KR101072804B1 - 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기에서 발생하는 공간적 손실을 최소화 하기 위하여 직관형 전열관이 혼합 배치되어 공간 활용 효율을 증진시키는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기는 원자로 용기 내부에 배치되며, 관 형상으로 이루어지는 하나 이상의 본체와; 상기 본체의 내부에 환형 구조로 배치되는 복수의 나선관 형태의 전열관과; 상기 나선관 형태의 전열관이 배치되는 영역과 독립된 유로를 형성하는 내부관과; 상기 내부관의 내측 위치에 배치되는 복수의 직관 형태의 전열관과; 상기 나선관 형태의 전열관 및 직관 형태의 전열관의 단부가 연결되는 한 쌍의 헤더와; 상기 본체의 양 단부에 각각 결합되며, 일차계통수가 본체 및 내부관의 내부로 흐르도록 복수의 구멍이 형성되는 캡;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 일체형 원자로에서 열교환(열전달)이 이루어지지 않는 비활용 공간을 최대한 활용할 수 있고, 유효 열전달 영역(면적)을 증가시켜 원자로의 효율을 향상시킬 수 있으며, 공간 활용이 보다 효율적으로 이루어질 수 있게 되어 원자로의 크기를 감소시킬 수 있다.

Description

직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기{STEAM GENERATOR OF A INTEGRAL REACTOR HAVING HEAT TRANSFER TUBE COMPOSED WITH HELICAL TUBES AND STRAIGHT TUBES}

본 발명은 나선형 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기에서 발생하는 공간적 손실을 최소화 하기 위하여 직관형 전열관이 혼합 배치되어 공간 활용 효율을 증진시키는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기에 관한 것이다.

일반적으로, 일체형 원자로(1)는 도 1a에 도시된 것과 같이, 노심(11), 내부 구조물(12), 가압기(14) 및 증기 발생기(15) 등의 주요기기가 원자로 용기(10) 내부에 설치되도록 구성된 것을 말한다. 이와 같은 일체형 원자로(1)는 원자로 용기(10) 내부의 구조물(12)에 의해 유로가 형성되기 때문에 상기 구성설비들을 연결하기 위한 별도의 대형 배관이 요구되지 아니한다.

이와 같은 구성에 의해, 일차계통수는 냉각재 펌프(16)의 작동에 의해 원자로 용기(10)의 내부에서 내부 구조물(120)에 의해 형성되는 유로를 통해 흐르면서, 유로의 어느 일 영역에 배치되는 증기 발생기(15)와 열교환이 이루어지도록 구성된다.

도 1b에 도시된 것과 같이, 종래의 일체형 원자로(1)는 원자로 용기(10)와 내부 구조물(12) 사이의 공간에 환형 구조로 복수개의 증기 발생기(15)가 배치되는 구조로 이루어진다. 이 경우, 냉각재인 일차계통수는 원자로 용기(10)와 내부 구조물(12)에 의해 형성되는 공간을 따라 흐르면서 상기 증기 발생기(15)와 열교환이 이루어지게 된다.

그러나, 상기 증기 발생기(15)는 구조적인 특성으로 인하여 인접한 다른 증기 발생기(15) 사이에 공간(17a)이 형성될 뿐만 아니라, 그 내부 전열관(15e)의 중앙부에도 공간(17b)이 형성된다. 상기 공간(17)은 전열관(15e)이 배치되지 않는 공간으로 활용되지 않는 비효율적인 공간으로 존재하게 된다.

좀더 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 것과 같이, 종래의 증기 발생기(15)는 원통형 본체(15a)의 양 단부에 전열관(15e)이 연결되는 헤더(15b,15c)가 구비되고, 개구된 단부에 복수의 구멍이 형성된 캡(15d)이 각각 결합된다.

그리고, 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 헤더(15b,15c)에 연결되는 전열관(15e)은 나선관(helical tube) 형태의 전열관(15e)이 이용된다. 그 이유로 나선관(helical tube or pipe)은 열전달 효율이 우수하고 회전수에 따라 배관의 길이를 조절하기가 용이하여 공간적인 제약이 큰 일체형 원자로(1)의 증기 발생기(15)에 적합하기 때문이다.

