해수냉각용 브레이징 판형열교환기 양산화 기술지원 · 4 2005.12.21...

해수냉각용 브레이징 판형열교환기 양산화해수냉각용 브레이징 판형열교환기 양산화해수냉각용 브레이징 판형열교환기 양산화해수냉각용 브레이징 판형열교환기 양산화

기술지원기술지원기술지원기술지원

2006. 92006. 92006. 92006. 9

지 원 기 관 한국생산기술연구원지 원 기 관 한국생산기술연구원지 원 기 관 한국생산기술연구원지 원 기 관 한국생산기술연구원::::

지 원 기 업 주 동일브레이징지 원 기 업 주 동일브레이징지 원 기 업 주 동일브레이징지 원 기 업 주 동일브레이징: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산업자원부장관 귀하

본보고서를 해수냉각용 브레이징 판형열교환기 양산화 기술지원 지원기간“ ”( : 2005.

과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다9. ~2006. 8.) .

2006. 9. ..2006. 9. ..2006. 9. ..2006. 9. ..

지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원::::

대표자 김 기 협대표자 김 기 협대표자 김 기 협대표자 김 기 협( )( )( )( )

지원기업 주 동일브레이징지원기업 주 동일브레이징지원기업 주 동일브레이징지원기업 주 동일브레이징: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 권 태 인대표자 권 태 인대표자 권 태 인대표자 권 태 인( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 윤 재 호윤 재 호윤 재 호윤 재 호

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 김 종 하김 종 하김 종 하김 종 하

〃〃〃〃 :::: 권 오 경권 오 경권 오 경권 오 경

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2005. 9. 1~ 2006. 8. 31

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 해수냉각용 브레이징 판현열교환기 양산화 기술지원

지원책임자 윤재호 지원연구원수

총 명: 3

내부 명: 2

외부 명: 0

총

사업비

정부 천원: 85,000

기업 천원: 85,000

계 원: 170,000

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 열유체시스템팀

지원기업 기업명 주 동일브레이징 기술책임자 민 영 배: ( ) :

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수94

주 동일브레이징의 기술지원 사업을 통하여 해수용 판형열교환기의 설계 및 시제품- ( )

제작 하고 브레이징 공정중에 티타늄 브레이징 온도 및 시간에 대한 최적조건을 찾아,

제품공정에 적용하여 열성능 및 내압성능이 우수한 티타늄 판형열교환기를 제작함.

제작된 판형열교환기의 열교환 성능시험을 수행하고 열교환기 열전달 성능 해석을- ,

통하여 설계 프로그램을 제작하고 이를 적용할 수 있도록 하였음.

판형열교환기의 내구성 확보를 위하여 내압시험과 공압반복시험을 수행하여 최대 파-

괴압력 향상 내구성을 위한 회의 공압반복시험을 수행함, 20,000 .

해수부식에 대한 시험으로 약 개월의 염수순환 시험을 수행하여 부식에 대한 영향을- 7

관찰하였으나 화학적인 부식은 발생되지 않았으며 염수에 의한 만 생겨되어 부, , scale

식이 거의 발생되지 않는 것으로 확인됨.

해수용 열교환기의 생산공정 개선 양산화를 위한 공정개발 티타늄 브레이징 응용확- , ,

대 방안에 대한 기술지원으로 지원기업의 기술경쟁력 강화

색 인 어

각 개 이상( 5 )

한 글 니켈 필러 티타늄 필러 판형열교환기 해수1. , 2. , 3. , 4.

영 어1. Nikel filler, 2. Titaum filler, 3. Plate heat exchanger, 4.

Sea water

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

현재 해수 이용 냉동기에 사용되는 열교환기는 일반적으로 부식문제 때문에 니

켈 함유한 구리합금인 백동 이나 티타늄으로 제작된10~30% curonickel( ) Shell

열교환기을 주로 사용하고 있다 열교환기는 열교환& Tube type . Shell & tube

효율이 떨어지며 열교환 용량에 비하여 부피가 커서 개선이 필요한 실정이다, .

따라서 부식을 방지할 수 있는 티타늄 를 사용한 브레이징 판형열교환기의filler

제작이 필요하다 하지만 국내에서는 해수용 열교환기의 제작기술이 전무한 실.

정으로 기술개발이 절실한 실정이다.

주 동일브레이징 업체는 냉동용으로 사용되고 있는 판형열교환기( ) brazing type

를 제작할 수 있는 금형설계기술 브레이징 설비 및 기술을 보유하고 있으며 안,

정적으로 국내 및 해외시장에 판매하고 있다 하지만 해수용 냉동기에 적용되는.

판형열교환기의 제작기술은 해수용 필러 개발과 이에 적합한 브레이징 기술 개

발은 본 사업을 통하여 해수용 브레이징 판형열교환기 제작기술 및 상용화 설비

를 확보하고자 한다 특히 고가의 설비와 기술을 필요로 하는 해수용 브레이징.

판형열교환기의 기본설계 해수용 개발 해수용 판형열교환기의 제작 및 성, filler ,

능평가 부식성 평가 등 통합기술 확보를 목표로 한다, .

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

고급인력의 기술지원을 통한 체계적이고 구체화된 제품개발과 양산화기술지1)

원 및 기술정보지원

해수냉각용 브레이징 판형열교환기의 열성능 인자관련 기술지원2)

열교환기 금형 설계 시 문제점 검토 및 개선방안 지원3)

해수냉각용 브레이징 판형열교환기 내압성능 평가 기술지원4)

해수냉각용 브레이징 판형열교환기 열성능 및 압력강하 평가 기술지원5)

해수냉각용 브레이징 판형열교환기의 내부식성 시험설비 구축 및 성능시험6)

해수냉각용 브레이징 판형열교환기 설계기술 지원7)

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

금형설계 기술지원 정밀도 보통 금형정밀도 향상

해수용 필러 개발 기술지

원무

티타늄 필러 구입

및 관련 자료확보

판형열교환기의 부식성

성능평가

티타늄 열교환기

성능시험 데이터 없음개월 부식시험7 부식시험 확인

판형열교환기의 열성능평

가


데이터 없음시험데이터 확보 성능시험 수행

판형열교환기의 내구성

평가


결과없음시험데이터 확보 내구성 시험

상용화에 따른 문제점 해

결 및 양산화 기술지원무 상용화 기반 확보

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분하여1. : 2※

기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2. : 前後․

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 브래이징 판형열교환기 티타늄: ( )○

모 델 명 : DIC(N)285-15○

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 사 스웨덴Swep ( ) - 80

경쟁제품 대비 가격 사 스웨덴Swep ( ) - 70

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년/ ( 4%)

인건비 절감 백만원 년/ ( 4%)

계 백만원 년/ ( 8%)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년100 / 백만원 년500 / 500%

수 출 천달러 년/ 천달러 년50 / %

계 백만원 년100 / 백만원 년550 / 550%

참고 적용제품 주요수출국 동남아시아 중국 유럽1. : , ,

작성당시 환율기준2. :

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도 수입액 수입대체금액 비고

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

생산기술확보 티타늄 브레이징 기술확보: -□

열교환기 설계기술 보유-

신제품 개발 해수용 브레이징 판형열교환기 개발:□

공 정 개 선 진공브레이징을 통한 제품의 안정성 및 신뢰성 확보 내부식: ,□

성 내압성능 및 열전달 성능향상,

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

국내 해수 냉동기용 판형열교환기는 제작기술이 국내에서 보유하고 있지 않기

때문에 거의 대부분이 고가의 티타늄을 사용한 판형열교환기나 열shell & tube

교환기 수입에 의존하고 있다 따라서 가격이 고가일 뿐만 아니라 여러 가지 판.

형열교환기 제품의 장점에도 불구하고 널리 사용되지 못하고 있다 해수용 브레.

이징 판형열교환기의 상용화 기술 확보 판형열교환기 설계기술확보 등으로 수,

입 대체 효과가 클 뿐만 아니라 중국 동남아 및 유럽 등으로 수출이 가능할 것,

으로 판단되어 경제적 파급효과가 클 것으로 판단된다 또한 티타늄 브레이징.

기술확보로 내부식성 재질의 접합이 필요한 기계류의 접합기술로 크게 활용될

것으로 판단된다.

국내에서는 온수열교환기 즉 가정용 산업용 보일러에 제조하copper brazing ,

고 있으나 티타늄 개발로 반도체 장비의 전자냉각 모듈 시스템 오일쿨brazing ,

러 냉동기 콘텐서 증발기 콤푸레셔 응축기 등의 기존시장 수요 대체와 도금장, , ,

치 화학 프렌트 응축수 발생장치 초대형 판형열교환기의 신규 시장개척의 파, , ,

급효과가 있다 이 기술이 개발되면 향후 티타늄 세라믹 파라륨 및 원 금속. , , 4

동시 기술 개발에 활용되는 계기가 될 것이다BRAZING .

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종 류 명 칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지원성과

기술정보제공 건7 판형열교환기 설계기술 확보

시제품제작 건3 제품 성능시험

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 건4 제품 신뢰성 확보

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건3 기술 확보

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건29

지원기업 방문회수 건18

기 타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

주 동일브레이징의 기 확보한 브레이징 기술과 한국생산기술연구원의 열교환( )

기 성능시험 설비 및 연구개발기술을 바탕으로 본 연구개발 및 기술지원을 통하

여 해수용 브레이징 판형열교환기의 제작기술 확보하고 성능시험을 통하여 설,

계기술 확보 내부식성 시험을 통하여 제품의 신뢰성 확보하여 해수 냉동기용,

열교환기의 대체가 가능하며 또한 국내 해수용 브레이징 판형열교환기의 상용,

화 기술 확보로 수입 대체 효과가 클 뿐만 아니라 중국 동남아 및 유럽 등으로,

수출이 가능할 것으로 판단된다.

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )口口口口

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과口

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11) (12)

학술지명

(13)

Vol.

