KR101838543B1 - 증기분사기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 이상유동 열전달 현상을 이용하여 고효율로 증기를 발생시킬 수 있도록 하는 증기분사기를 제공함에 있다. 더 나아가서는, 이와 같이 증기 발생 효율이 향상됨으로써 특히 소형 원자로의 증기발생기로서 활용이 가능하도록 하는 증기분사기를 제공함에 있다.

Description

증기분사기 {Steam ejector}
본 발명은 증기분사기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로의 증기발생기로서 활용될 수 있도록 증기를 분사하여 발생시키는 장치로서, 종래보다 훨씬 고효율로 신속하게 증기를 발생시킬 수 있도록 하는 증기분사기에 관한 것이다.
원자력 발전에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다. 원자력 발전은 핵분열 시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식으로 이루어진다. 도 1은 일반적인 원자력 발전의 원리를 간략하게 도시하고 있다. 압력 용기(또는 원자로용기라고 칭함)내의 핵연료가 핵분열함에 의하여 엄청난 열에너지가 발생되는데, 이 열에너지는 압력 용기 내의 냉각재로 전달되며, 냉각재는 도 1에 진한 화살표로 표시된 바와 같이 압력 용기로부터 배출되어 열교환기를 거쳐 다시 압력 용기로 유입되는 방향으로 순환된다. 냉각재가 가지고 있는 열에너지는 열교환기를 통과하면서 증기발생기로 전달되며, 증기발생기 내의 물은 열에너지에 의하여 고온 고압의 증기로 상변화를 일으킨다. 이와 같이 발생된 고온 고압의 증기는 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 터빈으로 공급되며, 이 증기의 힘에 의하여 터빈이 회전하며, 터빈과 연결되어 있는 발전기도 함께 회전함으로써 발전이 이루어진다. 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 상실한 증기는 다시 상변화를 일으켜 물이 되는데, 이 물은 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 증기발생기로 재유입됨으로써 역시 순환이 이루어지게 된다.
상술한 예시에서 설명된 바와 같이, 종래의 원자로에 사용되는 증기발생기는원자로에서 발생되는 엄청난 양의 고열을 이용하여 증기를 발생시킨다. 즉 증기발생기는 근본적으로 열교환기, 보다 구체적으로는 외부로부터 열을 흡수하여 내부에 흐르는 열교환매체(증기발생기의 경우 물)를 증발시킬 수 있도록 이루어지는 열교환기인 것이다. 이에 따라 증기발생시에서의 증기 발생 효율을 높이기 위한 연구는, 일반적인 열교환기의 열교환효율 향상 기술을 적용하는 식으로 이루어져 왔다.
잘 알려진 바와 같이, 열교환기에서 열교환효율을 높이기 위해서 가장 많이 쓰는 방법은 열교환면적을 늘리는 것이다. 대부분의 열교환기에 구비되는 핀이나, 열교환매체가 흐르는 유로(튜브) 상에 형성하는 돌기 등이 모두 열교환면적을 늘리기 위한 설계에 해당한다.
전통적으로 사용되어 온 대형 원자로의 경우에는 이와 같이 열교환면적을 늘리는 설계를 적용하는 것만으로도 충분히 원하는 만큼의 효율을 얻을 수 있었기 때문에, 다른 방향의 연구가 그리 많이 이루어지지 않았다. 한편, 최근 소형 원자로에 대한 요구가 증가하고 있는 추세에 따라 원자로 설비의 절대적인 크기을 줄여 설계하는 연구가 이루어지고 있다. 그런데 이러한 소형 원자로의 경우 상술한 바와 같은 전통적인 방식, 즉 열교환면적을 늘리는 방식만으로는 열교환효율을 향상시키는 데 한계가 있다는 점이 지적되어 왔다.
이에 따라 열교환효율을 더욱 효과적으로 향상시키기 위한 새로운 구조나 원리에 대한 연구가 이루어져 오고 있다. 그 중 한 가지가 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism, 퀀칭(quenching)이라고도 함)으로서, 열교환매체의 상변화를 적극적으로 이용하여 열교환이 이루어지도록 하는 것이다. 기존의 열교환기에서는 대류에 의한 열전달을 주요 열교환원리로 하였던 반면, 이상유동 열전달 현상은 열교환매체의 상변화를 주요 열교환원리로 하기 때문에, 기존의 열교환기에 비해 훨씬 고효율의 열교환을 실현할 수 있다.