이러한 구성에 의해, 일차계통수(냉각재)는 전열관(15e)의 외부로 흐르고, 전열관(15e)의 내부로는 급수가 공급되어 일차계통수와 열교환에 의해 증기로 방출된다. 즉, 일체형 원자로(1)는 구조를 보다 컴팩트하게 하기 위하여 증기 발생기(15)에 구비되는 전열관(15e)의 길이가 충분히 길게 배치될 수 있도록 하여 분리형 원자로(경수로)의 경우와 같이 습분 분리기를 설치하지 않고서도 과열증기를 생성하도록 관류형(one through)으로 설계되고 있다.

그러나, 위에서 언급한 바와 같이, 나선관 형태로 이루어지는 전열관(15e)은 그 구조적인 특성으로 인해 원통형으로 감겨지는 구조로 이루어질 수 밖에 없다. 따라서, 증기 발생기(15)의 길이 방향을 따라 나선관 형태의 전열관(15e)의 내부 영역은 활용되지 않는 비효율적인 공간으로 존재하게 된다.

특히, 증기 발생기(15)에 대해서는 주기적으로 전열관(15e)의 건전성 검사가 수행되어야 한다. 이러한 검사를 위해서는 전열관(15e)의 내부를 검사하기 위한 설비가 출입해야 하기 때문에 전열관(15e)은 적절한 곡률 갖고 설계되는데, 이로 인해 증기 발생기(15)의 중심부에 형성되는 공간은 더욱 커지게 되고, 이로 인해 활용되지 못하는 공간이 더 증가하게 된다.

또한, 증기 발생기(15)는 원통형으로 이루어지고, 원자로 용기(10)의 내벽 둘레를 따라 복수개가 배치되므로, 증기 발생기(15)들 간에는 활용되지 않는 비효율적인 공간이 발생하게 된다.

즉, 일체형 원자로(1)는 그 크기를 줄이면서도 효율을 증가시킬 수 있도록 하기 위해 개발된 것이나, 비효율적인 공간의 존재로 인하여 효율을 증가시키는 데에 한계가 존재할 뿐만 아니라, 그 크기를 감소시키는 데에 있어서도 제약을 받고 있다.

본 발명은 종래의 일체형 원자로에서 발생하는 요구 또는 문제들 중 적어도 어느 하나를 인식하여 이루어진 것이다.

본 발명의 일 목적은 일체형 원자로에서 열교환(열전달)이 이루어지지 않는 비활용 공간을 최대한 활용할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 유효 열전달 영역(면적)을 최대한 증가시켜 원자로의 효율을 최대한 향상시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 증기의 발생을 위한 공간 활용이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하여 원자로의 크기를 감소시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 원자로의 크기를 감소시킬 수 있도록 하여 원자로 설비와 시설의 제작비용을 감소시킬 수 있고 운송 등의 편의성이 향상될 수 있도록 하는 것이다.

상기 과제들 중 적어도 하나의 과제를 실현하기 위한 일 실시 형태와 관련된 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기는 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다.

본 발명은 기본적으로 증기를 형성시키기 위하여 열교환(열전달)이 이루어지는 영역이 최대한 증가될 수 있도록 구성되는 것을 기초로 한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기는 원자로 용기 내부에 일차계통수가 흐르는 유로의 어느 일 영역에 배치되며, 관 형상으로 이루어지는 하나 이상의 본체와; 본체의 내부에 평단면이 환형 구조로 배치되는 복수의 나선관 형태의 전열관과; 나선관 형태의 전열관 내부에 배치되어 나선관 형태의 전열관이 배치되는 영역과 독립된 유로를 형성하는 내부관과; 내부관의 내측 위치에 배치되는 복수의 직관 형태의 전열관과; 본체의 양 단부 영역에 각각 장착되며, 나선관 형태의 전열관 및 직관 형태의 전열관의 단부가 연결되는 한 쌍의 헤더와; 본체의 개구된 단부에 결합되며, 일차계통수가 본체 및 내부관의 내부로 흐르도록 복수의 구멍이 형성되는 캡;을 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 캡은 내부관의 내측 영역과 접하는 영역에 형성되는 구멍은 본체와 내부관 사이의 영역에 접하는 영역에 형성되는 구멍 보다 상대적으로 그 수가 적게 형성될 수도 있다.

