KR101565436B1 - 열교환기 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플레이트형 열교환기에 관한 것으로, 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부, 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어 내부에 유체가 흐르는 공간을 형성하는 유로, 및 상기 유로와 이격되어 형성되고, 상기 유로 내부로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어가 상기 유로로부터 유체가 흘러나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함하는 열교환기 및 이를 포함하는 원전을 개시한다.

Description

열교환기 및 이를 구비하는 원전{HEAT EXCHANGER AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}
본 발명은 플레이트형 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판형 또는 인쇄기판형 열교환기와 같이 미세유로를 사용하는 열교환기 및 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.
인쇄기판형 열교환기는 기술은 영국 Heatric 사(Patent : US 4665975, 1987)에서 개발되어 일반 산업분야에 매우 다양하게 이용되고 있다. 인쇄기판형 열교환기는 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)에 의한 조밀한 유로배치 및 확산접합 기술을 이용하여 열교환기의 판 사이의 용접을 없앤 구조의 열교환기이다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기는 고온 고압의 환경에 적용 가능하고, 고집적도와 우수한 열교환 성능을 갖추고 있다. 인쇄기판형 열교환기 고온 고압의 환경에 대한 내구성과 우수한 열교환 성능과 고집적도 등의 장점으로 냉난방시스템, 연료전지, 자동차, 화학 공정, 의료기기, 원자력, 정보 통신 장비, 극저온 환경 등의 증발기, 응축기, 냉각기, 라디에이터, 열교환기, 반응기 등 매우 다양한 분야로 적용범위가 확대되고 있다.
한편 인쇄기판형태의 제작 기술은 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)을 이용하므로 일반 가공 방식보다는 매우 자유롭게 가공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 예 중의 하나로 활용할 판형 열교환기는 100년 넘게 산업계에서 광범위하게 적용되고 있다. 판형(plate type) 열교환기는 일반적으로 판을 압출하여 유로 채널을 형성하고, 판 사이를 개스킷을 사용하거나 일반 용접 또는 브레이징 용접을 사용하여 결합시킨다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기와 적용분야는 유사하나 압력이 낮은 저압 환경에서 더 많이 이용되고 있다. 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기보다는 작고 쉘 앤 튜브(shell and tube)형 열교환기보다는 우수한 특성이 있다. 또한 인쇄기판형 열교환기에 비해서는 제작이 간편한 특성이 있다.
한편, 원전의 주요기기 들은 원전의 안전성, 신뢰도, 가동률 향상 등의 목적과 관련 요건에 따라 증기발생기에 대한 비파괴검사를 포함한 유지보수를 수행하고 있다. 그런데 쉘&튜브 열교환기나 증기발생기 중에 매우 작은 세관을 사용하는 경우나 플레이트형(인쇄기판형 및 판형) 열교환기나 증기발생기의 경우, 세관 또는 세부유로가 매우 작아 유로에 대한 정밀한 검사 등의 유지보수 작업이 매우 어렵게 된다.
추가적으로 발명의 배경이 되는 기술은 아래의 특허문헌들을 참조한다.
1. 등록특허공보 제10-0991113호 (2010.11.01.)
2. 일본 공개특허공보 특개2006-313030호 (2006.11.16.)
3. 일본 공개특허공보 특개2001-133173호 (2001.05.18.)
본 발명의 일 목적은 플레이트형 열교환기나 증기발생기, 특히 내압특성과 구조적 건전성이 우수해 고온 고압설비나 고독성 화학설비 등의 다용도의 열교환 설비로 이용이 용이한 인쇄기판형 열교환기나 증기발생기가 갖고 있는 작은 유로의 특성으로 인해 유지보수 작업이 어려운 약점을 극복하고자 도출된 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 열교환기는, 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부, 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부, 및 상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 유로는 고온의 유체가 흐르는 제1유로, 및 상기 제1유로와 이격되며 상기 고온의 유체와 열교환을 하는 저온의 유체가 흐르는 제2유로를 포함할 수 있다.
상기 감시유로는, 상기 제1유로 및 제2유로 사이에 형성될 수 있다.
상기 플레이트부는, 상기 제1유로가 형성되는 제1플레이트, 상기 제2유로가 형성되는 제2플레이트를 포함하고, 상기 감시유로는, 상기 제1 및 제2플레이트 사이에 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2플레이트 사이에 배치되는 제3플레이트를 더 포함하고, 상기 감시유로는 상기 제3플레이트에 형성될 수 있다.
상기 감시유로는, 상기 제1플레이트 또는 제2플레이트에 접하도록 형성될 수 있다.
상기 제3플레이트와 이격되고, 상기 제1플레이트 또는 제2플레이트와 접하도록 형성되는 제4플레이트를 더 포함하고, 상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되어 있고, , 상기 제3플레이트에 형성되는 제1감시유로 및 상기 제4플레이트에 형성되는 제2감시유로를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 감시유로는, 복수의 유로가 서로 이격되어 일방향으로 형성되는 제1통로, 및 상기 제1통로를 서로 연통시키는 제2통로를 포함하는 개방형 유로로 형성될 수 있다.
