극저온가스플랜트용 마이크로채널열교환기개발 · 1 연구배경및 ... 4 향후계획 plant 2010 conference 2. 연구배경및필요성 고효율열교환기개발의중요성

PLANT 2010 CONFERENCE

극저온 가스플랜트용

마이크로 채널 열교환기 개발마이크로 채널 열교환기 개발

최준석 책임연구원

2010. 12. 17

한국기계연구원

발표순서

연구배경및필요성1

마이크로채널열교환기의설계2

극저온환경성능평가3

향후계획4

PLANT 2010 CONFERENCE 2

연구배경 및 필요성

고효율 열교환기 개발의 중요성

LNG 액화공정은 전체공정의 효율을 결정하는 요소LNG 액화공정은 전체공정의 효율을 결정하는 요소

열교환기는 액화공정의 핵심기자재

열교환기의 고효율화 및 컴팩트화가 핵심 니즈LNG-FPSO

관련수요증가

LNG 액화공정

열 환기열교환기


LNG플랜트 공정흐름도


마이크로 채널 열교환기의 장점

S i l t b HX

고효율 컴팩트 열교환기 개발 지향점

1/20 sized tiPl t fi t Spiral-tube HX

Microchannel HX

reductionPlate-fin type HX

D ~10 mm D ~ 3-10 mm D ~1 mm



마이크로채널 열교환기의 장점

단위부피당전열면적증가단위부피당전열면적증가

열전달계수증가

적층에의한 Scale Up용이


적층에의한 Scale Up 용이

연구개요

Cryogenic MaterialsSS316L

마이크로채널 열교환기 제작공정 개요

- SS316L- SS304L- Duplex Alloy 2205- high nickel alloy

Titanium- Titanium

Diffusion bonding


Diffusion bondingFacility

연구개요

플랜트용 마이크로채널 열교환기 개발 프로세스

열유동 해석극저온물성 형상설계

Lab scale설계/제작

성능시험/최적화

대면적제조기술 Scale Up

성능시험 및 평가TEST BED적용을 통한실용화 검증

성능시험 및 평가

LNG 극저온기기성능인증센터

(KIMM)

Bench scale 시제품 제작

(KIMM)


시제품 제작

마이크로채널 열교환기의 설계 (1)

수치해석을수치해석을 통한통한 유동해석유동해석

• Channel width: 300 mm~2mmI l t/ tl t idth 4 35

• Geometry

• Inlet/outlet width: 4.35 mm• Core region: 42 x 42 mm• Header region: 42 x 12 mm• Fluid: water

I l t diti 2 / if l it• Inlet condition: 2 m/s uniform velocity

Header Header 형상에형상에 따른따른 유동유동 균일도균일도 분석분석


N i l M d li

마이크로채널 열교환기의 설계 (2)Numerical Modeling

Fig. Geometric configuration of microchannel device.(a) 3D view. (b) Top view.

F b i t dF b i t d i fl idii fl idi hi fhi f PIV i ti tFabricated Fabricated microfluidicmicrofluidic chip for chip for μPIV experiment experiment


마이마이 PIVPIV를를 이용한이용한 마이마이 채널채널 유동분유동분 특성특성 파악파악

마이크로채널 열교환기의 설계 (2)마이크로마이크로PIVPIV를를 이용한이용한 마이크로마이크로 채널채널 유동분포유동분포 특성특성 파악파악

마이크로PIV마이크로PIV 이미지

마이크로채널 시료 Vector Plot

유동분포 비교

(a) 마이크로PIV 측정결과(a) 마이크로PIV 측정결과

(b) 수치해석결과


마이크로채널 열교환기의 제작 (1)

Making of the Micro Channel Heat Exchanger

Making unit plates by chemical etching

Making an H/X core by diffusion bonding

Welding headers to the core

The Structure of Heat Exchanger Layer

Micro channel size: 900 μm x 600 μmBlank layer thickness: 300 μm


y μ

마이크로채널 열교환기의 제작 (2)

The Unit Plate of the Micro Channel Heat Exchanger

S-type Unit Plate L-type Unit Plateyp

The Micro Channel Heat Exchanger with Headers

Header

Core


마이크로채널 열교환기의 성능실험 (1)

The Schematic Diagram of the Test Rig



• Methane(CH4, 99.95%) gas is liquefied in the test heat exchanger and circulated in the closed loop

• Liquid nitrogen is evaporated in the test heat exchanger and discharged to the air

Photo of Test Setup

Test Heat Exchanger in the Vacuum


gChamber


LIQUEFACTION OF CHLIQUEFACTION OF CH44 GASGAS

액화동영상삽입



The Measured Data of the Performance TestHot side (CH4) Cold side (LN2)

Flow Inlet Inlet Flow Inlet Inlet rate(kg/h)

Temp.(oC)