(No.)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자 교신 저자 공동 저자

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과口

출원된 특허의 경우○

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

등록된 특허의 경우○

튿허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록인

(12)

등록국

(13)

등록번호

사업화 현황口

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기 매출액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

주 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 연구책임자 창업 기술이전에 의한11) 1. , 2.

창업 창업지원 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입, 3. , 4.

고용창출 효과口

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

주 창업의 경우는 사업화 성과 에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입9) “2. ”

사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이나10)

부서의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 경우만 기입

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. : 181. : 181. : 181. : 18

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2005. 10. 11 해수부식에 대한 내구성 시험 유

2 2005. 11. 22 판형열교환기의 내구성 시험 유

3 2005. 12. 1 내압성능시험 장치 제작 기술지도 유

4 2005. 12. 21 판형열교환기 관련 자료 소계지원 유

5 2005. 12. 29 판형열교환기 전열판 형상설계 유

6 2006. 1. 11 내압성능시험 및 내압성능 향상 방안 기술지원 유

7 2006. 1. 24 판형열교환기의 시제품 제작 유


9 2006. 3. 3 판형열교환기의 금형 수정 작업 유

10 2006. 3. 14 티타늄 필러 특성 유

11 2006. 4. 28 열교환기 성능시험 조건 및 방법 협의 유

12 2006. 5. 23 내압성능시험 결과 분석 유

13 2006. 6. 29 판형열교환기 해수 적용시 부식 방지방안 유

14 2006. 7. 6 설계프로그램 개발 판형열교환기 제시( ) 유

15 2006. 7. 11 해수용 판형열교환기 시장 확대 방안 협의 유

16 2006. 8. 3 향후 연구개발 방안 제시 유

17 2006. 8. 9 판형열교환기의 내구성 시험 결과 분석 유

18 2006. 8. 29 해수용 열교환기 성능시험 및 검사관련 기술지도 유

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2. : 72. : 72. : 72. : 7



2 2005. 10. 26 해수용 판형열교환기 기술개발 동향 정보제공 유

3 2005. 10. 31티타늄 및 니켈 브레이징 접합 기술개발 동향 정보제

공유

4 2005. 11. 14 판형열교환기 금형 구조 및 특성 지도 유


6 2006. 3. 14 티타늄 필러 특성 유


시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. : 33. : 33. : 33. : 3


1 2005. 10. 11 티타늄 판형열교환기 제작 시제품



시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 44. : 44. : 44. : 4


1 2006. 6. 12 내압반복시험 공압( ) 보고서 부록

2 2006. 6. 2 내압시험 수압( ) 보고서 부록

3 2006. 5. 16 열성능시험 보고서 내용

4 2005~ 해수부식시험 보고서 내용

기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. : 295. : 295. : 295. : 29


1 2005. 9. 22 판형열교환기 열전달 원리 지도 유

2 2005. 9. 28 판형열교환기 열성능 해석방법 지도-1 유

3 2005. 10 .5 판형열교환기 열성능 해석방법 지도-2 유


5 2005. 10. 26 해수용 판형열교환기 기술개발 동향 정보제공 유

6 2005. 10. 31 티타늄 및 니켈 브레이징 접합 기술개발 동향 정보제공 유

7 2005. 11. 3 브레이징용 진공로 특성 기술지도 유

8 2005. 11. 14 판형열교환기 금형 구조 및 특성 지도 유

9 2005. 11. 22 판형열교환기의 내구성 시험 유

10 2005. 12. 1 내압성능시험 장치 제작 기술지도 유


12 2005. 12. 29 판형열교환기의 전열판 형상설계 유




16 2006. 3. 3. 판형열교환기 금형 수정 작업 유

17 2006. 3. 14 티타늄 필러 특성 유

18 2006. 4. 18 열교환기 성능시험장치 구축 유

19 2006. 4. 28 열교환기 성능시험 조건 및 방법 협의 유

20 2006. 5. 2 판형열교환기의 열성능시험 물 물( - ) 유


22 2006. 5. 23 내압성능시험 결과 분석 유

23 2006. 6. 8 판형열교환기의 열성능시험 물 냉매( - ) 유


25 2006. 7. 6 설계프로그램 개발 판형열교환기 제시( ) 유

26 2006. 7. 11 해수용 판형열교환기 시장 확대 방안 협의 유

27 2006. 8. 3 향후 연구개발 방안 제시 유

28 2006. 8. 9 판형열교환기의 내구성 시험 결과 분석 유

29 2006. 8. 29 해수용 열교환기 성능시험 및 검사관련 기술지도 유

목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌6666

부 록부 록부 록부 록

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

열교환기는 오늘날 넓은 영역에서 사용되어지고 있다 특히 판형 열교환기들은 더.

작아지고 가벼워지며 높은 열교환 능력을 나타내고 있다 오일 냉각기나 자동차의.

방열기는 판형 열교환기가 사용되어지는 대표적인 사례이다 달리 말하면 일부 열. ,

교환기들은 부식이 많은 환경에서 사용되고 여러 종류의 물질들이 사용되고 있다.

스테인레스 스틸이 가장 대중적인 부식에 저항성이 큰 물질이나 일부의 특별한 경,

우에는 부식에 대한 저항성이 부적절한 경우도 있다 티타늄이 기계적 특성과 부식.

에 대한 저항성이 큰 물질로 잘 알려져 있고 현재 부식이 우려되는 환경에서 사용,

되고 있다 티타늄 열교환기는 산업영역에서 이미 제조되고 고용창출이 이루어 졌.

다 그러나 그것들의 대부분은 용접구조물과 웰 앤 튜브 형태나 코. , (Shell and tube)

일 형태의 덩치가 큰 열교환기들이다 게다가 평판형태의 열교환기로는 가스켓(coil) .

형태 만이 제조되어지고 있다 판형 브레이징 티타늄 열교환기는 브레(gasket type) .

이징 필러가 상업적으로 계발하고 적용할 수 있는 것들이 없었기 때문에 생산되지

않았다.

판형 열교환기는 로재 종류에 따라 보편적으로 사용하는Brazing type copper

판형열 교환기와 내부식성에 강한 열교환기로 구분되고 있brazing nickel brazing

다 로재가 인 제품에는 산성분이 함유되어 있는 액체와 기체가. Cu copper brazing

를 부식시켜 내구성이 나쁜 단점을 갖고 있기 때문에 내부식 내마모성을 요구하Cu ,

는 반도체 장비 도금 화공설비 등에 필히 적용해야 하는 판형 열, , nickel brazing

교환기는 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다 의 제조방법을 개발. nickel brazing

하는데 있어 중요한 과제는 로재에서 발생한 에 의한 제품의 변형 방지와Ni GAS

양산성을 갖추는 제조 기술에 있다brazing .

여러 종류의 열교기들이 넓은 영역에서 사용되어진다 특히 판형태의 브레이징 열.

교환기들은 많은 냉동 분야의 적용처들에서 소형화와 엄격한 조건을 만족하며 열전

달효율이 높기를 원한다 달리 말하면 부식에 대한 저항이 높기를 원하는 적용처인. ,

수영장의 물을 가열 화학이나 석유공장 그리고 부식이 진행되는 환경에서 다른 열,

교환기를 사용하게 된다.

티타늄 순수티타늄 은 부식에 대한 저항력이 크다고 잘 알려져 있다 비록 상업적인( ) .

순수 티타늄열교환기들이 이미 제작되어지고 있다고 하더라도 대부분은 용접식이,

나 가스켓 타입이다 최근에 일본 미국 스웨덴 등의 일부 국가에서 티타늄 필러를. , ,

사용한 열교환기를 생산하려고 시도하고 있으나 아직 일부제품에서는 티타늄 필러,

의 문제점으로 완전한 티타늄필러 이용 판형열교환기를 생산하는데 한계가 있다.

국내에서는 티타늄 브레이징 열교환기는 브레이징 필러를 개발하고 상업적으로 적

용할 수가 없어서 지금까지는 만들어지지 못하였다.

비록 티타늄 브레이징에 관한 논문들이 발표 되었지만 대부분의 논문들은 은을 기

초로 하거나 다른 물질에 의한 필러로 브레이징을 하는 것으로 끝났다 하지만. T.

교수은 낮은 녹는점을 가지는 브레이징 필러를 이전 논문에서 발표했다Onzawa .

이 필러 메탈은 부식에 대한 저항성과 연결 부위의 강도가 뛰어남을 보여주었다.

또한 필러 메탈들을 주의깊게 연구하고 브레이징 열교환기에 맞는 것을 선택했다.

교수는 부식에 대한 저항이 크고 연결부위의 강도가 뛰어난 성능을 보이T. Onzawa

고 낮은 용융점을 가지는 필러 메탈을 앞선 논문에서 계발하였다 우리는 필러 메.

탈들을 주의깊게 연구하고 브래이징 열교환기에 맞는 것을 선택하였고 이 후에 판

형태의 티타늄열교환기를 만들고 상업용으로 사용할 만한 성능을 나타내는지 확인

하였다.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

현재 해수 이용 냉동기에 사용되는 열교환기는 일반적으로 부식문제 때문에 니켈

함유한 구리합금인 백동 이나 티타늄으로 제작된10~30% curonickel( ) Shell &

열교환기을 주로 사용하고 있다 열교환기는 열교환 효율Tube type . Shell & tube

이 낮을 뿐만 아니라 열교환 용량에 비하여 부피가 커서 개선이 필요한 실정이다, .

따라서 부식을 방지할 수 있는 티타늄 를 사용한 브레이징 판형 열교환기의 제filler

작이 필요하다 하지만 국내에서는 해수용 열교환기의 제작기술이 전무한 실정으로.

기술개발이 절실한 실정이다.

주 동일브레이징 업체는 냉동용으로 사용되고 있는 판형열교환기를( ) brazing type

제작할 수 있는 금형설계기술 브레이징 설비 및 기술을 보유하고 있으며 안정적으,

로 국내 및 해외시장에 판매하고 있다 하지만 해수용 냉동기에 적용되는 판형열교.