이러한 이상유동 열전달 현상이 실험실 수준이 아닌 상용 수준으로 이용할 수 있기 위해서는, 이상유동 열전달 현상을 효과적으로 발생시킬 수 있는 최적의 구조 설계가 이루어져야 한다. 현재 이러한 최적 구조 설계에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있기는 하나, 아직까지는 널리 적용되고 있지는 못하는 실정이다. 한 예로서 미국특허등록 제7392767호("Method and apparatus for heating a circulating fluid using a quench column and an indirect heat exchanger")에는 고온의 유체가 흐르는 다수 개의 파이프가 병렬적으로 배치되도록 하고 퀀칭 원리를 이용하여 상기 파이프 내의 고온 유체를 냉각시키는 열교환장치가 개시된다.
그런데, 이러한 퀀칭 원리를 적용하는 열교환기라 할지라도 대부분 냉각장치의 효율을 향상하고자 하는 관점에서 연구 및 설계되고 있을 뿐으로, 증기발생기 분야로는 퀀칭 원리를 적용하고자 하는 연구가 거의 이루어지지 않아 왔다.
1. 미국특허등록 제7392767호("Method and apparatus for heating a circulating fluid using a quench column and an indirect heat exchanger")
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이상유동 열전달 현상을 이용하여 고효율로 증기를 발생시킬 수 있도록 하는 증기분사기를 제공함에 있다. 더 나아가서는, 이와 같이 증기 발생 효율이 향상됨으로써 특히 소형 원자로의 증기발생기로서 활용이 가능하도록 하는 증기분사기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 증기분사기는, 상대적으로 고온인 고온유체가 유통되며, 복수 개가 방사상으로 배치되어 중심부에 통로를 형성하는 고온유체튜브(110); 상대적으로 저온인 저온유체를 저온유체공급관(125)을 통해 공급받아 분사하며, 상기 고온유체튜브(110)들이 형성하는 중심부 통로 상에 배치되는 저온유체노즐(120); 을 포함하여 이루어지며, 상기 저온유체노즐(120)에서 분사된 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110) 표면에 접촉하여 열을 흡수하여 증발되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의하여 증기가 발생되도록 이루어질 수 있다. 특히 이 때, 상기 고온유체튜브(110)는 상하 방향으로 연장되는 형태로 배치되며, 상기 저온유체노즐(120)은 상기 고온유체튜브(110)의 상측에 배치되도록 이루어지고, 상기 증기분사기(100)는 원자로의 증기발생기로서 채용되어, 원자로 압력용기 내에 수용되어 원자로 노심을 냉각시키는 냉각수가 증발된 냉각수증기가 고온유체로 작용하되, 상측으로부터 공급되어 온 고온유체가 상기 증기분사기(100)를 통과하면서 냉각되어 배출되고, 배출된 고온유체 응축액은 상기 원자로 압력용기로 공급되어 순환을 이루며, 상기 증기분사기(100)에서 배출된 증기가 원자로 터빈으로 공급되어 원자로 발전이 이루어지되, 상기 원자로 터빈을 회전시키고 냉각된 증기 응축액이 저온유체로 작용하여 상기 증기분사기(100)로 공급되어 순환을 이루도록 형성될 수 있다.
이 때 상기 고온유체튜브(110)는, 상기 저온유체노즐(120)에서 분사된 저온유체 방울 및 증기에 회오리 유동을 유발하도록, 헬리컬(helical) 형상으로 형성되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 증기분사기(100)는, 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들로 고온유체를 동시 공급하도록, 상기 고온유체튜브(110)의 일측에 구비되는 고온유체공급헤더(115); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 상기 증기분사기(100)는, 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 방사상으로 배치되어 중심부에 통로를 형성함으로써 고온유체튜브 세트(110S)를 형성하되, 상기 고온유체튜브 세트(110S)를 적어도 하나 이상 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 상기 증기분사기(100)는, 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 형성하는 중심부 통로를 통해 흘러가는 저온유체 방울 및 증기의 흐름 방향을 안내하도록, 상기 고온유체튜브(110)를 둘러싸는 형태로 형성되는 증기유도관(130); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 증기유도관(130)은, 상기 증기유도관(130) 내부의 과압을 방지하도록, 측면 상에 적어도 하나 이상의 통공이 형성되도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 이상유동 열전달 현상을 이용하여 열교환을 수행하여 증기를 발생시키기 때문에, 기존의 증기발생기에 비하여 비약적으로 증기 발생 효율을 향상시킬 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 증기발생기란 기본적으로 열교환기로서, 증기 발생 효율의 향상을 위해서는 결국 열교환기의 열교환성능을 향상시켜야 한다. 이 때 본 발명의 증기분사기는 기존의 열교환기들이 단순히 대류 및 전도와 같은 기본적인 열전달 원리를 이용하여 열교환을 수행하였던 것과는 달리, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용하여 열교환이 이루어지도록 하기 때문에, 기존의 열교환기들에 비해 훨씬 신속한 열교환을 실현할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 궁극적으로는 기존의 증기발생기에 비해 훨씬 고효율로 증기를 발생시킬 수 있는 것이다.
