun ,

의 노즐을 지나는 속도를 의미한다 침적표면속도는 한 패스 당 코Gun . (One Pass)

팅두께가 를 초과해서는 안되며 건의 이동속도가 느릴 경우에는 모재가 과0.15mm

열되는 경우도 있으므로 주의해야 한다.

자 예열. (Preheating)

용사하는 동안 조성되는 온도구배는 코팅막이나 모재내에 남아있는 잔류응력에 영

향을 미치게 되며 특히 용융입자가 냉각되는 과정에서 가스내에 함유된 오염물질,

과 상호작용하여 모재에 영향을 주게 된다 따라서 모재는 용사하기 전에. 100~12

적정온도로 예열하는 것이 좋다 예열의 목적은 가스 분위기에서 수증기의 응0 .℃

축방지와 용융입자가 차가운 모재나 잔류응력이 존재하는 코팅면에 부딪칠 때 열충

격의 최소화에 있다 최 예열온도는 모재의 재료와 용사하는 동안의 모재의 온도.

상승정도에 따라 달라지는데 모재와의 열팽창계수차이가 큰 재료를 코팅할 때에는

높은 온도로 예열하는 것은 오히려 좋지 않기 때문에 재료특성에 따라 적정온도의

유지가 필요하다.

- 32 -

차 잔류응력 제거. (residual stress release)

용사코팅은 고온 고속으로 형성된 플라즈마 기체를 이용하여 분말을 용융시켜 모,

재에 적층시키는 공정이기 때문에 모재의 표면에 적층되는 분말의 고온 액적은 커

다란 동적 열적 에너지를 수반하게 된다 특히 분말의 비행속도가 마하 이상으로, .

빠르기 때문에 분말의 액적 이 모재에 충돌하면서 운동에너지가 매우 커지(droplets)

게 되어 표면에 응력이 발생하게 된다 따라서 적층된 액적은 표면으로부터 급속한.

응고현상이 나타나게 되어 냉각되는 과정에서 열 수축에 의한 잔류 응력(residual

이 모재층에 발생하게 된다 코팅 층에 가장 큰 영향을 주는 요인은 열팽창stress) . /

수축에 의해 일어나는 코팅 표면층의 선 수축 현상이다 그러므로 용사중에 발생한.

잔류응력은 용사제품의 변형을 일으키며 코팅 층간의 원인뿐 아니라 코팅failure

층의 기계적 화학적 성질에 영향을 주기 때문에 모재에 적합한 열처리를 하여 반,

드시 제거해야만 한다.

- 33 -

제 장 세라믹 코팅 판형 열교환기 특성3

제 절 판형 열교환기의 전열특성1

판형 열교환기의 정의와 특징1.

열교환기는 서로 다른 온도를 가진 둘 또는 그 이상의 유체간에 열전달이 가능하도

록 하는 장치이며 전달과정 밀집도 구조 형식 그리고 유동형상에 따라서 여러, , , ,

가지로 분류된다 그중 약 여 년의 역사를 지니고 있는 판형 열교환기는 고정된. 100

사각 와 이동이 가능한 사이에 얇고 주름진 여Head plate Head plate (corrugated)

러 장의 전열판 이 서로 다른 방향으로 존재하여 이들 전열판 사이에서 가열(plate)

유체와 수열유체가 교 로 흐르면서 열전달을 수행하는 장치이다.

판형 열교환기는 아주 낮은 수에서도 난류를 유도할 수 있는 전열판의Reynolds

주름 을 가지고 있으므로 전열성능이 우수할 뿐만 아니라 또한(corrugation) , )ⅰ

작은 온도차에서도 높은 전열효율이 요구될 때 또는 와 같이, ) stainless steel Tiⅱ

유체나 공정특성상 비교적 비싼 재질이 요구될 때 경량이며 작은 공간에 설치, )ⅲ

가 요구될 때 가장 유용하게 사용 될 수 있다.

이러한 판형 열교환기는 잘 알려진 형의 열교환기와 비교할 때 적shell-and-tube ,

용 용량 범위 내에서 여러 가지의 장점을 나타내고 있다 판형 열교환기는 액체 형.

태의 음식물의 제조공정에 주로 적용되고 있는 형태의 열교환기이다 적용 예는 맥.

주의 발효 우유의 살균 그리고 요구르트의 냉각 등이다 그리고 선박용 폐쇄회로형, .

식의 냉각공정에 사용되며 이 경우 티타늄을 사용한 판형 열교환기를 사용하여 공.

정수를 해수로 냉각하는 공정이 있다 온도차가 적거나 설치공간과 무게가 중요할. ,

때 그리고 스테인레스 스틸이나 티타늄과 같은 내부식성의 재질이 요구될 때 판형, ,

열교환기의 사용이 유리하다 판형 열교환기의 사용 범위는 계속 확 되어 가고 있.

는 추세이다 이것은 스팀가열기 용량 건물의 공기조화기의 일부인 증발기 습식. , ,

가스냉각기 그리고 냉방장치의 일부로 사용되고 있다.

중요한 판형 열교환기의 장점으로는 높은 열전달율 적용성 접근성 작은 크기 저, , , ,

렴한 가격 다양한 기능 그리고 파울링의 저감 등이 있다, .

에너지 가격의 증가 및 에너지 자원의 절약을 위하여 열교환기의 열효율의 향상이

필요하다 판형 열교환기는 매우 높은 열전달성능을 가지며 완전한 향류를 이루. ,

고 따라서 적은 온도차를 유지한다 따라서 열효율이 높아서 인 경우. single pass

에도 약 이상의 열효율을 나타낼 수 있다 그리고 여러 가지 이유로 인하여86% .

기존의 열교환기의 성능을 변경할 이유가 있다 열교환기의 용량의 증가 적용의 변. ,

경 그리고 열교환기의 예상치 못한 파울링에 한 처 등은 다른 열교환기에서는,

어렵다 그러나 판형 열교환기의 경우 이러한 요구 사항을 만족할 수 있도록 배열. , ,

이나 전열면적을 변경시킬 수 있다.

- 34 -

또한 판형 열교환기를 해체하기가 비교적 쉬워서 모든 전열면을 관찰하고 청소할

수 있다 이러한 특성은 파울링의 특성이 특이한 경우나 현장에서의 화학적 청소작. ,

업이 곤란한 경우 매우 만족할 만한 장점으로 나타난다 튜브형 열교환기의 경우. ,

표면적에 비하여 액체의 체류용량이 비교적 크다 이에 반하여 작은 간격의 사각형.

유로를 사용하므로서 열교환기의 크기가 작아지고 액체의 체류량이 적다 이러한, .

열교환기의 크기는 높은 열전달율에 의하여 더욱 작아진다 따라서 일반적인.

형의 열교환기에 비하여 열교환기의 크기가 매우 작게 된다 또한shell-and-tube .

액체의 체류량이 작기 때문에 열교환기의 무게가 감소하고 시동시간이 줄어드는 장

점을 나타낸다 그리고 간단한 작업과 용접공정이 없기 때문에 단위 전열면. press

적당 제작 단가가 낮다 특히 전열판 재질의 가격이 비싼 경우 열교환기의 경제성, ,

은 더욱 차이가 난다 열교환기의 중간 의 역할을 하는 특수한 형태의 연결. header

판을 사용하므로서 하나의 열교환기를 사용하더라도 여러 개의 분리된 열교환기의

역할을 수행할 수 있도록 조절할 수 있다 이러한 특성으로 열교환기 가격을 더욱.

저렴하게 할 수 있으며 설치무게와 공간을 줄일 수 있게 된다 또한 높은 열전달율. .

은 난류강도에 의하여 유지되므로 전열면에서의 전단응력이 매우 크다 따라서 파.

울링의 제거율이 높으며 이로 인하여 형의 열교환기에 비하여shell-and-tube

부분의 형태의 파울링에 한 열저항이 매우 작게 유지될 수 있다.

이러한 여러 가지의 판형 열교환기의 장점이 있는 반면에 제한적인 면도 있다 먼.

저 판형 열교환기에는 사용압력의 제한이 있으며 개 압력의 한계는 1,600 kN/㎡

정도이다 그리고 판형열교환기에서의 압력손실이 비교적 크다 또한 가스켓의 종류. .

로서 여러 가지 재질의 고무가 사용될 수 있으나 판형 열교환기의 가스켓의 온도,

한계는 약 정도가 된다 또한 부식이나 안전의 문제가 중요시 될 경우 판200 oC . ,

형 열교환기의 사용이 제한될 수 있다.

환형 열교환기의 전열성능 이론2.

유체의 유량이 일 때 채널당 흐르는 유체의 유속은 식 과 같으며M [kg/hr] , (3-1) ,

는 의 폭 이고 는 간의 간격 이라 정의한다면 이때의 질량 유속Be plate (m) ’ plate (m)δ

은 식 와 같이 표현할 수 있다(3-2) .

이때의 와 은 각각 식 과 식Reynolds number, Re Prandtl number, Pr (3-3) (3-4)

와 같이 정의할 수 있다.

- 35 -

는 상당경 는 비열 는 점도 그리고 는 열전도도De (m), C (kcal/kg ), (kg/mhr), K℃ μ

이라면(kcal/mhr ) ,℃

본 실험의 경우에는 온수와 냉수의 입 출구 온도의 측정이 가능하므로 방법LMTD･을 사용하여 총괄열전달계수를 구할 수 있다 즉 이때의 수평균온도차 는. , LMTD

식 과 같다(3-5) .

고온 측의 온도의 변화가 Thi에서 Tho로 변화하고 저온 측의 온도의 변화가 Tci에서

Tco로 변화한다면 냉수가 얻은 열량. Qc과 온수가 잃은 열량 Qh는 식 과 식(2-6)

으로 표현할 수 있다(2-7) ,

Qc와 Qh의 평균값을 Qmean이라 정의한다면 총괄열전달계수의 실험값, Uexp, kcal/

는 식 과 같다hr (2-8) .㎡ ℃

또한 본 실험에서 사용된 판형 열교환기는 삼각 파형 열교환기이므Herring bone

로 등Bounopane (11)에 의해서 실험적으로 얻어진 결과를 이용하면 코팅 막의 열,

전달율 hhot, hcold 는 식 를 사용하여 구할 수가 있다kcal/ hr (3-9) .㎡ ℃

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식 로부터 얻어진(3-9) hhot, hcold을 계산한 다음 전열판의 열전도도 와 전열판의, .λ

두께 등의 상수를 안다면 총괄열전달계수의 이론적 계산값ts Ucal. 을, kcal/ hr㎡ ℃

식 을 사용하여 구할 수 있다(3-10) .