환기의 제작기술은 해수용 필러를 이용하여 이에 적합한 브레이징 기술 개발은 본

사업을 통하여 해수용 브레이징 판형열교환기 제작기술 및 상용화 설비를 확보하고

자 한다 특히 고가의 설비와 기술을 필요로 하는 해수용 브레이징 판형열교환기의.

기본설계 해수용 수급 해수용 판형열교환기의 제작 및 성능평가 부식성 평, filler , ,

가 판형열교환기의 내압 반복 시험을 통한 내구성시험 등 통합기술 확보를 목표로,

한다.

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

금형설계 기술지원금형설계 기술지원금형설계 기술지원금형설계 기술지원1.1.1.1.

지원 내용 해수용 판형열교환기 열전달 성능향상을 위한 냉매 분배 주름각: - , ,◎

주름 등의 이론적 분석 및 설계기술지원pitch

최종금형 설계 기술적인 검토-

문제점 해수용 판형열교환기의 접합부에 가 고르게 분포하도록 설계: filler◎

부식의원인 판형열교환기 최적설계 필요 금형의 구조적인 문제점( ), ,

해결방안 금형의 구조적인 문제에 대한 차적 검토 및 금형전문가 연구소 및: 1 (◎

현장기술자 와 협의 문제해결 논문 및 문헌 자료조사) ,

해수용 필러 개발 기술지원해수용 필러 개발 기술지원해수용 필러 개발 기술지원해수용 필러 개발 기술지원2.2.2.2.

지원내용 또는 을 함유한 필러 특성 관련 기술지원: - Ni Ti◎

또는 을 함유한 필러의 브레이징 특성 기술지원- Ni Ti

문제점 또는 을 함유한 필러 관련 기술 및 브레이징 특성 자료 부족: Ni Ti◎

해결방안 시험용 또는 을 함유한 필러 확보 및 브레이징 특성 시험: - Ni Ti◎

금속 및 접합 전문가 초청 및 기술 자료 확보-

판형열교환기의 부식성 성능평가판형열교환기의 부식성 성능평가판형열교환기의 부식성 성능평가판형열교환기의 부식성 성능평가3.3.3.3.

지원 내용 판형열교환기의 해수에 대한 부식성 평가: -◎

문제점 부식성 시험 조건 및 평가방안 확보:◎

해결방안 부식에 대한 제품의 신뢰성 확보를 위한 충분한 내부식성 실증시험:◎

판형열교환기의 열성능평가판형열교환기의 열성능평가판형열교환기의 열성능평가판형열교환기의 열성능평가4.4.4.4.

지원내용 열교환 성능평가: - Water-Water◎

각각의 열성능평가에 따른 열전달계수 측정-

문제점 열성능 평가를 위한 시험설비 구성의 어려움 열성능 평가기술 확보: ,◎

해결방안 기존의 열성능 시험설비 이용 및 시험설비 보완 열성능시험 기존의: ,◎

열교환기 평가 경험을 통하여 열성능 평가 기술 구축 및 문헌 연구를 통하여 평가

기술 확보

판형열교환기의 내구성 평가판형열교환기의 내구성 평가판형열교환기의 내구성 평가판형열교환기의 내구성 평가5.5.5.5.

지원 내용 내압성능 시험: -◎

또는 브레이징의 접합강도 향상 방안- Ni Ti

문제점 해수 적용을 위한 열교환기 시험설비 확보 및 시험 기준조건 검토 필:◎

요.

해결방안 내압시험 설비 구축: .◎

상용화에 따른 문제점 해결 및 양산화 기술지원상용화에 따른 문제점 해결 및 양산화 기술지원상용화에 따른 문제점 해결 및 양산화 기술지원상용화에 따른 문제점 해결 및 양산화 기술지원6.6.6.6.

지원내용 상용화데 따른 문제점 해결 및 양산화 기술지원:◎

문제점 상용화 및 양산화 과정에서 발생되는 제품의 불량률 문제:◎

해결방안 생산공정의 정밀 분석 및 검토로 불량률 축소:◎

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

해수용 열교환기는 일반적으로 판형열교환기의 열전달 현상과 비슷하여 기존에 일

반적인 판형 열교환기에 대한 기술개발 현황을 살펴보면 기존의 일반 판형열교환기

에 관한 연구는 크게 가지로 분류할 수 있다 각각 관점에 따라 비중을 달리한다3 . .

첫째 냉매의 응축이나 증발에 따른 열전달특성과 유체의 상변화에 따른 유체의 압

력손실에 관한 실험적 연구

둘째 열교환기 자체의 배열 말단효과 유로의 효과 온도효율 등에 관한 수치해석, , ,

적 연구

셋째 기존의 냉매 혹은 대체냉매의 물성치와 대체냉매를 적용한 열전달 특성에 관

한 실험적 연구로 구분할 수 있다.

기존의 연구에 대한 경향을 살펴보면 등은 년 수평관이나 짧은, Grogber[1] 1952

수직관에서 발생하는 막응축은 층류이고 수직관에서는 난류임을 알아내고 특히

수가 일 때 흐름양상이 층류에서 난류로 바뀜을 알아내었다Reynolds 1600 .

는 년 냉매 과열증기가 응축될 때 열전달계수는 표면온도에 따라McAdam[2] 1954

영향을 받으며 표면온도가 포화온도보다 낮을 때 포화증기 냉매 의 응축 열전달계( )

수는 포화온도와 표면온도간에 차이가 있을 경우에는 약간의 오차가 생기며 이 오

차를 자주 사용되는 냉매에 대하여 물리적인 성질에 따라 응축 열전달계수에 대응

하는 상관관계식을 응축계수인자 를 사용하(condensing coefficient facter) F1, F2

여 정의하였다 이 경우 은 응축부하나 냉매량을 알고 있을 경우에 적용하는 경. F1

우이고 는 증기의 온도와 응축표면 온도의 차를 아는 경우에 유용하다 또한F2 .

은 수직관과 수직관 외벽에 발생하는 막형태의 응축에 대하여McAdam Reynolds(4

/ω μj 수가 이하인 경우에 막응축현상에 대하여 언급하였고 또한 과) 1800 McAdam

등은 년 수직인 관과 수직면에 대하여Grigull[3] 1954 Reyno1ds(4 /ω μj 수가) 1800

이상인 경우의 난류 형태의 막응축에 대한 관계식을 수립하였다.

판형 열교환기에 대한 연구동향을 살펴보면 등은 년 실험적으Buonopane[4] 1964

로 판형 열교환기에서의 흐름특성과 압력손실에 대하여 관련식을 제시하였다.

는 판형 열교환기의 발전에 대한 역사와 함께 쉘 앤드 튜브 열교환기와의F1ack[5]

성능비교 및 경제성분석을 통하여 판형 열교환기가 충분한 경제성과 설치면적의 축

소 등 많은 장점을 가지고 있어서 미래의 열교환기로 가능성 있음을 예측하였다.

와 은 년 유체에 대하여 이 제Crozier Booth[6] 1964 non-newtonian Bounopane[8]

시한 식 즉 압력손실은 모세관 선도로부터 구할 수 있고 열전달계수는 와Metzner

이 제시한 방정식을 이용하여 구할 수 있다고 하였다 과Gluck . Jackson

는 년 판형 열교환기내의 열전달의 우수성은 유체가 판내부를 통Troupe[7-8] 1964

과시 다른 형태의 열교환기에 비해 수가 낮은 구역에서 난류현상을 일으Reynolds

켜 쉘 앤드 튜브 열교환기에 비하여 성능이 월등함을 밝혀내었다 특히 이론적으로.

수 이하인 경우에 대해 냉각 가열의 경우 관련식이 의 신뢰성을Reynolds 400 , 95%

가지는 막계수를 제시하였고 수 이상의 경우는 의 관계식을 제시Reynolds 800 Prifit

하였다 와 등은 년 판형열교환기 내의 압력손실을 플라스틱. Smith Troupe[9] 1964

모델을 이용하여 실험하여 판의 간격은 압력손실에 많은 영향을 미치지 않고 대신

판과 리브의 형태가 압력손실에 영향을 미침을 알아내었다 은 년. Marriott[10] 1971

판형열교환기의 적용에 대한 장단점을 분석하고 사용할 때의 최적조건을 제시하였

으며 와 은 년 수 인 층류범위의 열전달계Dutt Chanda[11] 1971 Reynolds 100~300

수에 대한 일반식을 제시하였고 물 대 물과 물대 그리세린 용액의 경우에 대하여

수정계수와 수와의 관계를 도식화 하였다 는 년 판형 열Reynolds . Cooper[12] 1974

교환기와 관류형 열교환기의 성능 및 장단점을 비교하고 판형 열교환기에서의 열전

달계수식과 마찰계수를 제시하였다 은 년 각의 변화에 따. Focke[13] 1984 chevron

르는 열전달 현상을 열전달과 에너지 소산관련의 무차원수를 이용하여 정의하였다.

와 는 년 판형 열교환기에서의 흐름의 분포와 압력손Bassiouny Martin[14-15] 1983

실에 대하여 입출구가 같은 방향일 경우에는 으로 입출구가 다른 방향일 경U-type

우는 으로 구분하여 이론적인 압력손실에 관한 일반식을 제시하였다Z-type .

는 년 판형 열교환기의 홈의 형상과 배열에 따른 최적조건을 결정하Foke[16] 1986

는 방법에 대하여 인자 마찰계수 수의 항으로 나타내어 상기의Colbum j , , Reynolds

조합에 따라 최적의 표면형상을 찾아내어 단위면적당 총괄열전달계수를 높여 전체

전열면적을 감소시키는 법을 발표하였다.

와 는 년 판형열교환기의 유로에 있어서 배열의 방법과Kandlikar Shah[17-18] 1989

흐름의 영향에 대하여 온도효율을 용량률비와 의 항으로 표시하였다 또한 말NTU .

단효과의 영향에 대해서도 고려하면서 각각의 채널에서 유로의 숫자와 유량의 배분

에 의하여 수치해석을 하였다 과 등 은 년 판형열교환기. Bansal Steinhagen [19] 1993

의 중요한 문제인 시간의 변화에 따른 흐름의 속도변화 흐름의 집중 온도의 영향, ,

청소 등에 따른 오염의 영향을 연구하였다.