여기서 상기 감시유로는, 상기 제1유로 및 제2유로 간의 열교환 성능 저하를 억제하도록, 상기 제1유로 및 상기 제2유로보다 단면의 크기가 작은 미세유로로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 및 제2유로 중 적어도 하나는, 적어도 2개 이상의 플레이트에 걸쳐서 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되어 있고, 상기 감시유로 내부의 유체의 상태 변화를 감지할 수 있도록, 상기 복수의 유로가 모이는 감시유로헤더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감시유로헤더에 연결되며, 상기 유로에서 유체가 흘러나와 상기 감시유로로 유입시, 상기 감시유로 내부에 온도, 압력,, 화학적 상태 또는 방사능 수치의 변화를 감지가능한 센서부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 감시유로 내부에는 압축성 또는 비압축성 유체가 채워지고, 상기 감시유로헤더에는, 압력 변동을 수용할 수 있는 압력제어부가 연결될 수 있다.
여기서, 상기 압력제어부에 연결되어, 상기 압력제어부 내부의 상태 변화를 감지할 수 있는 감시용 계측기를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제2유로는, 유체가 유입되는 입구부분에 유체의 유입으로 인한 유동 불안정을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키도록, 입구에서 출구까지 직선으로 연결되는 길이보다 길게 연장되도록 절곡 또는 곡선 유로를 포함하는 유로저항부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제2유로는, 복수로 구비되어 서로 이격된 메인유로, 및 서로 이격된 상기 메인유로들이 서로 연통되도록 형성되는 서브유로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 유로저항부는, 유로로 유입되는 유체의 유량을 균일화하고 열전달을 향상시키도록, 유로의 진행방향을 따라 절곡된 형태가 반복되는 이코노마이저로 형성될 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 열교환기를 구비하는 원전을 개시한다. 원전은, 내부에 원자로노심을 포함하고, 냉각재가 순환하도록 형성되는 원자로, 상기 원자로 내부 또는 외부에 배치되고, 상기 냉각재가 유입되어 열교환되는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는, 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부, 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어, 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부, 및 상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함한다.
여기서, 상기 열교환기는, 상기 원자로노심에서 가열된 고온, 고압의 냉각재를 공급받아 급수를 증기로 만드는 증기발생기일 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 감시용 미세유로에는 주 유로에 비해 매우 작은 유로를 구성되므로 구조적인 강도나 열전달 성능의 감소 영향이 매우 적을 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 열교환기(또는 증기발생기) 운전 중에 이상이 발생하는 경우 조기에 감지가 되므로, 열교환 유로에 대한 조사 및 검사 등의 요구를 완화할 수 있어 열교환기에 대한 유지보수 작업을 크게 단순화할 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 열교환기(또는 증기발생기) 운전 중에 어느 한쪽의 주 유로에서 이상이 발생하는 경우에 이상 상태가 조기에 감지되므로, 한쪽 유로의 유체가 반대 쪽 유로로 이송되어 사고가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있어 열교환기의 안전성이 크게 향상될 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 원전의 증기발생기 또는 열교환기에 플레이트형 증기발생기나 열교환기를 적용하는 경우에 나타나는 유지보수 현안을 해소할 수 있어, 원전(가압경수로, 고온가스로, 또는 액체금속로 등)에 적용하기가 매우 용이할 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 플레이트형을 이용하는 열교환기 또는 증기발생기는 매우 큰 열전달 면적을 만들 수 있어 종래의 쉘&튜브형 열교환기 또는 증기발생기에 비해 크기를 크게 줄일 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 플레이트형의 경우, 주유로 유체 사이의 열교환을 위한 플레이트형 열교환기에 대해서는 열교환 효율이 우수한 종래의 기술을 적용할 수 있으며, 유로저항을 감소시키기 위해 일부 유로에 대한 개선 사항(유로면적 증가)을 적용하는 경우에도 종래의 쉘&튜브형 증기발생기에 비해 크기를 크게 감소시킬 수 있으며, 또한 플레이트형 증기발생기에 대해서는 일부 유로에 대한 개선 사항(유로면적 증가, 유로저항부 또는 이코노마이저 구비)을 적용하는 경우에도 종래의 쉘&튜브형 증기발생기에 비해 크기를 크게 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예를 일체형 원자로에 적용할 경우, 증기발생기 크기가 크게 감소할 수 있어, 원자로용기와 원자로건물의 크기를 줄일 수 있고 원전의 경제성을 향상시키는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예를 고온가스로나 액체금속로의 증기발생기 등에 적용할 경우, 중간 루프를 제거할 수 있어 설비를 크게 단순화할 수 있다.
도 1은 종래의 열교환기의 유로 및 플레이트와 본 발명의 일 실시예에 관련된 열교환기의 제1, 2유로 및 감시용 유로와 플레이트부를 나타낸 개념도.