본 실험장치의 경우에 있어서 식 로부터 얻은 총괄열전달계수의 실험값과 식(3-8)

을 이용 하여 계산한 총괄열전달계수의 계산값을 비교하였을 때 두 값의 차(3-10) .

이가 크지 않다면 이론적으로 전열특성을 예측할 수 있을 것이다.

재 절 판형 열교환기의 부식2

판형 열교환기와 부식문제1.

열교환기의 재료는 첫째로 열전도성이 우수하고 둘째로 열교환기 내부를 통과하는,

유체에 하여 충분한 내식성이 있어야 하며 마지막으로 저렴해야 한다 따라서 현, .

재 시판되고 있는 열교환기 재료의 경우 동과 그 합금이 거의 독점적으로 사용되,

고 있으며 그 사용내력은 표 과 같다 즉 초기에는 황동이 많이 사용되었, [ 4] . 7-3

으나 탈아연부식으로 인하여 이에 을 약 첨가한 것이 나왔고 다시 를Sn 1% , As

첨가한 애드미랄티 황동 이 등장하였으며 이어서 내부 식0.04% (admiralty brass) ,

성이 더욱 우수한 황동 합금 때로는 를 첨가 이Al (76Cu-22Zn-2AI-0.04As , 0.3%Si )

개발되었다 또한 오염해수를 사용하는 경우에는 황동도 내식성이 부족하므로 새. AI

로운 재질로써 청동 큐프로니켈 이 개발되었고 내부식성이 더욱AI , 10% (cupro-Ni) ,

우수한 큐프로니켈이 개발되었다 최근에는 계의 상 스테인30% . ferrite-austenite 2

리스강도 사용 가능하게 되었다 그러나 이들 재료들은 내부식성의 향상에 따라서.

전열특성이 현저히 감소되며 또한 고가라는 단점을 가지고 있다.

현재 내부식성이 요구되는 판형 열교환기의 주재료는 계열과 계stainless steel Ti

열의 합금이다 계열의 재료의 경우 비교적 가격이 저렴하며 가공. Stainless steel

이 용이하다는 장점을 지니지만 염소 이온이 존재하는 환경 하에서 가(chloride) pH

낮을 경우 심한 틈부식 을 일으키게 된다(Crevice corrosion) .

- 37 -

계열의 합금의 경우는 해수와 유기화합물 그리고 부분의 산화성산에 해서는Ti

매우 강한 부식저항을 나타내지만 고온 또는 농축 염산이나 인산과 옥살산 그리고

불화물에는 매우 취약하다 특히 계열의 경우. stainless steel magentite(Fe3O4 와)

같은 철계 산화물이 쉽게 발생되며 이들이 열교환기 표면 중 가장 뜨거운 부분에

흡착되어 열교환기 표면을 오염시키는 것으로 알려져 있다 또한 뿐만. magnetite

아니라 해수나 지하수의 경우 이들 용액 속에 포함되어있는 여러 가지 광물이나 이

온들은 을 발생시키며 이 때문에 열교환기의 부식이 가속되는 것으로 알려져scale

있다 그러므로 이들 금속 재료로 제작된 열교환기의 경우 부식환경 하에서 시간의.

경과에 따라서 열교환기의 효율저하는 물론이고 신뢰성과 안전성에 문제가 발생할

수 있다 내부식 특성을 가져야 하는 열교환기의 경우는 다음과 같이 크게 둘로 나.

뉘어 생각할 수 있다.

가 보일러에서의 폐열 회수를 위한 응축 열교환 이용 분야.

일반적으로 중유에는 이상의 황이 포함되어 있는데 이러한 연료유 중의0.5 wt.% ,

유황 성분은 연료의 연소과정에서 산소와 반응하여 이산화황 또는 삼산화황을 형성

하며 이들은 보일러가 냉각될 때 응결하여 다시 황산을 형성한다 기 중의 질소, .

역시 유사한 경로를 통해 질산을 형성한다 농축된 황산이나 질산은 부분의 철이.

나 강을 부식시키게 된다.

나 화학반응 또는 생성 등으로 인해 발생한 열회수용 이용 분야.

화학약품을 제조 또는 정제할 때 발열반응으로 인해서 발생하는 열을 회수 또는 이

용하기 위한 열교환에 사용되는 열교환기 재료는 우수한 열전도특성과 더불어 강한

내부식성이 요구된다.

제 절 내부식성 전열판의 특성평가3

내부식성 플라즈마 용사 코팅 전열판의 제작1.

본 실험에서 사용한 전열판은 원열판 주 에서 현재 생산 시판하는 모델을( ) DX-1･사용하였다 모델의 전열판은 의 재질로 제조되었으. DX-1 Stainless steel type 304

며 의 전열면 의 전열판의 폭 그리고 의 의 두께를0.038 0.108 m 0.003 m gasket㎡

갖는다 전열판에 내부식성 우수한 여러 가지 재료의 분말을 플라즈마 용사. DX-1

코팅하였으며 판형열교환기 실험용 전열판의 종류에 따른 코팅재료와 두께를 표, <

에 나타내었다5> .

- 38 -

표 플라즈마 용사 코팅 전열판의 구조< 4> (a)

표 플라즈마 용사 코팅 전열판의 구조< 5> (b)

- 39 -

프라즈마 코팅 전열판의 전열성능실험2.

플라즈마 코팅된 전열판의 전열성능의 측정을 위하여 그림 의 모델명이[ 8] DX-01

인 원열판 주 의 판형 열교환기에 한 전열성능 측정용 실험장치를 제작하였다( ) .

그리고 이러한 판형 열교환기의 전열성능실험장치의 구성도를 그림 에 나타내었[ 9]

다 이러한 판형 열교환기의 전열성능 실험장치에는 온수저장탱크 온수펌프 온수. , ,

와 냉수용 물유량계 유량조절밸브와 온도측정정치 및 온수온도조절장치 등으로 구,

성되어 있다 먼저 온수탱크에는 의 열전 를 사용하여 온수 탱크내의 온도. K-type

를 측정하며 이 측정결과는 온도조절계로 연결되어 온수탱크의 하부에 설치된, 3

의 전기히터로 공급되는 전력량을 제어를 사용하여 조절하므로서 온수의 온kW PID

도가 약 의 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하였다 그리고 온수와 냉수공급60 .℃

관에 열전 를 설치하였으며 온수와 냉수의 온도를 으로 측정하, datalogger system

고 이 측정자료를 컴퓨터에 연결하였다 물유량계는 온수와 냉수 모두 을. oval type

사용하였으며 순간 유량과 적산유량을 함께 측정할 수 있다 온수탱크의 직경은 약, .

이며 높이는 약 정도이다 냉수관은 실험실에 있는 수도관과 연결하300mm 500mm .

여 상온의 냉수가 유입될 수 있도록 하였다 그리고 판형 열교환기에서 승온된 수.

돗물은 그 로 방류하였다.

판형 열교환기의 전열성능을 측정하기 위한 측정실험방법은 먼저 모델의 판DX-01

형 열교환기에 장착한 전열판의 전열성능을 측정하기 위하여 측정을 원하는 전열판

개를 가운데에 위치시키고 이 전열판의 앞과 뒤에 첫째 전열판과 막힌 전열판을1

넣어 판형 열교환기의 을 일정한 장력으로 볼트들을 조여서 조립한다DX-01 frame .

따라서 온수의 유로와 냉수의 유로는 각각 개가 되도록 하였다 그리고 온수탱크1 .

의 열전 에 연결된 온도조절계의 온도를 로 설정하여 온수탱크의 급수온도가60℃

로 일정하게 유지되도록 온도를 조절한다 다음에 온수펌프들 작동시키고 온수60 .℃

와 냉수의 유량조절벨브를 사용하여 동일한 유량을 유지하도록 하였다 온수와 냉.

수의 유량을 유량계로 측정하면서 유량조절밸브를 사용하여 조절한다 본 실험에서.

는 각 전열면에 하여 온수와 냉수의 유량이 및 인 경우150, 200, 250 300 kg/hr

에 하여 각각 실험을 수행하였다 그 다음 온수의 입출구온도와 냉수의 입출구온. ,

도가 정상상태에 도달할 때까지 온도를 릎 사용하여 측정하고 이러한datalogger ,

온도들이 정상상태에 도달한 후에는 일정시간동안 온도들을 측정하여 그 동안 측정

한 온도들의 평균온도를 계산하였다 따라서 각 전열판에 하여 온수와 냉수의 입.

출구온도와 유량을 측정하여 이러한 자료들 사용하여 각 유량에서의 총괄전열계수

를 계산할 수 있다.

- 40 -

uncoated plate, coated plate, heat controller, water tank,ⓐ ⓑ ① ②

thermocouple, water pump, hot water inlet, hot water③ ④ ⑤ ⑥

outlet, flowmeter, cold water outlet, cold water inlet,⑦ ⑧ ⑨ ⑩

digital recorder, PC, plate heat exchanger, flow control⑪ ⑫ ⑬

valve, flow control valve.⑭

그림 플라즈마 코팅 전열판의 전열성능실험장치도[ 8]

그림 판형 열교환기의 전열성능실험장치[ 9] DX-1

- 41 -

플라즈마 용사 코팅 전열판의 전열특성3.

판형 열교환기 전열판의 전열특성은 총괄열전달계수로 평가할 수 있다 판형 열교.

환기 전열성능실험장치를 이용한 총괄열전달계수를 측정할 경우의 실험의 정확성과

식 을 이용한 이론적 총괄열전달계수에 한 예측결과의 정확성을 상호 비교(3-10)

조사하기 위해 먼저 재질의 전열판에서의 총괄열전달계수의 실험값SUS-304 DX-1

Uexp.과 계산값 Ucal.을 식 과 식 을 이용하여 구하였고 이를 표 에 비(3-8) (3-10) < 6>

교하였다 이 경우 계산값. Uexp. 이 경우 오염계수 는 으로 설정하였, (foulin factor) 0

다. Uexp. 값의 경우, Ucal. 에 비해서 약 정도의 값을 나타었으며 따라서94%~97% ,

오차가 비교적 적기 때문에 본 실험에서는 비교적 정확한 이론적 예측이 가능하다

고 판단된다.

