PLANT 2010 CONFERENCE
극저온 가스플랜트용
마이크로 채널 열교환기 개발마이크로 채널 열교환기 개발
최준석 책임연구원
2010. 12. 17
한국기계연구원
발표순서
연구배경및필요성1
마이크로채널열교환기의설계2
극저온환경성능평가3
향후계획4
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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
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LNG플랜트 공정흐름도
연구배경 및 필요성
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
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연구배경 및 필요성
마이크로채널 열교환기의 장점
단위부피당전열면적증가단위부피당전열면적증가
열전달계수증가
적층에의한 Scale Up용이
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적층에의한 Scale Up 용이
연구개요
Cryogenic MaterialsSS316L
마이크로채널 열교환기 제작공정 개요
- SS316L- SS304L- Duplex Alloy 2205- high nickel alloy
Titanium- Titanium
Diffusion bonding
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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마이크로채널 열교환기의 성능실험 (1)
The Schematic Diagram of the Test Rig
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마이크로채널 열교환기의 성능실험 (2)
• 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
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gChamber
마이크로채널 열교환기의 성능실험 (3)
LIQUEFACTION OF CHLIQUEFACTION OF CH44 GASGAS
액화동영상삽입
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마이크로채널 열교환기의 성능실험 (4)
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
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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
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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
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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
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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
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- 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
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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$
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세계시장규모
감사합니다.감사합니다.
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