도 2a 내지 도 2c는 각각 감시용 유로 및 감시용 유로를 형성하는 플레이트와 감시용 유로의 헤더를 나타낸 개념도.
도 2d는 제1, 2 유로 및 감시용 유로와 플레이트부를 다른 방향에서 나타낸 개념도.
도 3 내지 도 6은 각각 폐쇄형 유로 구조를 갖는 제1 또는 2 유로가 플레이트부에 형성되는 모습을 나타낸 개념도.
도 7 내지 도 10은 각각 제2유로가 플레이트부에 형성되는 다른 모습을 나타낸 개념도.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 서로 다른 일 실시예에 따른 열교환기를 수용하는 원전의 모습을 나타낸 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 열교환기 및 이를 구비하는 원전에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 플레이트형 열교환기라 함은, 특별한 언급이 없는 한, 일반적인 판형과 인쇄기판형 열교환기 또는 증기발생기뿐만 아니라 플레이트(판)의 가공 방법이나 접합 방법에 차이가 있는 경우의 열교환기 또는 증기발생기를 모두 포괄적으로 지칭한다. 또한, 본 발명은 판형 열교환기에도 적용할 수 있으므로 인쇄기판형 열교환기로 한정하지는 않는다.
도 1은 종래의 열교환기의 유로(121, 122) 및 플레이트와 본 발명의 일 실시예에 관련된 열교환기의 제1, 2유로 및 감시유로(130)와 플레이트부(110)를 나타낸 개념도이다.
플레이트부(110)는 열교환기 구성을 위한 동일한 패턴이 반복되는 단위 블럭을 의미하는 것으로, 플레이트부(110)을 연속적으로 적층하여 열교환기의 주열전달부가 구성된다.
(a) 내지 (d)는 각각 서로 다른 실시예를 나타내며, 각각에서 상부의 그림은 감시유로(130)가 없는 종래의 실시예를 나타내고, 하부의 그림은 감시유로(130)가 형성된 본 발명의 실시예를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 열교환기는 플레이트부(110), 유로(121, 122) 및 감시유로(130)를 포함한다.
플레이트부(110)는 복수의 플레이트가 서로 적층되어 형성될 수 있다. 플레이트에는 유로(121, 122) 또는 감시유로(130)가 형성될 수 있다. 상기 유로(121, 122) 또는 감시유로(130)는 플레이트를 식각하여 제작하는 방식으로 이루어질 수 있으나, 플레이트 가공 방식을 이에 한정하지는 않으며, 식각, 압출, 절삭, 레이저, 프린트 등의 적어도 하나 이상의 방식을 사용하거나, 또는 상기 가공 방식의 적어도 두 가지 이상의 방식을 혼합하여 사용하는 것을 모두 포괄적으로 지칭한다. 플레이트는 유체가 흐르는 유로(121, 122)를 포함하므로, 다른 부재와 접촉되는 경우 즉, 유로(121, 122)가 생성되는 경우 상기 유로(121, 122)에서 플레이트를 통해 유체가 빠져나가지 않도록 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 고온의 유체가 흐르는 유로(121, 122)와 저온의 유체가 흐르는 유로(121, 122)가 플레이트를 통하여 열교환 할 수 있으므로, 플레이트의 적어도 일부가 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있다.
유로는 복수의 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어 형성된다. 상기 유로(121, 122)의 내부에는 유체가 흐르는 공간을 형성할 수 있다. 유로(121, 122)는 고온의 유체가 흐르는 제1유로(121)와, 상대적으로 저온의 유체가 흐르는 제2유로(122)를 포함한다. 제1유로(121) 및 제2유로(122)는 서로 이격되어 형성되며, 서로 다른 플레이트에 형성될 수 있다. 상기 제1유로(121)에 흐르는 유체와 제2유로(122)의 흐르는 유체는 서로 열교환 할 수 있다. 또한 특수한 목적으로 고온 또는 저온의 유체가 흐르는 제3유로(미도시)를 하나 이상 더 추가(즉 3종류 이상의 유체)로 구비할 수 있다.
또한, 각 유로(121, 122)는 유로(121, 122)저항을 줄이도록 유로(121, 122)면적을 넓히기 위해 두 개 이상의 플레이트를 겹친 유로(121, 122) 구조를 적용할 수도 있다. 그리고 각 유로(121, 122)는 유로(121, 122)의 저항을 줄이기 위해 개방된 유로(121, 122)를 적용할 수도 있다.(도 7 참조)
감시유로(130)는 상기 유로(121, 122)와 이격되어 형성된다. 그리고 플레이트가 손상되어 상기 유로(121, 122) 내부로부터 유체가 흘러나오는 경우, 새어 나온 유체는 상기 감시유로(130)로 흘러 들어갈 수 있다. 상기 제1유로(121) 및/또는 제2유로(122)로부터 흘러 나오는 유체가 쉽게 상기 감시유로(130)로 흘러 들어갈 수 있도록, 감시유로(130)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 감시유로(130)는 제1유로(121) 및 제2유로(122)가 없는 제1플레이트(111)와 제2플레이트(112) 사이에도 설치될 수 있다. 또한, 도면을 살펴보면 제1유로(121) 및 제2유로(122)가 동일한 간격으로 균일하게 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 제1유로(121) 및 제2유로(122)가 서로 다른 간격이나 도시된 것과는 형상으로 설치될 수 있으므로 도면에서와 같이 등 간격의 배치를 항상 갖는 것은 아니다.
