KR100380920B1

KR100380920B1 - 열교환기의 관지지구조

Info

Publication number: KR100380920B1
Application number: KR10-2000-0064351A
Authority: KR
Inventors: 리차드지. 클라너
Original assignee: 뱁콕 앤드 윌콕스 캐나다 엘티디.
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2003-04-26
Also published as: US20040081268A1; US6810101B2; KR20010051359A; US6498827B1

Abstract

본 발명은 열교환기와 외각체 구조내에 이격되어 있는 관배열을 수용하는 지지판에 관한 것으로, 이 지지판은 그 안에 형성된 구멍에 수용되는 다수의 개별적인 관을 갖추되, 각 구멍은 적어도 3개의 내부 돌출부재를 갖추고, 이와 관련된 관이 적소에 수용될 때 제 2유체의 흐름이 확실히 상기 지지판을 통하여 흐를 때 이들 사이에 만곡부가 형성되며, 상기 내부 돌출부재는 각 관의 외부면을 구속하나 전체가 접촉하지 않는 평탄부에서 끝나고, 이들 평탄부는 부식에 의한 약화를 최소화시키면서 관의 외벽이 잠재적으로 파내어질 수 없게 되는 한편, 각 구멍을 형성하는 편평한 벽은 특히 압력강하와 난류 및 상기 지지판에 자철광과 다른 입자들의 국부적인 침전을 감소시키도록 모래시계형태를 갖추고 있다.

Description

열교환기의 관지지구조 {HEAT EXCHANGER TUBE SUPPORT STRUCTURE}

본 발명은 전체적으로 열교환기의 구조에 관한 것으로, 특히 열교환기내에 이격되어 있는 관배열을 수용하는 지지판에 관한 것이다.

핵발전소와 관련되고서 제 1냉매에서 제 2냉매로 반응기가 발생시킨 열을 전달하여 발전용 터빈을 구동시키는 가압된 수증기발생기나 열교환기는, 길이가 75피트이고 외경은 대략 12피트로 될 수 있다. 이러한 열교환기 중에는 제 1냉매가 관통하여 흐르는 곧은 관이 단지 5/8인치의 외경을 가질 수 있지만, 관끝의 장착부와 관시트의 노출면 사이에서 52피트의 유효길이를 갖는다. 전형적으로, 이러한 열교환기 중에는 15,000개 이상의 관다발로 이루어진 것이 있을 수 있다. 상기 관시트들의 표면 사이에 있는 짧은 공간내에는 이들 관을 위한 지지구조물을 구비하여 관의 분리와 충분한 강도 등과 같은 것을 확보할 필요가 있었다.

관의 지지에 대한 이러한 문제점으로, 미국 특허 제 4,120,350호에 게재된 유형의 구멍이 뚫린 지지판 구조가 제안되었는 바, 이 지지시스템은 관다발내에 있는 관의 길이방향 축에 가로질러 정렬된 개별적인 평면을 갖고서 열교환기내에 배열된 평판들로 이루어진다. 각각의 편평한 지지판에는 홀이나 구멍이 뚫려 있어 관들을 수용하게 된다. 상기 각 구멍은 각 관의 외부면을 구속하지만 전체가 맞춰지거나 접촉하지 않는 적어도 3개의 내부 돌출부재를 갖추고 있다. 이들 내부 돌출부재의 중간에 있는 만곡부는, 이와 관련된 관이 적소에 수용되어 제 2유동이 확실히 상기 지지판을 관통하여 흐를 때 개별적인 지지판의 구멍에 형성된다. 상기 내부 돌출부재는 관련된 관의 외경보다 다소 큰 직경의 원을 한정하는 호에서 끝나게 된다. 상기 구멍이 뚫린 지지판은 탄소재료인 에스에이(SA)-212 비(B)급으로 만들어지며, 낮은 증기특성을 갖는 제 2유동이 개방된 홀을 관통해 약화되어 흐를 수 있도록 개방되고 뚫린 홀들을 갖춘 관의 자유통로를 구비할 수 있다.