표< 6> Ucal.과 Uexp.의 비교

본 연구에서 제작한 플라즈마 용사 코팅 전열판의 전열특성은 열교환기 성능을 결

정하는 중요한 사항이다 본 연구에서는 판형 열교환기의 전열판의 전열성능을 측.

정하기 위하여 판형 열교환기 전열성능실험장치를 제작하였으며 판형 열교환기 전,

열성능측정장치를 이용하여 각 세라믹 코팅 전열판의 총괄열전달계수를 측정하였

다 판형 열교환기의 성능측정시 물의 유량은 범위에서 변화시켰. 150~300 kg/hr

다 그리고 플라즈마 세라믹 코팅 전열판의 총괄열전달계수를 전열판의 재질이.

인 원판에서의 총괄열전달계수와 비교하였다 그리고 참고로 각 물유량에서SUS304 .

의 플라즈마 코팅 전열판과 원판의 총괄열전달계수의 비율을 구하고 이의 평균값을

계산하였다 이러한 각 전열판의 총괄열전달계수에 한 측정 결과와 플라즈마 코.

팅 전열판에서의 총괄열전달계수의 원판에서의 총괄열전달계수에 한 평균감소비

율을 표 과 그림 에 나타내었다< 7> [ 10] .

전열판을 조립할 경우 앞뒤의 전열판 사이의 전열판 단면 파형의 산부분이DX-01 ,

서로 점접촉하므로서 이부분의 코팅면의 부식을 촉진시킬 가능성이 있어서 앞뒤의

전열판 사이의 점접촉을 방지하기 위하여 전열판 사이에 실리콘 카스켓을 넣고 판

형 열교환기를 조립하였다 이러한 경우의 실리콘 가스켓을 장착한 판형 열교환기.

의 전열판의 형태를 그림 에 나타내었다[ 11] .

- 42 -

전열판 사이에 실리콘 가스켓을 넣는 경우 전열판 사이의 유체의 유로면적이 증가,

하여 유체의 유속이 감소하므로서 총괄열전달계수가 감소할 것으로 예상되어 실리

콘 가스켓을 넣는 경우의 전열성능실험을 수행하였으며 이러한 측정 결과를 표, <

에 추가하여 나타내었다 또한 참고로 각각의 플라즈마 용사 코팅 재료의 분말이8> .

가지는 열전도특성을 표 에 나타내었다< 9> .

표 각 전열판의 총괄열전달계수 실험결과< 7> (kcal/ hr ) (a)㎡ ℃

- 43 -

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄열전달계수 측정결과[ 10] (a)

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄열전달계수 측정결과[ 11] (b)

- 44 -

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄열전달계수 측정결과[ 14] (e)

표 각 전열판의 총괄열전달계수 실험결과< 10> (kca/ hr ) (d)㎡ ℃

- 45 -

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄열전달계수 측정결과[ 15] (f)

표 전열판의 총괄열전달계수 실험결과< 11> (kcal/ hr ) (e)㎡ ℃

- 46 -

그림 플라즈마 코팅 전열판의 총괄열전달계수 측정결과[ 16] (g)

그림 실리콘 가스켓을 장착한 전열판의 사진[ 17] DX-01

- 47 -

표 여러 가지 재료들의 상온에서의 열전도도< 12>

플라즈마 용사 코팅된 전열판의 전열특성에 영향을 미치는 변수는 코팅 재료들이

가지는 고유의 전열특성과 코팅막의 기공율 그리고 표면 이다 전열판, morphology .

이 우수한 전열특성을 지니기 위해서는 높은 열전도도를 지닌 코팅 재료와 낮은,

기공도 그리고 균질한 표면 상태를 가져야 한다 전열성능실험 결과 표 와. , < 12>

그림 에서 조사된 것과 같이 전열특성이 우수한 알루미나를 최상부에 코팅한[ 12]

전열판들이 비교적 우수한 전열특성을 나타냈다 특히 코팅막이 없을 때와 비교하. ,

여 가장 우수한 전열특성을 나타내는 전열판은 번으로 나타났으며 약 의#1 84.2%

전열 효율을 나타냈다 이에 반하여 코팅을 을 사용한 전열판의. top FineCera#6000

경우 약 낮은 전열효율을 나타내었다 이는 코팅의 열전도특성이 비교, 50~60 . top

적 낮기 때문인 것으로 판단된다 또한 표 에서 보이는 바와 같이. < 7> #A, #B,

그리고 전열판이 낮은 전열특성을 나타내는 이유는 상부 코팅 재료로 열#C. #D

전도도가 낮은 을 사용했기 때문이다Teflon .

그리고 전열판 모재가 와 인 경우를 비교하면 의 경우SUS304 mild steel , mild steel

가 체적으로 전열효율이 높게 나타나나 그 차이는 그다지 크지 않다.

- 48 -

플라즈마 용사 코팅 전열판의 실제 부식특성4.

쿠폰시험을 거친 전열판이 실제 열교환기에서의 부식환경 하에서도 우수한 부식저

항을 유지하는가를 확인하는 작업은 제품의 안정성과 신뢰성의 직결되는 사항이므

로 매우 중요하다 본 연구 에서는 그림 과 같은 전열판 코팅의 내식성능실험. [ 18]

장치를 고안하였으며 판형 열교환기의 전열판의 내식성능실험장치의 설치 사진을

그림 에 나타내었다[ 19] .

heat controller, water tank, thermocouple, water pump,① ② ③ ④ ⑤

bypass control valve, bypass line, hot water outlet, hot water⑥ ⑦ ⑧

inlet, solenoid valve, acid inlet, cold water inlet, digital⑨ ⑩ ⑪ ⑫

recorder, cold water control valve, acid outlet valve, cold water⑬ ⑭ ⑮

outlet, water inlet, solenoid valve, hot water return line,ⓐ ⓑ ⓒ ⓓ

uncoated plate, coated plate, plate heat exchanger, hood,ⓔ ⓕ ⓖ ⓗ

acid outlet.

그림 플라즈마 용사 코팅 전열판의 내부식특성 실험장치도[ 18]

- 49 -

그림 판형 열교환기의 내식성능실험장치의 설치장면[ 19] DX-01

원열판 주 의 판형 열교환기의 전열판에 한 내식성능실험장치는 온수탱( ) DX-01

크 온수펌프 솔레노이드 벨브들 유량조절밸브와 온도조절계 및 온도측정정치로 구,

성되어 있다 실험용 판형 열교환기에는 내식실험을 위한 플라즈마 코팅 전열판이.

조립되었으며 한쪽 유로에는 황산 또는 염산과 같은 산성용액이 충진되어 있으며,

반 편 유로에는 온수와 냉수가 일정한 시간간격을 두고 교 로 공급되는 형태로

되어 있다 따라서 판형 열교환기의 한쪽 유로의 체적은 산성용액이 채워져 있는.

상태에서 반 편 유로에 온수와 냉수가 교 로 통과하므로 열교환기에서의 산성 용

액과 접촉한 전열판에서는 승온가열과 냉각의 전열현상에 교 로 나타나며 따라서

산성용액에 의한 전열판의 부식특성을 측정할 수 있다고 판단되었다.

- 50 -

온수탱크에는 열전 를 사용하여 온수탱크내의 물의 온도를 측정하였다 이러한 온.

수 측정온도를 온도조절기에 연결하여 온수탱크에 부차된 의 전기히터를 조절3kW

하여 온수탱크내의 온수의 온도를 약 정도로 일정하게 유지할 수 있도록 하였90℃

다 그리고 온수공급관과 냉수공급관의 입구와 출구부에 각각 솔레노이드 밸브를.

설치하여 타이머에 의하여 작동되도록 하였다 따라서 온수와 냉수가 교 로 일정.

한 시간간격을 두고 판형 열교환기로 공급될 수 있도록 하였다.

고안된 장비를 이용하여 제조된 전열판의 실제 내부식특성을 조사하였다 각각의.

플라즈마 용사 코팅 전열판과 원판의 내부식특성을 비교하기 위해서 먼저 전열판을

세척한 후 시간동안 건조기에서 약 의 온도로 건조하여 전열판의 무게가 항1 70℃

량이 될 때까지 반복하여 전열판의 무게를 측정한다 그리고 코팅이 되어있지 않은.

원판을 각각 앞과 뒷부분에 삽입 배열하였다 본 실험은 비교적 강산을 사용하므로, .

산이 누수되는 경우에는 장비 뿐 아니라 실험자에게 상당한 악영향을 끼치므로 판

형 열교환기 전열판 고정 에 실리콘 수지를 입혔다 또한 응력으로 인한 균열 발.

생 의 영향을 최 한 억제하기 위하여 토크랜치(Stress Corrosion Cracking, SCC)

를 사용하여 판형 열교환기 전열판 고정 에 걸리는 토크를 동일하게 부여하였다.

그리고 판형 열교환기의 산성용액을 넣는 부위에 먼저 물을 채운 후에 산주입구의

밸브를 잠그고 세척용 벨브를 열어 수압으로 장착한 전열판사이에서 물이 누수가

되지 않는 것을 확인한다 그리고 물의 체적을 측정하여 판형 열교환기에 주입할.

산성용액의 체적을 미리 계산한다 그리고 판형 열교환기의 산성 용액을 넣는 쪽에.

계산된 양의 물을 넣고 약 분 동안 모의실험을 수행한다 모의실험에서 이상20~30 .

이 없는 경우 물을 빼고 신 계산된 체적의 산성용액을 산주입구를 통하여 판형,

열교환기에 주입한다 부식 용액은 주로. H2SO4과 용액을 사용하였다HCl .