한편, 헤더는 직관 형태의 전열관과 나선관 형태의 전열관이 연결되는 영역이 수직방향 또는 수평방향으로 독립되어 형성될 수도 있다.

다른 한편, 본체는 그 외부로 외부관이 더 구비되어 본체와 외부관 사이에 직관 형태의 전열관이 더 배치되게 구성될 수도 있다. 그리고, 헤더는 내부관의 내측 및 본체와 외부관 사이에 배치되는 직관 형태의 전열관과 본체와 내부관 사이에 배치되는 나선관 형태의 전열관이 연결되는 영역이 수직방향 또는 수평방향으로 독립되어 형성될 수도 있다.

이 경우, 캡은 그 둘레가 외부관에 상응하는 형태로 이루어지고, 일차계통수가 외부관과 본체 사이에 형성된 유로, 본체와 내부관 사이에 형성된 유로 및 내부관에 의해 형성된 유로로 흐르도록 복수의 구멍이 형성될 수도 있다.

또한, 캡은 내부관의 내측 영역과 접하는 영역과 외부관의 외측 영역과 접하는 영역에 형성되는 구멍은 본체와 내부관 사이의 영역에 접하는 영역에 형성되는 구멍 보다 상대적으로 그 수가 적게 형성될 수도 있다.

한편, 직관 형태의 전열관 내부에는 유로 저항을 증가시키기 위해 유량 감소부재가 더 장착될 수도 있다.

다른 한편, 직관 및 나선관 형태의 전열관 내부에는 유량배분을 위해 유량 감소부재가 더 장착될 수도 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 일체형 원자로에서 열교환(열전달)이 이루어지지 않는 비활용 공간을 최대한 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 유효 열전달 영역(면적)이 증가하게 되므로, 원자로의 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고 또한, 본 발명에 따르면, 증기의 발생을 위한 공간 활용이 보다 효율적으로 이루어질 수 있게 되어 원자로의 크기를 감소시킬 수 있다.

그리고 또한, 본 발명에 따르면, 원자로의 크기를 감소시킬 수 있게 되어 원자로 설비와 시설의 제작비용을 감소시킬 수 있고 운송 등의 편의성이 향상될 수 있다.

도 1은 종래의 일체형 원자로의 구조를 개략적으로 나타내는 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 일체형 원자로에 구비되는 증기 발생기의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 증기 발생기의 내부에 장착되는 전열관의 구조를 나타내는 사시도, 상부 영역의 부분 사시도, 그리고, 평면도를 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기가 구비된 일체형 원자로의 구조를 개략적으로 나타내는 부분 평면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 증기 발생기의 단부에 결합되는 캡의 평면 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기가 구비된 일체형 원자로의 구조를 개략적으로 나타내는 부분 평명도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 증기 발생기의 단부에 결합되는 캡의 평면 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기를 구성하는 전열관의 내부에 유량 감소부재(헬리컬 덕트형 오리피스)가 장착된 상태를 개략적으로 나타내는 부분 단면도이다.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기에 대하여 상세하게 설명하도록 하겠다.

이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다.

그리고, 이하, 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

본 발명과 관련된 실시예들은 기본적으로 증기를 형성시키기 위하여 열교환(열전달)이 이루어지는 영역이 최대한 증가될 수 있도록 구성되는 것을 기초로 한다.