특히 본 발명에 의하면, 이러한 이상유동 열전달에 의한 열교환이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있도록, 고온유체 튜브관에 저온유체를 분사(spray)하여 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환이 이루어지도록 하되, 고온유체가 흐르는 튜브관이 헬리컬 형상으로 이루어지도록 하여 유동에 회오리를 유발하도록 이루어진다. 이에 따라 회오리 유동에 의해 덜 증발된 저온유체 방울이 지속적으로 고온유체 튜브관을 때리면서 증발하게 되어, 단순히 저온유체를 분사하는 것보다 훨씬 증기 발생 효율이 향상되게 된다. 즉, 본 발명의 증기분사기가 가지는 특수한 형상에 의하여, 단지 이상유동 열전달 현상을 이용하는 기존의 열교환기들보다도 더욱 열교환효율(나아가 증기 발생 효율)이 향상되는 큰 효과가 있는 것이다.
물론 본 발명에 의하면, 이처럼 기존에 비해 증기를 훨씬 효과적으로 발생시킬 수 있음으로서, 본 발명의 증기분사기를 원자로에 사용되는 증기발생기로서 채용하여 원자로의 효율을 향상시킬 수 있는 효과 또한 있다. 특히 본 발명의 이러한 장점은, 원자로가 소형이어서 열교환면적 향상에 의한 열교환효율 향상으로는 성능 향상에 한계가 있는 경우에 더욱 효과적으로 발휘된다.
도 1은 일반적인 원자력 발전 원리.
도 2는 이상유동 열전달 원리.
도 3은 본 발명의 증기분사기의 한 실시예의 단면도.
도 4는 본 발명의 증기분사기의 고온유체튜브의 한 실시예의 사시도.
도 5는 본 발명의 증기분사기의 고온유체튜브의 다른 실시예의 사시도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 증기분사기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)를 이용하여 열전달이 이루어지도록 한다. 도 2은 본 발명에서 사용되는 이상유동 열전달 현상의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용하는 이상유동 열전달 장치는, 고온의 열교환매체가 흐르는 방출용 튜브(도 2에서는 좌측 튜브), 저온의 열교환매체가 흐르는 흡수용 튜브(도 2에서는 우측 튜브), 그리고 이 두 튜브들에 다른 열교환매체(도 2에서는 냉각수이나, 물론 다른 액체여도 무방하다)를 분사해 주는 노즐, 이 세 가지를 기본적으로 필요로 한다.
방출용 튜브 내에는 고온의 열교환매체가 흘러가고 있으며, 흡수용 튜브 내에는 저온의 열교환매체가 흘러가고 있다. 기존의 열교환기의 경우에는 이러한 두 튜브를 밀착시켜 줌으로써, 튜브 벽면을 통해 고온측에서 저온측으로 열이 전달되도록 하였으나, 이상유동 열전달 현상을 이용하는 본 발명의 열교환기에서는 그렇게 하지 않고 두 튜브를 적절한 간격으로 이격시켜 둔다.
노즐은 방출용 튜브 측에 구비되어, 방출용 튜브로 냉각수를 분사해 준다. 냉각수가 분사되어 그 물방울들이 방출용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 냉각수 물방울들이 방출용 튜브 내의 고온의 열교환매체가 가지고 있는 열을 순간적으로 흡수하여 빠르게 증발하게 된다. 즉 방출용 튜브 외면에서는 냉각수 물방울들에 의하여 급격하게 많은 양의 증발열이 흡수됨으로써 급랭되는 현상이 일어나며(Tube outside: Quenching), 방출용 튜브 내부에서는 고온의 열교환매체가 냉각수 물방울들의 증발열로서 자신이 가지고 있던 열을 빼앗겨 방출하고 냉각되어 응축되는 현상이 일어난다(Tube inside: Condensation).