그리고, 감시유로(130)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 형성되는 제1감시유로(131) 이외에 상기 제1유로(121)의 외측 또는 제2유로(122)의 외측에 형성되는 제2감시유로(132)가 형성될 수 있다. 또한, 플레이트부(110)가 연속적으로 적층되어 열교환기가 구성되므로 제1감시유로(131)와 제2감시유로(132)는 동일한 역할을 수행하는 것이다.
상기 감시유로(130)는 상기 감시유로(130)를 형성할 수 있도록 별도로 구비된 플레이트에 형성될 수도 있으며((a)와 (b) 참조), 상기 제1유로(121) 또는 제2유로(122)가 형성된 플레이트에 상기 제1유로(121) 또는 제2유로(122)와 이격되어 직접 형성될 수도 있다.((c)와 (d) 참조) 또한, 후술하겠지만 상기 감시유로(130) 내부를 흐르는 유체는 특정하여 제한하지는 않지만, 압축성 유체가 흐르는 경우에는 상기 감시유로(130) 내부의 온도의 변화에 따른 압축성 유체의 체적변화를 수용할 수 있도록 압력제어부(12)가 추가로 구비될 수 있다(도 11b 참조). 또한, 비압축성 유체의 경우에도 압력변동을 수용할 수 있도록 압력제어부(12)가 추가로 구비될 수 있다.
(a)를 참조하면, 상부 도면에 나타나는 것과 같이 종래에는 제1유로(121)와 제2유로(122)는 각각 제1플레이트(111)와 제2플레이트(112)에 형성되어 있다. 그리고, 하부 도면에 나타나듯이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제3플레이트(113)와 제4플레이트(114)에 각각 형성되는 제1감시유로(131)와 제2감시유로(132)가 형성될 수 있다. 또한, 이때에는 제1 및 제2 플레이트는 더 얇은 플레이트로 적용될 수 있다.
(b)를 참조하면, 상부의 그림에 나타나듯이 제1유로(121)는 2개의 제1플레이트(111a, 111b)에 걸쳐서 형성되어 있고, 제2유로(122)는 하나의 제2플레이트(112)에 형성되어 있다. 하부의 그림을 참조하면, 제3플레이트(113)는 제1플레이트(111) 및 제2플레이트(112) 사이에 삽입되어 있고, 제4플레이트(114)는 제2플레이트(112)의 하부에 적층되어 있다. 그리고, 상기 제3 및 제4플레이트(113, 114)에는 각각 제1 및 제2감시유로(131, 132)가 형성되어 있다. 아울러, 제1 및 제2플레이트(111a, 111b, 112)는 열교환기의 크기를 줄이기 위해 종래보다 더 얇은 판을 적용할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 플레이트부(110)가 연속적으로 적층되어 열교환기가 구성되므로 제1감시유로(131)와 제2감시유로(132)는 동일한 역할을 수행하는 것이다.
(c)를 참조하면, 상부(종래)에는 제1유로(121)는 2개의 제1플레이트(111a, 111b)에 걸쳐서 형성되어 있고, 제2유로(122)는 하나의 제2플레이트(112)에 형성되어 있다. 하부(본 발명의 일실시예)에서는, 제2유로(122)도 2개의 제2플레이트(112a, 112b)로 형성되어 있다. 감시유로(130) 중 제1감시유로(131)는 제1플레이트(111) 중 하부 플레이트(111b) 및 제2플레이트(112) 중 상부 플레이트(112a)에 접하도록 제1플레이트(111) 중 하부 플레이트(111b) 또는 제2플레이트(112) 중 상부 플레이트(112a)에 형성될 수 있다. 그리고, 제2감시유로(132)는 제2플레이트(112) 중 하부 플레이트(112b)에 형성될 수 있다. 이 때에도 감시유로(130)는 제1유로(121) 및 제2유로(122)와 서로 이격되어 형성된다. 그리고, 제1플레이트(111a, 111b) 및 제2플레이트(112a, 112b)는 두께가 더 얇은 플레이트를 적용해 열교환기 크기를 줄일 수 있다.