본 발명에 따른 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로(100)의 증기 발생기(150)는 도 4a에 도시된 것과 같이, 기존 증기 발생기의 구조를 이용하여 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 증기 발생기(150)는 종래의 구성과 같이 원자로 용기(110)와 노심 등과 같은 내부 구조물이 장착된 영역과 분리하여 일차계통수가 흐르는 유로를 형성하는 내벽(120) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 증기 발생기(150)가 원자로 용기(110)와 내벽(120) 사이에 형성되는 환형 형태의 공간을 따라 배치될 수 있다.

상기 증기 발생기(150)는 증기 발생기 본체(151)와 증기 발생기 본체(151) 내부에 배치되는 내부관(153)을 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 증기 발생기 본체(151)와 내부관(153)의 배치에 의해 나선관 형태의 전열관이 장착(수용)되는 공간(H)과 직관 형태의 전열관이 배치되는 공간(S)이 형성될 수 있다.

다시 말해서, 상기 내부관(153)의 배치됨에 의해 그 내부관(153)의 내측 공간은 직관 형태의 전열관이 배치될 수 있는 공간(S)이 형성되고, 상기 내부관(153)과 증기 발생기 본체(151) 사이에는 나선관 형태의 전열관이 배치될 수 있는 공간(H)이 형성된다. 그리고, 상기 내부관(153)의 배치로 인하여 상기 직관 형태의 전열관이 배치될 수 있는 공간(S)과 나선관 형태의 전열관이 배치될 수 있는 공간(H)은 서로 독립된 유로(공간)으로 형성되어 냉각재인 일차계통수가 각각의 공간(S,H)으로 유입되어 직관 형태의 전열관과 나선관 형태의 전열관에 의해 각각 독립된 열교환(열전달)이 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 나선관 형태의 전열관에 의해 비활용 공간으로 존재하던 증기 발생기(150)의 중앙부 영역에 직관 형태의 전열관이 배치될 수 있도록 하고, 직관 형태의 전열관에 의해 열교환이 이루어지도록 하므로, 공간 활용효율을 향상시키면서, 열교환(열전달) 효율을 증가시킬 수 있다.

이 경우, 상기 나선관 형태의 전열관은 도 3에 도시된 종래의 구조와 같이 내부관(153)을 감아 둘러싸는 구조로, 즉, 평단면이 환형 구조로 상기 나선관 형태의 전열관이 배치되는 공간(H)에 배치될 수 있다. 그리고, 직관 형태의 전열관은 상기 직관 형태의 전열관이 배치되는 공간(S)에 증기 발생기 본체(151)의 길이 방향을 따라 길게 직선으로 배치될 수 있다.

상기 나선관 형태의 전열관은 회전수에 따라 배관의 길이를 조절하기가 용이하고, 배관의 길이를 조절하여 충분한 열교환(열전달) 시간을 확보할 수 있게 하므로 요구되는 조건의 증기가 배출되도록 할 수 있다. 그리고, 직관 형태의 전열관은 이하 설명되는 것과 같이, 유입되는 일차계통수의 유량 또는 전열관 내부를 흐르는 이차계통수의 유량을 조절하여 충분한 열교환(열전달) 시간을 확보할 수 있게 하므로 요구되는 조건의 증기가 배출되도록 할 수 있다.

이와 같이 배치되는 나선관 형태 및 직관 형태의 전열관은 헤더(152)에 연결되어 이차계통으로 증기를 배출하도록 구성될 수 있다.

상기 헤더(152)는 증기 발생기 본체(151)의 단부 영역에 장착될 수 있다. 이 경우, 상기 헤더(152)는 증기 발생기 본체(151)의 하단부에 배치되는 급수 헤더와 증기 발생기 본체(151)의 상단부에 배치되는 증기 헤더 모두를 의미하고, 상기 급수 헤더와 증기 헤더는 유사한 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 급수 헤더와 증기 헤더를 구분하지 아니하고, 헤더(152)로 통일하여 설명하도록 한다.

상기 헤더(152)는 헤더 본체(152a)가 증기 발생기 본체(151)에 결합되고, 상기 헤더 본체(152a)로부터 외측 방향으로 이차계통의 관(미도시)을 연결하기 위하여 연결부(152b)가 구비된다.

