JP2010511137A - 原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器 - Google Patents
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Abstract
Description
超高温ガス炉と中間熱交換器の間に形成された系統を第1次系統と定義する。中間熱交換器とプロセス熱交換器の間の中間系統を第2次系統と定義し、プロセス熱交換器からの熱を使用して水素(H2)を生産する系統を第3次系統と定義する。
現在、全世界において、900℃以上の高温で長期間信頼性を維持しながらSO3分解反応を実行可能なプロセス熱交換器は存在しない。
第2次冷却材流路の上面及び/または下面に設けられ、一方の側面には低温第3次系統冷却材が流入する第3次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には低温第3次系統冷却材に熱を伝達する有効伝熱領域が形成され、他方の側面には有効伝熱領域からの熱と共に反応触媒と反応して加熱された高温第3次系統冷却材が導出される第3次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィンと、伝熱フィンの上面及び下面に積層された伝熱板とにより形成され、折り曲げられた伝熱フィンの溝内に反応触媒を具備する少なくとも一つの第3次冷却材流路を含むことを特徴とする。
第3次冷却材流路において、硫酸(H2SO4)及び/またはSO3と接する伝熱フィン及び伝熱板の表面は、SiCのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。
伝熱フィンの水平ピッチ(H)は、3mm〜8mmである。
伝熱フィンの垂直ピッチ(V)は、3mm〜8mmである。
第2次冷却材流路の上面及び/または下面に設けられ、一方の側面には低温第3次系統冷却材が流入する第3次冷却材入口ヘッダーを具備し、中央には低温第3次系統冷却材に熱を伝達する有効伝熱領域が形成され、他方の側面には有効伝熱領域からの熱と共に反応触媒と反応して加熱された高温第3次系統冷却材が導出される第3次冷却材出口ヘッダーを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて伝熱板と平担な伝熱板との間に横方向に配置された四角形状の伝熱フィンにより形成され、折り曲げられた伝熱フィンの溝内に反応触媒を具備する少なくとも一つの第3次冷却材流路を含む。
第2次冷却材流路と第3次冷却材流路の伝熱フィン及び伝熱板は、超合金により形成されている。
伝熱フィンの水平ピッチ(H)は、3mm〜8mmである。
伝熱フィンの垂直ピッチ(V)は、3mm〜8mmである。
第3次冷却材流路であるSO3流路をプレートフィン形態に設計して伝熱特性を高くし、かつ反応触媒のための空間を確保した。本発明の他の実施例によるハイブリッド式プロセス熱交換器は、第2次冷却材流路と第3次冷却材流路であるSO3流路にて圧力が作用する系から分かるように、二つの系統間の差圧を高めることができ、第3次冷却材流路の反応触媒に対する空間を確保することができ、更に耐食性を維持することができる。
図1は、原子力水素生産システムを概略的に示す構成図で、図2は本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す斜視図で、図3は本発明によるプロセス熱交換器を概略的に示す側断面図で、図4は本発明によるプロセス熱交換器の第3次冷却材流路(SO3流路)を概略的に示す拡大断面図で、図5は本発明によるプロセス熱交換器の第3次冷却材流路(SO3流路)の断面による系圧力荷重の概念図で、図6は本発明の一実施例の変形例によるプロセス熱交換器の第3次冷却材流路を概略的に示す拡大断面図で、図7は本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器を概略的に示す部分斜視図で、図8は本発明の他の実施例によるプロセス熱交換器の第3次冷却材流路の断面による系圧力荷重の概念図である。
したがって、図2〜図6に示すように、本発明による原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器60は、原子炉容器40内の原子炉炉心41で生産された熱を中間熱交換器50に伝達する第1次系統ループ10と、第2次系統循環器23によって第2次系統冷却材70をプロセス熱交換器60に移送する第2次系統ループ20と、中間熱交換器50からプロセス熱交換器60に移送された熱を使用して水素を生産する第3次系統ループ30とを含む原子力水素生産システム1において、
一方の側面には中間熱交換器50からの熱により加熱された高温第2次系統冷却材70が流入する第2次冷却材入口ヘッダー61aを具備し、中央には高温第2次系統冷却材70から熱を受ける有効伝熱領域65が形成され、他方の側面には低温第2次系統冷却材71が導出される第2次冷却材出口ヘッダー61bを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィン65aと、伝熱フィン65aの上面及び下面に積層された伝熱板65bとにより形成される少なくとも一つの第2次冷却材流路63a、及び