상술한 바와 같이 방출용 튜브 주변에서 냉각수는 모두 증발하여 증기 상태가 되는데, 이 증기는 방출용 튜브와 이격되어 배치되어 있는 흡수용 튜브와 접촉하게 된다. 이 때 흡수용 튜브에는 저온의 열교환매체가 흐르고 있기 때문에, 증기가 흡수용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 증기는 흡수용 튜브 내의 저온의 열교환매체로 순간적으로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 흡수용 튜브 외면에 맺히게 된다. 즉 흡수용 튜브 외면에서는 증기가 저온의 열교환매체로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 응축수가 되어 튜브 외면에 맺히거나 흘러내리는 현상이 일어나며(Tube outside: Condensing), 흡수용 튜브 내부에서는 저온의 열교환매체가 증기로부터 열을 흡수함으로써 증발되는 현상이 일어난다(Tube inside: Evaporation).
이와 같이 이상유동 열전달 현상에서는, 방출용 튜브 및 흡수용 튜브가 서로 이격되어 있되, 노즐에서 분사되는 별도의 열교환매체(도 2의 예시에서는 냉각수)가, 노즐에서 액체 상태로 분사되어 방출용 튜브 근처에서 증발되어 기체 상태가 되었다가 흡수용 튜브 근처에서 응축되어 다시 액체 상태로 되돌아오는 방식으로, 기상 - 액상의 두 상(two-phase)으로 변화해 가면서 열전달을 수행한다.
일반적인 열교환기의 구성 및 상술한 이상유동 열전달 원리를 실현하는 장치의 기본 구성을 서로 비교하여 볼 때 가장 큰 차이점은, 기존의 열교환기의 경우 열교환매체의 상변화가 일어나지 않는 반면 이상유동 열전달 장치의 경우 열교환매체의 상변화를 주로 이용하여 열전달이 이루어진다는 것이다. 기존의 열교환기에서는 열교환매체의 열용량이 크기 때문에 열전달 속도 자체가 상당히 느리다는 단점이 있었으나, 이상유동 열전달 장치의 경우 열교환매체의 상변화를 이용하여 열전달을 수행하기 때문에 이러한 문제가 원천적으로 배제된다. 따라서 이러한 이상유동 열전달 방식은 기존의 열전달 방식에 비하여 훨씬 빠르고 효과적으로 열전달을 실현할 수 있는 것이다.
본 발명에서는 바로 이러한 이상유동 열전달 방식을 이용하여 열교환을 수행함으로써, 기존의 일반적인 열교환기 구성을 이용한 증기발생기에 비하여 훨씬 빠르고 효과적인 증기 발생을 실현한다. 이 때, 본 발명의 증기분사기의 궁극적인 목적은 어느 한 쪽의 유체에서 다른 한 쪽의 유체로 열을 전달하는 것이 아니라, 증기를 발생시키는 것이 목적이므로, 도 2의 이상유동 열전달 장치에서 흡수용 튜브에 해당하는 부품은 필요하지 않다. 즉 본 발명의 증기분사기는, 도 2의 이상유동 열전달 장치에서, 방출용 튜브 및 노즐에 해당하는 부품만을 포함하면 된다.
도 3은 본 발명의 증기분사기의 한 실시예의 단면도를 도시하고 있으며, 도 4는 본 발명의 증기분사기의 고온유체튜브의 한 실시예의 사시도를 도시하고 있다. 또한 도 5는 본 발명의 증기분사기의 고온유체튜브의 다른 실시예의 사시도를 도시하고 있다. 먼저 도 3을 통해 본 발명의 증기분사기의 전반적인 구성을 살펴보면, 본 발명의 증기분사기(100)는, 기본적으로 고온유체튜브(110) 및 저온유체노즐(120)을 포함하여 이루어진다. 여기에, 고온유체 또는 저온유체의 원활한 공급을 위해 고온유체공급헤더(115) 또는 저온유체공급관(125)을 더 포함하여 이루어질 수 있으며, 발생된 증기의 원활한 안내 및 장치 전체의 안정성 향상을 위해 증기유도관(130)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 고온유체튜브(110)에는 상대적으로 고온인 고온유체가 유통되며, 복수 개가 방사상으로 배치되어 중심부에 통로를 형성한다. 또한 상기 저온유체노즐(120)은 상대적으로 저온인 저온유체를 저온유체공급관(125)을 통해 공급받아 분사하며, 상기 고온유체튜브(110)들이 형성하는 중심부 통로 상에 배치된다. 본 발명에서, 상기 고온유체튜브(110)는 도 2의 이상유동 열전달 장치의 방출용 튜브에 해당하며, 상기 저온유체노즐(120)은 도 2의 이상유동 열전달 장치의 노즐에 해당한다. 즉 본 발명의 증기분사기(100)에서는, 상기 저온유체노즐(120)에서 분사된 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110) 표면에 접촉하여 열을 흡수하여 증발됨으로써 증기가 발생되게 된다. 이 때 저온유체는 액상으로 배출되었다가 상기 고온유체튜브(110) 표면에서 열을 흡수하여 기상으로 변화되는 바, 액상 - 기상의 두 상(two-phase)으로 변화해 가면서 열전달을 수행하는 것으로서, 즉 본 발명의 증기분사기(110)에서는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의하여 증기가 발생된다고 할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 증기분사기(100)는 이상유동 열전달 장치를 응용하여 빠른 열전달이 이루어지도록 하여 신속하고 빠르게 다량의 증기를 발생시킬 수 있다. 여기에 더불어, 본 발명의 증기분사기(100)는 특별한 형상적 구조를 가짐으로써 이러한 증기 발생 효율 향상 효과를 더욱 강화한다. 이에 대하여 아래에서 보다 상세히 설명한다.