그리고, 상기 헤더(152)는 그 본체(152a)에 종래와 같이 나선관 형태의 전열관이 연결된다. 상기 나선관 형태의 전열관의 연결을 위하여 상기 헤더 본체(152a)에는 나선관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152c)가 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 나선관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152c)는 나선관 형태의 전열관이 배치되는 공간(H)과 인접한 위치에 구비될 수도 있다.

또한, 상기 헤더(152)는 직관 형태의 전열관이 더 연결된다. 이를 위하여, 상기 직관 형태의 전열관의 연결을 위하여 상기 헤더 본체(152a)에는 직관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152d)가 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 직관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152d)는 직관 형태의 전열관이 배치되는 공간(S)과 인접한 위치에 구비될 수도 있다.

한편, 상기 헤더(152)에 연결되는 직관 형태의 전열관과 나선관 형태의 전열관은 상기 헤더(152)에 수직 방향 또는 수평방향을 따라 배열되는 상태로 연결될 수도 있다. 이 경우, 직관 형태의 전열관과 나선관 형태의 전열관은 서로 독립되게 배열되어 연결될 수도 있다. 즉, 직관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152d)와 나선관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152c)는 상기 헤더 본체(152a)에 수직방향 또는 수평방향을 따라 서로 독립된 상태로 배치되게 형성되어 각 전열관이 수평 또는 수직방향을 따라 서로 독립되게 배열되는 상태로 연결되게 구성될 수도 있다.

도 4b에 도시된 것과 같이, 증기 발생기 본체(151)의 개구된 어느 일 이상의 단부에 결합되는 캡(155)은 상기 나선관 형태의 전열관이 배치되는 공간(H)과 직관 형태의 전열관이 배치되는 공간(S)을 따라 흐르는 일차계통수의 유량을 조절하기 위하여, 상기 각 공간(S,H)과 배치되는 영역(155a,155b)에 복수의 구멍(155d,155e)이 형성되도록 할 수도 있다.

이 경우, 내부관(153)의 내측 영역(S)과 접하는 영역(155b)에 형성되는 구멍(155e)은 증기 발생기 본체(151)와 내부관(153) 사이의 영역(H)에 접하는 영역(155a)에 형성되는 구멍(155d) 보다 상대적으로 그 수가 적게 형성하여 보다 적은 유량의 일차계통수가 내부관(153)을 통과하도록 할 수도 있다. 상기 내부관(153)의 내부에 배치되는 직관 형태의 전열관은 배치된 길이가 나선관 형태의 전열관에 비하여 상대적으로 짧다. 따라서, 증기 발생기 본체(151)와 내부관(153) 사이의 영역(H)에 접하는 영역(155a)에는 다량의 유량이 흐를 수 있도록 구멍(155d)이 많이 형성되고, 내부관(153)의 내측 영역(S)에 접하는 영역(155b)에는 유량을 제한하기 위해 적은 수의 구멍(155e)이 형성될 수 있다. 이 경우, 유로 저항이 증가하게 되어 유속이 감소하게 되므로, 내부관(153)에 일차계통수의 체류시간이 증가하게 되어 열교환(열전달) 시간이 증가하게 된다.

한편, 유로의 저항을 조절하기 위하여, 상기 캡(155)에 형성되는 구멍(155d,155e)의 크기를 다르게 할 수도 있다. 이 경우, 증기 발생기 본체(151)와 내부관(153) 사이의 영역(H)에 접하는 영역(155a)에는 다량의 유량이 흐를 수 있도록 구멍(155d)의 크기를 크게 형성하고, 내부관(153)의 내측 영역(S)에 접하는 영역(155b)에는 유량을 제한하기 위해 구멍(155e)의 크기를 작게 형성할 수도 있다.

다른 한편, 유로의 저항을 조절하기 위하여, 상기 캡(155)에 형성되는 구멍(155d,155e)의 개수와 크기를 다르게 하여 유로의 저항을 조절할 수도 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로(100)의 증기 발생기(150)는 도 5a에 도시된 것과 같이 기존 증기 발생기의 구조를 이용하여 구성될 수 있다.

