에너지, 석유 및 가스를 위한 대규모 열교환기: 적층 가공의 역할 확대

에너지 산업은 끊임없이 효율성과 지속가능성을 높여야 하는 과제를 안고 있습니다. 석유 및 가스 생산업체도 이러한 압박에서 자유로울 수 없는데, 마진 압박과 빠르게 진화하는 규제 환경으로 인해 새롭고 향상된 기술을 채택하기 위한 핵심 동력으로 프로세스/생산량 효율성을 높여야 하기 때문입니다. 태양광, 친환경 수소와 같은 '친환경' 에너지원과 석유 및 가스 모두 서비스 가능한 시스템과 안정적인 부품 공급을 통해 가동 중단 시간과 OPEX(운영 비용)를 최소화하여 공정을 계속 가동하고 가능한 최고 수준의 생산량을 유지할 수 있도록 하는 것이 공통점입니다.

적층 제조는 수많은 에너지 관련 분야에서 유망한 응용 분야를 가지고 있습니다: 3D 프린팅 배터리 전극과 커패시터, 에너지 전달을 제어할 수 있는 마이크로 구조물, 태양광 패널 표면과 굴절 코팅, 새로운 연료 전지 설계 및 광촉매 반응기 등 다양한 분야에 적용될 수 있습니다.

열 전달 응용 분야는 적층 제조를 통해 상당한 이점을 얻을 수 있는 분야이기도 합니다. 열의 발생과 그에 따른 열 전달은 저장된 에너지원을 생성하는 과정에서 큰 부분을 차지하므로 효율을 높일 수 있는 기술 발전은 반드시 탐구하고 발전시켜야 할 분야입니다. AM은 열 전달 효율을 높이거나 이 과정을 강화하여 더 작거나 가벼운 열교환기 내에서 열 전달이 이루어질 수 있는 잠재력으로 인해 에너지 산업에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

에너지 애플리케이션의 열교환기

에너지 애플리케이션은 일반적으로 높은 수준의 청각 전달을 수반합니다. 이는 극한의 볼륨, 압력 및/또는 온도 중 하나 이상을 의미합니다.

석유 및 가스 또는 에너지 산업에서 크래킹, 대기 증류 및 수많은 기계 작업에서 발생하는 열 제거와 같은 주요 공정에 사용되는 열교환기는 일반적으로 크기가 1m3 이상이고 경우에 따라 최대 20m에 이르는 매우 큰 장치입니다. 일반적으로 사용되는 열교환기에는 쉘 및 튜브 스타일, 플레이트 스타일, 튜브 또는 파이프가 있습니다. 이러한 전통적으로 제조되는 열교환기는 충분한 공간만 있으면 비교적 확장성이 뛰어나 이러한 산업에서 요구되는 대량의 열 전달을 위한 초대형 장치를 설계 및 제작할 수 있습니다.

에너지 저장의 과제와 '친환경' 수소의 역할

우리는 친환경 에너지를 만들 수 있으며, 다음 단계는 우리가 원하는 방식으로 사용할 수 있도록 이 에너지를 저장하는 것입니다. 지속 가능한 에너지원으로부터 에너지를 저장하는 선두주자인 그린 수소는 적절한 공급원의 전기를 사용하여 전기분해 방식으로 물 분자를 분리하고 수소를 추출한 후 부산물로 산소만 남깁니다.

수소를 저장하고 운송하는 데에는 압력과 온도 변화, 따라서 열 전달이 수반됩니다. 현재 가장 일반적인 형태의 수소 저장 및 운송에는 다음과 같은 것들이 포함됩니다:

• 극저온에서의 액화
• 고압 저장, 일반적으로 350-700bar 사이
• 금속 수소화물, 유기 화합물 또는 암모니아를 활용하여 수소를 더 에너지 밀도가 높고 쉽게 운반 가능한 형태로 변환하고 추출하는 화학 저장소
• 가스 파이프라인, 기존 천연가스 인프라를 활용/전환하여 수소를 수용하는 경우가 많습니다.

수소를 연료로 사용할 수 있는 액체로 응축하려면 여러 단계의 과정을 거쳐 수소를 냉각시켜야 합니다(1기압에서 수소의 끓는점은 -253°C입니다). 액화 수소의 운송은 고도로 단열되거나 냉각된 극저온 용기가 필요하고 운송 중 슬러핑으로 인한 손실이 악화되는 등 복잡합니다. 일단 압축된 수소는 표면적으로는 운송이 더 쉽지만, 밀도는 상온에서 350 또는 700bar로 압축된 24 또는 40g/L인 반면 1기압, -253°C에서 액체 H2의 경우 70g/L로 액화 수소보다 훨씬 낮습니다. 또한 고압축 가스는 사고 시 폭발적인 감압의 위험도 있습니다.

수소를 국부적으로 응축할 수 있는 분산 솔루션은 운송의 문제를 우회하지만 국부적인 압축 또는 냉각 장비와 열 전달이 필요합니다. 일반적으로 예상되는 소규모 수소 사용자로는 수소 연료전지 전기 자동차(FCEV), 주거용 및 상업용 수소 히트 펌프, 전기 발전기 등이 있습니다.