(d)를 참조하면, 상부(종래)에는 제1유로(121)는 두 개의 제1플레이트(111a, 111b)에 걸쳐서 형성되어 있고, 제2유로(122)도 두 개의 제2플레이트(112a, 112b)에 형성되어 있다. 그리고 하부(본 발명의 일 실시예)를 참조하면, 제1 및 제2감시유로(131, 132)는 각각 제1플레이트(111) 중 상부 플레이트(111a), 제2플레이트(112) 중 상부 플레이트(112a)에 형성되어 있다. 다만, 도면에 도시된 것과 달리, 감시유로(130)는 제1플레이트(111) 중 하부 플레이트(111b)와 제2플레이트(112) 중 하부 플레이트(112b)에 형성될 수도 있다.
또한, 도면에 도시된 것과 달리, 상기 제1 및 제2감시유로(131, 132)는 서로 이격되어 형성되지만, 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 순차적으로 형성될 수 있다. 즉, 제1감시유로(131)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 형성되고, 제2감시유로(132)는 상기 제1감시유로(131) 및 제2유로(122) 사이에 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 감시유로(130) 및 감시유로(130)를 형성하는 플레이트와 감시유로(130)의 헤더를 나타낸 개념도이다.
도 2a를 참조하면, 제1플레이트(111) 또는 제2플레이트(112)의 제1유로(121) 또는 제2유로(122)의 반대쪽, 또는 제3플레이트(113)에 감시유로(130)(제1감시유로(131) 또는 제2감시유로(132))가 형성된 모습을 나타낸 개념도이다. 감시유로(130)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122)간의 열교환 성능이 감소되는 것을 막고, 열교환기에 미치는 구조적 영향을 최소화하기 위해 미세유로가 적용될 수 있다. 상기 미세유로는 상기 제1 또는 제2유로(121, 122)보다 단면의 크기가 작을 수 있다.
그리고, 감시유로(130)는 복수의 유로(121, 122)가 서로 이격되어 일방향으로 형성되는 제1통로(133)과 제1통로(113)를 서로 연통시키는 제2통로(134)를 포함할 수 있다. 이와 같이 제1통로(133) 및 제2통로(134)는 서로 연통시켜 줌으로써, 어느 한 부분에서 이상이 발생하면(즉, 플레이트가 손상되어 제1유로(121) 또는 제2유로(122)로부터 유체가 새어 나와 감시유로(130)로 흘러 들어가게 되면), 제1통로(133) 및 제2통로(134)를 향해 소통되는 개방형 유로(133, 134)를 형성하게 된다. 상기 개방형 유로(133, 134)를 따라 유체 또는 그 영향이 전파되어 후술할 헤더(140)로 모아져 계측이 용이하게 가능할 수 있다.
감시유로헤더(140)는 상기 감시유로(130) 내부의 유체의 상태 변화를 감지할 수 있도록, 감시유로(130)를 형성하는 복수의 유로(133, 134)가 모이도록 이루어질 수 있다. 감시유로헤더(140)는 미세유로의 외곽을 향해 설치되고, 열교환기의 외부로 열교환기의 내부의 감시유로(130)의 상태를 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 감시유로(130) 내부에 유로(121, 122)의 오염물질의 제거를 위한 오염제거헤더(140b, 140c)가 추가될 수 있다. 상기 오염제거헤더(140b, 140c)는 오염제거용 약품을 주입하는 헤더(140b)와, 오염제거용 약품을 빼내는 헤더(140c)로 구성되어 총 두 개의 헤더를 포함할 수 있다. 상기 오염제거헤더(140b, 140c)는 상기 감시유로(130)헤더의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있다. 단, 상태를 감시하는 방법에 따라 오염제거헤더(140b, 140c) 만 설치하고, 오염제거헤더(140b, 140c)와 외부를 연결하는 연결배관을 구비하여, 외부로부터 미소량의 유체를 연속적으로 흘려보내고 외부로 수집하도록 구성할 수도 있다(미도시).
상기 도 2a와 동일, 유사한 구조에 대하여는 설명을 생략하도록 한다.
도 2c를 참조하면, 감시유로(130)는 제1통로(133) 및 제2통로(134)와 다른 방향으로 형성된 제3통로(135)를 더 포함할 수 있다. 제3통로(135)는 도면을 기준으로 지면을 뚫고 들어가는 방향으로 형성될 수 있다. 도 1을 참조하여 보면, 제3플레이트(113)는 제1플레이트(111) 및 제2플레이트(112) 사이에 형성될 수 있으므로, 제3통로(135)는 제1 및 제2플레이트(112)를 제3플레이트(113)와 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 각 플레이트들을 확산접합하는 경우에도, 플레이트 사이에 틈새가 생기는 경우가 발생할 수 있고, 상기 틈새를 통해 흘러나오는 유체를 감지하기 위하여 제1 및 제2플레이트(112) 중에 제1유로(121)와 제2유로(122)가 설치되지 않은 부분과 제3플레이트(113)의 감시용 유로(130)를 연결하는 제3통로(135)를 형성할 수 있는 것이다.
다만, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 것과는 달리, 감시유로(130)는 제1플레이트(111) 또는 제2플레이트(112)에 직접 형성될 수 있으므로(도 1참조), 상기 도 2a 내지 도 2d의 제3플레이트(113)는 제1플레이트(111) 또는 제2플레이트(112) 일 수 있다.