도 3의 단면도에 보인 바와 같이 본 발명의 증기분사기(100)는, 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 방사상으로 배치되어 중심부에 통로를 형성하고, 이 통로에 상기 저온유체노즐(120)이 배치되어 중심부 통로로 저온유체 방울을 분사하도록 이루어진다. 이 때, 상기 고온유체튜브(110)는 일자로 곧게 연장된 일반적인 관 형태로 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 고온유체튜브(110)가 일자로 곧게 연장된 형태로 형성될 경우, 상기 저온유체노즐(120)에서 분사된 저온유체 방울 및 증기는 노즐의 분사 방향에 따라 분산되되, 최종적으로는 중력의 영향에 의하여 상측에서 하측으로 자연히 떨어져 내리게 된다. 그런데 이 과정에서, 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110)에 접촉하기 위해서는 반경 방향으로 나아가야 하는데, 저온유체 방울이 반경 방향으로 힘을 받을 수 있는 것은 최초에 상기 저온유체노즐(120)로부터 분사되는 시점 뿐이다. 만일 최초에 상기 저온유체노즐(120)로부터 분사되는 시점에 어떤 저온유체 방울이 완전히 수직 하방으로 분사되었다면, 이 저온유체 방울은 상기 고온유체튜브(110)에 접촉하지 못하게 된다. 따라서 결과적으로 이 저온유체 방울은 증발하지 못하고 액상인 채로 상기 증기분사기(100) 밖으로 배출될 수도 있게 된다.
이처럼 상기 고온유체튜브(110)가 일자로 연장된 형태로 형성될 경우, 상기 저온유체노즐(120)에서 저온유체를 아무리 잘 분사한다 하여도, 분사된 저온유체 방울이 진행할 수 있는 궤적에 한계가 있기 때문에, 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110) 표면에 접촉하여 증발되는 효율을 어느 한계 이상으로 끌어올리기 어려울 수 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 발명에서는 도 4의 사시도에 보이는 바와 같이 상기 고온유체튜브(110)가 헬리컬(helical) 형상으로 형성되도록 한다. (상기 고온유체튜브(110)들이 안정적으로 결합되어 있을 수 있도록, 도 4에 도시된 바와 같이 고온유체튜브 지지밴드(110a)를 더 둘러 구비할 수도 있다.) 상기 고온유체튜브(110)가 이처럼 헬리컬 형상으로 형성되게 하면, 상기 저온유체노즐(120)에서 분사된 저온유체 방울 및 증기에는 상기 고온유체튜브(110)의 헬리컬 형상 자체에 의해서 자연스럽게 회오리 유동이 유발된다. 상술한 바와 같이 상기 고온유체튜브(110)가 일자로 연장된 형상으로 이루어질 경우, 저온유체 방울 및 증기의 유동은 단지 상측에서 하측 방향의 일자로 유도될 뿐이며, 따라서 앞서 설명한 바와 같은 증기 발생 효율 한계 문제를 피할 수 없게 된다. 그러나 도 4에서와 같이 상기 고온유체튜브(110)가 헬리컬 형상으로 형성됨으로써 저온유체 방울 및 증기의 유동이 회오리 유동을 형성하게 되면, 최초 분사 시점에서 완전히 수직 하방으로 분사되었던 저온유체 방울이라 하더라도, 회오리 유동에 실려 이동함으로써 상기 고온유체튜브(110)와 접촉하게 될 확률이 훨씬 올라가게 된다. 즉 이러한 회오리 유동에 의하여, 상기 저온유체노즐(120)에서 분사된 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110)와의 접촉하게 될 확률이 (원래의 분사 방향 및 예상 궤적에 따라 예상되는) 기존보다 비약적으로 향상되며, 따라서 저온유체 방울의 증발 효율, 다시 말해 증기 발생 효율 역시 훨씬 향상된다.