와 은 년 용접형 판형열교환기에 대하여 물과 미네랄오일을Bogaert Boles[20] 1995

적용하여 층류와 난류흐름 영역에서의 유동특성을 확인하고 가장 적절한 수력직경

을 찾아내기 위한 실험을 하였다 또한열 교환기의 특성을 수와 마찰계수와. Nusselt

의 관계식으로 무차원화하여 특성 매개변수로 나타내었다 등 은 년. Stasik [21] 1996

용접형 판형열교환기의 한 전열판에 대해 열전달의 실험적 수치적 연구를 하였는,

데 열전달과 압력강하에 관한 일반적인 실험결과를 제시하였으며 유한체적법을 이

용한 차원 해석을 시도하였다 또한 유한체적법 이외에 수치적인 접근방법도 제시3 .

하여 상호 비교하였다.

국내에서는 류해성 등 이 냉동공조분야에 있어서 판형열교환기의 응용분야에 대[22]

하여 기술하였으며 권오갑 은 냉매 와 대체냉매 와 를 이용, [23] R-22 R-404a R-407c

하여 주름각이 일때 용접형 판형 열교환기의 열전달 특성 및 압력손20°, 35°, 45°

실에 대하여 질량유속과 입구압력을 변화시켜 가며 응축 및 증발 실험을 수행하였

다 또한 기존 연구자들의 압력강하 및 열전달특성에 관한 상관관계식과 비교하였.

다 모든 실험조건에서 냉매의 질량유량이 증가함에 따라 열전달계수와 압력손실이.

증가하였으며 냉매의 종류에 관계없이 동일한 입구포화압력에서 주름각이 작을수,

록 열전달계수와 압력강하량이 크게 나타난다고 보고하였다.

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

판형열교환기 설계방안판형열교환기 설계방안판형열교환기 설계방안판형열교환기 설계방안1.1.1.1.

가 열전달 조건.

열교환기의 성능은 값 열전달 단위수 또는 열전달길이NTU ( . NTU or thermal

으로 표현 할 수 있다 이 값은 열 교환되는 두 유체간의 일정한 온도차length) . NTU

에 대해 각 유체의 온도를 변화 시키는 열교환기의 능력으로 정의될 수 있다 여기.

서 온도차란 대수평균온도차 를 말한다 열교환에 관한 수식은 다음과 같다(LMTD) . .

×× or ××

위 두 식에 의해서 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

×× ××

여기서 열교환 용량 질량유량 총괄열전달계수 전열면적 유, Q : , m : k : A : t :δ

체의 온도상승이나 감소 대수평균온도차 비열LMTD : Cp :

위의 식은 다음과 같은 무차원수인 값으로 표현할 수 있다.θ

×

×

위의 식에서 는 열전달 단위수 또는 열전달 길이라 한다NTU (NTU) .

만약 열교환기가 정확하게 설계된다면 이론적으로 로 정의되는, (k× A)/(m× Cp)

열교환 능력을 나타내는 값이 로 정의되는 열교환용량에 필요한 값NTU , t/LMTDδ

과 정확하게 일치될 수 있을 것이다 그러나 일반적으로는 이렇게 정확히 열전달.

길이를 맞추는 것은 거의 불가능하기 때문에 대부부의 경우 어느 정도의 과설계을

허용하게 된다 위 식을 다르게 표현하면 아래와 같다. .

여기서 이 증가된다면 전열면적 즉 플레이트 면적이 더 크게 요구된다는 것을, m

알 수 있고 값이 크면 열전달면적도 크게 된다는 것을 알 수 있다 다음에 두 가.θ

지의 경우에 관해서 예를 들어 설명해 보기로 한다.

예제 1) 42,000 kg/h 80 60 water→ ℃

42,000 kg/h 20 40 water→ ℃

δ여기서, t=20 , LMTD = 40 NTU = 0.5δ ℃ ℃

전열면적

××

예제 2) 10,500 kg/h 80 40 water→ ℃

10,500 kg/h 20 60 water→ ℃

앞식에서 t=40 , LMTD = 20 NTU = 2δ ℃ ℃

전열면적

××

위의 두 가지 경우는 전열 면적이 똑같이 계산되어 나오난 열교환기는 다르게 선정

된다.

예제 은 짧고 넓은 열교환기가 요구되지만 예제 는 길고 좁은 열교환기가 요구된1) 2)

다 즉 예제 은 배의 많은 열판이 필요하나 의 전열길이로 되어야 한다는 것. 1) 4 1/4

이다 실제로는 높은 값이 요구되는 경우에 열판과 열판사이의 간격을 좁게하여. θ

주어진 압력손실을 만족시키도록 유로당 유량을 작게 하면 설계조건을 맞출 수 있

다 즉 유로당 유량을 일반적인 경우의 로 하면 주어진 온수와 냉수축의 온도차. 1/4

조건하에서도 차측과 차측의 각 유체 온도차를 배 크게 할 수 있는 것이다1 2 4~5 .

액 액용 열교환기에서 플레이트형 열교환기의 대류 열전달률과 압력손실은 플레이-

트 형식 파형 피치 플레이트간격 파형의 경사각 에 따라 다르며 일반적, ( ), ( ), (ß) ,ℓ δ

으로 나타내기는 곤란하다 여러가지 형식의 플레이트에 관한 경험식을 종합한 것.

도 있는데 이들 중 마슬로브의 열전달률과 압력손실에 관한 경험식을 다음과 소개,

한다.

은 레이놀즈수M ,

ㆍ의 함수로서 표 에서 나타나 있다1 .

표 플레이트 형상에 따른 상관식표 플레이트 형상에 따른 상관식표 플레이트 형상에 따른 상관식표 플레이트 형상에 따른 상관식1111

열전달률과 유체마찰계수 와의 관계를 다음식으로 표현한다f .

여기서, De는 상당지름 는 열전도율 는 평균질량 속도=2 (m), k [W/m k], G (kg/ s)δ ㎡․ ․

Pr은 유체의 평균온도에서의 프란틀수(-), Prw은 전열판표면온도에서의 프란틀수(-),

은 파형의 피치1 (m), am은 평균열전달률때 는 점도 는 플레트간[W/ K], (Pa s),㎡ μ δ․ ․

의 간격 가스킷의 두께 는 플레이트간을 흐르는 유체마찰계수( ), f (-), f0 는 평행평활

평판에서의 유체마찰계수 이며 다음식에서 구한다(-) .

는 크기별로 일반적으로 두 가지 형식의 형상을 사용하고 있는데 하나는PHE plate

호 이고 또 다른 하나는 이다 이 두 형식을 혼합사용하여 중h type low NTU type .θ

간정도의 특성을 얻을 수 있다.

나 쉐브론각이 열전달에 미치는 영향.

어떤 주어진 설계조건에 정확히 맞는 전열길이를 얻도록 설계한다는 것은 거의 불

가능 하다 그러므로 열교환기의 선정에 있어서는 어느 정도의 과 설계가 필요하게.

된다 이러한 문제를 최소화하기 위해서 고 쉐브론각과 저쉐브론각 두종류의 전열.

특성을 가진 플레이트를 제작하고 두 종류의 판을 하나의 열교환기 내에서 조합하,

여 사용할 수 있다 이 다른 두 종류의 판은 세 종류의 유로를 형성시킬 수 있는데.

고 쉐브론각 저 쉐브론각 및 혼합 쉐브론각 등이 있다, .

이렇게 함으로써 여러 가지 다른 유로들을 혼합하여 최적의 전열 특성 즉 고 쉐브

론각으로 된 가장 높은 값과 저 쉐브론각만으로된 가장 낮은 값 사이의 어떤 값이

라도 선택할 수 있도록 설계하는 것이다 고 쉐브론각 자형의 패턴모양 이 넓은. (V )

각도 를 가지고 있으며 큰 난류를 형성하여 상대적으로 열전달 계수가(110-130°)

크고 압력손실도 비교적 높은 편이다.

그림 쉐브론각에 따른 형상그림 쉐브론각에 따른 형상그림 쉐브론각에 따른 형상그림 쉐브론각에 따른 형상1111

그림 저 쉐스론각은 좁은 각도 를 가지고 있으며 난류 형성효과가 약( 1 a) (50~70°)

하고 상대적으로 열전달 계수가 작으며 압력손실도 작다 그림 고 쉐브론각. ( 1 b) ,

저 쉐브론각 두가지의 플레이트를 혼합하여 자형의 각도를 평준화하면 전열 특성V

이 중간 값이 된다 그림. ( 1 c)

위의 세 가지 종류의 유로를 모두 함께 사용하는 것은 실용적으로는 별로 장점이

없으며 어떤 원하는 전열길이를 얻기 위해서 두가지 종류의 유로를 혼합하여(H+L)

또는 을 사용할 수 있다(M+L) .

판형열교환기의 재료의 특성판형열교환기의 재료의 특성판형열교환기의 재료의 특성판형열교환기의 재료의 특성2.2.2.2.

어떤 특정한 사용조건에 맞는 가장 좋은 열교환기를 선정하기 위해서는 아래에 열

거한 여러 가지 사항들을 고려하여야 한다 선정시 가장 우선적으로 고려해야 할.

중요한 사항으로서는 유체의 온도와 압력의 한계 유지관리성과 열교환용량의 추후,

확장 가능성 경제성의 비교 등이 있다 열교환기의 선정시 고려해야 할 여러 가지, .

항목은 다음과 같다.

재질•

유량 온도조건 허용압력손실의 한계와 같은 설계조건, ,•

압력과 온도의 사용한계•

사용 유체의 오염 상태의 고려•

유지 관리•

추후 열교환기 용량증설 필요성•

가 부식가 부식가 부식가 부식....

열판의 두께는 정도로 다른 열교환기의 전열면과 비교하여 아주 얇으0.6-0.9mm

므로 부식 여부 두께를 고려한다는 것은 어려우며 일반적으로 부식정도는 연간 최

대 정도밖에 허용되지 않는다0.05mm .