도 2d는 제1, 2 유로(121, 122) 및 감시유로(130)와 플레이트부(110)를 다른 방향에서 나타낸 개념도이다.
이를 참조하면, 상부에서부터 제1플레이트(111), 제3플레이트(113), 제2플레이트(112), 제4플레이트(114)가 반복되는 형상이다. 그리고 각각의 플레이트에는 제1유로(121), 제1감시유로(131), 제2유로(122), 제2감시유로(132)가 형성되어 있다. 또한, 상기 도 2c에서 살펴본 바와 같이 각 플레이트들을 관통하여 형성되는 제3통로(135)가 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 6은 각각 폐쇄형 유로 구조를 갖는 제1 또는 2 유로(121, 122)가 플레이트부에 형성되는 모습을 나타낸 개념도이다.
본 실시예에서 제1유로 및 제2유로(121, 122)는 일반적인 열교환기 또는 증기발생기의 구성을 따를 수 있다. 또한, 도 3 내지 도 6은 제1유로(121)가 형성되는 제1플레이트(111)를 기준으로 작성되었지만, 도면과 달리 제2유로(122)가 형성되는 제2플레이트(112)의 모습도 이와 같거나 유사할 수 있다. 이하, 제1유로(121)를 기준으로 설명한다.
도 3을 살펴보면, 일반적인 플레이트형 유로를 구성할 수 있으며, 폐쇄형 유로구조(인접한 유로끼리 서로 연통되지 아니한 구조)를 가질 수 있다. 그리고 상부와 하부에 각각 유로가 모이는 헤더(141a1, 141a2)를 구비할 수 있다.
제1유로(121)는 상기 헤더 중 하나(141a1)와 연결되는 입/출구 영역(A), 주전열부(B), 상기 헤더 중 다른 하나(141a2)와 연결되는 입/출구 영역(C)으로 형성될 수 있다. 이 중에서 주전열부 유로(121b)는 유로의 진행방향에서 사선으로 반복되어 꺽이면서 형성될 수 있다. 즉 입/출구 영역 유로(121a)에서 약 45도 방향으로 한쪽 방향으로 꺽이는 제1꺽임유로(121b1)과 상기 제1꺽임유로(121b1)과 약 90도의 방향으로 꺽여서 형성되는 제2꺽임유로(121b2)가 반복되어 형성될 수 있다. 이는 주 전열부(B)에서는 제2유로(122, 도 2d 참조)와 열교환을 하여야 하므로, 열전달 면적을 넓히기 위해 일반적으로 사용하는 방법이다. 단, 유로 형상은 이 밖에도 매우 다양한 형태로 구성할 수 있으므로, 상기한 형상으로 한정하는 것은 아니다.
도 4를 살펴보면, 2개의 헤더(141b1, 141b2)가 각각 서로 반대되는 방향을 바라보며 상기 제1플레이트(111)의 일측면 상부와 타측면 하부에 형성될 수 있다.
도 5를 살펴보면, 2개의 헤더(141c1, 141c2)가 각각 서로 같은 방향을 바라보도록 상기 제1플레이트(111)의 일측면의 상부와 하부에 형성될 수 있다.
도 6을 살펴보면, 2개의 헤더(141d1, 141d2) 중 하나(141d2)는 제1플레이트(111)의 하부에 형성될 수 있고, 다른 하나(141d1)은 제1플레이트(111)의 일측면에 형성될 수 있다. 측면에 형성되는 헤더(141d1)는 다른 헤더(141d2)와 서로 반대편에 형성될 수 있도록, 상기 헤더(141d2)가 형성되는 일단부의 타단부에 인접하여 형성된다. 이와 같이 헤더의 연결방법은 다양한 방법으로 구성될 수 있다.
도 7 내지 도 10은 각각 제2유로(221, 321, 421, 521)가 플레이트부에 형성되는 다른 모습을 나타낸 개념도이다.
제2유로(221, 321, 421, 521)는 급수계통에서 유체가 급수되어, 터빈계통으로 배출되는 증기발생기의 일부일 수 있다. 이러한 경우, 제2유로(221, 321, 421, 521)의 입구에 유동 불안전성을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키는 유로저항부(321e, 421e, 521e)를 설치할 수 있다.(도 8 내지 10 참조) 또한, 유로저항부(321e, 421e, 521e) 입구에 공통헤더(521f)를 더 추가할 수도 있다.(도 10 참조)
도 7을 참조하면, 제2유로(221, 321, 421, 521)는 복수로 구비되어 서로 이격된 메인유로(221a1, 221b1, 221b2, 221c1)와 서로 이격된 상기 메인유로(221a1, 221b1, 221b2, 221c1)들이 서로 연통되도록 형성되는 서브유로(221a2, 221b2, 221c2)를 포함할 수 있다. 이러한 메인유로 및 서브유로를 통해 제2유로(221)는 개방형 구조를 가지게 된다.