오랜 기간동안 작동된 후, 대부분 자철광으로 이루어진 침전물이 관지지판에 형성된다. 이들 침전물은 상기 돌출부재들 사이의 만곡부를 막히게 하여서, 불필요한 압력강하를 증가시키게 되고, 이어서 다운코머(downcomer)내에서 제 2냉매의 수위를 증가시키게 된다. 교정작용이 취해지지 않으면, 상승된 수위는 증기배출구와 주요 급수노즐을 잠재적으로 넘치게 되어 증기배출과 주요 급수시스템이 잘 작동되지 않게 된다.

동력을 감소시키거나 화학적인 청소 또는 워터슬랩(water slap)과 같은 교정작용은 비용이 많이 들게 되고, 더구나 화학적인 청소 또는 워터슬랩에 의한 상기 침전물의 제거는 지지판을 손상시킬 수 있다.

따라서, 압력강하와 침점물의 막힘을 최소화시키는 한편, 충분한 구조적인 강도를 제공하는 관지지판이 필요하게 되었다.

본 발명은 종래기술의 지지판들과 관련된 문제점들을 대부분 극복하고자 안출된 것으로, 본 발명은 스테인레스강과 같이 더욱 튼튼하고 내식성을 갖는 판재료와 더불어, 국부적인 난류를 감소시켜 압력강하를 최소화시키고 지지판의 표면에 자철광과 다른 입자들의 침전을 덜 일으킬 수 있도록 지지판에 모래시계 (hourglass)형상의 관홀(tube hole)을 형성시킴으로써 이루어진다.

전술한 관점에서, 본 발명의 한 양상은 스테인레스강과 같이 더욱 튼튼하고 내식성을 갖는 재료로 형성된 관지지판을 제조하는 것이다.

본 발명의 다른 양상은 평탄부로 끝나는 뚫린 홀에 돌출부재를 갖추는 것이다.

본 발명의 또 다른 양상은 관지지판에 모래시계형상으로 뚫린 홀을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 양상들 및 다른 양상들은 첨부도면을 참조로 하여 기술되는 바람직한 실시예로, 더욱 완전히 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 원리를 구현하는 관류 증기발생기의 전체를 도시한 수직단면도이고,

도 2는 종래기술의 지지판의 일부를 도시한 평면도,

도 3은 삽입된 관과 함께, 도 2에 도시된 종래기술의 지지판에 있는 뚫린 홀들 중 하나를 도시한 평면도,

도 4는 도 3에 도시된 종래기술의 뚫린 홀의 돌출부재들 중 하나에 인접한 관의 일부를 도시한 상세도,

도 5는 도 1에 도시된 유형의 열교환기로 사용되는 본 발명의 원리를 구현하는 지지판 및 관조립체의 일부를 도시한 평면도,

도 6은 삽입된 관과 함께, 도 5에 도시된 지지판에 있는 뚫린 홀들 중 하나를 도시한 평면도,

도 7은 도 6에 도시된 뚫린 홀의 돌출부재들 중 하나에 인접한 관의 일부를 도시한 상세도,

도 8은 관이 제거된 채로 도 5에 도시된 지지판에 있는 뚫린 홀들 중 하나를 도시한 평면도,

도 9는 본 발명의 모래시계형태를 도시한, 도 8의 A-A선 단면도이다.

본 발명은 핵발전소용 관류 증기발생기에 관련된 것이나, 본 발명의 원리는 일반적으로 다양한 분야에서 외각체(shell) 및 관형 열교환기에 이용될 수 있다. 따라서, 설명을 위해 도 1에 도시한 것과 같이, 관류 증기발생기(10)는 상부헤드(12)와 하부헤드(13)에 의해 그 양끝에서 폐쇄되고 수직하게 연장된 원통형 외각체 또는 압력용기(11)로 이루어진다.