판형 열교환기에서는 셀 튜브 열교환기와는 달리 열판의 재질을 한층 고급화하여-

내식성을 높여야 할 필요가 있다 그러나 판형열교환기는 값 비싼 고급 재질의 금.

속을 사용함에도 불구하고 얇은 두께의 전열판으로도 충분히 기계적 강도가 높고

열전달계수가 높기 때문에 재료의 소요량을 대폭 절감하여 전체적인 가격으로는 오

히려 값이 싸다.

나 의 재질나 의 재질나 의 재질나 의 재질. Plate. Plate. Plate. Plate

판형열교환기의 재질은 프레스 가공이 가능한 것으로 부식에 잘 견딜수 있어야 하

며 가장 일반적인 재질은 표 와 같다2 .

스테인리스강스테인리스강스테인리스강스테인리스강(1)(1)(1)(1)

1) 304

가장 저렴한 오스테나이트계열의 스테인리스강 일반적으로 유기물이나 무기물에,

의한 부식에 견디지만 황산이나 염산에는 내식성이 약하다 냉수측에 염소성분이, .

존재할 때는 금속조직의 특정성분이 공격을 받아 이나 간극부식이 생기기 쉽pitting

다.

2) 316

여러가지 광범위한 환경조건에서 사용할 수 있으며 낮은 농도 의 황산에, (10-15%)

서도 사용할 수 있다 정도의 몰리브덴을 함유하고 있으므로 염소성분에 의. 2.5%

한 부식에 대해서도 상당한 저항력이 있다.

표 판형열교환기의 일반적인 재질표 판형열교환기의 일반적인 재질표 판형열교환기의 일반적인 재질표 판형열교환기의 일반적인 재질2222

3) AVESTA-254SLX3) AVESTA-254SLX3) AVESTA-254SLX3) AVESTA-254SLX

이 금속은 항산용액에서도 사용할 수 있고 특히 염소와 프루오르 이온이 섞여 있는

인산용액 등에도 사용할 수 있다 니켈 를 함유하고 있으므로 흔히. 25% 316

에서 발생하기 쉬운 응력 부식작용으로 인한 등을 거의 완벽Stainless steel crack

하게 방지할 수 있다.

4) AVESTA-254SMO4) AVESTA-254SMO4) AVESTA-254SMO4) AVESTA-254SMO

몰리브덴을 보다 많이 함유하고 있으므로 염소성분에 의한 이나 틈새부식316 Pitting

에 대한 저항력이 아주 좋다 염수나 미네랄산을 사용하는 설비에서는 없어서는 안.

될 중요한 재료이다.

니켈합금니켈합금니켈합금니켈합금(2)(2)(2)(2)

1) HASTELLOY B-21) HASTELLOY B-21) HASTELLOY B-21) HASTELLOY B-2

이 금속은 염산이나 고농도의 황산에 효과적인 내식성을 발휘하는 값비싼 니켈을

사용한 합금이다 그러나 산화하기 쉬운 환경이나 철분과 구리가 이온의 상태로 유. ,

체 속에 포함되어 있을 때는 저항력이 크게 떨어지는 단점이 있다 만약 산이 공기.

와 혼합되면 급격한 반응이 생겨 이 금속은 부식에 저항하는 효과가 상당히 떨어지

게 된다.

2) HASTELLOY C-2762) HASTELLOY C-2762) HASTELLOY C-2762) HASTELLOY C-276

값비 싼니켈 합금으로 실제로 낮은 상태에서 염소이온에 의한 강한 부식을 방PH

지할 수 있으며 상당히 진한 농도의 염산에서도 사용할 수 있다 실제로 이 금속은.

인산용액이나 온도가 높고 농도가 짙은 황산용액에 사용해도 좋은 결과를 얻고 있

다.

그 밖의 금속그 밖의 금속그 밖의 금속그 밖의 금속(3)(3)(3)(3)

1) Titanium1) Titanium1) Titanium1) Titanium

이 금속은 염소 이온을 가진 용액에서 매우 탁월한 내식성을 가지고 있으며 실제로

의 바닷물이라든가 염화칼슘과 같은 염화물 용액이나 농도 까지의 질산120 70%℃

용액에도 저항하는 능력이 아주 우수하다 그러나 황산에 저항하는 능력은 과. 316

유사하다 염산용액에도 좋은 결과를 나타내고 있으며 특히 철분이나 구리의 산화.

이온을 가지고 있는 경우에도 상당항 저항력을 보이고 있다.

2) Titanium-Palladium2) Titanium-Palladium2) Titanium-Palladium2) Titanium-Palladium

티타늄에 의 을 첨가하여 부식에 저항하는 능력을 개선하고 특히0.15% Palldium ,

미네랄산 황산 염산 에 저항하는 능력이 뛰어나다( / ) .

판형열교환기 내압판형열교환기 내압판형열교환기 내압판형열교환기 내압3. Test3. Test3. Test3. Test

일반적으로 판형열교환기는 물 물 물 냉매 물 공기 공기 공기 등 다양한 매체의- , - , - , -

열교환에 사용된다 이 때 각각의 열교환 매체를 순환시켜 열교환기 내부에서 열교.

환이 되는데 이러한 매체가 사용되는 압력이 있다 따라서 판형열교환기는 사용압.

력에 대한 내구성 테스트를 수행하여 열교환기의 신뢰성 확보가 필요하다 본 실험.

은 판형열교환기 브레이징 부분이 견딜 수 있는 최대 허용압력을 측정하기 위한 것

으로써 실험 방법은 판형열교환기 내에 물을 넣고 고압펌프로 서서히 압력을 상승

시킨 후 판형열교환기의 브레이징 부분이 떨어져 누설 될 때까지 압력을 상승시키

고 이때 최고압력을 확인한다 내압테스트 실험장치의 구성 및 사진은 그림 그림, . 2,

같으며 실험장치 구성은 상 모터를 사용하여 고압용 펌프를 구3 , 3.7kW, 380V, 3

동하며 펌프는 최대 의 압력까지 가압할수 있다 또한 가압되는 압력를, 275kg/ .㎠

표시하고 최대 파괴압력을 저장할 수 있도록 제작되었다 내압시험에 사용된 판형.

열교환기는 주 동일브레이징에서 제작한 모델로 티타늄 필러를 사( ) DIC(N) 285-15

용하여 브레이징한 제품으로 최대의 내압이 으로 냉동기의 증발기로 충분32kg/㎠

히 사용이 가능할 것으로 판단된다.

그림 내압시험장치 시스템도그림 내압시험장치 시스템도그림 내압시험장치 시스템도그림 내압시험장치 시스템도2222

그림 내압시험 장치그림 내압시험 장치그림 내압시험 장치그림 내압시험 장치3333

판형열교환기 내구성 시험판형열교환기 내구성 시험판형열교환기 내구성 시험판형열교환기 내구성 시험4.4.4.4.

일반적으로 열교환기는 물 물 냉매 물 물 스팀 물 공기 냉매 공기 등 다양한- , - , - , - , -

열교환 방식으로 사용되고 있다 특히 냉매 물이나 냉매 공기의 열교환 방식의 경. - -

우 냉동기가 사용되는데 냉동기의 냉매의 경우 고압조건에서 사용되므로 열교환기

의 압력에 대한 내구성이 요구된다 특히 냉동기의 사용이 간헐적인 경우열 교환기.

내부의 압력이 크게 변화하기 때문에 압력변화에 따른 내구성이 중요한 요인이다.

이러한 내압 반복에 대한 내구성 시험을 위하여 내구성 시험장치를 제작하고 내구

성 성능시험을 수행하였다.

가 내구성 성능시험장치가 내구성 성능시험장치가 내구성 성능시험장치가 내구성 성능시험장치....

내압 반복시험용 내구성성능시험장치는 그림 그림 최고( 4, 5) 20~150kg/ ( 210 kg/㎠

의 성능을 갖는 공기 압축기 유수분리기 압전밸브 리터 용량의 고압충진용) , , , 5㎠

보조탱크 압력계 등으로 구성되어 열교환기 내부로 일정한 압력을 가하고 일정시,

간 후에 자동적으로 압력을 낮추도록 시험장치를 구성하였다 시험장치의 세부 사.

항은 아래와 같이 구성하였다.

그림 내압내구성시험 성능시험장치 시스템구성도그림 내압내구성시험 성능시험장치 시스템구성도그림 내압내구성시험 성능시험장치 시스템구성도그림 내압내구성시험 성능시험장치 시스템구성도4444

그림 내압내구성시험 성능시험장치 사진그림 내압내구성시험 성능시험장치 사진그림 내압내구성시험 성능시험장치 사진그림 내압내구성시험 성능시험장치 사진5555

토출량- : 90l/min

시험장치 크기- : 840(L)x470(W)x440mm(H)

무게- : 85 Kg

압축기 그림 형식 단 피스톤 왕복동식 압축기 급유식 오일비산식- ( 6) : 3 , ( ), V-belt

연결에 의한 전동기 구동

전동기용량- : 3Hp (2.2 Kw)

사용 압력 최고- : 20 ~150 kg/ ( 210kg/ )㎠㎠

냉각 방식 공기 냉각식- :

사용전원 단상 상- : AC 220/ 380 / 440 V, 60 Hz, /3

고압 충진용 보조탱크- : 5 liter

기타 구성 부품 전동기 자동정지 수동드레인밸브 유수분리기 벨트 풀리- : , , , , V- / ,

안전밸브 흡입 휠타 압력스위치 압력계 배전반 등, , Inter-cooler, , , ,

그림 내압내구성시험장치에서 압축기 및 저장탱크 사진그림 내압내구성시험장치에서 압축기 및 저장탱크 사진그림 내압내구성시험장치에서 압축기 및 저장탱크 사진그림 내압내구성시험장치에서 압축기 및 저장탱크 사진6666

그림 내압내구성시험장치에서 판형열교환기가 장착된 사진그림 내압내구성시험장치에서 판형열교환기가 장착된 사진그림 내압내구성시험장치에서 판형열교환기가 장착된 사진그림 내압내구성시험장치에서 판형열교환기가 장착된 사진7777

나 성능시험방법나 성능시험방법나 성능시험방법나 성능시험방법....