이러한 소규모 솔루션에서 열 전달을 관리하는 데는 현재 용접 판형 또는 인쇄 회로 열교환기(PCHE)와 같은 보다 현대적인 '소형' 산업용 열교환기를 사용합니다. 이러한 장치 역시 에칭된 금속 층을 압축하고 가열하여 재료의 원래 강도와 특성을 가진 단일 블록으로 융합할 때까지 가열하는 전통적인 제조 또는 확산 본딩을 사용하여 제작된 견고한 장치입니다.

이러한 열교환기 기술은 오랫동안 사용되어 왔으며 수년에 걸쳐 개선되어 왔습니다. 예를 들어 PCHE 열교환기는 비교적 '새 제품'이긴 하지만 약 40년 동안 생산되어 왔습니다. 따라서 내구성에 대한 인증 표준, 프로세스 및 데이터가 잘 정의되어 있어 성능, 설계 수명, 신뢰성 및 서비스 요구 사항에 대한 강력한 데이터를 제공합니다.

이러한 솔루션 중 상당수는 툴링 비용이 높은 맞춤형 기계를 사용하여 제조 시간과 비용이 많이 들 수 있습니다. 모바일 또는 공간 제약이 있는 애플리케이션의 경우 비교적 부피가 크고 무거울 수 있습니다.

에너지 열교환기의 적층 제조

보다 효율적이고 지속 가능한 관행을 개발해야 할 필요성에 따라 에너지 기업들은 AM 기술이 제공하는 이점과 솔루션을 빠르게 탐색하고 있으며, 이 기술이 현재와 가까운 미래에 제공할 수 있는 도전과 기회를 모두 이해하고 있습니다.

에너지 열교환기를 위한 적층 제조의 이점

적층 가공이 제공하는 핵심 이점은 열 전달 프로세스를 강화하고 유지보수 프로세스에 대한 새로운 접근 방식을 제공할 수 있다는 점입니다. 새로운 설계의 자유, 맞춤형 패키징, 새로운 재료와 공정을 활용할 수 있는 기회는 더 높은 성능과 더 낮은 압력 강하를 제공하고 부피, 크기, 무게를 줄일 수 있게 해줍니다. 모놀리식 부품과 분산 제조의 가능성은 대규모 자산과 관련된 운영 지출을 잠재적으로 줄이고 공급망 및 공급업체 위험을 낮출 수 있습니다.

1. 성능- 기존 툴링의 제약에서 벗어난 매우 다른 '이색적인' 코어 형상을 설계할 수 있다는 것은 코어 형상이 주어진 유체 세트에 대해 보다 효과적인 열 전달을 생성할 수 있다는 것을 의미합니다. 채널의 고유한 요소가 원치 않는 유체 경계층을 줄이면서 압력 강하를 최적화하므로 작은 규모의 핀과 터뷸레이터를 프린팅할 수 있습니다(자세한 설명은 여기를 참조하세요). 유체 특성을 정확하게 시뮬레이션하면 애플리케이션의 특정 경계 조건에 맞게 주어진 코어의 형상을 변경할 수 있으며, 냉각되는 유체의 변화하는 특성에 맞게 코어 내에서도 변경할 수 있습니다. 여러 유체를 비교적 쉽게 단일 코어에 통합할 수 있어 시스템 내 효율성을 더욱 높일 수 있습니다.
2. 맞춤형 치수 및 포장- 또한 AM은 열교환기의 전체 크기와 모양에 대한 향상된 자유도를 제공합니다. 열교환기는 다른 시스템 구성 요소나 공간 제약에 맞게 윤곽을 만들거나 카트리지 또는 인서트로 개발하여 기존에 제조된 하우징에 맞출 수 있습니다. 또한 급진적인 모양은 성능에 영향을 미칠 수 있지만 최종 비용에 미치는 영향은 매우 적습니다.
3. 경량화, 부피 감소, 크기 축소- 고효율 열교환은 암묵적으로 부피, 무게 및 재료 사용량을 줄여줍니다. 제한된 부피 또는 다중 유체 열교환기를 사용하여 상당한 효율을 얻을 수 있는 공정에서는 전체 열전달 루프를 제거할 수 있습니다.
4. 모놀리식 부품- 단일 입력 재료로 단일 부품을 생산하여 BOM을 줄일 수 있습니다. 이는 접합부에 내재된 고장 지점을 줄이거나 제거할 수 있는 잠재력이 있지만, 제조 공정에서는 다른 문제를 방지하기 위해 보정, 매개변수 및 설계를 신중하게 제어해야 합니다.
5. 새로운 소재와 프로세스- 복잡한 마이크로 및 나노 구조를 가진 신소재에 대한 연구는 에너지 분야 전반에 걸쳐 많은 응용 분야를 만들어내고 있습니다(개요는 Li Zhang 등의 기사 참조). 열교환기의 경우 열전도율이 높고 무게가 가벼우며 내구성이 높은 새로운 합금이 연구되고 있습니다.
6. 분산 제조- 적층 제조 부품은 고도로 전문화된 툴링에 의존하지 않고도 사용 현장 근처 또는 현장에서 "프린팅"할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 현재 후처리 요구 사항, 기계 보정 및 IP 보호와 같은 상당한 복잡성이 수반되지만 장기적으로 운송 비용, 재고 수준, 공급망 위험을 줄이고 서비스 가능성을 더욱 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

적층 가공을 사용하여 대규모 열교환기를 어떻게 제작할 수 있을까요?

