KR100203325B1

KR100203325B1 - 열성층이 형성되는 배관부재에서의 열성층 완화방법

Info

Publication number: KR100203325B1
Application number: KR1019970034089A
Authority: KR
Inventors: 정일석; 박만흥
Original assignee: 이종훈; 한국전력공사
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 1999-06-15
Also published as: KR19990011121A

Abstract

열성층이 발생되는 배관부재를 가열수단으로 가열하여 저온과 고온의 유체 온도차를 감소시킴으로써 열성층 완화에 따른 배관부재의 열적특성을 안정화시켜 열응력과 굽힘 현상을 감소시킬 수 있도록 하는 열성층이 형성되는 배관부재에서의 열성층 완화 방법을 제공하기 위한 것이다. 주급수 계통의 배관부재 및 원자로 냉각재 계통과 연결된 수평 배관부재에서 고온 유체와 저온 유체가 함께 흐를 때 유체 밀도에 의해 형성되는 열성층을 완화시키는 것에 있어서, 상기 저온 유체가 흐르는 배관부재의 바깥 아래 부분을 가열수단으로 가열하여 성층화된 저온 유체를 가열함으로서 고온 유체와의 온도차가 줄어 성층화 현상을 완화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

열성층이 형성되는 배관부재에서의 열성층 완화 방법

본 발명은 배관계통에 저온과 고온의 액체가 함께 흐르면서 발생되는 열성층(thermal stratification)에 있어 저온의 액체를 가열시킴으로써 열성층을 완화시켜 배관부재의 열응력과 굽힘 현상을 감소시킬 수 있도록 하는 열성층이 형성되는 배관부재에서의 열성층 완화 방법에 관한 것이다.

중력장에서 비회전 유체가 쉽게 혼합되지 않으면서 유체 밀도가 수직으로 변하고 수평면에서는 일정하게 층을 이루는 유체형태를 성층현상(strati fied system)이라 한다. 밀도분포가 안정되어 있지 않은 경우에는 밀도차에 의한 자연대류 유동이 중요하고, 성층화 현상이 안정되어 있으면 두 층 사이에서의 혼합현상이 중요하다.

그런데 발전소(예로, 원자력 발전소)에서 시운전을 위한 가열이나 고온대기 운전과 같은 과도상태시 주급수 배관계통 및 원자로냉각재 계통과 연결된 수평배관에서 고온유체와 저온유체가 층을 이루어 혼합되지 않는 경우가 발생하게 되는데, 이를 열성층(thermal stratification)현상이라 한다. 이러한 배관에서의 현상에 의해 배관에는 열응력이 발생하게 된다.

상기와 같은 열성층에 의해 발생되는 열응력은 수평배관에 있어 저온 유체를 점유하는 부분에서 일어나게 되며, 이에 의해 배관에 균열 발생의 원인을 제공하게 되고, 배관의 불필요한 변위 생성 및 배관 서포트에 과하증을 발생시키는 주요 원인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 열성층이 발생되는 배관부재를 가열수단으로 가열하여 저온과 고온의 유체 온도차를 감소시킴으로써 열성층 완화에 따른 배관부재의 열적특성을 안정화시켜 열응력과 굽힘현상을 감소시킬 수 있도록 하는 열성층이 형성되는 배관부재에서의 열성층 완화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 주급수 계통의 배관부재 및 원자로 냉각재 계통과 연결된 수평 배관부재에서 고온유체와 저온유체가 함께 흐를 때 유체밀도에 의해 형성되는 열성층을 완화시키는 것에 있어서, 상기 저온유체가 흐르는 배관부재의 바깥 아래 부분을 가열수단으로 가열하여 성층화된 저온유체를 가열함으로써 고온유체과의 온도차가 줄어 성층화 현상을 완하시키는 것을 특징으로 한다.

제1도는 본 발명의 실시예로 도시된 원자력 발전소의 가압기 수평배관의 개략 구성도.

제2도는 제1도의 수평배관의 단면도.

제3a도는 본 발명의 가열장치가 없는 경우, 유체와 배관내면의 온도변화를 나타낸 온도분포 특성비교표.