판형열교환기의 내구성 성능시험 방법은 먼저 내구성 성능시험조건을 고압조건

저압 조건 으로 선정하고 먼저 공기압축기로 공압 의 고압25kg/ , 5 kg/ 25kg/㎠㎠㎠

조건으로 열교환기에 압력을 가하고 초 간 압력을 유지한 후 열교환기 내부의 공30

기를 외부로 방출하여 압력이 으로 조정한 후 초간 압력을 유지하였다 위5kg/ 10 .㎠

의 시험을 반복적으로 회 시험을 수행하여 판형열교환기의 이상유무를 확인20,000

하여 판형열교환기의 신뢰성을 확보하였다.

반복시험의 기준조건은 스웨덴 사에서 판형열교환기에 대하여 사용하고Alfa laval

있는 내구성 시험에 조건으로 회 이상 실시한 엄격한 피로 테스트를 적용하20,000

여 내구성을 증명하였다.

본 연구에서 판형열교환기의 내구성시험 회를 수행한 후 수중에서 판형열교20,000

환기에 압력을 가한 후 기밀이 이상이 없음을 확인하였다.

판형열교환기의 해수 부식 시험판형열교환기의 해수 부식 시험판형열교환기의 해수 부식 시험판형열교환기의 해수 부식 시험5.5.5.5.

티타늄 재질은 내부식성이 큰 것으로 잘 알려져 있어 해수용 화학공정 등 다양한, ,

분야에서 사용되고 있다 그러나 재질에 티타늄 필러를 사용하여 브레이징한. SUS

판형열교환기는 브레이징 공정에서 재질이나 티타늄 필러 화합물의 다른 재SUS ,

질과 결합하여 합금형태로 열교환기 표면에 도포된다 따라서 티타늄 필러 재질이.

브레이징 공정을 거쳐 접합되었을 때 열교환기 표면의 부식이 발생할 수 있으므로

판형열교환기에 부식시험이 필요하다.

부식시험에 대한 규격으로는 에 염수 분무 시험 있다 염수 분무 시험은KS D 9502 “ ” .

기본적으로는 재료의 일광 비 서리 바람 눈에 대한 내후성 시험의 인공 축진 폭, , , ,

로 방식과 같은 시험이지만 종래 일반적으로는 금속의 녹방지나 부식 예방의 수단

으로서의 보호도막의 균일성 내지는 핀홀 의 검출 등에 이용하고 있다 오(pinhole) .

늘날에는 플라스틱의 면에서 그 염수 분무시험의 이용은 적다 실제 이용을 시작하.

는 것은 인쇄배선을 조합한 전기 전자기기의 일부의 해상기상 지역에 따른 특수한

응용 예이다 그러나 미국에서는 플라스틱의 염수 침출 시험을 전시간 해수 침출법.

이나 바닷물 간만에 합한 사이클 침출법을 실시하고 있다.

현재 염수 분무 시험법으로서 주목하고 있는 것은 일본 공업규격과 미국 연방규격

의 종류이다 그러나 그 시험의 원리는 세계적으로 공통화되어 있기에 여기에는2 .

그것을 합한 시험방법의 개요를 다음과 같이 요약한다.

염수 분무 시험은 시험체를 스프레이식의 염수 분무에 일정한 온도에서 소정의 시

간 동안 연속적으로 분무한 후 그 외관 변화로 관찰하며 혹은 특정 성능의 변화를

측정시험하는 것이다 즉 시험체 노즐 유지 선반은 분무실 염수 압축공기 공. Tank,

급이 부착 염수 분무 장치 실내 상온에 온도 조절 설비 등에서 구성된다.

염수 분무실은 실내온도 로 유지하며 조작하기 때문에 염수온도로 로35± 2 35℃ ℃

유지할 필요가 있다.

그 염수 조성은 일본 공업 규격에서는 염화나트륨의 농도 의 것으로 에5± 1 35℃ ℃

가 의 범위에 있는 청정염수로 규정되어 있지만 미국 연방규격에서는pH 6.5~7.2

의 것을 사용하는 것으로 규정되어 있다20± 2% .

어느 것이든지 분무량을 시험체에 의한 수평채를 취하면 직경 당8O ( 10cm)㎠

로 연속 시간 이상 작동해야 한다 그래서 특히 규정에 없는 범위에0.5~3.Om/hr 16 .

서 시험체에 손상의 징후가 나타날 때 까지 염수 분무를 계속한다 규정시간 경과.

후 혹은 시험체 손상의 징후가 나타날 때까지 염수분무를 계속한다 규정시간 경과.

후 혹은 시험체 손상의 징후가 나타난 후 육안관찰에 의한 외관변화를 조절한다.

필요하면 물론 씻어 마른 수건으로 닦은 후 균열 변퇴색 휨 분리 연화 등을 관, , , ,

찰한다.

그러나 위와 같은 염수분무시험으로 생산된 판형열교환기의 내부식성에 대한 인증

은 염수분무 시험으로 발생되는 부식이 실제 해수를 사용했을 때 얼마의 기간 후

발생되는 부식에 해당되는지 대한 데이터를 제공하지 못한다 따라서 해수에 대한.

직접시험으로만 확인이 가능할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 가능한 판형열교환기가 실제 사용되는 해수와 동일한 조건으로 그림

과 같은 해수 순환시스템을 제작하여 티타늄 필러를 사용한 판형열교환기 내부로8

일 약 개월 염수를 순환시켜 성능시험을 수행하였다 부식성능시험에서 한쪽231 ( 7 ) .

포트에 염수을 순환시키고 다른 포드로는 공기를 순환시켜 부식성능시험을 수35℃

행하였으며 이를 와이어컷팅으로 절단한 후 표면을 전자 현미경으로 관찰하고 최,

초의 판형열교환기와 부식 정도를 비교하였다.

그림 는 티타늄 판형열교환기의 부식시험 전후에 절단하여 내부를 촬영한 사9, 10

진으로 그림 티타늄 브레이징이 판형열교환기 표면에 고르게 도포되어 매끈한 표9

면을 보이고 있으며 그림 은 개월 동안 해수를 흐르게 한 후 촬영한 사진으로, 10 7

열교환기 표면에 부분적으로 여러 곳에 발생되어 있음을 알 수 있다 그림scale .

은 티타늄 브레이징 열교환기의 표면을 해수 부식시험 전후로 전자현미경으11,~13

로 배 확대하여 촬영한 사진이다 해수를 순환하기 전에 브레이징된 티타늄 열200 .

교환기는 빛을 반사하는 깨끗한 표면이였으나 해수순환 후 티타늄 판형열교환기는,

회색의 이 부분적으로 생성된 것을 육안으로 확인할 수 있었으며 이를 전자scale ,

현미경을 촬영하면 염수에서 발생되는 로 부식과 다름을 알 수 있었다 시험scale .

을 진행한 개월 동안은 부식이 거의 발생되지 않음을 확인하였다 따라서 티타늄7 .

판형열교환기는 내부식성이 우수함을 알 수 있었다.

그림 염수순환시험장치그림 염수순환시험장치그림 염수순환시험장치그림 염수순환시험장치8888

그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전9999

그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후10101010

그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전 확대 배 후그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전 확대 배 후그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전 확대 배 후그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 전 확대 배 후11 (200 )11 (200 )11 (200 )11 (200 )

그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배12 (200 )12 (200 )12 (200 )12 (200 )

그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배그림 티타늄 판형열교환기 부식시험 후 확대 배13 (200 )13 (200 )13 (200 )13 (200 )

열전달성능시험열전달성능시험열전달성능시험열전달성능시험6.6.6.6.

가 물측 열전달 시험 해석가 물측 열전달 시험 해석가 물측 열전달 시험 해석가 물측 열전달 시험 해석....

각 판형열교환기의 열전달 특성을 알아보기 위해 시험부 입구 및 출구온도를 측정

한 후 전체열량을 계산하는데 시험부 입출수의 온도차이에 대한 인자로서 대수평․

균온도차 를 사용하였다Tm .△

여기서 첨자 은 시험부 입구 첨자 은 시험부 출구를 의미한다 열교환기에서, in , out .

교환되는 열량 는 다음과 같이 나타낼 수 있다, Q .

냉매측 열전달계수(hr 를 알기 위하여 물측 열전달계수를 알아내야 하므로 본 연구)

에서는 자료조사를 통하여 다음과 같은 물측 상관관계식들를 얻을 수 있었다.

여기서 식 의 상관관계식이 쉐브론 각이 높을 때 적절함으로 본 연구에(10) Marriot

적용하여 식 로부터 물측 열전달 계수를 구하였다(11) .

나 성능시험장치나 성능시험장치나 성능시험장치나 성능시험장치....

물 물 열전달 성능시험을 위하여 그림 에서 보는 바와 같이 성능시험장치는- 14, 15

냉수공급용 항온조 온수공급용 탱크 냉온수 순환펌프로 구성하였다 시험장치의, , .

사양은 냉열원공급을 위하여 급 항온조 온수 공급을 위한 히터가 내장10RT , 10kW

된 온수탱크를 제작하고 냉온수 순환을 위한 순환펌프가 설치되었다 또한 계측장, .

치로는 판형열 교환기 입출구에 온도센서와 압력센서를 설치하였고 냉온수의 유량,

측정을 위한 마그네틱 유량계 설치하고 측정된 데이터는 데이터 로거를 통하여 컴

퓨터에 저장하였다 다양한 냉 온수 입구온도차에서의 열교환성능을 시험하기 위하. ·

여 냉온수 배관의 펌프에 를 설치하여 유량을 조절할 수 있도록 하였Bypass valve

다.

및 측정장치및 측정장치및 측정장치및 측정장치(1) Control(1) Control(1) Control(1) Control

판형열교환기 성능시험장치의 냉온수온도는 용량의 냉동기 그림 와 용10RT ( 16) 10kW․

량의 그림 를 이용하여 조절하였고 냉온수유량은 에Heater( 17) , Pump Bypass․

를 설치하여 조절하였다valve .