판형 열교환기에 산성용액을 넣은 후 온도조절계를 조절하여 온수탱크의 온수온도,

를 약 로 유지하도록 전기히터로 가열한다 다음 타이머의 시간간격을 설정한90 .℃

후 타이머를 작동시켜 온수순환동시와 온수와 냉수관의 솔레노이드 밸브의 작동을,

조절하여 온수와 냉수가 교 로 판형 열교환기를 통과하도록 한다 그리고 물유량.

계와 유량조절밸브를 사용하여 온수와 냉수의 유량을 일정하게 유지시킨다 본 실.

험에서는 부식속도를 가속화하기 위해서 상온의 내수와 의 온수를 분 또는90 15℃

분간격으로 열충격을 부여하면서 내식실험을 수행하였다 그리고 판형 열교환기에5 .

서의 산성용액의 누설의 경우를 비하여 판형 열교환기의 설치된 상부에 환기구를

설치하였으며 환기구의 입구에 다시 투명한 비닐막을 연결하여 판형 열교환기의 실

험부위를 차단할 수 있도록 하였다.

내식성능실험의 종료후에는 판형 열교환기의 산배출구의 벨브를 열어 산용액을 배

출시키고 그 후에는 산세척관의 밸브틀 열고 산주입구의 밸브를 잠근 상태에서 냉, ,

수를 산성용액이 있던 부위로 공급하여 분이상 전열판을 세척한다 그리고 판형10 .

열교환기를 분해하여 전열판들을 분리한 후 세척하고 다시 건조하여 플라즈마 코, ,

팅면의 부식상태를 관찰하고 무게를 측정하였다.

- 51 -

판형 열교환기의 내식성능실험시의 판형 열교환기를 통과하는 물의 온도를DX-01

측정하였다 물의 온도 측정을 위하여 열전 를 장착하였으며. k-type , data logger

와 컴퓨터에 연결하여 시간에 따른 물의 온도의 변화를 약 시간 정도 측정한 결과5

를 그림 에 나타내었다 이 경우 장착한 전열판의 수는 장 정도이며 산성용[ 20] . , 7 ,

액은 의 염산이며 온수의 유량은 이고 냉수의 유량은20 Vol% , 446.6 kg/hr 313.3

정도이었다kg/hr .

그림 판형 열교환기의 내식성능시의 물의 온도변화[ 20] DX-01

그림 에서 보면 온수와 냉수의 교 시간간격은 분이며 온수가 공급될 경우[ 20] 15 ,

상온에서 까지 급격하게 증가하나 이후에는 서서히 온도가 상승하여 에75 90℃ ℃

이르고 분 이후에는 다시 냉수가 공급되어 다시 판형 열교환기 출구에서의 물의15

온도가 급격하게 하강하여 약 까지 이르고 이후에는 서서히 냉각되어 약15 12℃ ℃

의 상온온도까지 냉각되고 이러한 온도변화 경향은 거의 일정하게 유지된다 이러.

한 승온과 냉각경향은 판형 열교환기의 전열판의 전열특성과 전열판의 수 그리고

열교환기로 공급되는 온수와 냉수의 유량에 따라 변할 것으로 예상되나 전체적인

온도변화 경향은 비슷하게 나타날 것으로 판단된다.

- 52 -

전열판과 전열판을 제외한 모든 전열판에서 부식으로 인하여 코팅막이 심#B #C

하게 박리된 현상이 관찰되었다 이러한 결과는 앞서의 표면 미세구조 촬영결과에.

서 관찰된 코팅막 표면과 계면의 균열을 통하여 부식용액이 치밀하지 못한 코팅막

을 통과하여 모재를 부식시킴으로써 발생한 것으로 생각된다 특히 부식이 심하게.

일어난 곳은 산이 고이는 전열판의 아래 부분과 전열판과 전열판이 서로 접촉되는

부분으로 관찰되었다 산이 고이는 전열판의 아래 부분의 경우 부식과정에 의해서. ,

생성된 부식생성물들이 전열판의 부식을 촉진시킴으로 인한 결과로 판단되며 또한,

전열판과 전열판이 서로 접촉되는 부분의 부식의 경우는 응력으로 인한 부식균열

으로 인하여 부식이 더욱 가중된 것으로 해석된다(Stress Corrosion Cracking) .

그러나 와 전열판의 경우에는 부식으로 인한 표면 코팅막의 박리나 균열현#B #C

상은 발견되지 않았다 열판 열판 열판 그리고 열판의 코팅 재료. #A #B , #C , #D

의 경우 하지코팅의 종류만 릴 뿐이며 상부 코팅 재료는 모두 동일하다 따라서, .

와 열판의 부식저항은 재의 우수한 부식저항으로 인한 결과보다#B #C top coating

는 안정한 코팅막을 형성하는 용사 조건의 차이 때문이 것으로 생각 할 수 있다.

와 열판에 해서#B #C 20 Vol% H2SO4의 부식환경 하에서 시간의 부식 실220

험결과 시간 후에도 와 열판은 안정한 부식저항을 나타냈으며 따라서, #B #C , #B

와 열판 표면에 안정 코팅막이 형성되었음을 확인할 수 있었다#C .

와 의 플라즈마 코팅 전열판과 전열판에 한 내식성능실험Coated #B #E SUS316

을 수행하으며 이 경우의 각 전열판의 무게변화와 무게감소율을 표 과 그림, < 12> [

에 나타내었다 이 경우의 산성용액은 황산과 의 염산을 사용21] . 20 Vol% 30 Vol%

하였다 그리고 온수의 온도는 로 유지하였으며 온수와 냉수의 공급시간 간. 9 oC

격을 분으로 하였다 여기서 전열판 의 경우에는 전열판 배열의 마지막 전열15 . AC

판으로서 유체의 입출구에 해당하는 위치가 막혀있으며 따라서 산과 접촉하는 위,

치는 이러한 입출구애 해당하는 부분에 한정되어 있다 그리고 전열판. Coated #8

의 상부 코팅 재질은 테프론이며 전열판의 상무 코팅 재질은, Coated #E AI/PE

재질로 이루어져 있다.

실험결과를 보면 전열판의 경우 균일부식과 응력부식균열이 발생하였으. SUS316

며 시간이 경과한 후의 무게감소율은 약 와 로 비교적 과도한, 922.9 13.3% 15.1%

무게감소 현상을 나타내었다 전열판의 경우 일부 부위에서 코팅면의. Coated #B ,

들뜸현상과 물집 이 나타나는 현상이 발생하였다 그리고 최종 단계에서는(volcano) .

코팅면의 크랙 속에 부식생성물이 침투하여 전열판의 무게가 오히려 증가하는 현상

이 나타났다 전열판의 경우에는 일부의 코팅막이 완전히 박리되고 모. Coated #E

재인 재질의 전열판이 균일부식 되었으며 공식부식으로 산이 전열판의 뒷SUS304

면으로 침투하는 현상이 나타났다.

- 53 -

표 전열판 내식실험의 무게변화< 13> DX-01

- 54 -

그림 전열판 내식실험시 무게변화율 부식율[ 21] DX-01 ( )

과 을 코팅으로 사용한 전열판들의 내식실험을 수행하는 동FineCera#350 600 top

안의 전열판 무게변화와 무게감소율을 측정한 결과를 그림 에 나타내었다 실[ 22] .

험은 약 시간동안 수행하였으며 산성용액으로는 처음에는 약 의 황산280 , 30 Vol%

을 사용하였으며 실험의 마지막 단계인 월 일부터 일까지의 약 시간동안3 6 10 35.8

은 의 용액을 사용하였다20% HCl .

실험 결과 전열판의 경우 거의 모든 코팅막이 파괴되었으며 약 시간후S0AP , , 22

파괴되었다 그리고 전열판의 경우에도 시간후에는 부분적 코팅막의 파괴. S0BP 22

와 표면 결함이 발견되었으나 시간후에는 거의 모든 코팅막이 박리되어 이후, 52.5

에는 실험에서 제외되었다 전열판과 전열판의 경우 전열판의 파형의. S0DP S0EP ,

산부분의 코팅층이 여러 위치에서 박리되고 부분적으로는 코팅 막FineCera #600 ,

전체가 박리되고 균열현상이 관찰되었다 가장 무게감소가 적었던 전열판은 하지코.

팅이 인 전열판인 것으로 나타났으며 시간후의 무게감소는 약brass S0CP 280

정도로 가장 내식성능이 우수하였다 이 경우 전열판 파형의 산부분인 전열1.82% . ,

판 간의 접촉지점에서 표면이 벗겨지는 현상이 나타났으며 일부 위치에서 표면의,

결함이 발견되었다 그리고 부분의 코팅층의 두께가 얇아지는 것으로 나타났다. .

그리고 플라즈마 코팅층이 없는 재질의 전열판에 해서도 무게변화를 측SUS316

정하여 나타내었으며 이러한 전열판들은 시간 동안 약 와 의 무게, 114 4.7% 6.9%

감소를 나타내며 파괴되어 이후의 실험에서는 제외시켰으며 이 위치에는 새로운

전열판을 넣고 실험을 계속하였다SUS316 .

- 55 -

그림 의 코팅시 무게변화율[ 22a] FineCera#350 top

그림 의 코팅시 무게변화율[ 22b] FineCera#600 top

- 56 -

표 과 의 코팅시 무게변화< 14> FineCera#350 #600 top

- 57 -

전열판과 과 전열판의 내식성능실험에는 의 염산을 사B1 - B10 A1 bare 20 Vol%

용하였으며 의 전열판의 경우 많은 부분의 코팅면에서 부품음 현상이 발생하였B ,

다 그리고 심한 경우 산성용액이 전열판을 통과하여 전열판의 뒷면으로 흘러들어.

가 전열판의 코팅이 안된 뒷면의 재질에도 일부 부식현상이 나타났다 그SUS304 .

리고 전열판의 경우 코팅막이 박리되는 현상이 나타나서 약 시간의 내식Bare , 131

성능실험 후에 실험에서 제외시켰다 표 그림. < 14>, [ 23].

표 모재 와 국내 사 제품코팅 무게변화< 15> (SUS304) A

그림 모재 와 국내 사 제품코팅 무게변화율[ 23] (SUS 304) A

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표 국내 사의 제품코팅시 무게변화< 16> B

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그림 국내 사 제품코팅시 무게변화[ 24a] B

그림 국내 사 제품코팅시 무게변화[ 24b] B

- 60 -

자동화 공정제작한 열교환기 내식 특성5.