(b)는 본 발명의 가열장치가 설치된 경우, 유체와 배관내면의 온도변화를 나타낸 온도분포 특성비교표.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가압기 20 : 수평배관

30 : 전기가열기 40 : 저온유체

50 : 고온유체 60 : 분리층

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명의 실시예로 도시된 원자력 발전소의 가압기 수평배관의 개략 구성도이고, 제2도는 제1도의 수평배관의 단면도를 도시한 것이다.

도시된 바와같이 가압경수로형 원자력 발전소의 가압기(10)와 수평배관(20)이 연결된 것에 있어서, 상기 수평배관(20)의 바깥 아래 부분(π/2)(즉, 저온유체가 점유하고 있는 부분)에 전기가열기(30)의 가열수단을 설치하여 상기 전기가열기(30)이 열에 의해 수평배관(20)의 내부에 흐르는 저온유체(40)가 가열되어 고온유체(50)와의 열성층을 완화시키도록 구성한 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면 가압기(10)측에 약 232℃의 고온유체(50)가 약 66℃의 저온유체(40)로 채워져 있는 수평배관(20)의 상부로 천천히 유입되면, 고온유체(50)와 저온유체(40)는 밀도 차에 의해 수평배관(20) 내에서 제2도에 도시된 바와같이 고온의 유체(50)는 수평배관(20)의 상부를 점유하게 되고, 상대적으로 낮은 온도를 갖는 저온유체(40)는 수평배관(20)의 하부를 점유하게 되어 분리층(60)을 이루면서 분리되게 된다.

상기와 같은 상태에서 수평배관(20)의 바깥 아래부분(π/2)을 20,000w/㎡의 전기가열기(30)로 약 35초 동안 가열함으로써 저온 유체(40)가 간접가열되고 저온유체(40)와 고온유체(50)의 사이의 온도차가 줄어들게 되어 열성층 현상이 완화 되는 것이다.

이에 따른 상기의 조건이 경우 가열하지 않은 경우에 비해 수평배관(20)의 상, 하부 내벽의 온도 차이가 17.1% 감소되고, 내부의 고, 저온유체(50)(40)의 온도 차이가 22.5%가 감소되는 효과를 얻게 된다.

이후 외부 가열을 중단하고 수평배관(20) 내 유체의 자연대류에 의하여 열성층 유동이 없어지기까지의 걸리는 시간은, 외부를 가열하지 않은 경우보다 열성층 유동이 약 25% 빨리 없어지는 효과를 얻게 된다.

상기의 설명에서 가열수단을 전기가열기(30)로 한정하는 것이 아니며, 기타 다른 열원을 이용할 수도 있는 것이다. 또한 배관의 수평 경사도에 관계없이 열성층 현상이 발생되는 모든 배관부재에 상기와 같은 가열수단으로 저온유체를 가열하여 열성층을 완화시킬 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 발전소 등의 배관 계통에서 저온 유체와 고온 유체가 밀도 차에 의해 열성층 현상이 발생되는 것을 저온 유체를 점유하는 배관의 바깥 부분을 가열수단에 의해 가열시킴으로써 배관을 가열하지 않는 경우에 비해 배관의 내벽 온도차이가 크게 감소되고, 또한 배관 내부의 고, 저온유체의 온도차이가 크게 감소됨에 따라 배관의 열응력에 의한 굽힘 변위의 감소효과를 가죠오게 되어 배관의 균열 방지 및 내구성을 향상시키게 되며, 또한 배관의 외부 가열 중단 후 배관 내부 유체의 자연대류에 의해 열성층 유동현상이 없어지는 효과를 갖게 되는 것이다.

Claims

저온유체(40)와 함께 고온유체(50)가 함께 흐르는 배관부재(20)에서 유체 밀도차에 의해 필연적으로 열성층이 형성되는 배관부재에 있어서, 상기 저온유체(40)를 점유하는 배관부재(20)의 바깥 부분을 가열수단으로 가열하여 성층화된 저온유체(40)와 고온유체(50)의 온도차가 줄어 성층화현상을 완화시키는 것을 특징으로 하는 열성층이 형성되는 배관부재에서의 열성층 완화방법