또한 액상의 저온유체 방울은 기상의 증기에 비하여 당연히 밀도가 높은데, 이러한 회오리 유동에 의하여 밀도가 높은 저온유체 방울이 반경 방향의 바깥쪽으로 더 몰리게 되는 경향이 자연스럽게 나타나게 된다. 이 때 반경 방향의 가장 바깥쪽에는 바로 상기 고온유체튜브(110)가 위치하고 있다. 즉 회오리 유동에 의해, 상대적으로 밀도가 낮으며 이미 증발되어 기상이 되었으므로 더 이상 열을 흡수할 필요가 없는 증기는 통로의 가운데 쪽으로 모여 흘러가고, 상대적으로 밀도가 높으며 열을 흡수하여 증발될 필요가 있는 저온유체 방울은 통로의 최외측, 즉 상기 고온유체튜브(110)의 벽면으로 몰리게 해 주는 것이다. 결과적으로 이는 덜 증발된 저온유체 방울들의 증발 효율을 더욱 향상시켜 주게 된다.
한편 상술한 바와 같이 액상의 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110)에 접촉함으로써 열에너지를 흡수하여 증발함으로써 증기가 발생되는데, 이 과정에서 상기 고온유체튜브(110) 내 고온유체가 열을 빼앗김으로써 상기 고온유체튜브(110) 표면의 일부가 냉각될 수 있다. 이 자리에 바로 다른 저온유체 방울이 접촉하게 될 경우, 저온유체 방울을 증발시킬 만큼의 충분한 증발열을 공급하지 못할 수 있으며, 이 경우 이 저온유체 방울은 증발하지 못하고 액상인 채로 상기 고온유체튜브(110) 표면에 맺혀 있게 될 수 있다. 뿐만 아니라 상기 고온유체튜브(110) 내를 진행하는 고온유체의 진행 경로가 길어질수록 진행 과정에서 저온유체 방울들로 열을 빼앗김으로써 고온유체의 온도가 낮아지기 때문에, 상기 고온유체튜브(110)의 입구측에 비해 출구측 근처에서는 이처럼 상기 고온유체튜브(110) 표면에 저온유체 방울이 액상인 채로 맺혀있는 상태가 될 확률이 높아진다.
그러나 도 4에서와 같이 상기 고온유체튜브(110)가 헬리컬 형상으로 이루어져 저온유체 방울 및 증기에 회오리 유동을 발생시키게 되면, 회오리 유동에 따른 원심력에 의하여 상기 고온유체튜브(110) 표면에 맺혀 있던 저온유체 방울이 떨어져 나가게 될 수 있다. 이렇게 떨어져 나간 저온유체 방울은 상대적으로 크기가 작아지고 또한 상기 고온유체튜브(110)의 다른 위치에 접촉하게 될 확률이 높아지므로, 결과적으로 증발 효율을 높일 수 있게 된다. 뿐만 아니라 고온유체의 진행 경로가 길어짐에 따라 회오리 유동의 진행 경로도 길어지며 따라서 회오리 세기도 높아지기 때문에, 이러한 효과는 상기 고온유체튜브(110)의 출구측에서 더 크게 작용하게 된다.