第2次冷却材流路63aの上面及び/または下面に設けられ、一方の側面には低温第3次系統冷却材80が流入する第3次冷却材入口ヘッダー62aを具備し、中央には低温第3次系統冷却材80に熱を伝達する有効伝熱領域65が形成され、他方の側面には有効伝熱領域65からの熱と共に反応触媒90と反応して加熱された高温第3次系統冷却材81が導出される第3次冷却材出口ヘッダー62bを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて横方向に配置された四角形状の伝熱フィン65aと、伝熱フィン65aの上面及び下面に積層された伝熱板65bとにより形成され、折り曲げられた伝熱フィン65aの溝内に反応触媒90を具備する少なくとも一つの第3次冷却材流路63bを含む。
一方、低温第3次系統冷却材80であるSO3の流路、すなわち、第3次冷却材流路63bの断面は、本発明の一実施例において、伝熱フィン65aの形状を四角形状に折り曲げた形状を示す。
イオンビームミキシング方法は、「高温耐腐食性向上のためのセラミックスコーティング及びイオンビームミキシング装置及びそれを使用した薄膜の界面を改質する方法」との表題ですでに公知の韓国特許第10−2006−47855号において公開されており、二種類の異なる物質を混合することにより接合性能を向上させる表面改質方法の一種である。
本発明の一実施例によるプロセス熱交換器60は、第3次冷却材流路63b、すなわち、SO3流路の形状がSO3分解のための反応触媒90を容易に具備し、かつ交換できるようにプレートフィンの形態に設計されている。
原子炉からの熱を伝達する高温第2次系統冷却材70としては、He、溶融塩、窒素などの様々な冷却材を使用することができる。それらのうち、Heが最も多く使用される。いずれの冷却材を使用しても、プロセス熱交換器60流路の耐食性は実際には要求されない。
一方の側面には中間熱交換器50からの熱により加熱された高温第2次系統冷却材70が流入する第2次冷却材入口ヘッダー61aを具備し、中央には高温第2次系統冷却材70から熱を受ける有効伝熱領域65が形成され、他方の側面には低温第2次系統冷却材71が導出される第2次冷却材出口ヘッダー61bを具備し、平凹の伝熱板65b’の上端面に一定半径67を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成される少なくとも一つの第2次冷却材流路63a、及び
第2次冷却材流路63aの上面及び/または下面に設けられ、一方の側面には低温第3次系統冷却材80が流入する第3次冷却材入口ヘッダー62aを具備し、中央には低温第3次系統冷却材80に熱を伝達する有効伝熱領域65が形成され、他方の側面には有効伝熱領域65からの熱と共に反応触媒90と反応して加熱された高温第3次系統冷却材81が導出される第3次冷却材出口ヘッダー62bを具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて伝熱板65b’と平担な伝熱板65bとの間において横方向に配置された四角形状の伝熱フィン65aにより形成され、折り曲げられた伝熱フィン65aの溝内に反応触媒90を具備する少なくとも一つの第3次冷却材流路63bを含む。
これは、中間熱交換器50とプロセス熱交換器60との間に位置する中間系統である第2次系統と、プロセス熱交換器60からの熱を使用して水素(H2)を生産する系統である第3次系統との間の運転差圧を高める利点がある。
より詳細には、超合金板からなる伝熱板65a’には、化学的エッチングあるいは精密機械加工が施されている。これにより、半円または半楕円の曲面流路である第2次冷却材流路63aの直径は、5mm以内、すなわち、0.1mm〜5mmの範囲である。
第2次冷却材流路63aを流入する高温第2次系統冷却材70と接する伝熱板65b’の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されている。よって、プロセス熱交換器60は、硫酸(H2SO4)及び/またはSO3以外の腐食性が強い環境においても好適に使用可能である。
Claims (15)
- 一方の側面には中間熱交換器(50)からの熱により加熱された高温第2次系統冷却材(70)が流入する第2次冷却材入口ヘッダー(61a)を具備し、中央には前記高温第2次系統冷却材(70)から熱を受ける有効伝熱領域(65)が形成され、他方の側面には低温第2次系統冷却材(71)が導出される第2次冷却材出口ヘッダー(61b)を具備し、伝熱板(65b’)の上端面に一定半径(67)を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第2次冷却材流路(63a)、及び
前記第2次冷却材流路(63a)の上面及び/または下面に設けられ、一方の側面には低温第3次系統冷却材(80)が流入する第3次冷却材入口ヘッダー(62a)を具備し、中央には前記低温第3次系統冷却材(80)に熱を伝達する有効伝熱領域(65)が形成され、他方の側面には前記有効伝熱領域(65)からの熱と共に反応触媒(90)と反応して加熱された高温第3次系統冷却材(81)が導出される第3次冷却材出口ヘッダー(62b)を具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて前記伝熱板(65b’)と平担な伝熱板(65b)との間に横方向に配置され四角形状の前記伝熱フィン(65a)により形成され、折り曲げられた前記伝熱フィン(65a)の溝内に前記反応触媒(90)を具備する少なくとも一つの第3次冷却材流路(63b)を含むことを特徴とする原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器(60)。 - 前記第2次冷却材流路(63a)と前記第3次冷却材流路(63b)の伝熱フィン(65a)及び伝熱板(65b)は、超合金により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記第3次冷却材流路(63b)において、硫酸(H2SO4)及び/またはSO3と接する前記伝熱フィン(65a)及び前記伝熱板(65b)の表面は、SiCのような高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項2に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記伝熱フィン(65a)の形状は、台形形状に折り曲げられていることを特徴とする請求項3に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記伝熱フィン(65a)の水平ピッチ(H)は、3mm〜8mmであることを特徴とする請求項4に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記伝熱フィン(65a)の垂直ピッチ(V)は、3mm〜8mmであることを特徴とする請求項4に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記第2次冷却材流路(63a)から流入する前記高温第2次系統冷却材(70)と接する前記伝熱フィン(65a)及び前記伝熱板(65b)の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項1に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 原子炉容器(40)内の原子炉炉心(41)で生産された熱を中間熱交換器(50)に伝達する第1次系統ループ(10)と、第2次系統循環器(23)によって第2次系統冷却材(70)がプロセス熱交換器(60)に移送される第2次系統ループ(20)と、前記中間熱交換器(50)からプロセス熱交換器(60)へと移送された熱を使用して水素を生産する第3次系統ループ(30)とを含む原子力水素生産システム(1)において、
一方の側面には前記中間熱交換器(50)からの熱により加熱された高温第2次系統冷却材(70)が流入する第2次冷却材入口ヘッダー(61a)を具備し、中央には前記高温第2次系統冷却材(70)から熱を受ける有効伝熱領域(65)が形成され、他方の側面には低温第2次系統冷却材(71)が導出される第2次冷却材出口ヘッダー(61b)を具備し、平凹の伝熱板(65b’)の上端面に一定の半径(67)を有する半円形または半楕円形の少なくとも一つの曲面流路により形成されている少なくとも一つの第2次冷却材流路(63a)、及び
前記第2次冷却材流路(63a)の上面及び/または下面に設けられ、一方の側面には低温第3次系統冷却材(80)が流入する第3次冷却材入口ヘッダー(62a)を具備し、中央には前記低温第3次系統冷却材(80)に熱を伝達する有効伝熱領域(65)が形成され、他方の側面には前記有効伝熱領域(65)からの熱と共に反応触媒(90)と反応して加熱された高温第3次系統冷却材(81)が導出される第3次冷却材出口ヘッダー(62b)を具備し、一定幅及び高さに折り曲げられて前記伝熱板(65b’)と平担な伝熱板(65b)との間において横方向に配置された四角形状の伝熱フィン(65a)により形成され、折り曲げられた前記伝熱フィン(65a)の溝内に前記反応触媒(90)を具備する少なくとも一つの第3次冷却材流路(63b)を含むことを特徴とする原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器(60)。 - 前記第2次冷却材流路(63a)の半径(67)は、0.05mm〜2.5mmであることを特徴とする請求項8に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記第2次冷却材流路(63a)と前記第3次冷却材流路(63b)の伝熱フィン(65a)及び伝熱板(65b)(65b’)は、超合金により形成されていることを特徴とする請求項8に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記第3次冷却材流路(63b)において、硫酸(H2SO4)及び/またはSO3と接する前記伝熱フィン(65a)及び前記伝熱板(65b)の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項10に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記伝熱フィン(65a)の形状は、台形形状に折り曲げられていることを特徴とする請求項11に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記伝熱フィン(65a)の水平ピッチ(H)は、3mm〜8mmであることを特徴とする請求項12に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記伝熱フィン(65a)の垂直ピッチ(V)は、3mm〜8mmであることを特徴とする請求項12に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
- 前記第2次冷却材流路(63a)から流入する前記高温第2次系統冷却材(70)と接する前記伝熱板(65b’)の表面は、高耐食性素材を用いるイオンビームコーティング及びイオンビームミキシングが施されていることを特徴とする請求項8に記載の原子力水素生産用高温高圧耐食性プロセス熱交換器。
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