상기 상부헤드는 상부 관시트(14)와, 제 1냉매 입구(15), 개구부(manway:16) 및, 손잡이공(17)을 구비하는데, 상기 개구부(16)와 손잡이공(17)은 관류 증기발생기(10)가 작동하지 않는 동안 관찰 및 수리를 하는 데에 이용된다. 상기 하부헤드(13)는 배수구(18)와, 냉매출구(20), 손잡이공(21), 개구부(22) 및, 하부 관시트(23)를 구비한다.

상기 증기발생기(10)는 구조물의 바닥(25) 위에 이 증기발생기(10)를 지지하도록 하부헤드(13)의 외부면에 결합되는 원뿔형 또는 원통형 스커트(24)상에 지지된다.

전술된 바와 같이, 고려되는 종류의 전형적인 증기발생기의 전체 길이는 바닥(25)과 제 1냉매 입구(15)의 최상단 사이에서 약 75피트이며, 이 증기발생기(10)의 전체 직경은 12피트를 초과한다.

상기 압력용기(11)내에는 하부의 원통형 관덮개 또는 배플(baffle:26)이, 도 1에 그 일부가 도시된 한 다발의 열교환기용 관(27)들을 둘러싼다. 더욱이, 고려되는 유형의 증기발생기에 있어서, 배플(26)내에 둘러싸인 관들의 수는 15,000개를 초과하며, 각 관은 5/8인치의 외경을 갖는다. 합금 690은 전술된 유형의 증기발생기에 사용되는 바람직한 관재료이다. 각 다발의 개별적인 관(27)은 관시트들에 관의 양단을 부풀려(belling) 연장시키거나 밀봉용접하여 상부 및 하부 관시트(14,23)에 형성된 각 구멍에 고정된다.

하부의 덮개 또는 배플(26)은 핀(도시되지 않음)에 의해 압력용기(11)내에 배치된다. 하부의 배플(26)은 볼트(도시되지 않음)에 의해 하부 관시트(23)에 고정되거나, 압력용기(11)의 아래끝으로부터 돌출한 돌기(도시되지 않음)에 용접됨으로써 고정된다. 상기 배플(26)의 하부 선단은 일단의 직사각형인 물포트(30) 또는 하나의 완전한 원주개구부(도시되지 않음)를 갖추어, 수직체임버(19)에 입구의 급수유동을 제공하게 된다. 또한, 배플(26)의 위끝은, 틈새 또는 증기배출포트(32)를 통해 원통형 압력용기(11)의 내부면과 하부 배플(26)의 외부면 사이에 형성된 환형상의 다운코머(31)와 배플(26)내의 수직체임버(19) 사이에서 유체적으로 연통되게 한다.

지지로드장치(28)는 최상단의 지지판(45B)에 고정되고, 하부 관시트(23)와 최하단의 지지판(45A) 사이, 그 다음으로 최상단의 지지판(45B)까지의 모든 지지판들(45) 사이를 걸치는 나사산이 형성된 분할부로 이루어진다.

중공의 환형상인 제 2냉매 급수용 입구헤더(34:header)는 압력용기(11)의 외부면을 둘러싸는데, 이 헤더(34)는 방사상으로 위치된 급수용 입구노즐(35)의 배열부를 통해 환형상인 다운코머(31)와 유체적으로 연통된다. 도 1의 화살표로 표시된 것과 같이, 급수는 노즐(35,36)을 거쳐 헤더(34)에서 증기발생기(10)내로 흐르게 되고, 이 급수는 환형상의 다운코머(31)와 물포트(30)를 통해 노즐로부터 아래쪽으로 흘러 수직체임버(19)로 방출된다. 이 수직체임버(19)내에서, 제 2냉매 급수는 관(27)내에서 아래로 흐르는 제 1냉매의 반대방향으로 배플(26)내에서 위로 흐른다. 상기 압력용기(11)의 내부면과 상부의 원통형 덮개 또는 배플(33)의 바닥끝의 외부면 사이에 용접된 환형상판(37)은, 다운코머(31)로 들어가는 급수가 화살표로 표시된 아래방향으로 물포트(30)쪽으로 확실히 흐르게 한다. 제 2냉매는 다발내의 관(27)을 통해 제 1냉매로부터 열을 흡수하고, 배플(26,33)에 의해 구획된 체임버(19)내에서 증기를 발생시킨다.