이 경우에도 나선관 형태의 전열관과 더불어 비활용 영역에 직관 형태의 전열관이 배치되는 구조로 이루어질 수 있고, 기본적인 구성과 방식은 도 4a를 기초로 상기 설명된 실시예의 경우와 동일하다. 따라서, 동일한 구성에 대해서는 생략하거나 간단히 언급을 하고, 위에 설명된 실시예의 구성과 다른 구성에 대해서만 구체적인 설명을 하도록 하겠다.

상기 증기 발생기(150)는 증기 발생기 본체(151) 내부에 배치되는 내부관(153)과 더불어 증기 발생기 본체(151) 외부에 배치되는 외부관(154)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 나선관 형태의 전열관의 구조적인 특성으로 인해 발생되는 비효율적인 공간과 더불어 증기 발생기(150)의 배치구조로 인해 발생되는 비효율적인 공간에 직관 형태의 전열관이 배관되도록 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 증기 발생기 본체(151)와 내부관(153) 및 외부관(154)의 배치에 의해 나선관 형태의 전열관이 장착(수용)되는 공간(H)과 직관 형태의 전열관이 배치되는 공간(S)이 나선관 형태의 전열관 내측과 외측에 각각 형성될 수 있다.

이 경우에도, 상기 내부관(153)과 외부관(154)의 배치로 인해, 상기 직관 형태의 전열관이 배치될 수 있는 공간(S)과 나선관 형태의 전열관이 배치될 수 있는 공간(H)은 서로 독립된 유로(공간)으로 형성되어 냉각재인 일차계통수가 각각의 공간(S,H)으로 유입되어 직관 형태의 전열관과 나선관 형태의 전열관에 의해 각각 독립된 열교환(열전달)이 이루어지도록 할 수 있다.

이와 같은 구성으로, 나선관 형태의 전열관 및 증기 발생기의 배치구조로 인해 발생하는 비활용 공간들은 직관 형태의 전열관이 배치되어 일차계통수와 열교환이 이루어지도록 하므로, 공간 활용효율을 향상시키면서, 열교환(열전달) 효율을 보다 더 증가시킬 수 있다.

이와 같이 배치되는 나선관 형태 및 직관 형태의 전열관은 헤더(152)에 연결되어 이차계통으로 증기를 배출하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 도 4a에 도시된 구성을 기초로 설명된 실시예에서와 같이, 헤더 본체(152a)에는 나선관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152c)가 구비되어 종래와 같이 나선관 형태의 전열관이 연결되고, 직관 형태의 전열관이 더 연결된다. 이를 위하여, 상기 직선관 형태의 전열관의 연결을 위하여 상기 헤더 본체(152a)에는 직선관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152d)가 구비될 수 있다.

이 경우, 상기 나선관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152c)는 나선관 형태의 전열관이 배치되는 공간(H)과 인접한 위치에 구비될 수 있고, 상기 직관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152d,152e)는 직관 형태의 전열관이 배치되는 두 공간(S)과 인접한 위치에 각각 구비될 수도 있다.

한편, 직관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152d,152e)와 나선관 형태의 전열관이 결합되는 연결부(152c)는 상기 헤더 본체(152a)에 수직방향 또는 수평방향으로 독립되어 형성되어 각 전열관이 수평 또는 수직방향으로 서로 독립되게 배열되어 연결되게 구성될 수도 있다.

도 5b에 도시된 것과 같이, 내부관과 본체(151)에 의해 형성되는 공간(H), 그리고 내부관에 의해 형성되는 공간(S) 및 본체(151)와 외부관(154)에 의해 형성되는 공간(S)을 따라 흐르는 일차계통수의 유량을 조절하기 위하여, 증기 발생기 본체(151)의 개구된 어느 일 이상의 단부에 결합되는 캡(155)은 상기 각 공간(S,H)과 배치되는 영역(155a,155b,155c)에 복수의 구멍(155d,155e,155f)이 형성되도록 할 수도 있다.