Press.(kPa)

rate(kg/h)

Temp.(oC)

Press.(kPa)

2.58 10.1 100.9 11.5 -182.7 415.2

Outlet Press. Outlet Press.OutletTemp.(oC)

Press.Diff.(kPa)

OutletTemp.(oC)

Press.Diff.(kPa)

-163.4 1.53 -170.4 21.95

Data Reduction

)( ,, ohihhh hhmQ −= &chm QQQ += 2/)(

QQQQ /(%))( ,, icoccc hhmQ −= &

The heat transfer rateLMTDm TQUA Δ= /

The overall heat transfer coefficient The energy balance

hcherror QQQQ /(%) −=

Calculation Results

Qh(kW) Qc(kW) Qerror(%) UA


0.633 0.621 2.0 0.008695

마이크로채널 열교환기 형상별 특성실험 (1)

습식에칭으로 제작된 S형, L형 단위박판의 열교환 면적 비교

실험결과실험결과실험결과실험결과

247 248288285 2.71

2.57247 8


유로형상별 전달열량 유로형상별 압력강하량

채널 형상별 열전달 성 파악 저 환경 f f

마이크로채널 열교환기 형상별 특성실험 (2)채널 형상별 열전달 특성 파악 (극저온 환경, Primary fluid: CH4, Secondary fluid: LN2)

실험 대상 마이크로채널 형상 열전달량 비교

150

200

250

Qh(W)

186.9 197.8 189.6213.8 221.1 220.3CH4LN2

Straight 0

50

100

Straight Wavy S‐Type

Qh(W)

Qc(W)

압력강하량 비교

g y yp

Wavy

2530354045

32.06

40.8935.24

S-Type 0510152025

Straight Wavy S Type

CH4


S ype Straight Wavy S‐Type

관련 연구결과

지적재산권 확보 [특허 출원 및 등록]

마이크로채널열교환구조

확산접합장치 건도 측정 방식

주요내용 요약

– 2차원적 열교환 구조를 3차원

으로 확대

열교환구조

주요결과 요약

– 확산접합의 수율 증대에는 균

일 가압능력이 필수적임

주요결과 요약

– 액화공정 상의 건도 변화를 비

침습적으로 측정하는 방법으로 확대

– 열전달 방향의 다원화를 통한

전열효율 증대

일 가압능력이 필수적임

– 가압 피스톤의 결함이나 적층

재료의 두께 차이등으로 인한

가압 불균일 해소 방법

침습적으로 측정하는 방법

– 상변화에 따른 굴절률 혹은 전

기전도도 변화를 이용하여 건

도를 측정할 수 있는 새로운 방

고효율 열교환 구조설계에 활용

확산접합 설비 독자개발에 활용

법

열교환기의 열전달 성능 평가에

도 향후 활용될 수 있음도 향후 활용될 수 있음


향후계획- 마이크로채널 열교환기의 제작설비 구축

대면적 확산접합용 진공열간가압로(Vacuum Hot Press) 개발

기본설계

- 가압방식 설계가압방식 설계

- 가열방식 및 승온속도 결정

- 진공확보 방식 선정

가압면적 및 k 크기 결정


- 가압면적 및 work zone 크기 결정

향후계획

국내 유일의 극저온 플랜트용 대형 열교환기 성능시험기관

극저온용 기기 성능평가센터 소개

국내 유일의 극저온 플랜트용 대형 열교환기 성능시험기관

사업내용 : 극저온용 기기(열교환기, 펌프, 밸브, 압축기 등) 성능시험시설 구축국제공인 성능평가기관 인증 획득 및 국제협력국제공인 성능평가기관 인증 획득 및 국제협력극저온 기기 관련 연구개발 수행 및 산업현장 기술지원경상남도와 MOU 체결센터명칭 : “LNG 극저온기계기술 시험인증센터”운영기관 한국기계연구원 운영(장비 및 인력 지원)운영기관 : 한국기계연구원 운영(장비 및 인력 지원)예산 : 421억원(국비:180억원, 경남도:160억원, 김해시: 81억원)사업기간 : 2008.1 -2012.12사업기간 2008.1 2012.12


LNG 기자재 성능실험 설비 위치 및 시험시설 배치도

향후계획

성과 활용방안

고효율 열교환구조 및율 열 환 및마이크로형상 개발

대면적 패터닝 및극저온기기인증센터면적 닝 및

접합기술 개발

극저온 적용기술 및

인증센터및

TEST BED 검증

마이크로 채널 기반의열교환 구조 개발

극저온 적용기술 및성능평가기술 개발

LNG플랜트 액화공정 핵심기자재 수출

G SO/ S 선기자재 적용

100억$

LNG-FPSO/FRSU 조선기자재 적용

공조 및 산업설비 적용 1350억$

300억$


세계시장규모

감사합니다.감사합니다.


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