그림 열교환 성능시험장치 시스템도그림 열교환 성능시험장치 시스템도그림 열교환 성능시험장치 시스템도그림 열교환 성능시험장치 시스템도14141414

그림 열교환 성능시험장치그림 열교환 성능시험장치그림 열교환 성능시험장치그림 열교환 성능시험장치15151515

측정장치로는 온도 유량 및 압력측정장치와 이들로부터 측정된 를 취득 기록, data ,

하는 장치로 나누어지며 세부사항은 다음과 같다, .

그림 냉수측 항온조그림 냉수측 항온조그림 냉수측 항온조그림 냉수측 항온조16161616

그림 온수측 히터그림 온수측 히터그림 온수측 히터그림 온수측 히터17171717

가 온도 압력 측정장치( ) /

시험용 판형열교환기 열교환기의 냉수 및 온수 전후단에 각각 타입RTD(Pt 100 )Ω․

의 온도센서 설치하여 온수와 냉수 측의 온도를 측정하였다 또한 사의. VALCOM

타입 압력센서를 설치하여 압력을 측정하여 측정된 온도와 압력으로strain guage

물의 열량을 측정하였다 또한 온도센서와 압력센서는 시험장치에 설치하기 전에.

검교정을 하여 계측오차를 줄였다.

나 유량측정장치( )

시험용 판형열교환기로 흐르는 냉수는 유량계 그림 를 사용하여 냉온magnetic ( 18)․ ․

수의 물측유량을 측정하였다 유량계의 유량측정 오차범위는 인. ± 1 % magnetic

유량계 출력 를 사용하여 측정하였다( 4~20mA) .

다 취득장치( ) data

본 성능시험에서는 각 측정점에서 측정된 온도 압력 유량 등의 측정 를 수집, , data ,

저장하고 성능을 계산하기 위하여 및 로 구성되었다data acquisition system PC .

으로는 총 채널의 각종 및 전압data acquisition system 40 thermocouple, RTD DC

입력이 가능한 사의 를 사용하였다YOKOGAWA DA-100 Recorder .

라 냉온수 공급장치( ) ․

냉온수는 각각의 축열조에 양수량 양정 인 그림 를 사용하170l/min, 8m Pump( 19)․

여 공급하였고 각각의 에 를 설치하여 실험조건의 냉온수를 공Pump Bypass valve ․

급할 수 있도록 하였다 냉수축열조에는 용량의 공랭식 냉동기가 부착되어. 10RT

일정한 온도의 냉수가 공급되도록 하였으며 온수축열조에는 용량의 에, 10kW Heater

를 설치하여 일정한 온도의 온수가 공급되도록 하였다On-Off Controller .

성능시험장치(2)

판형열교환기의 성능시험은 각각의 열교환기에 대하여 다음과 같은 두가지의 경우

에 대하여 수행하였다.

냉온수유량 고정 후 열교환기의 입구온도차 변화에 따른 열성능 평가① ․

열교환기의 입구온도차 고정 후 냉수의 유량변화에 따른 열성능 평가②

위와같은 여러 가지 시험방법으로 성능시험을 수행하였으며 냉온수의 유량 및 입․

구온도를 변화시킴으로써 각각의 열교환기별 채널에서의 질량유량과 를 계산LMTD

하여 총괄열전달계수 값 및 압력강하량 변화를 계산하였(overall heat coefficient)

다.

그림 마그네틱 유량계그림 마그네틱 유량계그림 마그네틱 유량계그림 마그네틱 유량계18181818

그림 펌프그림 펌프그림 펌프그림 펌프19191919

시험용 판형열교환기(3)

본 연구에서 열성능시험은 용량의 판형열교환기을 기존에 재질을 이용한3RT SUS

판형열교환기 그림 는 모델와 티타늄 재질을 사용한 판형열교( 20) DIC(N)-285-19F

환기를 각각 주 동일브레이징에서 제작하여 열성능 시험을 수행하였다 의 열( ) . 3RT

교환 열교환기는 크기에 판수가 각각 매로 제작되었다 시험285mm × 102mm 19 .

을 통하여 열교환 성능 시험결과를 비교분석하고 그 특성을 파악하였다.

다 물 물 열교환 성능시험 방법다 물 물 열교환 성능시험 방법다 물 물 열교환 성능시험 방법다 물 물 열교환 성능시험 방법. -. -. -. -

열교환기 입구온도변화에 따른 열성능 평가(1)

일정한 냉온수의 유량에 대하여 냉온수의 입구온도차이의 변화에 따른 판형열교환․ ․

기의 열성능의 변화를 평가하기 위하여 용량 판형열교환기 냉온수 유량을3RT SUS ․

약 티타늄 판형열교환기 냉온수 유량을 으35 lpm, 50 lpm, 65lpm, 80lpm, 75lpm․

로 유지한 후 냉수 입구온도를 로 고정하고 온수의 입구온도를10 25 , 35 ,℃ ℃ ℃

로 각각 변화시켜가며 열교환기 입출구에서의 온도 압력을 측정하였다45 , .℃ ․

그림 티타늄 판형열교환기그림 티타늄 판형열교환기그림 티타늄 판형열교환기그림 티타늄 판형열교환기20202020

유량변화에 따른 열성능 평가(2)

일정한 냉온수의 입구온도차에 대하여 유량의 변화에 따른 판형열교환기와 티SUS․

타늄 판형열교환기의 열성능의 변화를 평가하기 위하여 냉수의 입구온도를 로10 ,℃

온수의 입구온도를 로 설정한 후 용량의 티타늄 판형열교환기 냉온수 유량25 3RT℃ ․

을 판형열교환기 냉온수 유량을 약 각75lpm, SUS 35lpm, 50lpm, 65lpm, 80lpm,․

각 변화시켜가며 판형열교환기의 입출구에서의 온도 압력을 측정하였다, .․

라 물 물 성능시험 결과라 물 물 성능시험 결과라 물 물 성능시험 결과라 물 물 성능시험 결과. -. -. -. -

냉온수의 입구온도 변화에 따른 열교환기 성능시험결과분석(1) ․

그림 는 각각의 열교환기에 대하여 냉온수의 유량을 동일하게 설정한 후 냉21, 22 ․

수입구온도를 로 고정하고 온수입구온도를 로 유지하며 실험을 수행하였10 25℃ ℃

을 때의 실험조건별 의 변화에 따른 냉온수의 총괄열전달계수와 열전달량을LMTD ․

나타낸 그래프이다 유량이 고정시키고 을 로 증가시킴에 따라. , LMTD 5 ~10℃ ℃

판형열교환기의 경우 총괄열전달계수는 열전달량은SUS 5500~6OOOW/ K,㎡․

을 나타냈으며 티타늄 판형열교환기의 경우 총괄 열전달계10000 ~ 35000Kcal/hr ,

수는 열전달량은 를 나타내었다 각각6300~6700W/ K, 14000~42000 Kcal/h .㎡․

가 로 증가함에 따라 총괄열전달계수는 각각 대략 가 증가하였LMTD 5 ~10 10%℃ ℃

으며 열교환량은 대략 배가 증가하였다 또한 판형열교환기와 티타늄 판형, 3 . SUS

열교환기의 성능을 비교하면 티타늄 판형열교환기의 총괄열전달계수는 대략 13%

정도 우수하게 나타났다.

냉수의 유량변화에 따른 열교환기 성능시험 결과 분석(2)

그림 는 열교환기 냉온수의 입구온도를 로 고정하고 온수의 유량23, 24 10 , 25℃ ℃․

이 일정할 때 채널당 냉수의 유량변화에 따른 총괄열전달계수와 열전달량을 나타낸

그래프로 실험조건별 수의 변화에 따른 냉온수의 총괄열전달계수와 열전달량, Re ․

을 나타낸 그래프이다 이 때 수를 로 증가시킴에 따라 판형열. Re 1150~1350 SUS

교환기의 경우 총괄열전달계수는 열전달량은5600~6200W/ K,㎡․

을 나타냈으며 티타늄 판형열교환기의 경우 총괄열전달계수는10000~35000Kcal/h ,

열 전달량은 를 나타내었다 각 각 수가6200-6600W/ K, 1300~44000W/ K . Re㎡㎡․ ․

로 증가함에 따라 총괄열전달계수는 대략 가 증가하였으며 열교환1150~1350 10% ,

량은 대략 배가 증가하였다3 .

여기서 유량이 증가함에 따라 열교환량도 증가하는 것을 알 수 있다 이는 동일 전.

열면적에 대하여 유속이 증가하는 것이므로 단일채널에서의 유속이 증가하고 이에

따라 가 증가하여 대류열전달계수가 증가하기 때문이다Re .

냉수의 유량변화에 따른 압력강하량(3)

그림 은 물 물 열교환 시험에서 열교환기 냉온수유량을25 - 35lpm, 50lpm, 65lpm,․

변화시켰을 때 압력변화량을 나타낸 그래프로 판형열교환기는80lpm SUS 74 KPa,

티타늄 판형열교환기는 를 나타내었으며 본 연구의 유량변화에 따른 각각66 KPa ,

의 판형열교환에서 압력변화는 크지 않는 것으로 나타났다 판형열교환기와. SUS

티타늄 판형열교환기의 압력강하량의 차이는 판형열교환기의 입출구 형상의 차이가

있어 절대값에서 차이가 있는 것으로 판단된다.