개방형 구조는 유로의 저항을 줄이거나, 이상(異相)유동의 경우 특정 부위에서 생기는 급격한 압력변동을 완화하는 기능을 가진 구조이다. 유로저항을 더 줄이기 위해 개방형 구조와 더불어 유선형 구조를 적용할 수도 있다.
입/출구 영역(A)에서도 하나의 헤더(241a1)로부터 반대편 헤더로 흘러가는 메인유로(221a1)와 상기 유로(221a1)를 연통시키는 서브유로(221a2)가 형성되어 있다. 이러한 개방형 구조는 도시된 바와 같이 주 전열부(B) 및 반대편 입/출구 영역(C)에서도 적용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제2유로(321)는, 유체가 유입되는 입구부분에 유체의 상변화로 인한 유동 불안정을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키도록, 입구에서 출구까지 직선으로 연결되는 길이보다 길게 연장되도록 절곡 또는 곡선 유로를 포함하는 유로저항부(321e)를 포함할 수 있다.
상기 유로저항부(321e)는, 유로로 유입되는 유체의 유량을 균일화하고 열전달을 향상시키도록, 유로의 진행방향을 따라 절곡된 형태가 반복되는 이코노마이저로 형성될 수 있다.
입구 유로저항부(321e)는 증기발생기에서 증기가 생성되면서 나타나는 이상유동의 불안정성을 감소시키기 위한 구성으로써, 상부에서 발생한 급격한 압력변동이 하부로 전파되는 것을 감소시키기 위해 설치한다.
본 발명에서는 유로저항부(321e, 421e, 521e)를 절곡된 형상만 도시하였으나 곡선유로를 이용하는 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으므로 절곡된 형상에 한정하는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, 제2유로(421)는 개방형 구조(도 7 설명 참조)를 가지며, 입구측에 유로저항부(421e) 또는 이코노마이저가 형성되어 있다.
이코노마이저는 쉘&튜브형 증기발생기에서 쉘쪽(튜브 바깥쪽)을 2차유체(급수/증기)로 활용하는 경우에, 입구영역에서의 유동을 안정화할 수 있다. 그리고 열전달 효율을 증가시키기 위해 설치한다. 개방형 구조의 경우, 유로저항부(421e)는 쉘&튜브형 증기발생기에서 쉘쪽의 이코노마이저와 유사할 역할을 할 수 있다.
본 실시예에서는 도면의 하부측에 위치한 헤더(441)로 급수가 될 수 있다. 즉 하부 헤더(441)측이 입구가 되는 것이다. 그리고 상부에 유로저항부(또는 이코노마이저, 421e)(E영역)가 형성되고, 그 상부로 유로가 확대되는 유로확대부(D), 입구영역(C), 주 전열부(B), 출구영역(A)이 순차적으로 형성되어 있다.
도 10을 참조하면, 제2유로(521)는 개방형 구조를 가지며, 상부 및 하부측면에 헤더(541a1, 541a2)가 설치된다. 그리고 하부측면에 설치된 헤더(541a2)에는 입구 공통헤더(521f)가 설치된다.
입구 공통헤더(521f)는 유로의 입구와 유로저항부(521e)(E)를 연결하고, 유로저항부(521e)(이코노마이저)로 유량을 배분해주기 위하여 설치될 수 있다.
상술한 실시예와 동일, 유사한 내용은 생략하도록 한다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 서로 다른 일 실시예에 따른 열교환기(10)를 수용하는 원전(1)의 모습을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 원전(1)은 원자로(30), 열교환기(10)를 포함한다. 원자로(30)는 내부에 원자로노심(20)을 포함하고, 냉각재(80)가 순환되도록 형성된다. 또한, 열교환기(10)는 상술한 실시예 중 어느 하나에 따른 열교환기(10)일 수 있다. 아울러, 열교환기(10)는 상기 원자로노심(20)에서 가열된 고온, 고압의 냉각재를 공급받아 급수를 증기로 만드는 증기발생기일 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 내장형 펌프(캔드 펌프, 70)를 포함할 수 있으며, 증기발생기(10)가 원자로(30) 내부에 배치되어 있다.
도 11a를 참조하면, 감시유로헤더(40a)에 센서부(11)가 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 감시 유로에 비압축성 유체가 흐르는 경우일 수 있다. 센서부(11)는 상기 유로에서 유체가 흘러나와 상기 감시유로로 유입시, 상기 감시유로 내부에 온도, 압력, 습도, 물리적 상태, 화학적 상태 또는 방사능 수치의 변화를 감지 가능하도록 이루어질 수 있다.
그리고, 센서부(11)에 설정된 기설정값 이상의 이상 상태가 감지되면, 열교환기(10) 또는 증기발생기 관련 설비를 중지하여 사고가 발생하기 이전에 조치를 취함으로써, 사고 발생시 원전(1)의 안전성을 높일 수 있다.