본 실험에서는 내식특성이 우수하게 나타난 재질을 선정하여 양산을 위한 준비작업

의 하나로서 로봇에 의한 자동화공정으로 제작한 전열판의 특성실험을 하였다 특.

히 내식성능을 현장수준으로 강화하기 위하여 냉수와 온수 공급시간을 종래의 분15

에서 분으로 단축하였다 따라서 코팅 전열면에서의 열충격 효과를 더욱 크게 가5 .

하므로서 단시간에 내구성을 예측할 수 있을 것으로 판단하였다.

표 로봇 제작 전열판의 내식성능 측정< 17>

본 실험에서는 처음의 시간동안은 산성용액으로서 의 염산을 사용하170 20 Vol%

였으며 이후에는 의 황산을 산성용액으로 사용하였다 그럼 과 표, 28 Vol% . [ 25] <

에 전열판 에 한 내식성능실험 동안에 측정한 무게변화와 무게변화율16> A.B.C.D.E

을 나타내었다 실험 결과를 보면 실험 기간동안의 전열판의 무게 변화는 비교적. ,

크지 않았으나 의 황산을 사용하는 경우에는 실험도중에 황산이 냉각부, 28 Vol%

위에서 결정화되는 현상이 나타났다.

- 61 -

따라서 판형 열교환기의 전열판을 분해할 경우에 산성용액을 산배출구로 배출시키

지 뭇하고 산성용액이 전열판 사이에 그 로 존재하는 상태에서 전열판을 분해하,

여야 하는 어려움이 생겨 분해시 결정화된 황산 이외의 부분의 용액상태의 황산용,

액이 누설되었다 그리고 전열판의 코팅면에 결정화된 황산이 묻게 되어 다소 전열.

판 무게의 측정에 어려움이 있었다 따라서 그림 의 무게 변화율의 시간에 따. [ 25]

른 변화를 보면 일정한 무게감소 경향을 나타내지 못하는 것으로 볼 수 있다 그러.

나 전열판 의 경우를 제외하고 전열판의 무게 감소는 비교적 적은 것으로 나타났A

으나 전체적으로 전열판의 코팅부에 들뜸현상과 물집이 관찰되고 이러한 코팅면의,

균열내에 부식성분이 침투하여 전열면의 무게에도 영향을 준 것으로 판단된다.

그림 로봇 제작한 전열판의 내식성능 측정결과[ 25]

표 은 응력집중에 의한 들뜸현상을 보완하기 위해 수정제작한 전열판< 17> DX-01

과 미국 에서 개발한 내식성 전열판에 한 내식성능 실험결과를SULZER METCO

나타낸 것이다 일부터 일까지의 약 시간동안의 실험에서 의. 12 13 16 23.6 28 Vol%

황산을 사용하였으나 역시 황산액의 결정화 현상이 나타나서 이후의 내식성능실험,

에서는 의 황산용액을 사용하였다 그리고 온수와 냉수의 공급시간간격은20 Vol% .

분을 유지하였다 이러한 테프론코팅 전열판에 한 내식성능실험에서는5 . Sulzer

코팅 전열판의 무게감소율이 시간까지 이내로 유지되어 내식성능 가장176 2.7% ,

우수한 것으로 나타났으나 이후 일부 부위에서 코팅 층의 박리현상이 관찰되었으며

조립할 때 가해지는 반복응력으로 인해 응력이 집중되는 부분에 이 발견되top crack

었으며 시간에 따라 이 심해지면서 부식율이 증가하게 되어 실험 상에서 제crack

외하였다.

- 62 -

표 개발제품과 비교실험결과< 18> SULZER METCO

그림 제품과 무게변화 비교실험결과[ 26a] SULZER METCO

- 63 -

그림 제품과 무게변화 비교실험결과[ 26b] SULZER METCO

그림 은 발생부위를 나타낸 것으로서 주로 용력이 집중되는 중앙부분과[ 27] crack

가스켓이 붙어있는 테두리 부분에서 발생하였다 실험양은 매를 가지고 반. DX-01 5

복실험을 하였다.

그림 발생 부위[ 27] crack

- 64 -

전열판과 내식성능 비교실험6, Ti

년 월 일 부터의 내식성능실험에서는 플라즈마 코팅 전열판과 재2001 4 11 titanium

질의 전열판 그리고 재질의 전열판의 내식성능을 비교하기 위하Hastelloy C-276

여 실험을 수행하였다 그리고 전열판 사이의 접촉부위의 코팅의 손상을 줄이고 또.

한 온수와 냉수의 공급시의 열충격을 완화시키기 위하여 프라즈마 코팅 전열판 사

이에 두께 의 실리콘 가스켓을 설치하여 이의 영향도 관찰하였다 본 실험에서2mm .

는 황산의 석출 현상을 방지하기 위해 의 황산을 사용하였다 약 시간20 vol% . 610

동안의 실험결과를 표 에 나타내었고 무게변화율을 계산하여 그림 에 나< 18> [ 28]

타내었다 이러한 실험 결과를 보면 티타늄의 경우 시간동안 약 정도의. , 211 4.4%

과 한 무게감소율을 나타내어 이후의 실험에서 제외시켰다 재. Hastelloy C-276

질의 전열판의 경우 시간동안 무게감소율이 이하로 유지되어 매우 안정611 0.06%

된 내식성능을 나타내었다 그리고 플라즈마 코팅 전열판의 무게감소율은 모두 티.

타늄과 재질의 전열판의 무게감소율 사이에 있으며 따라서 이러Hasteeloy C-276 ,

한 플라즈마 코팅 전열판은 티타늄 재질의 전열판 보다 우수한 내식성능은 나타낸

다고 판단할 수 있다 그리고 종류의 플라즈마 코팅 전열판의 실험결과에서 보면. 4 ,

실리콘 가스켓을 장착한 전열판의 경우가 실리콘 가스켓을 장착하지 않은 전열판보

다 상 적으로 적은 무게감소율을 나티내고 있다 이것은 전열판의 접촉부의 코팅.

층의 손상의 가능성이 훨씬 적고 그리고 가스켓의 두께로 인한 유로 단면적의 증,

가로 온수와 냉수의 공급시의 열충격의 영향이 줄어들기 때문이라고 볼 수 있다.

그러나 이러한 경향은 종류의 플라즈마 코팅 전열판에 하여 똑같은 경향을 나, 4

타내지 않고 있어 코팅층의 접착강도가 중요한 것을 알 수가 있다.

그림 로봇 공정에 의한 코팅판과 티타늄 전열판의 비교실험결과[ 28]

- 65 -

표 판형 열교환기 내식실험의 전열판의 무게변화< 19> DX-01

- 66 -

판형 열교환기 내식성능 실증실험7. DX-22

비교적 소형의 판형 열교환기인 모델의 판형 열교환기에서 플라즈마 코팅DX-01

전열판에 한 내식성능실험을 수행함과 동시에 이러한 플라즈마 코팅 전열판의 내

식성능이 상용 판형 열교환기의 표적인 모델인 모델의 판형 열교환기에DX-22

한 내식성능실험에 한 실증실험을 수행하였다 모델은 모델보다. DX-22 DX-01

약 배 이상의 크기를 갖는다 그리고 원열판 주 에서 생산하는 모델 중에서 산업4 . ( )

체에 가장 많이 설치된 모델중의 하나이다 따라서 모델의 판형 열교환기의. DX-22

경우 상용화 규모의 판형 열교환기로 평가할 수 있다, .

모델의 소형 판형 열교환기의 플라즈마 코팅 전열판이 모델의 상용DX-01 DX-22

규모의 열교환기에서 동일한 내식성능을 유지하는가들 확인하는 실험은 제품의 현

장 보급 가능성과 직결되는 매우 중요한 과정이다 본 연구에서는 그림 과 같. [ 29]

은 모델의 판형 열교환기의 플라즈마 코팅 전열판의 내식성능실험장치를 고DX-22

안하였으며 모델의 판형 열교환기의 전열판의 내식성능실험장치의 설치 사, DX-22

진을 그림 에 나타내었다[ 30] .

그림 전열판의 내식성능실험장치의 공정도[ 29] DX-22

- 67 -

그림 전열판의 내식성능 실증실험장치의 설치도[ 30] DX-22

그림 전열판의 사진[ 31] DX-22

- 68 -

원열판 주 의 판형 열교환기의 전열판에 한 내식성능실험장치는( ) DX-22 DX-01

모델의 판형 열교환기를 사용한 내식성능실험장치와 비슷한 구조를 갖고 있다 여.

기에는 온수탱크 온수펌프 솔레노이드 밸브들 물유량계 유량조절벨브 온도조절, , , , ,

계 조절계 온도측정장치 그라고 환기장치로 구성되어 있다 모델의 실용, pH . DX-22

규모의 판형 열교환기에는 내식실험을 위한 플라즈마 코팅 전열판이 조립되었으며,

한쪽 유로에는 의 황산용액이 충진되어 있으며 반 편 유로에는 온수와15 Vol% ,

냉수가 일정한 시간간격을 두고 교 로 공급되는 형태로 되어 있다 그리고 산용액.

의 주입구와 배출구는 실험장치와 달리 내식성능이 안정적인 재질의DX-01 PVC

배관재와 벨브를 사용하였다 그리고 온수탱크에는 온수의 를 측정하기 위한. pH pH

센서를 설치하였다 이것은 판형 열교환기내의 산성용액이 실험용 전열판이 파손되.

어 온수측으로 누설될 경우 온수탱크내의 온수가 판형 열교환기를 순환하면서 pH

농도가 낮아지게 되면 이를 센서로 감지하여 경보등을 작동시킬 수 있도록 하, pH

기 위함이다 판형 열교환기의 상부에는 환기를 위하여 배기닥트를 설치하여 배풍.

기로 환기시킬 수 있도록 하였으며 판형 열교환기의 바닥에는 산용액의 누설을,

비하여 물로 세척할 수 있는 모양으로 제작하고 물의 배출구를 설치하였다 그box .

리고 그 위의 판형 열교환기 주위에는 투명한 아크릴 판 재질로 사각형의 안전막을

설치하여 산성용액에 작업자가 노출될 가능성을 줄였다.