그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 총괄열전달계수 변화그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 총괄열전달계수 변화그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 총괄열전달계수 변화그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 총괄열전달계수 변화21212121

그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 열교환량 변화그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 열교환량 변화그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 열교환량 변화그림 열교환기 입출구 온도 변화에 따른 열교환량 변화22222222

그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 열전달량 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 열전달량 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 열전달량 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 열전달량 변화23232323

그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 총괄열전달계수 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 총괄열전달계수 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 총괄열전달계수 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 총괄열전달계수 변화24242424

그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 압력강하량 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 압력강하량 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 압력강하량 변화그림 열교환기 입구 유속 변화에 따른 압력강하량 변화25252525

열교환기 성능계산열교환기 성능계산열교환기 성능계산열교환기 성능계산6. Program6. Program6. Program6. Program

위의 판형열교환기의 성능시험 결과 데이터를 바탕으로 판형열교환기의 성능은 크

게 열교환기의 형상과 재질 및 작동유체의 물성치와 운전조건에 따라 결정되어진

다 본 과제에서는 성능계산에 필요한 수식으로부터 열교환기를 설계함에 있어 보.

다 쉽고 빠르게 성능을 예측할 수 있도록 하였다 그림 와 같이 열교환기의 운전. 26

조건 및 작동유체의 물성치 판형열교환기의 재질 및 형상 를 입력하면 동일, data

내에서 열교환기의 형상에 관한 특성을 계산하고 열전달성능을 계산하는 방sheet ,

법으로 구성되어 있다.

그림 판형열교환기 설계프로그램그림 판형열교환기 설계프로그램그림 판형열교환기 설계프로그램그림 판형열교환기 설계프로그램26262626

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정1.1.1.1.

기술지원 진형 과정 및 성과기술지원 진형 과정 및 성과기술지원 진형 과정 및 성과기술지원 진형 과정 및 성과2.2.2.2.

해수용 티타늄 판형열교환기 개발은 지원기업인 주 동일브레이징에서( )

브레이징 기술 니켈 브레이징 기술 등을 보유하고 있는 브레이SUS-Cupper , SUS-

징에 대하여 우수한 기술력을 가지고 있는 기업으로 지원기관에서 보유하고 있는

열교환기 설계기술을 바탕으로 금형을 제작하고 제작된 프레이트로 브레이징 공정,

을 수행하여 이를 지원기관인 한국생산기술연구원에서 판형열교환기 설계기술지원,

열성능시험 부식성능시험 내압수압시험 내구성시험 등을 수행하였다, , , .

특히 지원기업에서 판형열교환기 설계에 대한 기술력이 부족하여 판형열교환기의

설계방법 열전달계수 열전달 해석방법 시험을 통한 설계프로그램 제공 등의 기술, , ,

지원을 수행하였다 또한 티타늄 판형열교환기를 제작하고 이를 열성능시험 내구성. ,

시험 내압시험 해수부식성능시험을 수행하였다 지원기업에서 이러한 시험을 수행, , .

할 수 있는 연구인력 연구개발비용 시험설비 등이 부족하여 지원기관에서 보유하, ,

고 있는 열성능 시험설비 내압시험설비를 이용하였으며 내구성시험기는 지원기관, ,

에서 보유하고 있는 일부 시험기와 이를 보강하여 판형열교환기 내구성을 공압으로

시험할 수 있도록 시험장치를 재구성하여 시험을 수행하였다 또한 해수부식성능시.

험의 경우에도 지원기관에서 보유하고 있는 순환펌프 해수용 탱크 항온조 등의 설, ,

비를 재구성하여 성능시험을 수행되지 않으면 티타늄 판형열교환기의 해수에 대한,

부식성을 확인하여 제품에 대한 신뢰성을 확보하였다.

제품에 대한 성능시험 및 신뢰성 시험이 수행되지 않으면 티타늄 브레이징 기술을,

확보하고 있을지라도 생산된 제품의 열성능 내구성 내부식성에 대한 검증이 이루, ,

어지지 않으면 상용화하는데 한계가 있다 이러한 문제를 해결하는데 있어 지원기.

업에서 필요한 티타늄 판형열교환기의 열성능 내압성능 내구성 해수부식성능에, , ,

대한 검증을 지원기관에서 보유하고 있는 설비를 이용 및 보강하여 시험을 수행하

였다 이를 바탕으로 티타늄 판형열교환기 상용화를 위한 제품의 검증 및 신뢰성을.

확보하였다.

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

기술지원 결과기술지원 결과기술지원 결과기술지원 결과1.1.1.1.

금형설계 기술지원◎

열교환기 및 열전달 관련 자료 제공-

판형열교환기 설계기술 확보-

판형열교환기 설계프로그램 제공 및 활용-

해수용 필러 개발 기술지원◎

함유 필러 특성 기술지원- Ti

브레이징관련 기술교류 및 국내외 기술동향 확인- Ti

필러의 특성 및 장단점 파악- Ti

필러 브레이징 특성 향상방안- Ti

판형열교환기의부식성성능평가◎

해수 순환을 통한 티타늄 판형열교환기의 내부식성 확인-

지속적인 내부식성 성능시험 지원-

부식에 대한 이해와 기술자료 확보-

부식에 대한 시험방법 규격 자료 확보- , ,

판형열교환기의 열성능평가◎

티타늄 판형열교환기에 대한 물 물 열교환 시험 및 특성 파악- -

판형열교환기에 대한 물 물 열교환 시험 및 특성 파악- SUS -

판형열교환기의 총괄열전달계수 측정-

티타늄 판형열교환기의 설계기술 확보-

판형열교환기의 내구성 평가◎

판형열교환기의 내압시험-

판형열교환기의 내압반복을 통한 이상 내구성 시험- 20,000

상용화에 따른 문제점 해결 및 양산화 기술지원◎

상용화에 따른 문제점 해결 및 양산화 기술지원-

생산공정 분석을 통한 제작단가 및 생산성 향상-

기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안2.2.2.2.

국내에서는 온수열교환기 즉 가정용 산업용 보일러에 제조하고 있copper brazing ,

으나 개발로 반도체 장비의 전자냉각 모듈 시스템 오일쿨러 냉동nickel brazing , ,

기콘텐서 응축기 등의 기존시장 수요 대체와 도금장치, evaporator, compressor ,

화학 프렌트 응축수 발생장치 초대형 판형열 교환기의 신규 시장개척의 파급효과, ,

가 있다 그리고 경제 산업적인 측면에서 억 년의 수입대체 효과와 억 년 신. 100 / 50 /

규시장창출 억 년의 수출 기대 등 산업 전반에 파급되는 효과 기대되고 있다, 100 / .

이 기술이 개발되면 향후 티타늄 세라믹 파라륨 및 원 금속 동시 기술, , 4 brazing

개발에 활용되는 계기가 될 것이다.

주 동일브레이징 업체에서는 기존 및 냉동용으로 사용되는 판형열교( ) Steam-Water

환기의 브레이징 설비 및 기술을 보유하고 있으며 안정적으로 국내 및 해외시장에

판매하고 있다 해수가 사용되는 어선에서 최근에 판형열교환기의 적용 가능성을.

검토하고 있으며 그 수요도 크게 확대될 것으로 판단된다 그러나 냉동기에 사용되, .

는 일반 열교환기와 다르게 해수가 사용되는 열교환기는 기술적으로 부식 문제를

해결할 수 있는 브레이징 필러 및 공법에 대한 기술력을 확보하였다 향후 연근해.

어선 냉동기용 판형열교환기 상용화를 위한 설비구축이 필요하다.

국내에서 재질을 를 접합금속으로 하여 브래이징 하는 기술을 보유하면서SUS Cu

안정적으로 제품을 생산하는 업체가 극히 제한되어 있으며 주 동일브레이징은 연, ( )

구개발로 기술을 확보하고 있다 본 기술지원을 통하여 해수용 티타늄 판형열교환.

기에 대한 브레이징 기술확보와 제품의 열성능 신뢰성 시험으로 제품을 검증하여,

고부가가치을 창출할 수 있을 것으로 예상되어 향후 지원기업의 성장에 크게 기여

할 것으로 판단된다.

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

본 과제에서 해수냉각용 브레이징 판형열교환기 양산화을 위한 기술지원을 통하여

티타늄 필러가 브레이징에 미치는 영향 해수용 브레이징 판형열교환기의 해수부식,

시험 판형열교환기의 내압 반복을 통한 내구성시험 내압성능시험 열성능시험 등, , ,

에 대한 기술지원을 수행하여 해수용 브레이징 판형열교환기의 국산화를 성공적으

로 이루었다.

기존에 사용되는 해수용 열교환기의 부식 내구성 크기 등의 단점을 보완할 수 있, ,

는 장점을 가지고 있어 향후 다양한 분야에 사용될 것으로 판단된다 특히 해수용.

냉각기의 증발기로 적용이 가능할 것으로 판단되며 특히 해수용 티타늄 브레이징,

판형열교환기는 최초로 국산화에 성공하여 수입대체효과 및 국내 시장에 크게 기여

할 것이다.

또한 화학플랜드 도금공정 오일 쿨러 반도체 공정 등 다양한 분야에서 티타늄 열, , ,

교환기의 적용이 가능하여 분야별로 특성에 맞는 열교환기 설계 및 제품 특성에 대

한 연구개발이 필요할 것으로 판단된다 특히 기존에 고가의 티타늄 판형열교환기.

는 외국에서 수입하여 사용하고 있어 이를 대체하기 위한 국내 최초로 개발된 티타

늄 판형열교환기의 보급 활성화를 위한 산업설비 자금 지원과 지속적인 기술개발을

위한 연구자금 지원의 적극인 지원으로 제품의 신뢰성 생산성 확보로 국내에서 상, ,

용화 및 보급확대가 활발하게 이루어져야 할 뿐만아니라 수출도 가능할 것으로 판,

단된다.

국내에서는 온수열교환기 즉 가정용 산업용 보일러에 제조하고 있copper brazing ,

으나 개발로 반도체 장비의 전자냉각 모듈 시스템 오일쿨러 냉동nickel brazing , ,

기콘텐서 콤푸레샤 응축기 등의 기존시장 수요 대체와 도금장치 화학, evaporator, ,

프렌트 응축수 발생장치 초대형 판형 열교환기의 신규 시장개척의 파급효과가 있, ,

다 이 기술이 개발되면 향후 티타늄 세라믹 파라륨 및 원 금속 동시 기. , , 4 brazing

술 개발에 활용되는 계기가 될 것이다.

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