즉, 상기 캡(155)은 그 둘레가 외부관(154)에 상응하는 형태로 이루어지고, 일차계통수가 외부관(154)과 본체(151) 사이에 형성된 유로, 본체(151)와 내부관(153) 사이에 형성된 유로 및 내부관(153)에 의해 형성된 유로로 흐르도록 각각 복수의 구멍(155d,155e,155f)이 형성될 수 있다.

이 경우, 직관 형태의 전열관이 배치되는 영역(S)과 접하는 영역(155b,155c)에 형성되는 구멍(155e,155f)은 나선관 형태의 전열관이 배치되는 영역(H)과 접하는 영역(155a)에 형성되는 구멍(155d) 보다 상대적으로 그 수가 적게 형성하여 보다 적은 유량의 일차계통수가 내부관(153)과 외부관(154)의 내측으로 흐르게 할 수 있다.

상기 내부관(153) 및 외부관(154)의 내측으로 배치되는 직관 형태의 전열관은 배치된 길이가 나선관 형태의 전열관에 비하여 상대적으로 짧다. 따라서, 나선관 형태의 전열관이 배치되는 영역(H)에 접하는 영역(155a)에는 다량의 유량이 흐를 수 있도록 구멍(155d)이 많이 형성되고, 직관 형태의 전열관이 배치되는 영역(S)에 접하는 영역(155b,155c)에는 유량을 제한하기 위해 적은 수의 구멍(155e,155f)이 형성된다. 이 경우, 유로 저항이 증가하게 되어 유속이 감소하게 되므로, 나선관 형태의 전열관이 배치되는 영역(H)은 일차계통수의 체류시간이 증가하게 되어 열교환(열전달) 시간이 증가하게 된다.

이 경우에도, 도 4b에 도시된 구조를 기초로 하는 실시예의 경우와 같이 상기 구멍(155d,155e,155f)의 크기를 다르게 하거나 또는 구멍(155d,155e,155f)의 개수와 크기를 다르게 하여 유로의 저항을 조절할 수도 있다.

도 6에 도시된 것과 같이, 직관 형태의 전열관(156a) 입구 측에는 유량 감소부재(160)를 더 구비하여 나선관 형태의 전열관 보다 상대적으로 적은 유량이 흐르도록 유로저항을 증가시키는 유량 감소부재(160)가 더 구비될 수도 있다.

증기 발생기(150)에 직관 형태의 전열관이 구비되는 경우, 원자로 용기(110)의 구조적인 특성으로 인해 직관을 설치할 수 있는 높이가 제한된다. 따라서, 직관 형태의 전열관은 그 설치되는 길이가 짧을 수 밖에 없기 때문에 내부에 고속으로 유체가 흘러가게 되는 경우, 직관 형태의 전열관 출구에서는 증기가 형성되지 않을 수도 있다.

따라서, 유량 감소부재(160)를 장착하여 직관 형태의 전열관을 통과하는 이차계통수의 유량을 감소시키므로 충분한 열교환(열전달) 시간이 확보될 수 있도록 할 수도 있다. 이 경우, 증기 발생기(150)를 통과하는 일차계통수의 유량은 이차계통수로 전달되는 열량에 맞추어 설정될 수 있다.

다만, 유속이 감소하므로 나선관에 비해 열전달 효율은 다소 감소할 수도 있는데 이 경우, 열전달 효율이 감소하고 전열관 길이가 짧게 형성된다 하더라도 유체의 유속을 감소시켜 유체가 체류하는 시간 즉, 열전달 시간을 늘려 나선관 형태의 전열관에서와 같이 최종적으로 증기가 생성되게 할 수 있다.

한편, 나선관 형태의 전열관(156b)에는 그 입구 측에 발생하는 유동 불안정성을 완화하기 위하여 유로 저항을 유발시키는 유량 감소부재(160)가 더 구비될 수도 있다. 이 경우, 상기 유량 감소부재(160)는 오리피스와 같은 부재를 이용하여 구성할 수도 있다.