도 11b에서 상기 열교환기(10) 내부의 감시유로에는 압축성 유체가 흐를 수 있다. 그리고 상기 감시유로헤더(40a)에는, 유체의 체적 변화에 의한 압력 변동을 수용할 수 있는 압력제어부(12)를 더 포함할 수 있다. 또한 비압축성 유체의 경우에도 압력변동을 수용할 수 있도록 압력제어부(12)를 더 포함할 수 있다.
아울러, 상기 압력제어부(12)에 연결되어, 상기 압력제어부(12) 내부의 상태 변화를 감지할 수 있는 감시용 계측기(11')를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 열교환기 및 이를 구비하는 원전은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (23)

  1. 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부;
    상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어, 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부; 및
    상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로부는,
    상대적으로 고온의 유체가 흐르는 제1유로; 및
    상기 제1유로와 이격되며, 상기 고온의 유체와 열교환을 하도록 상기 고온의 유체보다 상대적으로 저온의 유체가 흐르는 제2유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    상기 제1유로 및 제2유로 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    서로 이격되어 형성되는 제1감시유로 및 제2감시유로를 포함하고,
    상기 제1감시유로는, 상기 제1유로 및 제2유로 사이에 형성되고,
    상기 제2감시유로는, 상기 제1감시유로 및 제2유로 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 플레이트부는,
    상기 제1유로가 형성되는 제1플레이트;
    상기 제2유로가 형성되는 제2플레이트를 포함하고,
    상기 감시유로는,
    상기 제1 및 제2플레이트 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2플레이트 사이에 배치되는 제3플레이트를 더 포함하고,
    상기 감시유로는 상기 제3플레이트에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    상기 제1플레이트 또는 제2플레이트에 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제3플레이트와 이격되고, 상기 제1플레이트 또는 제2플레이트와 접하도록 형성되는 제4플레이트를 더 포함하고,
    상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되어 있고, ,
    상기 제3플레이트에 형성되는 제1감시유로 및 상기 제4플레이트에 형성되는 제2감시유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    복수의 유로가 서로 이격되어 일방향으로 형성되는 제1통로; 및
    상기 제1통로를 서로 연통시키는 제2통로를 포함하는 개방형 유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    상기 제1통로 및 제2통로 중 적어도 하나와 연결되고, 상기 플레이트부를 관통하여 형성되는 제3통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    상기 제1유로 및 제2유로 간의 열교환 성능 저하를 억제하도록, 상기 제1유로 및 상기 제2유로보다 단면의 크기가 작은 미세유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2유로 중 적어도 하나는,
    적어도 2개 이상의 플레이트에 걸쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되어 있고,
    상기 감시유로 내부의 유체의 상태 변화를 감지할 수 있도록, 상기 복수의 유로가 모이는 감시유로헤더를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 감시유로헤더에 연결되며, 상기 유로에서 유체가 흘러나와 상기 감시유로로 유입시, 상기 감시유로 내부에 온도, 압력, 습도, 물리적 상태, 화학적 상태 또는 방사능 수치의 변화를 감지가능한 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 감시유로 내부에는 압축성 또는 비압축성 유체가 채워지고,
    상기 감시유로헤더에는, 압력 변동을 수용할 수 있는 압력제어부가 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 압력제어부에 연결되어, 상기 압력제어부 내부의 상태 변화를 감지할 수 있는 감시용 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 유로부는,
    상기 제1유로 및 제2유로 중 적어도 하나와 열교환하도록 형성되고,
    상기 제1유로 및 제2유로를 흐르는 유체보다 상대적으로 고온 또는 저온의 유체가 흐르는 적어도 하나의 제3유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  18. 제1항에 있어서
    상기 유로부 및 감시유로는,
    광학적 식각, 압출, 절삭, 레이저, 프린트 중 적어도 하나 이상의 방식을 사용하여, 상기 플레이트를 가공하여 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  19. 제2항에 있어서,
    상기 제2유로는,
    유체가 유입되는 입구부분에 유체의 유입으로 인한 유동 불안정을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키도록, 입구에서 출구까지 직선으로 연결되는 길이보다 길게 연장되도록 절곡 또는 곡선 유로를 포함하는 유로저항부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 제2유로는,
    복수로 구비되어 서로 이격된 메인유로; 및
    서로 이격된 상기 메인유로들이 서로 연통되도록 형성되는 서브유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 유로저항부는,
    유로로 유입되는 유체의 유량을 균일화하고 열전달을 향상시키도록, 유로의 진행방향을 따라 절곡된 형태가 반복되는 이코노마이저로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  22. 내부에 원자로노심을 포함하고, 냉각재가 순환하도록 형성되는 원자로;
    상기 원자로 내부 또는 외부에 배치되고, 상기 냉각재가 유입되어 열교환되는 열교환기를 포함하고,
    상기 열교환기는,
    복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부;
    상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어, 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부; 및
    상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 원자로노심에서 가열된 고온, 고압의 냉각재를 공급받아 급수를 증기로 만드는 증기발생기인 것을 특징으로 하는 원전.
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