그림 플라즈마 코팅한 사진[ 32] DX-22

플라즈마 용사 코팅된 전열판과 티타늄 재질의 원판의 내부식특성DX-22 DX-22

을 비교하기 위해서 먼저 각 전열판을 세척한 후 시간동안 건조기에서 약 의1 70℃

온도로 건조하여 전열판의 무게를 측정한다 응력으로 인한 균열발생. (Stress

의 영향을 최 한 억제하기 위하여 토크랜치를 사용하여Corrosion Cracking, SCC)

판형 열교환기 전열판 고정 에 걸리는 토크를 동일하게 부여하였다 그라고 판형.

열교환기의 산성용액을 넣는 부위에 먼저 물을 채운 후에 산주입구의 밸브를 잠그

고 세척용 벨브를 열어 수압으로 장착한 전열판사이에서 물이 누수가 되지 않는 것

을 확인한다 그리고 물의 체적을 측정하여 판형 열교환기에 주입할 산성용액의 체.

적을 미리 계산한다.

- 69 -

그리고 판형 열교환기의 산성용액을 넣는 쪽에 계산된 양의 물을 넣고 약 분20~30

동안 모의실험을 수행한다 모의실험에서 이상이 없는 경우 물을 빼고 신 계산된.

체적의 산성 용액을 산 주입구를 통하여 판형 열교환기에 주입한다.

실제의 모델의 판형 열교환기의 내식성능실험의 실험방법은 다음과 같다DX-22 .

먼저 온수탱크에는 열전 와 온도조절계로 물의 온도를 측정하고 온수탱크에 부착,

된 의 전기히터도 공급되는 전력량을 조절하여 온수탱크내의 온수 온도들 약5kW

정도로 일정하게 유지할 수 있도록 하였다 이것은 센서의 허용온도가80 . pH 80℃

이하이기 때문이다 온수공급판과 냉수공급관의 입구와 출구부에 설치된 솔레노.℃

이드 벨브들을 타이머를 작동시켜 온수와 냉수가 교 로 약 분의 시간간격을 두고5

판형 열교환기로 공급될 수 있도록 하였다 그리고 타이머에 의하여 온수순환용 물.

펌프도 솔레노이드 벨브와 함께 작동될 수 있도록 하였다 유량조절벨브를 이용하.

여 온수와 냉수의 유량을 조절하고 각각의 유량은 물유량계로 측정하였다 판행 열.

교환기의 물출구 배관에 설치된 열전 를 사용하여 시간에 따른 물의 온도를 측정

하였다.

그림 판형 열교환기의 내식성능실험시 물의 온도변화[ 33] DX-22

내식성능실험의 종료후에는 판형 열교환기의 산배출구의 밸브를 열어 산용액을 배

출시키고 그 후에는 산세척관의 밸브를 열고 산주입구의 밸브를 잠근 상태에서 냉, ,

수를 산성용액이 있던 부위로 공급하여 분이상 전열판을 세척한다 그리고 판형10 .

열교환기를 분해하여 전열판들을 분리한 후 세척하고 다시 건조하여 플라즈마 코, ,

팅면의 부식상태를 관찰하고 무게를 측정하였다.

- 70 -

판형 열교환기의 내식성능실험시의 판형 열교환기를 통과하는 물의 온도변DX-22

화를 측정한 결과를 그림 에 나타내었다 이 경우 정착한 전열판의 수[ 33] . , DX-22

는 장이며 산성용액은 의 황산이며 온수와 냉수의 유량은 로7 Vol% , 15 liters/min

유지하였다.

그림 에서 보면 온수와 냉수의 교 시간간격은 분이며 온수가 공급될 경우[ 33] 5 .

상온에서 약 까지 급격하게 증가하나 이후에는 서서히 온도가 상승하여 약70 7℃

에 이르고 분 이후에 는 다시 냉수가 공급되어 다시 판형 열교환기 출구에서의7 5℃

물의 온도가 급격하게 하강하여 약 까지 이르고 이후에는 서서히 냉각되어 약32℃

의 상온온도까지 냉각되고 이러한 온도변화 경향은 계속하여 거의 일정하게 유27℃

지된다.

전열판에 하여 년 월 일부터 월 일까지 약 시간동안 내식DX-22 2001 8 22 9 1 235

성능실험을 수행하였다 이 기간동안 내식성능실험장치를 실제로 가동한 시간은 약.

시간 정도이다75.2 .

전열판의 판형 열교환기에의 조립형태와 내식성능실험 전 후에 있어서 각DX-22 ･전열판의 무게변화를 측정한 결과를 표 에 나타내었다< 20> .

표 전열판 조립순서 및 무게변화 측정결과< 20> DX-22

표 의 전열판의 무게 변화를 보면 실험에 사용한 모든 전열판< 20> DX-22 , RB-2A

의 무게변화는 내식성능실험동안 이내로 거의 무시할 정도이었으며 티타0.005% ,

늄 전열판의 경우 무게변화는 약 정도의 매우 큰 무게변화를 나타내었9.1~9.9%

다 그리고 실제로 티타늄 재질 균일부식 현상이 관찰되었다 따라서 본 실. DX-22 , ,

험으로부터 플라즈마 코팅 전열판인 전열판의 내식성능은 티타늄 원판의RB-2A

내식성능 보다 매우 우수한 결과를 나타냄을 재확인할 수 있다.

- 71 -

제 장 코팅막 성능분석 및 평가4

제 절 실험장치 및 방법1

시험편 제작1.

본 실험에서 사용한 시험편은 원열판 주 에서 생산하여 시판하는 과( ) DX-01

형 열교환기를 상으로 하였다 모델의 전열판DX-22 herringbono . DX-01, DX-22

은 로 제조되었으며 전열면적이 각각 전열판의stainless steel 304 0.038. 0.22 ,㎡

폭은 이며 두께는 이다0.108. 0.42 m , ga 0.003 m .

용사재료는 부식저항이 우수한 세라믹 재료와 금속 및 금속 합금 그리고 고분자 재

료를 선정하였으며 시편의 종류에 따른 코팅재료와 두께를 표 에 나타내었다< 21> .

표 코팅재료와 두께< 21>

- 72 -

코팅에 사용된 용사장비는 미국 장비를 사용하였다 의 유량은Miller . Ar 100~190社

(ft3 의 경우는/hr), He 5~15(ft3 의 범위에서 혼합 가스를 사용하였다/hr) .

표 플라즈마 코팅 인자< 22>

Structure Materials & Parameters Specification

Coating Structure●

- Double layer coating

- Triple layer coating

Composition●

계- Stainless steel alloy

계열- Cu alloy

계 복합산화물- Zr/Ti-O

알루미나계 산화물-

Thickness( )● ㎛

- Under coating : 50~80

- Intermediate : 100~120

- Top : 50~100

Spraying parameters●

- Spray process

- Spray gun

- Plasma gas

- Plasma power(kW)

- Spaying distance(mm)

Atmospheric Plasma Spray･Metco 80. Miller SG-100 Torch･Ar/He･40~80･60~80･

코팅막의 특성분석2.

플라즈마 용사코팅공정으로 제작한 전열판 코팅층의 미세구조와 의 형태와 결splat

정구조 미세 균열의 분포 기고의 크기와 분포 코팅츠의 두께 계면간의 접합상태, , ,

등은 코팅층의 내구성에 영향을 주기 때문에 최적의 용사조건 선정 및 평가는 매우

중요하다 따라서 본 실험에서 제작한 플라즈마 용사 코팅층의 표면 미세구조와 코.

팅층의 접착력을 으로 관찰하였으며 촬영을 통하여 코팅층의 접착강도 등SEM XRD

기계적 특성을 측정하기 위해 을 사용하여 굽힘강도시험을 행하였다UTM .

전열성능실험3.

코팅된 열판의 전열특성을 조사하기 위해 표 에 나타낸 재료를 코팅한 열판을< 21>

그림 의 에서 보는 바와 같이 전열판 중간에 배열하였다 온수의 온도는[ 8] . 60ⓑ ℃

로 고정하였으며 가열된 온수가 유량조절밸브와 순환펌프를 거쳐 판형 열교환기로

유입되도록 하였다 냉수의 경우 역시 온수의 경우와 동일하도록 설계하였으며 온.

수와 냉수의 입 출구 부분에 열전 를 설치하였고 이를 에 연결시digital recorder･킨 후 를 통하여 온도의 변화를 기록 관찰하였다 온수의 유량냉수의 유량을 동P/C .･일하게 설정하였으며 그리고 의 유량에서의 전열특성을150, 200, 250 300 kg/hr

조사하였다.

- 73 -

한편 코팅막의 유무와 종류에 따른 전열특성의 변화를 조사하기 위해서 먼저 코팅, ,

을 하지 않은 열판의 전열특성을 조사한 다음 코팅의 종류가 서로 다른 열판의 전

열특성을 조사하여 상호 비교하였다.

코팅 전열판의 부식거동4.

가 코팅 쿠폰의 부식특성.

플라즈마 용사 코팅한 열판의 실제 부식 환경 하에서의 거동을 조사하기 전열판들

의 쿠폰 을 이용하여 가속시험 을 수행하여 본 실험장치(coupon) (acceleration test)

에 적용하였다.

본 실험에서 수행한 가속시험의 경우 부식용액으로써 황산을 사용하였으, 20 vol.%

며 상온에서 실험하였고 모델을 제작하였다, EG&G 273 .

나 내식성능실험.

플라즈마 용사공정애 의해서 제작한 전열판들이 실제 부식환경 하에서 어떠한 거동

을 보이는가를 확인하는 것은 제품의 안정성과 신뢰성에 직결되는 사항이므로 매우

중요하다 본 실험에서는 가혹한 환경 하에서 를 통해 코팅된 열판의. service test

부식거동을 관찰하기 위하여 그림 와 같은 시험장치를 사용하였다[ 19] .

부식용액으로 20 vol % H2SO4를 사용하였으며 열충격을 열판에 부여하기 위해서,

분 간격으로 의 물과 의 물을 교차시키면서 접촉시켰으며 각각의 다5~15 90 7℃ ℃

른 종류의 재료를 플라즈마 용사 코팅한 전열판과 비교하기 위해서 코팅을 하지 않

은 모재 전열판을 각각 앞과 뒷부분에 배열하였다.