이처럼 상기 고온유체튜브(110)가 헬리컬 형상으로 이루어짐으로써 저온유체 방울 및 증기가 회오리 유동을 형성하게 되어, 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110)의 표면과 접촉할 확률을 크게 향상할 수 있다. 이에 따라 상술한 바와 같은 여러 가지 효과에 의하여 저온유체 방울이 증발되는 효율이 높아지며, 궁극적으로 증기 발생 효율을 비약적으로 향상할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 증기분사기(100)는 이처럼, 이상유동 열전달 원리를 이용할 뿐만 아니라 헬리컬 형상으로 된 고온유체관에 의해 유발되는 회오리 유동을 이용하여, 기존의 일반적인 열교환기 형태로 된 증기발생기에 비하여 월등히 고효율로 증기를 발생시킬 수 있다. 본 발명의 증기분사기(100)를 원자로의 증기발생기 자리에 설치할 경우, 도 3을 참조할 때, 상측으로부터 공급되어 온 고온유체는 저온유체를 증발시키면서 냉각되어 상기 증기분사기(100)를 빠져나가게 되며, 이 고온유체는 다시 원자로 노심을 냉각하는데 사용되어 순환을 이룬다. 또한 상측에서 분사된 저온유체는 이상유동 열전달 원리 및 회오리 유동에 의한 다양한 효과에 의하여 우수한 효율로 증발되어, 최종적으로 중심부 하측으로 배출된다. 바로 이 증기가 모여져서 터빈으로 전달됨으로써 원자로 발전이 이루어지게 되는데, 이처럼 본 발명의 증기분사기(100)를 이용하며 종래보다 훨씬 고효율로 증기를 발생시킬 수 있으므로, 궁극적으로는 원자로의 발전 효율을 훨씬 향상시킬 수 있게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 증기분사기(100)는 상기 고온유체튜브(110) 및 상기 저온유체노즐(120)만으로 이루어질 수도 있지만, 보다 구조적인 안정성과 편의성을 위해 아래와 같은 부품들이 더 구비될 수 있다.
먼저 상기 증기분사기(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이 고온유체공급헤더(115)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 고온유체공급헤더(115)는, 상기 고온유체튜브(110)의 일측에 구비되어 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들로 고온유체를 동시 공급할 수 있도록 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 증기분사기(100)는 원자로의 증기발생기로 활용될 수 있는 것이다. 일반적으로 원자로의 증기발생기에는 원자로 노심에서 발생되는 엄청난 양의 열을 흡수한 냉각재(대개 물)가 하나의 파이프라인을 통해 공급되어 온다. 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 방사상으로 배치되어 중심부에 통로를 형성함으로써 고온유체튜브 세트(110S)를 형성하게 되는데, 상기 고온유체공급헤더(115)에 의하면 이처럼 하나의 파이프라인을 통해 공급되어 온 고온유체를 상기 고온유체튜브 세트(110S)에 용이하게 분배해 줄 수 있게 된다.
한편 본 발명의 증기분사기(100)는, 도 4의 실시예에 도시된 바와 같이 상기 고온유체튜브 세트(S)를 한 개 포함할 수도 있고, 또는 도 5의 다른 실시예에 도시된 바와 같이 상기 고온유체튜브 세트(S)를 복수 개 포함할 수도 있다. 도 5의 실시예에서와 같이 상기 고온유체튜브 세트(S)가 복수 개 포함될 경우, 어느 하나의 고온유체튜브 세트(S) 중심부의 통로를 통해 진행하던 저온유체 방울 및 증기가 바깥으로 빠져나온다고 해도, 밀접해 있는 다른 고온유체튜브 세트(S)에 속해 있는 다른고온유체튜브(110) 표면에 접촉하게 될 확률이 높으며, 이에 따라 증기 발생 효율이 더욱 향상될 수 있다.
더불어 상기 증기분사기(100)는, 역시 도 3에 도시된 바와 같이 증기유도관(130)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 증기유도관(130)은 상기 고온유체튜브(110)를 둘러싸는 형태로 형성되며, 상기 증기유도관(130)에 의해 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 형성하는 중심부 통로를 통해 흘러가는 저온유체 방울 및 증기의 흐름 방향이 보다 원활히 안내될 수 있게 된다. 이 때 상기 증기유도관(130) 측면에는, 상기 증기유도관(130) 내부의 과압을 방지하도록 적어도 하나 이상의 통공이 형성되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 고온유체튜브(110)들이 서로 틈새가 없을 정도로 딱 맞게 배치되어 있다면 중심부 통로를 통해 저온유체 방울 및 증기가 새어나가지 않고 잘 흘러갈 수 있겠으나, 실제로는 상기 고온유체튜브(110)들 사이에 약간의 틈새가 필연적으로 발생하게 된다. 매우 고온의 유체가 상기 고온유체튜브(110) 내를 흘러갈 경우 열팽창에 의해 상기 고온유체튜브(110)의 부피가 변화하므로, 제작 시 반드시 상기 고온유체튜브(110)들 사이에 적절한 여유분의 틈새를 형성하여야 하기 때문이다. 이러한 틈새가 없다면 열팽창에 의해 상기 고온유체튜브(110)의 부피가 커짐에 따라 서로를 누르게 되어 응력 집중에 의해 파손이 일어날 위험성이 있다. 이러한 점을 고려할 때 상기 고온유체튜브(110)들 간의 틈새는 고온유체의 예상 최대 온도에 맞추어 적절한 안전팩터를 두고 설계되어야 한다. 그런데 원자로 노심에서 발생되는 열에너지의 양이 항상 일정한 것이 아니기도 하고, 고온유체의 예상 최대 온도가 되었다 해도 (안전팩터를 두었기 때문에) 약간의 틈새가 존재하게 되는 바, 결국 상기 고온유체튜브(110)들 간에는 항상 약간의 틈새가 형성된다고 생각하여야 한다.