적층 제조는 필요한 대규모로 금속을 '인쇄'하기 위한 적절한 기술을 개발 중입니다. 기계를 확대하는 방법과 모듈식 어레이를 만드는 방법, 두 가지 경로가 있습니다.

하지만 금속 열교환기를 얼마나 크게 프린트할 수 있을까요? 작은 크기의 피처를 프린트하기 위해 일반적으로 레이저 파우더 베드 융착(LPBF) 장비가 사용됩니다. 현재 상용 장비에서 프린트할 수 있는 면적은 1m3 이하로 제한되어 있습니다. 예를 들어, AMCM(https://amcm.com/)은 EOS 장비를 커스터마이징하여 450 x 450 x 1000mm까지 출력할 수 있는 장비를 개발했습니다. 방향성 에너지 증착과 같은 다른 기술은 더 낮은 해상도로 더 큰 용적을 약속합니다(예).

이러한 상황의 요구를 충족하기 위해 우리는 디자인을 살펴보고 모듈식 구성 요소 세트를 고려합니다.

모듈형 어레이

모듈형 어레이는 더 큰 유닛을 형성하기 위해 결합하도록 설계된 셀의 부품 집합입니다. 모듈식 설계는 유연성, 구성, 확장, 개별 부품의 맞춤화, 설계의 진화, 단일 유닛 교체 및 서비스 가능성 등 다양한 잠재적 이점을 제공합니다.

열교환기의 모듈화는 새로운 개념이 아닙니다. 판형, PCHE 및 용접 열교환기는 모두 장치 내에서 반복되는 요소를 계층화하거나 장치를 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화를 지원합니다.

단일 장치 이상으로 확장할 수 있을 뿐만 아니라 모듈을 재구성하거나 전체 프로세스를 중단하지 않고도 개별 장치를 제거하여 유지보수할 수 있습니다(예: 밸브 세트를 닫는 등). 대규모 에너지 생산을 고려할 때 일정한 생산량을 유지할 수 있다는 매력은 재정적 이득을 고려할 때 높은 가치를 지니고 있습니다.

단점으로는 접합부의 누출 지점, 특정 부피에 대한 효율을 낮추는 접합부의 '데드 에어리어', 복잡성 및 비용 증가 등이 있습니다. 무결성 손상이나 과도한 엔지니어링 없이 모듈을 안정적으로 접합하는 것은 모든 열교환기가 공통적으로 직면한 과제이며, 소형화가 중요한 적층 가공에 적합한 애플리케이션의 경우 이 문제가 더 큰 문제입니다.

적층 제조 열교환기 모듈은 유사한 경로를 따르고 있으므로 유사한 연결 전략에 따라 전통적으로 제조된 케이스에 하나 이상의 AM 코어를 통합하거나 단일 AM 부품인 모듈식 요소를 직접 접합하는 등 설계 및 제조 선례를 따라야 합니다. AM 소재 용접의 모범 사례와 효과에 대한 종합적인 데이터는 아직 널리 퍼져 있지 않습니다.

인증 및 표준이 진화하고 있습니다 - AM 도입의 중요한 단계

표준, 설계 사양 및 최종 사용 성능 목표를 충족하는 인증 부품을 생산하려면 시스템/플랫폼, 공정 및 재료를 포함한 적층 제조 공정 흐름이 일정 수준 이상 검증되어야 합니다.

자격과 인증은 적층 가공 열교환기의 채택을 늘리는 데 중요한 두 가지 주제이며, 적층 가공 산업을 위한 국제 표준이 등장하고 있습니다. 특히 항공우주 분야에서 고부가가치 애플리케이션에 대한 특정 부품, 공정 및 시설에 대한 인증이 점점 더 많이 이루어지고 있습니다.

ISO, ASME, ASTM 등 다양한 기관에서 개발 중인 제품별 표준은 다른 산업 전반에 걸쳐 더 광범위하게 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 미국 항공우주 및 방위산업체 인증 프로그램(NADCAP)에는 레이저 및 전자빔 파우더 베드 융합을 위한 인증 가능한 표준(AC7110/14)이 포함되어 있습니다.

연구와 상업적 노력을 통해 에너지 분야에서 새로운 응용 분야가 개발됨에 따라 적층 제조 열교환기는 소형의 높은 열 전달 효율이 요구되는 에너지 시장에서 틈새 시장을 찾을 수 있을 것입니다.