또한, 조정핀(도시되지 않음)에 의해 압력용기(11)와 정렬되어 있는 상부의 배플(33)은, 판(37)을 거쳐 압력용기(11)에 용접되어서 증기출구노즐(40)의 바로 아래에 있는 적당한 위치에 고정된다. 더욱이, 상부의 배플(33)은 관다발(27)의 약 1/3을 둘러싸고 있다.

보조 급수헤더(header:41)는 압력용기(11)와 상부의 배플(33)을 관통하는 하나 이상의 노즐(42)을 통해 관다발(27)의 상부와 유체적으로 연통되는데, 이 보조 급수시스템은 예컨대 상기 헤더(34)로부터의 급수유동에 방해가 생길 경우에는 증기발생기(10)를 채우는 데에 이용된다. 전술된 바와 같이, 화살표로 표시된 방향으로 관(27)을 통해 위로 흐르는 급수 또는 제 2냉매는 증기로 된다. 더구나, 도시된 실시예에서 이 증기는 상부의 배플(33)의 맨위 선단에 도달하기 전에 과열되는데, 이렇게 과열된 증기는 배플(33)의 맨위를 넘어, 상부의 원통형 배플(33)의 외부면과 압력용기(11)의 내부면 사이에 형성되어 있는 환형상의 출구통로(43)를 거쳐 아래로 화살표로 표시된 방향으로 흐르게 된다.

상기 통로(43)내의 증기는 이 통로(43)와 연통하는 증기출구노즐(40)을 통해 증기발생기(10)를 나가게 된다. 전술한 방식에서, 제 2냉매는 증기출구노즐(40)에서 급수입구의 온도로부터 과열된 증기의 온도로 상승된다. 상기 환형상판(37)은 증기가 다운코머(31)내에서 유입되는 급수와 혼합되는 것을 방지한다. 제 2냉매에 열을 빼앗기는 제 1냉매는, 핵반응기(도시되지 않음)에서 상부헤드(12)에 있는 제 1냉매 입구(15)로 흐르고, 열교환기의 관다발내에 있는 각각의 관(27)들을 거쳐 하부헤드(13)로 흐르며, 출구(20)를 통해 방출되어, 궁극적으로 유용일이 얻어지는 열을 발생시키는 핵반응기로 되돌아가는 루프(loop)를 완성하게 된다.

이제 도 2를 참조로 하면, 이는 구멍 또는 홀(46)들에 의해 특징을 이루는 종래기술의 지지판(45)의 일부를 도시한 평면도로서, 각각의 홀은 이 홀(46)을 통해 뻗어 있는 관(48)의 외부면을 구속하지만 전체가 맞춰지거나 접촉하지 않는 적어도 3개의 내부 돌출부재(47)를 갖추고 있다. 이들 내부 돌출부재(47)의 중간에 있는 만곡부(49)는 이와 관련된 관(48)이 적소에 수용되어 유체가 확실히 상기 지지판(45)을 관통하여 흐를 때 개별적인 지지판의 홀(46)에 형성된다. 상기 내부 돌출부재(47)는 관련된 관(48)의 외경보다 다소 큰 직경의 원을 한정하는 호 또는 아치형상부(51)에서 끝나게 된다.