코팅막의 기계적 강도측정5.

코팅막의 집착강도는 시험편의 형태에 크게 의존하게 되는데 일반적으로 한 코flat

팅막에 한 시험방법으로서 보통 ASTM-C633(Standard Test Method for

에 제시한 바와같이Adhesion or Cohesive Strength of Flame-Sprayed Coatings)

인정시험으로서 평가한다 그런데 본 연구에서 개발하고 있는 내식재료는 파형의.

모재 상에 코팅처리를 하기 때문에 에 의한 시험방법을(corrugated plates) C-633

적용하기가 매우 어려워 본 연구에서는 기법을 이용하여3 points flexural strength

코팅강도를 비교 측정하였다.

- 74 -

제 절 실험결과 및 고찰2

코팅 전열판의 표면 및 계면구조1.

본 실험에서 제조한 플라즈마 용사코팅막의 표면을 을 이용하여 촬영한 결과를SEM

그림 에 나타내었다 그림 의 와 에 나타난 것과 같이 알루미나를 최상[ 34] . [ 34] a) b)

부 코팅 한 코팅막이 다른 재료를 용사 코팅한 코팅막보다 비교적 균(top coating)

질함을 나타내었다 그러나 모든 용사 코팅막에서 미세 균열이 나타났으며 특히. ,

Zr0.8Ti0.15Y0.05O3와 를 플라즈마 용사한 경우 특히 그 경향은 심하게 나타났다CrC .

이는 용사 공정시 용융된 분말이 모재의 표면에서 급냉되면서 받는 열충격의 영향

때문으로 외 에서 더욱 확실하게 나타난다 이런 현상은 급냉으로 인하여 부분e) f) .

적으로 형성된 비정질상과 결정질상 사이의 존재하는 응력으로 인하여 발생된 균열

때문으로 전열판의 전열성능과 내식성능을 저하시키므로 알루미나를 코팅한 경top

우에 비해서 전열성능과 내식성능이 낮게 나타날 것으로 예상된다.

그림 용사코팅 전열판의 사진[ 34] SEM ; a)#1×500, b) #1×2,000,

c) #5×500,d) #5×2,000, e) #7×500, f) #7×2,000.

- 75 -

그림 코팅 전열판의 단면도[ 35] SEM ; a)#1×500, b) #1×2,000,

c) #5×500, d) #5×2,000, e) #7×500, f) #7×2,000.

그림 는 본 실험에서 제작한 플라즈마 용사코팅막의 단면도 를[ 35] (cross-section)

관찰한 결과이다 그림 의 와 에서 하지코팅 부분은. [ 35] c) d) (under coating)

이며 최상부12Si40PEA1 Zr0.8Ti0.15Y0.05O3이다 와 에서 보는 바와 같이 하지코. c) d)

팅 부분에서 다량의 기공들이 발견되었으며 또한 코팅막 사이의 밀착력이 치밀하지

못함이 관찰되었다 일반적으로 플라즈마 용사로 코팅막을 제작하는 경우 기공이.

포함되는 것을 피할 수는 없지만 코팅막 내의 가공은 부식환경과 기판 사이에 직,

접적으로 접촉가능한 경로로써 작용하므로 기공율을 감소시키는 것이 필요하다 하.

지코팅이 이며 최상부 코팅재료가 알루미나인 와 에서도 기공과 치밀60Al40Mg a) b)

하지 못한 계면이 관찰되었다 하지코팅 재료의 밀착성의 저하와 박리 현상. AI/Mg

은 에 의해 석출된 금속간화합물 을 결정립aging AI/Mg (intermetallic compoun) AI

과 갈바닉쌍을 형성하여 박락 을 일으킨 것으로 판단된다 이(exfoliation corrosion) .

에 반하여 하지코팅이 이고 최상부 코팅 인 와 에서는 비교적 양호한 밀Al CrC e) f)

착성과 치밀함이 관찰되었다.

- 76 -

그림 코팅막의 분석결과[ 36] XRD

- 77 -

코팅막의 촬영결과 그림 에서 나타난 비정질상은 용사코팅층의 강도를 증XRD [ 36]

가시키나 용사직후 급냉으로 인해 발생하는 잔류응력 때문에 코팅막 표면에 형성,

된 크랙 및 균열 등의 결함들이 부식을 더욱 유발시키는 매체 역할을 하게 된다.

따라서 그림 의 관찰 결과 나타난 균열 및 크랙은 위에 기술한 원인으로[ 34] SEM

인하여 발생하였음으로 해석된다.

또한 Cr3C2를 고온 고속의 화염에 노출시키는 경우 카본의 산화에 의해 카본 결핍, ,

이 야기되어 사방정구조인 -Crδ 3C2에서 육방정구조인 r-Cr7C2와 입방정구조인 β

-Cr23C6로 상변화하며 Cr3C2에서 Cr7C3로 상변화할 때 발생되는 부피수축은 용사층

의 파괴의 원인으로 작용하여 기계적 성질을 저하시킨다고 알려져 있다 이와 같은.

현상은 본 실험의 경우에서도 나타났으며 따라서 본 실험에 있어서 계열을 첨, CrC

단부의 용사한 코팅층이 다수의 균열과 크랙을 포함하는 원인이 된다.

플라즈마 용사 코팅한 전열판의 전열특성2.

가 전열판의 전열 특성 계산.

플라즈마 용사 코팅된 전열판의 전열특성을 조사하기 위해 먼저 전열판에서DX-1

의 총괄열전달계수의 실험값 Uexp.과 계산값 Ucal.을 식 과 식 을 이용하여(3-8) (3-10)

측정한 값을 표 에 비교하였다 이 경우 오염계수 는 으로 하< 23> . , (fouling factor) 0

였다. Uexp.값의 경우 Ucal.에 비해서 정도의 값을 나타내므로서 비교적 정확한94%

이론적 예측이 가능하였다.

나 플라즈마 용사 코팅한 전열판의 전열특성.

내부식특성을 가진 재료분말을 플라즈마 용사 코팅한 전열판재의 열전달특성 실험

결과를 표 에 나타내었고 각각의 재료의 분말이 가지는 열전도특성을 표< 24> <

에 나타내었다 일반적으로 플라즈마 용사 코팅된 열판의 전열특성에 가장 크게25> .

영향을 미치는 변수는 코팅 재료들이 가지는 고유의 열전도도이지만 코팅막의 치밀

도와 표면 역시 중요한 변수이다morphology .

전열실험 결과 표 에서 조사된 것과 같이 전열특성이 우수한 알루미나를 최상< 24>

부에 코팅한 열판들이 비교적 우수한 전열특성을 나타냈다 특히 코팅막이 없을 때. ,

와 비교하여 가장 우수한 전열특성을 나타내는 열판은 번으로 나타났으며 약#1

의 전열효율을 나타냈다 와 를 최상부 코팅한 열판들의 경우는 전반84.2% . ZTY CrC

적으로 낮은 전열특성을 나타내었다 이는 고유 열전도특성이 비교적 낮을 뿐만 아.

니라 코팅막 표면과 계면에서 관찰된 것과 같이 기공을 다량 함유하며 모재와 치밀

하게 밀착되어 있지 않기 때문인 것으로 판단된다.

- 78 -

표 코팅 시험편의< 23> Ucal.과 Uexp.총괄전열계수 비교

표 코팅 전열판의 열전달 특성< 24>

- 79 -

표 본 실험에 사용한 재료의 열전도도< 25>

코팅된 전열판의 부식거동3.

플라즈마 코팅한 전열판을 황산 의 부식환경속에서 시간 동안 부식실20 vol.% 110

험을 행한 시험용 전열판의 표면사진을 그림 에 나타내었다 열판과[ 37] . #B #C

열판을 제외한 모든 열판에 부식으로 인하여 코팅막이 심하게 박리된 현상이 관찰

되었다.

그림 코팅 전열판의 황산 분위기에서 운전상태[ 37] DX-01 20 vol.%

a) SUS 304, b) #3, c) #4, d) #5, e) #A, f) #B, g) #C, h) #D.

이러한 결과는 앞서의 표면 미세구조 촬영결과에서 관찰된 코팅막 표면과 계면의

균열을 통하여 부식용액이 치밀하지 못한 코팅막을 통과하여 모재를 부식시킴으로

써 발생한 것으로 생각된다 특히 부식이 심하게 일어난 곳은 산이 고이는 열판의.

아래 부분과 열판과 열판이 서로 접촉되는 부분으로 관찰결과 나타났다.

- 80 -

산이 고이는 열판의 아래 부분의 경우 부식 과정에 의해서 생성된 부식생성물들이,

열판의 부식을 촉진시킴으로 인한 결과로 판단되며 또한 열판과 열판이 서로 접촉,

되는 부분의 부식의 경우는 응력으로 인한 부식균열 으(Stress corrosion cracking)

로 인하여 부식이 더욱 가중된 것으로 해석된다.

그러나 와 열판의 경우 부식으로 인한 표면 코팅막의 박리나 균열현상은 발#B #C

견되지 않았다 열판 열판 열판 그리고 열판의 코팅 재료의 경. #A , #B , #C , #D

우 하지코팅의 종류만 틀릴 뿐이며 상부 코팅 재료는 모두 동일하다 따라서 와, . #B

열판의 부식저항은 재료의 우수한 부식저항으로 인한 결과보다는#D top coating

안정한 코팅막을 형성하는 용사 조건의 차이 때문이 것으로 생각 할 수 있다.

그림 코팅 전열판의 황산 분위기에서 운전상태[ 38] DX-01 20 vol%

a) #B, b) #C.

와 열판에 해서#B #C 20vol% H2SO4의 부식환경 하에서 시간의 부식 실험220

후의 실사진을 그림 에 나타내었다 그림에서 볼 수 있듯이 시간 후에도[ 38] . 220

와 전열판은 안정 부식저항을 나타냈으며 따라서 와 열판 표면에 안#B #C , #B #C

정한 코팅막이 형성되었음을 확인할 수 있었다 그림 는 본 연구에서 사용한. [ 39]

코팅재료의 양극산화곡선을 나타낸 것이다,

그림 본 연구에서 사용한 코팅 재료의 양극산화특성[ 39]

- 81 -

코팅 전열판의 기계적 강도시험4.