즉, 직관 및 나선관 형태의 전열관(156a,156b) 내부에는 유량배분을 위해 유량 감소부재(160)가 더 장착될 수 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 일체형 원자로(100)의 나선관 형태의 전열관이 구비되는 증기 발생기(150) 주변에 존재하는 약 30~40%의 미사용 공간에 직관 형태의 전열관을 설치하여 증기 발생을 위한 추가 공간을 확보할 수 있게 된다. 따라서, 원자로 용기(110)를 보다 작게 구성할 수 있게 되고, 이에 따라 원자로용기의 제작비용을 감소시킬 수 있으며, 원자로 용기(110)의 운송이 용이해지며, 원자로 용기(110)를 보호해주는 원자로 격납 건물 등과 같은 시설의 크기도 감소시킬 수 있는 경제적 이점이 있다.

상기와 같이 설명된 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기는 상기 설명된 실시예에 한하여 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100 ... 일체형 원자로 110 ... 원자로 용기
120 ... 내벽 150 ... 증기 발생기
151 ... 증기 발생기 본체 152 ... 헤더
153 ... 내부관 154 ... 외부관
155 ... 캡 156a,156b ... 전열관
160 ... 유량 감소부재

Claims (7)

1. 원자로 용기 내부에 일차계통수가 흐르는 유로의 어느 일 영역에 배치되며, 관 형상으로 이루어지는 하나 이상의 본체와;
   상기 본체의 내부에 평단면이 환형 구조로 배치되는 복수의 나선관 형태의 전열관과;
   상기 나선관 형태의 전열관 내부에 배치되어 상기 나선관 형태의 전열관이 배치되는 영역과 독립된 유로를 형성하는 내부관과;
   상기 내부관의 내측 위치에 배치되는 복수의 직관 형태의 전열관과;
   상기 본체의 양 단부 영역에 각각 장착되며, 상기 나선관 형태의 전열관 및 직관 형태의 전열관의 단부가 연결되는 한 쌍의 헤더와;
   상기 본체의 개구된 어느 일 이상의 단부에 결합되며, 일차계통수가 본체 및 내부관의 내부로 흐르도록 복수의 구멍이 형성되는 캡;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 캡은 내부관의 내측 영역과 접하는 영역에 형성되는 구멍은 본체와 내부관 사이의 영역에 접하는 영역에 형성되는 구멍 보다 상대적으로 그 수가 적게 형성되거나 또는 구멍의 크기가 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 헤더는 직관 형태의 전열관과 나선관 형태의 전열관이 연결되는 영역이 수직방향 또는 수평방향을 따라 서로 독립되어 배열되는 것을 특징으로 하는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 본체는 그 외측으로 외부관이 더 구비되어 본체와 외부관 사이에 직관 형태의 전열관이 더 배치되게 구성되고,
   상기 한 쌍의 헤더는 상기 내부관의 내측 및 본체와 외부관 사이에 배치되는 직관 형태의 전열관과 본체와 내부관 사이에 배치되는 나선관 형태의 전열관이 연결되는 영역이 수직방향 또는 수평방향으로 독립되어 형성되며,
   상기 캡은 그 둘레가 외부관에 상응하는 형태로 이루어지고, 일차계통수가 외부관과 본체 사이에 형성된 유로, 본체와 내부관 사이에 형성된 유로 및 내부관에 의해 형성된 유로로 흐르도록 복수의 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 캡은 내부관의 내측 영역과 접하는 영역과 본체의 외측 영역과 접하는 영역에 형성되는 구멍은 본체와 내부관 사이의 영역에 접하는 영역에 형성되는 구멍 보다 상대적으로 그 수가 적게 형성되거나 또는 구멍의 크기가 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기.
6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 직관 형태의 전열관 내부에는 유로 저항을 증가시키기 위해 유량 감소부재가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기.
7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 직관 및 나선관 형태의 전열관 내부에는 유량배분을 위해 유량 감소부재가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 직관과 나선관이 혼합된 전열관이 구비된 일체형 원자로용 증기 발생기.

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