또한, 종래기술을 도시한 도 3을 참조로 하는 바, 이는 뚫린 홀(46)을 통해 삽입된 관(48)과 함께 도 2에 도시된 둘러싸는 지지판(45)의 일부와 상기 뚫린 홀(46)들 중 하나를 도시한 평면도이다. 도 3의 상세도는 도 4에 도시되어 있되, 이는 상기 종래기술의 뚫린 홀(46)로 만나게 되는 문제점을 나타내고 있는 바, 상기 내부 돌출부재(47)에 있는 아치형상부(51)의 수직면을 따라 형성된 날카로운 선단(50)은 잠재적으로 관(48)의 외벽을 파낼 수 있게 되어서, 관의 전체 벽이 주어진 체적손실로 약화되는 깊이율에 급격한 증가가 일어나게 된다. 또, 종래기술의 지지판(45)은 아치형상부(51)와 관(48)의 외벽 사이에 작은 환형상의 공간을 형성하며, 관련된 흐름의 제한 때문에 지지판(45)의 적어도 일부에서 해로운 침전물이 급격하게 축적되게 된다.

이제 도 5를 참조로 하면, 이는 홀 또는 구멍(53)들에 의해 특징을 이루는 지지판(52)의 일부를 도시한 평면도로서, 각각의 홀은 이 홀(53)을 통해 뻗어 있는 관(55)의 외부면을 구속하나 전체가 맞춰지거나 접촉하지 않는 적어도 3개의 내부 돌출부재(54)를 갖추고 있다. 이들 내부 돌출부재(54)의 중간에 있는 만곡부(56)는 이와 관련된 관(55)이 적소에 수용되어 유체가 확실히 상기 지지판(52)을 관통하여 흐를 때 개별적인 지지판의 홀(53)에 형성된다. 본 발명에 따르면, 상기 내부 돌출부재(54)는 평탄부(57)에서 끝나게 된다.

또한, 도 6을 참조로 하는 바, 이는 둘러싸는 지지판(52)의 일부와 도 5에 도시된 상기 뚫린 홀(53)들 중 하나를 도시한 평면도이다. 관(55)은 이 뚫린 홀 (53)을 통해 뻗어 있다. 도 6의 상세도는 도 7에 도시되어 있되, 이는 상기 내부 돌출부재(54)에 있는 평탄부(57)가 낮은 접촉응력으로 충분한 관의 접촉길이를 제공하여서, 관(55)의 부식에 의한 약화를 최소화시킨다. 또한, 상기 평탄부의 설치로 관(55)의 외벽이 잠재적으로 파내어질 수 없게 되어서, 전체 벽이 주어진 체적손실로 약화되는 깊이율을 감소시키게 된다. 더구나, 상기 평탄부(57)와 관(55)의 외벽 사이에 있는 공간이 증가되어 침전물의 축적이 감소된다.

도 8을 참조로 하는 바, 이는 둘러싸는 지지판(52)의 일부와 도 5에 도시된 상기 뚫린 홀(53)들 중 하나를 도시한 평면도이다. 도 8과 이 도 8의 A-A선 단면도인 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 지지판(52)의 돌출부재(54)를 형성하는 내벽 (58)은 경사진 끝영역(60)과 더불어 관접촉영역(59)으로 이루어진 모래시계 형태를 갖추고 있다. 고려되는 유형의 관지지판에서, 구멍이 뚫린 판의 두께는 1.5인치이고, 상기 관접촉영역(59)의 길이는 0.75인치이며, 상기 경사진 끝영역(60)의 모따기각은 11도이다.

상기 뚫린 홀(53)의 경사진 끝영역(60)은 국부적인 유체의 흐름경향을 향상시키고, 수압의 충격손실의 감소로 상기 지지판(52)에 자철광 또는 다른 입자들의 침전을 감소시키게 된다. 모래시계형태로 뚫린 홀(53)을 통한 유체경로의 유체역학적인 수치모델링과 실험에서, 상기 홀을 통한 유체흐름의 점진적인 수축과 팽창이 장치내 압력강하의 증가에 대해 한계를 크게 하는 데에 기여하여 압력강하를 효과적으로 감소시킴을 확인할 수 있다. 더욱이, 수압의 손실계수가 감소함에 따라, 상기 모래시계형태로 뚫린 홀(53)은 높은 압력강하로 생기는 높은 수위 및 수위의 불안정과 같은 수위 문제들에 대해 한계를 크게 하는 데에 기여한다. 또한, 상기 모래시계형태는 관(55)과 지지판(52)의 돌출부재(54) 사이에 있는 접촉영역에서 유체의 난류를 감소시켜서, 지지판(52)에 자철광 또는 다른 입자들의 국부적인 침전을 감소시키게 된다. 또, 상기 모래시계형태는 상기 지지판(52)의 상부선단과 하부선단에서 대향하는 힘들로 인한 회전짝힘 때문에 구속되기 전 관(55)과 돌출부재(54) 사이에 큰 회전동작을 일으키게 한다.

본 발명에 따르면, 상기 관지지판(52)은 50ksi 이상의 높은 고유항복(yeild)과 80ksi 이상의 최종인장강도(UTS)를 갖는 에스에이(SA)-240 410에스(S) 스테인레스강으로 만들어진다.

다음 표는 종래기술의 관지지판을 만드는 데에 이용된 에스에이(SA)-212 비(B)급 탄소강과 비교할 때 본 발명의 에스에이(SA)-240 410에스(S) 스테인레스강 의 우수성을 나타내고 있다.

재료 구분	화학물질	항복	인장강도
SA-212 GrB	탄소-규소	38ksi(min)	70ksi(min)
SA-240 410S	크롬13	50ksi(min)	80ksi(min)

이로부터 에스에이(SA)-240 410에스(S) 스테인레스강으로 만들어진 관지지판(52)이 향상된 내식성과; 높은 강도; 및 합금 690 재료로 만들어진 관(55)들의 부식에 의한 약화를 최소화시키는 향상된 융화성;을 제공한다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 특정한 실시예가 도시되고 설명되어 본 발명의 원리의 적용이 상세하게 도해된 한편, 본 발명은 이러한 원리로부터 벗어남 없이 다르게 실시될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 압력강하와 침점물의 막힘을 최소화시키는 한편, 충분한 구조적인 강도를 제공하는 열교환기용 관지지판을 제공하게 되는 효과가 있게 된다.

Claims

열교환기의 관 및 외각체의 구조에 있어서,

전체적으로 평판은 그 안에 형성된 구멍에 수용되는 다수의 개별적인 관을 갖추되, 이 평판과 일체로 성형된 적어도 3개의 부재는 구멍을 한정하며, 상기 일체로 성형된 부재는 각 구멍의 중심쪽 내부로 돌출하고서 각 부재의 가장 안쪽의 끝은 평탄부를 형성하여, 이 돌출부재의 평탄부가 각 구멍내에 수용되는 개별적인 관의 외부면을 구속하나 전체가 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 1항에 있어서, 상기 내부 돌출부재는 각 구멍에 대한 개별적인 관이 적소에 수용될 때 예정된 흐름영역을 제공하도록 상기 부재들의 적어도 인접한 쌍들 사이에 만곡부를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 1항에 있어서, 상기 각 구멍을 형성하는 편평한 벽은 모래시계형태를 갖추는 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 1항에 있어서, 상기 각 구멍의 적어도 하나의 끝은 경사진 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 4항에 있어서, 상기 경사진 끝은 약 11도의 모따기각을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 1항에 있어서, 상기 각 구멍의 끝들은 경사진 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 6항에 있어서, 상기 각 구멍을 형성하는 편평한 벽은 상기 경사진 끝들 사이에 형성된 관접촉영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 7항에 있어서, 상기 관접촉영역은 길이가 약 0.75인치인 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 1항에 있어서, 상기 편평한 벽은 두께가 약 1.5인치인 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.
제 1항에 있어서, 상기 평판은 에스에이(SA)-240 410에스(S) 스테인레스강 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 관지지구조.