따라서 복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 형성하는 중심부 통로를 통해 저온유체 방울 및 증기가 흘러갈 때, 상기 고온유체튜브(110)들 간 틈새로 저온유체 방울 및 증기가 새어나갈 수 있다. 상기 증기유도관(130)은 바로 이처럼 새어나가는 저온유체 방울 및 증기를 막아 주는 역할을 한다. 증기의 경우 상기 증기유도관(130)에 의하여 새어나가지 않고 원래 유도하고자 했던 흐름 방향대로 흘러가게 된다. 저온유체 방울의 경우 상기 증기유도관(130) 벽면에 부딪쳐 반대 방향으로 튐으로써 상기 고온유체튜브(110)에 접촉하여 증발되거나, 또는 (상기 고온유체튜브(110)에서 발생되는 열에 의해 상기 증기유도관(130) 역시 고온이 되어 있을 것이므로) 상기 증기유도관(130) 벽면에 접촉하여 증발될 수 있으며, 결국 궁극적으로 증기 발생 효율을 더욱 높여줄 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 증기분사기
110: 고온유체튜브 115: 고온유체공급헤더
110S: 고온유체튜브 세트 110a: 고온유체튜브 지지밴드
120: 저온유체노즐 125: 저온유체공급관
130: 증기유도관

Claims (6)

  1. 상대적으로 고온인 고온유체가 유통되며, 복수 개가 방사상으로 배치되어 중심부에 통로를 형성하되, 저온유체노즐(120)에서 분사된 저온유체 방울 및 증기에 회오리 유동을 유발하도록, 헬리컬(helical) 형상으로 형성되는 고온유체튜브(110);
    상대적으로 저온인 저온유체를 저온유체공급관(125)을 통해 공급받아 분사하며, 상기 고온유체튜브(110)들이 형성하는 중심부 통로 상에 배치되는 저온유체노즐(120);
    복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 형성하는 중심부 통로를 통해 흘러가는 저온유체 방울 및 증기의 흐름 방향을 안내하도록, 상기 고온유체튜브(110)를 둘러싸는 형태로 형성되며, 상기 증기유도관(130) 내부의 과압을 방지하도록, 측면 상에 적어도 하나 이상의 통공이 형성되는 증기유도관(130);
    을 포함하여 이루어지며,
    상기 저온유체노즐(120)에서 분사된 액상의 저온유체 방울이 상기 고온유체튜브(110) 표면에 접촉하여 증발열을 흡수하여 기상으로 증발되어, 상변화에 의하여 열교환이 일어나는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의하여 증기가 발생되도록 이루어지되,
    상기 고온유체튜브(110)는 상하 방향으로 연장되는 형태로 배치되며, 상기 저온유체노즐(120)은 상기 고온유체튜브(110)의 상측에 배치되도록 이루어지고, 상기 증기분사기(100)는 원자로의 증기발생기로서 채용되어,
    원자로 압력용기 내에 수용되어 원자로 노심을 냉각시키는 냉각수가 증발된 냉각수증기가 고온유체로 작용하되, 상측으로부터 공급되어 온 고온유체가 상기 증기분사기(100)를 통과하면서 냉각되어 배출되고, 배출된 고온유체 응축액은 상기 원자로 압력용기로 공급되어 순환을 이루며,
    상기 증기분사기(100)에서 배출된 증기가 원자로 터빈으로 공급되어 원자로 발전이 이루어지되, 상기 원자로 터빈을 회전시키고 냉각된 증기 응축액이 저온유체로 작용하여 상기 증기분사기(100)로 공급되어 순환을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 증기분사기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 증기분사기(100)는,
    복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들로 고온유체를 동시 공급하도록, 상기 고온유체튜브(110)의 일측에 구비되는 고온유체공급헤더(115);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 증기분사기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 증기분사기(100)는,
    복수 개의 상기 고온유체튜브(110)들이 방사상으로 배치되어 중심부에 통로를 형성함으로써 고온유체튜브 세트(110S)를 형성하되,
    상기 고온유체튜브 세트(110S)를 적어도 하나 이상 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 증기분사기.
  5. 삭제
  6. 삭제
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