열교환기 운전 환경 하에서는 전열판의 표면에서 심한 난류가 발생하며 또한 압력

의 변화가 크다 심한 난류와 심한 압력의 변화는 전열판 표면에서 캐비테이션.

부식을 유발하거나 전열판의 마모 손실을 유발할 수 있다 따라서 본(cavitation) .

연구에서 개발하고자하는 플라즈마 용사 코팅 전열판의 경우 열교환기 작동 환경,

하에서도 신뢰성을 잃지 않을 정도의 강도를 지녀야 한다 장비를 사용하여. UTM

본 실험에 제작한 코팅막의 굽힘강도를 측정한 결과를 그림 에 나타내었다[ 40] .

코팅된 쿠폰들의 항복 강도는 모재인 보다 우수한 것으로stainless steel type 304

나타났다 특히 우수한 내식성을 가지는 것으로 확인된 전열판 중의 하나인 의. #C

경우 의 전열판의 굴곡 부분과 의 전열판의 굴곡이 없는 부분 모두 모재인a) b)

보다 큰 강도를 지님이 확인되었으며 특히 실험 후에도stainless steel type 304 ,

코팅막이 모재와 우수한 밀착성을 유지하였다 따라서 전열판의 경우 열교환기. #C ,

전열판으로서 적용 가능하며 제품의 신뢰성을 유지할 것으로 판단된다.

a) b)

그림 코팅 전열판의 곡선[ 40] - : : a) #C (triangle), b) #C plateρ ε ∧

- 82 -

제 장 결론5

산업단지에서 배출되고 있는 폐열을 효율적으로 회수하여 재활용하기 위해서는 우

선 기본적으로 내식성이 좋고 전열성능이 우수한 새로운 형식의 열교환기가 필요하

다 폐열 회수과정에서 발생하는 부식문제를 해결하기 위해 지금까지 많은 연구가.

추진되었지만 사실상 기술적 경제적인 제약조건 때문에 아직까지도 미해결 상태로,

남아있는 실정이다 현재 경제적으로 회수하여 이용가능한 폐열은 총 에너지소비량.

의 약 이상으로 금액환산 조원인 것으로 추정하고 있다 이 가운데 절반 이20% 2 .

상은 배가스에 의한 열손실로서 좀더 체계적이고 종합적인 회수 책이 필요한 시점

에 있다.

본 연구에서는 이러한 기 에 부응하기 위해 부식저항과 전열특성이 우수하면서 품

질경쟁력이 있는 판형 열교환기를 개발하고자 하였다 핵심되는 내식성 전열판재는.

플라즈마 용사코팅방법을 이용하였으며 모재로서는 과 를 선택mild steel SUS 304

하였고 코팅재료는 내식 특성이 우수한 알루미나계 질코니아계 세라믹 복합소재와.

종의 탄소계 소재를 비롯하여 합금재료 종을 선정하여 제작 및TiC, CrC. SiC 3 15

특성평가를 실시하였다.

한편 국내 사에서 내식성 열교환기용으로 제작하여 시판하고 있는A stainless steel

계열의 전열판을 구입하여 전열특성 및 내식 특성을 실험한 결과 산의 농도가, 1%

이하인 약산 분위기에서 조차 부식현상이 심각하게 나타나 내부식 특성이 요구되는

운전환경에서는 사용할 수가 없었다 특히 냉수와 온수를 상온에서 사이에서. 90℃

분 간격으로 반복적으로 순환시킬 경우에는 약 시간이내에 심한 응력부식현상5 20

이 발생하므로서 사용하기가 어려웠다 따라서 전열판 모재의 내식성을 개선하기.

위해서 알루미나계 질코니아계 세라믹 재료와 와 같은 비철 분말을, TiC, CrC, SiC

전열판에 플라즈마 용사 코팅을 하였다 내식mild steel, stainless steel type 304 .

실험후 관찰결과 표면에 많은 기공이 형성되므로서 실험도중 박리현상이 일어나거,

나 코팅막 전체가 모재로부터 들뜨는 현상이 나타났다 따라서 예상과는 달리 표면.

구조 및 모재와의 결합성이 좋지 않게 나타났다.

코팅강도를 개선하기 위해 제작공정인자와 소재별 접착강도간의 메카니즘을 규명하

고 소재별 비교평가실험을 통해 내식성은 물론 기계적 강도가 우수한 결과를 얻을,

수 있었으며 특히 코팅을 하지 않은 전열판을 장착한 판형 열교환기의 전열실험결,

과 총괄전열계수의 실험결과와 이론해석결과가 비교적 잘 일치하였다 플라즈마 코, .

팅 전열판의 경우 모재가 인 경우가 인 경우와 전열성능이 비슷, mild steel SUS304

하나 의 경우가 약간 전열성능이 더 우수하였다 한편 상부 코팅으, mild steel . Top

로 테프론을 사용한 경우 낮은 전열성능을 나타내었으며 표면실링제로서, ,

을 사용한 경우도 비교적 낮은 전열성능을 나타내었다FineCera#600 .

- 83 -

가장 전열성능이 우수한 전열판은 알루미나 코팅을 사용한 의 전열판으로서 약#1

의 전열효율을 나타내었다 따라서 본 연구의 플라즈마 코팅을 사용한 전열판84% .

의 경우 약 정도의 전열성능을 유지하는 것으로 나타난 반면 전열판의, 60~80% ,

기계적 강도는 모두 배 이상 증가하는 결과를 나타내었다 산업용 코팅1.5 . DX-22

판의 기계적 강도를 측정한 결과 모재 에 비해 배 이상 증가하여, (SUS 304) 1.5~2.1

모두 설계치보다 큰 강도를 유지할 수 있므로서 내식성을 비롯하여 기계적 열적,

내구성이 우수한 열교환기를 개발할 수 있었다.

- 84 -

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139-146

- 87 -

서 지 정 보 양 식보고서 번호1.

1999-E-FM02-P-22/KIER-A03918

서명 부서명2. :

배가스용 내식성 열교환기 개발 에너지효율연구부 기능소재연구센터:

보고서 종류3.

최종보고서

수행부서명4.

기능소재연구센터

연구수행자 연구책임자 맨 앞에 기재5. ( )

박주석 박상일 김홍수 김준수 김시경 유윤종 김정근 고창복, , , , , , , ,

임혁 송영호 이수우 박봉희, , ,

보고서 발행일6.

2001. 9. 26.

페이지 서문 본문7. ( , )

viii, 78

참고사항8.

도표 개 그림 개 참고문(25) / (44) /

헌 개(33)

위탁기관9. 공개여부10.

공개 비공개 까지( ) ( )○

초록 단어 내외11. (250 )

배가스 열회수시 이슬점 이하에서 일어나는 저온부측 전열면 부식현(dew point)

상으로 열교환기 성능은 물론이고 수명단축으로 인해 조업에 막 한 영향을 주

고 있다 일반적으로 배가스 온도를 낮출 때마다 열효율은 정도 향상. 20 1%℃

되기 때문에 부식문제가 해결된다면 막 한 에너지를 절약할 수 있으며 동시,

에 환경오염물질을 줄일 수 있어 이에 한 기술개발이 절실히 요구된다.

본 연구에서는 이슬점 이하에서 내산 내알칼리성이 우수한 세라믹 재료 및 금,

속 재료를 주철재나 재료를 전열면으로 하는 모재 표면에SUS (base plate) 2

중 또는 중으로 플라즈마 코팅하여 내식성이 탁월한 전열판재를 제작할 수 있3

는 생산기술을 개발하였으며 전열판재의 기계적 특성과 황산 염산용액에 한, ,

내부식성 등이 우수한 내식성 열교환기를 제작하고 이에 한 성능평가를 하,

여 새로운 형태의 내식성 열교환기 제작에 필요한 주변요소기술까지 개발하였

다.

주제코드12.

360320, 420400, 700420

키워드 개 내외13. (10 )

저온 내부식성 기술 플라즈마 스프레이 기술 세라믹 코팅 내식성 전열면 내, , , ,

식성 판형 열교환기 실링기술,

KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH

- 88 -

BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET

1. REPORT NO.

1999-E-FM02-P-22/KIER-A

03918

2. TITLE : SUBTITLE

Development of corrosion Resistant Plate Heat Exchanger for Flue Gas

Recovery.

3. TYPE OF REPORT

Final Report

4. PERFORMING LAB.

Functional Materials Research Center

5. RESEARCHER

Joo-Seok Park, Sang-Il Pakr, Hong-Soo Kim, Joon-Soo Kim, Si-Kyung

Kim, Yoon-Jong Yoo, Jung-Geun Kim, Chang-Bok Koh, Hyuk Lim,

Young-Ho Song, Soo-Woo Lee, Bong-Hee Park

6. REPORT DATE

2001.9. 26

7. TOTAL PAGES

viii. 78

8. REFERENCE

Tabs.(25)/Figs.(44)/Refs.(33)

9. SPONSORING ORGANIZATION 10. CLASSIFIED

OPEN( ) NOT OPEN( )○

11. ABSTRACT

The objective of this study is to develop a plate-type of heat exchanger

which has good corrosion resistance and long life for flue gas recovery.

To manufacture the economic corrosion resistant heat exchanger various

ceramic and metal alloy coatings on stainless steel plates using plasma

enhanced spraying technology were investigated and evaluated in the

viewpoints of wasted flue gas recovery. To further develop ceramic

coating technology on various substrates the surface morphology of

ceramic coating materials and metal alloys on heat exchanger plates

using SEM, XRD were examined and compared with the mechanical

strength of coating materials on various substrates. Especially the

corrosion behaviors and heat transfer performance of various ceramics

and super alloys using advanced plasma spray coating on stainless steel

plates were investigated in strong acidic and alkalic solutions.

Finally the 10 ton/hr capacity plasma coated heat exchanger was

installed and operated for long life test in the sponsored company.

12. SUBJECT CATEGORY

360320, 420400, 700420

13. KEYWORD

Low temperature corrosion, Corrosion resistant heat exchanger under acid

dew point, Plasma spray coating, Ceramic coating, Hard facing on

stainless steel.

KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH