KR101892549B1 - 열교환기 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및 상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 기체로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로부는, 상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제1 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부; 상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제2 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및 상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제3 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 개시한다.

Description

열교환기 및 이를 구비하는 원전{HEAT EXCHANGER AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}
본 발명은 인쇄기판형(printed circuit) 또는 판형(plate type) 열교환기(heat exchanger) 및 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.
인쇄기판형(printed circuit) 열교환기 기술은 영국 Heatric사(미국 특허공보 US4665975, 1987.05.19. 공고)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, 판형(plate type) 열교환기는 100년 넘게 산업계에서 광범위하게 적용되고 있다. 판형 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. 판형 열교환기의 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기보다 작고 쉘&튜브(shell and tube)형 열교환기보다 우수한 특성이 있다. 또한, 인쇄기판형 열교환기에 비하여 제작이 간편한 특징이 있다.
2000년대 초중반부터 판을 구부려서 만드는 FP(Formed Plate) 열교환기 또는 FPHE와 미세유로를 확산 접합시키는 혼합형 열교환기 등의 기술 개발되고 있으며, 3D 프린터 기술 또한 금속분야까지 적용이 확대되고 있다.
특별한 언급이 없는 한, 본 발명에서 플레이트형 열교환기라 함은, 확산접합에 의한 인쇄기판형 열교환기뿐만 아니라 3D 프린트, 판형, 혼합형 열교환기와 같이 플레이트(판)의 가공 방법이나 용접, 조립 접합 방법에 차이가 있는 경우도 포괄적으로 지칭한다.
또한 특별한 언급이 없는 한, 본 발명에서 열교환기라 함은 일반적인 열교환기뿐만 아니라 증기발생기와 같은 특수 목적 열교환기도 모두 포괄적으로 지칭한다.
그러나 종래의 플레이트형 열교환기는 이상 유동(two-phase flow)이 발생하는 증발기 등의 분야에서는 운전조건이 제한된 범위에서 이용되어 왔다. 플레이트형 열교환기가 쉘&튜브(shell and tube)형 등 다른 형태의 열교환기에 비해 열전달 효율이 매우 우수함에도 불구하고 증기발생기로 광범위하게 사용되지 못했던 이유는 유로채널에서의 유동불안 문제 때문이었다.
이하, 종래의 플레이트형 열교환기의 유로채널에서 발생되는 유동불안 문제에 관하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 플레이트형 열교환기(10)에서 제1 유체로부터 열을 전달받는 제2 유체가 흐르는 제2 플레이트(12)의 유로 구조(d1, 12a)와, 증기발생기에서 열을 전달받아 액체에서 기체(증기)로 변화하는 제2 유체가 흐르며 오리피스(d2, d3, d4)를 구비하는 제2 플레이트(12)의 유로 구조(d2, d3, d4, 12a)를 나타낸 개념도이고, 도 2는 종래의 플레이트형 열교환기(10)에서 제2 유체로 열을 전달하는 제1 유체가 흐르는 제1 플레이트(11)의 유로 구조를 나타낸 개념도이며, 도 3은 종래의 플레이트형 증기발생기(20)에서 열을 전달받아 액체에서 기체(증기)로 변화하는 제2 유체가 흐르며 유로저항부(24)를 구비하는 제2 플레이트(22)의 유로 구조를 나타낸 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 플레이트(11)에 형성된 제1 유로 채널들(11a)을 따라 제1 유체가 통과하면 제2 플레이트(12)로 열이 전달된다. 전달된 열은 제2 유로 채널들(12a)을 따라 흐르는 제2 유체를 가열하게 되거나, 또는 증기발생기로 이용되는 경우 이로 인해 기체(증기)가 발생하게 된다.
이때, 일반적으로 유로채널(flow channel)로 구성된 이상 유동(two-phase flow)이 발생하는 증기발생기에서는 단순히 종래의 플레이트형 열교환기 유로(도 1의 d1)를 적용하는 경우 증기가 형성되면서 발생하는 밀도파가 유로방향의 앞뒤로 전파되어 유동이 불안해진다. 단상영역과 이상영역의 압력강하 위상차가 서로 되먹임을 하며 유동불안을 증폭시키기 때문이다. 특히 공통헤더에 연결된 복수개의 유로채널로 구성된 증기발생기의 경우 이러한 현상은 유로 채널간의 시간차 유동불안(parallel channel oscillation)으로 발전해 증기발생기로서의 기능을 상실하게 한다. 이러한 현상은 증기발생기의 기동 혹은 다른 목적의 저출력운전모드가 필요한 운전범위가 넓은 응용의 경우 특히 중요한 문제가 된다.
이러한 유동불안 현상을 완화하고자 일반적으로 운전범위가 넓은 쉘&튜브형 증기발생기, 특히 튜브를 이차 유로로 이용하는 경우에는 튜브의 입구영역에 유로저항이 큰 오리피스를 설치한다(대한민국 SMART 원자로).
그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 단순히 유로면적을 줄이는 종래의 기술(도 1의 d2 내지 d4)은 유로오염(fouling) 문제 등을 유발할 수 있으며, 이로 인해 원자력 환경과 같이 긴 수명(long life time)이 요구되는 환경에는 적용이 제한될 수 있다. 상기 유로오염(fouling) 현상은 증기발생기를 장기간 운전하면서 각종 불순물이 누적됨에 따라 유로 단면적이 좁아지거나 막혀 급수유량에 영향을 주는 현상을 의미하며, 증기발생기 입구의 유로 단면적이 작을수록 이러한 현상이 가속될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 플레이트형 증기발생기(20)의 제2 플레이트(22) 입구영역에 형성되고 주열전달부에 형성되는 제2 유로 채널들(22a)의 폭보다 작은 폭으로 형성되는 유로 채널들로 구성되는 유로저항부(24)에 관한 기술이 제시된 바 있다. 또한, 상기 제2 플레이트(20)의 하부와 상부에는 제2 유로 채널들(22a)을 흐르는 제2 유체의 입구 헤더(23a)와 출구 헤더(23b)가 형성될 수 있다.
또한, 플레이트형 증기발생기(20)의 주열전달 영역에서는 제2 유체가 단상 유체(물)로 유입되어 열전달에 의해 온도가 상승하고, 열전달에 의해 국부적으로 온도가 포화온도를 넘어섬에 따라 점차 기화되면서 이상 유체로 천이하고, 열전달에 의해 대부분의 유체(물)가 기화되면 과열 유체(증기)로 천이한다. 이와 함께, 상기 주열전달 영역의 각 열전달 영역별로는 제2 유체의 특성이 크게 달라지면서 열전달 계수 또한 큰 차이를 보인다. 특히, 제2 플레이트(20)의 과열 유체 영역에서는 기체(증기)가 열전달 유체로 작용하며 밀도가 낮은 기체의 특성상 열전달 계수가 크게 감소한다.
하지만, 종래의 플레이트형 증기발생기(20)의 제2 플레이트(22)는 상기 주열전달 영역에서 나타나는 서로 다른 열전달 특성 변화에 관계없이 단위 길이당 거의 동일한 열전달 면적을 갖도록 제2 유체의 유로가 구성되고 있다.
본 발명의 일 목적은, 주열전달 영역을 흐르는 유체의 열전달 특성 변화에 따라 서로 다른 유로 채널 구조를 갖는 열교환기 및 이를 구비하는 원전을 제공하는 데에 있다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 열교환기는, 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및 상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 기체로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로부는, 상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제1 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부; 상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제2 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및 상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제3 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 개시한다.
상기 열전달 계수의 크기는 상기 이상영역부, 상기 단상영역부, 상기 과열영역부 순으로 감소하고, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은 상기 열전달 계수가 작은 경우 더 큰 열전달 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제3 유로 채널의 유로 형상은 상기 제1 및 제2 유로 채널의 유로 형상보다 더 큰 열전달 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
복수의 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 서로 연통되게 형성되어 상기 제1 내지 제3 유로 채널에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체의 이동이 가능하도록 이루어질 수 잇다.
복수의 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제3 유로 채널에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체의 이동이 불가하도록 폐쇄된 형태로 구성될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 상기 제2 유체의 진행 방향에 변화를 일으키면서도 유로저항이 작은 유선형의 유로를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 상기 제2 유체의 진행 방향에 변화를 일으키는 곡선 또는 꺾인 형태의 유로를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제1 유로 채널의 유로 형상은 상기 제1 유로 채널에서 상기 제2 유체에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제2 유로 채널의 유로 형상은 상기 제2 유로 채널에서 상기 제2 유체에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 감소한 후 다시 증가하도록 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제3 유로 채널의 유로 형상은 상기 제3 유로 채널에서 상기 제2 유체에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
상기 제2 유로부의 입구영역에 배치되어 상기 제2 유체의 상기 입구영역에서의 유동에 저항을 일으키도록 형성되는 복수의 유로저항 채널을 구비하는 유로저항부를 더 포함할 수 있다.
상기 유로저항 채널의 폭을 증가시켜 상기 유로저항 채널에서 발생되는 유로오염을 완화하도록, 상기 유로저항 채널의 수는 상기 제1 유로 채널의 수보다 적게 구성될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 유로 채널은 판형(plate type) 또는 인쇄기판형(printed circuit type)으로 형성될 수 있다.
상기 제1 유체 또는 상기 제2 유체의 유로 면적 또는 열전달 면적을 증가시키도록, 상기 제1 유로부와 상기 제2 유로부 중 적어도 하나는 복수로 구성될 수 있다.
상기 제1 유로부 또는 상기 제2 유로부의 손상 여부를 모니터링하도록, 상기 제1 유로부와 상기 제2 유로부 사이에 형성되는 복수의 미세 감시유로를 구비하며, 상기 제1 유체 또는 상기 제2 유체가 상기 미세 감시유로로 유입되었는지 또는 상기 미세 감시유로의 유체가 상기 제1 유로부 또는 상기 제2 유로부로 유출되었는지 여부를 감지하도록 구성되는 감시유로부를 더 포함할 수 있다.
아울러 본 발명은, 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및 상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 기체로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로부는, 상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부; 상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및 상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 개시한다.
또한 본 발명은, 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및 상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 증기로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로부는, 상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제1 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부; 상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제2 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체와 증기가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및 상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제3 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 증기 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 증기발생기를 개시한다.
아울러 본 발명은, 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및 상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 증기로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로부는, 상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부; 상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 액체와 증기가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및 상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 증기 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 증기발생기를 개시한다.
또한 본 발명은, 원자로의 노심에 의해 가열되는 제1 유체와, 상기 제1 유체와 열교환되는 제2 유체를 순환시켜 증기를 만들어내는 열교환기를 포함하는 원전에 있어서, 상기 열교환기는, 상기 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및 상기 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로부는, 상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제1 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부; 상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제2 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및 상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제3 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원전을 개시한다.
본 발명에 의하면, 제1 유체와 열교환되어 액체에서 기체로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부는, 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부와, 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부와, 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하고, 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상이, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성된다. 특히, 제2 유체의 열전달 계수가 작은 경우 더 큰 열전달 면적을 갖도록 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상을 구성하여 제1 및 제2 유로부의 크기(길이)를 크게 감소킬 수 있다.
나아가, 열교환기 또는 증기발생기의 크기가 감소함에 따라 열교환기 또는 증기발생기의 설치 공간도 함께 축소시킬 수 있다. 아울러, 원자로 용기와 원자로 건물의 크기도 함께 콤팩트하게 구성 가능하여 원전의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 플레이트형 열교환기에서 제1 유체로부터 열을 전달받는 제2 유체가 흐르는 제2 플레이트의 유로 구조를 나타낸 개념도.
도 2는 종래의 플레이트형 열교환기에서 제2 유체로 열을 전달하는 제1 유체가 흐르는 제1 플레이트의 유로 구조를 나타낸 개념도.
도 3은 종래의 플레이트형 증기발생기에서 열을 전달받아 액체에서 기체로 변화하는 제2 유체가 흐르며 유로저항부를 구비하는 제2 플레이트의 유로 구조를 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 열교환기의 제1 유로부를 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 열교환기의 제2 유로부를 나타낸 개념도.
도 6 내지 도 11은 도 5에 도시된 제2 유로부의 다른 실시예들을 나타낸 개념도들.
도 12는 도 4 및 도 5에 도시된 플레이트형 열교환기에 구비되는 감시유로부를 나타낸 개념도.
도 13은 도 5에 도시된 제2 유로부의 주열전달 영역에서 나타나는 제2 유체의 상태 변화를 개념적으로 나타낸 개념도.
도 14는 도 5에 도시된 제2 유로부의 주열전달 영역에서 나타나는 제2 유체의 열전달 계수 변화를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 열교환기 및 이를 구비하는 원전에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 특별한 언급이 없는 경우 인쇄기판형 또는 판형 열교환기를 플레이트형 열교환기(heat exchanger)로 통칭하며, 3D 프린터나 하이브리드(hybrid) 기술을 활용한 경우에도 적용할 수 있으므로, 적용 범위를 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 이하 열교환기에 관한 설명은 액체를 증기로 변화시키는 증기발생기(steam generator)에도 동일하게 적용될 수 있으므로 증기발생기에 관한 설명은 열교환기에 관한 설명으로 대신한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 열교환기의(100) 제1 유로부(110)를 나타낸 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 열교환기(100)의 제2 유로부(120)를 나타낸 개념도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 열교환기(100)는 제1 유로부(110) 및 제2 유로부(120)를 포함한다.
제1 유로부(110)는 제1 유체(110a)가 흐르도록 형성된다. 제1 유로부(110)는 상기 제1 유체(110a)가 흐르는 복수의 유로 채널(111)을 구비할 수 있다. 상기 유로 채널(111)을 흐르는 상기 제1 유체(110a)는 액체 또는 기체 상태의 단상(single phase) 유동을 나타내며, 후술할 제2 유로부(120)를 흐르는 제2 유체(120a)의 출구온도보다 높은 온도로 공급되도록 상기 제2 유체(120a)로 열을 전달하면서 온도가 점차 감소하도록 이루어진다. 단, 열교환기가 응축기로 활용되는 경우 이와 반대로 제1 유로부(110)로 제2 유로부(120)의 출구온도 보다 낮은 온도의 유체가 공급될 수도 있다. 상기 제1 유로부(110)는 일차 유체가 흐르는 종래의 일반적인 구성이 적용될 수 있다. 또한, 제1 유로부(110)는 제1 유체(110a)의 유로 면적 또는 열전달 면적을 증가시키도록 복수로 구성될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 폐쇄형 유로뿐만 아니라 개방형 또는 유선형의 유로가 적용될 수도 있다.
제2 유로부(120)는 상기 제1 유체(110a)와 열교환되는 제2 유체(120a)가 흐르도록 형성된다. 상기 제2 유체(120a)는 상기 제1 유체(110a)의 출구온도보다 낮은 온도의 액체가 공급되어, 제2 유로부(120)의 주열전달 영역을 흐르며 제1 유체(110a)와의 열교환을 통해 기체(증기발생기의 경우는 증기)로 변화되도록 이루어진다. 여기서, 제2 유로부(120)는, 단상영역부(121)와, 이상영역부(122)와, 과열영역부(123)를 포함한다. 상기 단상영역부(121)는 액상영역부(121)로 지칭할 수도 있다. 또한, 제2 유로부(120)는 제2 유체(120a)의 유로 면적 또는 열전달 면적을 증가시키도록 복수로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 제2 유로부(120)의 하부와 상부에는 제2 유로부(120)를 흐르는 제2 유체(120a)의 입구 헤더(126a)와 출구 헤더(126b)가 형성될 수 있다.
단상영역부(121)는 제2 유로부(120)로 유입된 제2 유체(120a)가 흐르는 복수의 제1 유로 채널(121a)을 구비하고, 유입된 제2 유체(120a)가 액체 상태로 흐르도록 이루어진다. 여기서, 제2 유체(120a)는 유로를 따라 상승하면서 제1 유체(110a)와의 열교환에 의해 온도가 상승한다.
이상영역부(122)는 단상영역부(121)를 통과한 제2 유체(120a)가 흐르는 복수의 제2 유로 채널(122a)을 구비하고, 상기 제2 유체(120a)가 액체와 기체(증기발생기의 경우는 증기)가 혼합된 상태로 흐르도록 이루어진다. 여기서, 제2 유체(120a)는 유로를 따라 상승하면서 액체 상태의 제2 유체(120a)의 온도가 상승하고, 제2 유체(120a)의 온도가 비등점을 넘어가면서 점차 기체(증기발생기의 경우는 증기)로 변화된다.
과열영역부(123)는 상기 이상영역부(122)를 통과한 제2 유체(120a)가 흐르는 복수의 제3 유로 채널(123a)을 구비하며, 상기 제2 유체(120a)가 기체 상태로 흐르도록 이루어진다. 여기서, 상기 제2 유체(120a)는 유로를 따라 상승하면서 기체(증기발생기의 경우는 증기)의 온도가 상승하고 기체의 온도가 포화온도를 넘어서 대부분의 제2 유체(120a)가 기화되어 과열 유체로 바뀌게 된다. 한편, 과열영역부(123)에서 상기 제2 유체(120a)는 밀도가 낮은 기체의 특성상 열전달 계수가 크게 감소한다.
앞서 설명한, 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)은 판형(plate type) 또는 인쇄기판형(printed circuit type)으로 형성될 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a) 중 적어도 하나는 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체(120a)의 이동이 불가하도록 폐쇄된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)은 도 5에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체(120a)의 이동이 불가하도록 모두 폐쇄된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)은 각각 제2 유로부(120)의 입구측에서 출구측을 향하여 각각 직선으로 연장 형성될 수 있다.
한편, 본 도면에서는 도시되지 않았으나, 상기 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a) 중 적어도 하나는 제2 유체(120a)의 진행 방향에 변화를 일으키면서도 유로저항이 작은 유선형의 유로를 더 구비하거나, 상기 제2 유체(120a)의 진행 방향에 변화를 일으키는 곡선 또는 꺾인 형태의 유로를 더 구비할 수도 있다.
여기서, 상기 열교환기(100)는 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기를 변화시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a) 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부(121), 상기 이상영역부(122), 상기 과열영역부(123)에서 각각 나타나는 상기 제2 유체(120a)의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 열전달 계수는 단위 온도차와 단위 열전달 면적에 대하여 일어나는 열전달량을 의미한다. 또한, 제2 유체(120a)에 대한 상기 열전달 면적은 제2 유체(120a)가 흐르는 복수의 유로들을 보다 조밀하게 구성하는 경우 더 큰 열전달 면적을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 열교환기(100)는, 상기 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기를 변화시키도록, 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123) 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부(121), 상기 이상영역부(122), 상기 과열영역부(123)에서 각각 나타나는 제2 유체(120a)의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성될 수도 있다.
예를 들어, 제2 유체(120a)에 대한 상기 열전달 계수의 크기는 이상영역부(122), 단상영역부(121), 과열영역부(123) 순으로 감소하고, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기를 감소시키도록, 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a) 중 적어도 하나의 유로 형상은 상기 열전달 계수가 작은 경우 더 큰 열전달 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 일 예로, 도 5에 도시된 바와 같이 열전달 계수의 크기가 가장 작은 제3 유로 채널(123a)의 유로 형상을 제1 및 제2 유로 채널(121a,122a)의 유로 형상보다 더 큰 열전달 면적을 갖도록 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 도면들에서는 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기를 감소시키는 제2 유체(120a)에 대한 유로 구조에 관하여 도시되었으나, 제2 유로부(120)의 주열전달 영역에서 나타나는 제2 유체(120)의 열전달 계수의 변화에 따라 서로 상이한 유로 구조를 적용하여 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기를 증가시키는 경우의 실시예도 고려될 수 있다.
한편, 본 도면에서는 도시되지 않았으나, 본 발명은, 원자로의 노심에 의해 가열되는 제1 유체와, 상기 제1 유체와 열교환되는 제2 유체를 순환시켜 증기를 만들어내는 열교환기를 포함하는 원전을 제안한다. 여기서, 상기 열교환기는 제1 유로부와 제2 유로부를 포함하며, 상기 제2 유로부는 단상영역부, 이상영역부, 과열영역부를 포함하고, 상기 열교환기, 제1 유로부, 제2 유로부, 단상영역부, 이상영역부, 과열영역부는, 앞서 설명한 열교환기(100)와, 열교환기(100)에 구비되는 제1 및 제2 유로부(110,120)와, 제2 유로부(120)에 구비되는 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123)와 각각 구성 및 효과적인 측면에서 유사한 특징들을 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명에 구성에 의하면, 제1 유체와 열교환하는 제2 유체가 흐르는 상기 열교환기(100)의 제2 유로부(120)는, 제2 유체(120a)가 액체 상태로 흐르는 단상영역부(121)와, 제2 유체(120a)가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부(122)와, 제2 유체(120a)가 기체 상태로 흐르는 과열영역부(123)를 포함하고, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기를 변화시키도록, 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a) 중 적어도 하나의 유로 형상이, 상기 단상영역부(121), 상기 이상영역부(122), 상기 과열영역부(123)에서 각각 나타나는 제2 유체(120a)의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 서로 상이한 열전달 면적을 갖도록 형성된다. 특히, 제2 유체(120a)의 열전달 계수가 작은 경우 더 큰 열전달 면적을 갖도록 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a) 중 적어도 하나의 유로 형상을 구성하여 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기(길이)를 크게 감소시킬 수 있다.
나아가, 열교환기(100)의 크기가 감소함에 따라 열교환기(100)의 설치 공간도 함께 축소시킬 수 있다. 아울러, 원자로 용기와 원자로 건물의 크기도 함께 콤팩트하게 구성 가능하여 원전의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
한편, 상기 열교환기(100)는 유로저항부(124)를 더 포함할 수 있다.
유로저항부(124)는 제2 유로부(120)의 입구영역에 배치되며, 상기 입구영역에서 제2 유체(120a)의 유동에 대한 저항을 일으키도록 형성되어 유동불안을 완화시키는 복수의 유로저항 채널(124a)을 구비할 수 있다. 상기 유로저항 채널(124a)은 제2 유체(120a)의 유동을 위하여 상기 제1 유로 채널(121a)과 연통되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 유로저항 채널(124a)의 수는 상기 제1 유로 채널(121a)의 수보다 적게 구성될 수 있으며, 이에 따라 상기 유로저항 채널(124a)의 폭을 증가시켜 유로저항 채널(124a)에서 발생되는 유로오염(fouling)을 보다 효과적으로 완화시킬 수 있다. 상기 유로오염(fouling) 현상은 열교환기(또는 증기발생기)를 장기간 운전하면서 각종 불순물이 누적됨에 따라 유로 단면적이 좁아지거나 막혀 급수유량에 영향을 주는 현상을 의미한다.
한편, 상기 열교환기(100)는, 상기 유로저항 채널(124a)을 통과한 상기 제2 유체(120a)가 상기 제1 유로 채널(121a)로 유입되도록, 상기 유로저항부(124)와 상기 단상영역부(121) 사이에 형성되어 상기 제2 유체(120a)의 흐름을 가이드하는 복수의 재분배 유로 채널(125a)을 구비하는 유량 재분배부(125)를 더 포함할 수 있다. 유량 재분배부(125)의 형상은 이 밖의 다양한 형상이 채용될 수 있으며, 본 발명에서는 어떤 특정한 형상을 한정하는 것은 아니다.
이하, 도 5에 도시된 제2 유로부(120)의 다른 실시예들에 대하여 도 6 내지 도 11을 참조하여 설명한다.
도 6 내지 도 11은 도 5에 도시된 제2 유로부(120)의 다른 실시예들을 나타낸 개념도들이다.
먼저 도 6을 참조하면, 열교환기(200)에 구비되며 제2 유체(220a)가 흐르는 상기 제2 유로부(220)는 제1 유로 채널(221a)을 구비하는 단상영역부(221)와, 제2 유로 채널(222a)을 구비하는 이상영역부(222)와, 제3 유로 채널(223a)을 구비하는 과열영역부(223)와, 유로저항 채널(224a)을 구비하는 유로저항부(224)와, 재분배 유로 채널(225a)을 구비하는 유량 재분배부(225)와, 입구 헤더(226a) 및 출구 헤더(226b)를 포함하고, 상기 제2 유로부(220)와, 단상영역부(221), 이상영역부(222), 과열영역부(223), 유로저항부(224) 및 유량 재분배부(225)와, 입구 헤더(226a) 및 출구 헤더(226b)는, 앞서 설명한 열교환기(100)에 구비되는 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)를 구비하는 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123)와, 유로저항 채널(124a)을 구비하는 유로저항부(124)와, 재분배 유로 채널(125a)를 구비하는 유량 재분배부(125)와, 입구 헤더(126a) 및 출구 헤더(126b)와 각각 구성 및 효과적인 측면에서 유사한 특징들을 갖는다.
여기서, 복수의 제1 내지 제3 유로 채널(221a,222a,223a) 중 적어도 하나는 서로 연통되게 형성되어 각각의 상기 제1 내지 제3 유로 채널(221a,222a,223a)에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체(220a)의 이동이 가능하도록 이루어질 수 있다. 상기와 같이 유로 채널 사이에 제2 유체(220a)의 이동이 가능하도록 구성되는 경우 쉘&튜브형 열교환기의 쉘 쪽의 특성과 유사해져 제2 유체(220a)의 유동불안이 감소하므로 유로저항부(224)에서 요구하는 유로저항을 감소시킬 수 있고, 유로저항부(224)는 쉘&튜브형 열교환기의 이코노마이저(economizer)와 유사한 기능을 가질 수 있다.
한편, 본 도면에서는 도시되지 않았으나, 제1 내지 제3 유로 채널(221a,222a,223a) 중 적어도 하나가 서로 연통되게 형성된 상태에서, 상기 제1 내지 제3 유로 채널(221a,222a,223a) 중 적어도 하나는 제2 유체(220a)의 진행 방향에 변화를 일으키면서도 유로저항이 작은 유선형의 유로를 더 구비하거나, 상기 제2 유체(220a)의 진행 방향에 변화를 일으키는 곡선 또는 꺾인 형태의 유로를 더 구비할 수도 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 열교환기(300)에 구비되며 제2 유체(320a)가 흐르는 상기 제2 유로부(320)는 제1 유로 채널(321a)을 구비하는 단상영역부(321)와, 제2 유로 채널(322a)을 구비하는 이상영역부(322)와, 제3 유로 채널(323a)을 구비하는 과열영역부(323)와, 유로저항 채널(324a)을 구비하는 유로저항부(324)와, 재분배 유로 채널(325a)을 구비하는 유량 재분배부(325)와, 입구 헤더(326a) 및 출구 헤더(326b)를 포함하고, 상기 제2 유로부(320)와, 단상영역부(321), 이상영역부(322), 과열영역부(323), 유로저항부(324) 및 유량 재분배부(325)와, 입구 헤더(326a) 및 출구 헤더(326b)는, 앞서 설명한 열교환기(100)에 구비되는 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)를 구비하는 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123)와, 유로저항 채널(124a)을 구비하는 유로저항부(124)와, 재분배 유로 채널(125a)를 구비하는 유량 재분배부(125)와, 입구 헤더(126a) 및 출구 헤더(126b)와 각각 구성 및 효과적인 측면에서 유사한 특징들을 갖는다.
여기서, 복수의 제1 내지 제3 유로 채널(321a,322a,323a) 중 적어도 하나는 서로 연통되게 형성되어 상기 제1 내지 제3 유로 채널(321a,322a,323a)에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체(320a)의 이동이 가능하도록 이루어질 수 있다. 또한, 제1 유로 채널(321a)은 도시된 바와 같이 제2 유체(320a)의 진행 방향에 변화를 일으키면서도 유로저항이 작은 마름모 형상(diamond shape)으로 벤딩된 형태(유선형 형태의 단순화한 도시)의 유로를 더 구비할 수 있다. 또한, 본 도면에서는 도시되지 않았으나, 상기 제1 유로 채널(321a)은 제2 유체(320a)에 대한 유로저항이 작으면서도 열전달 효율을 높이기 위해 진행 방향에 변화를 일으키면서도 유로저항이 작은 유선형(streamlined shape)의 유로를 더 구비할 수도 있다. 한편, 이러한 제1 유로 채널(321a)의 구조는 제2 유로 채널(322a) 또는 제3 유로 채널(323a)에도 적용될 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 열교환기(400)에 구비되며 제2 유체(420a)가 흐르는 상기 제2 유로부(420)는 제1 유로 채널(421a)을 구비하는 단상영역부(421)와, 제2 유로 채널(422a)을 구비하는 이상영역부(422)와, 제3 유로 채널(423a)을 구비하는 과열영역부(423)와, 유로저항 채널(424a)을 구비하는 유로저항부(424)와, 재분배 유로 채널(425a)을 구비하는 유량 재분배부(425)와, 입구 헤더(426a) 및 출구 헤더(426b)를 포함하고, 상기 제2 유로부(420)와, 단상영역부(421), 이상영역부(422), 과열영역부(423), 유로저항부(424) 및 유량 재분배부(425)와, 입구 헤더(426a) 및 출구 헤더(426b)는, 앞서 설명한 열교환기(100)에 구비되는 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)를 구비하는 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123)와, 유로저항 채널(124a)을 구비하는 유로저항부(124)와, 재분배 유로 채널(125a)를 구비하는 유량 재분배부(125)와, 입구 헤더(126a) 및 출구 헤더(126b)와 각각 구성 및 효과적인 측면에서 유사한 특징들을 갖는다.
여기서, 복수의 제1 내지 제3 유로 채널(421a,422a,423a) 중 적어도 하나는 서로 연통되게 형성되어 상기 제1 내지 제3 유로 채널(421a,422a,423a)에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체(420a)의 이동이 가능하도록 이루어질 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제3 유로 채널(421a,422a,423a)의 열전달 면적이 상기 제2 유체(420a)의 열전달 계수가 감소하는 순으로 즉, 이상영역부(422), 단상영역부(421), 과열영역부(423) 순으로 증가하도록 형성될 수 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 열교환기(500)에 구비되며 제2 유체(520a)가 흐르는 상기 제2 유로부(520)는 제1 유로 채널(521a)을 구비하는 단상영역부(521)와, 제2 유로 채널(522a)을 구비하는 이상영역부(522)와, 제3 유로 채널(523a)을 구비하는 과열영역부(523)와, 유로저항 채널(524a)을 구비하는 유로저항부(524)와, 재분배 유로 채널(525a)을 구비하는 유량 재분배부(525)와, 입구 헤더(526a) 및 출구 헤더(526b)를 포함하고, 상기 제2 유로부(520)와, 단상영역부(521), 이상영역부(522), 과열영역부(523), 유로저항부(524) 및 유량 재분배부(525)와, 입구 헤더(526a) 및 출구 헤더(526b)는, 앞서 설명한 열교환기(100)에 구비되는 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)를 구비하는 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123)와, 유로저항 채널(124a)을 구비하는 유로저항부(124)와, 재분배 유로 채널(125a)를 구비하는 유량 재분배부(125)와, 입구 헤더(126a) 및 출구 헤더(126b)와 각각 구성 및 효과적인 측면에서 유사한 특징들을 갖는다.
여기서, 복수의 제1 내지 제3 유로 채널(521a,522a,523a) 중 적어도 하나는 서로 연통되게 형성되고, 나머지 복수의 제1 내지 제3 유로 채널(521a,522a,523a) 중 적어도 하나는 서로 폐쇄된 형태로 구성될 수 있어, 상기 제1 내지 제3 유로 채널(521a,522a,523a)에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체(520a)의 이동이 가능하거나, 제2 유체(520a)의 이동이 불가하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 복수의 상기 제1 유로 채널(521a)은 서로 폐쇄된 형태로 구성되며, 복수의 상기 제2 및 제3 유로 채널(522a,523a)은 서로 연통되게 형성될 수 있다. 상기와 같이 이상 유동이 발생하는 유로 채널 사이에 제2 유체(520a)의 이동이 가능하도록 구성되는 경우 쉘&튜브형 열교환기의 쉘 쪽의 특성과 유사해져 제2 유체(520a)의 유동불안이 감소하므로 유로저항부(524)에서 요구하는 유로저항을 감소시킬 수 있고, 유로저항부(524)는 쉘&튜브형 열교환기의 이코노마이저(economizer)와 유사한 기능을 가질 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 열교환기(600)에 구비되며 제2 유체(620a)가 흐르는 상기 제2 유로부(620)는 제1 유로 채널(621a)을 구비하는 단상영역부(621)와, 제2 유로 채널(622a)을 구비하는 이상영역부(622)와, 제3 유로 채널(623a)을 구비하는 과열영역부(623)와, 유로저항 채널(624a)을 구비하는 유로저항부(624)와, 재분배 유로 채널(625a)을 구비하는 유량 재분배부(625)와, 입구 헤더(626a) 및 출구 헤더(626b)를 포함하고, 상기 제2 유로부(620)와, 단상영역부(621), 이상영역부(622), 과열영역부(623), 유로저항부(624) 및 유량 재분배부(625)와, 입구 헤더(626a) 및 출구 헤더(626b)는, 앞서 설명한 열교환기(100)에 구비되는 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)를 구비하는 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123)와, 유로저항 채널(124a)을 구비하는 유로저항부(124)와, 재분배 유로 채널(125a)를 구비하는 유량 재분배부(125)와, 입구 헤더(126a) 및 출구 헤더(126b)와 각각 구성 및 효과적인 측면에서 유사한 특징들을 갖는다.
여기서, 복수의 제1 내지 제3 유로 채널(621a,622a,623a) 중 적어도 하나는 서로 연통되게 형성되어 상기 제1 내지 제3 유로 채널(621a,622a,623a)에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체(620a)의 이동이 가능하도록 이루어질 수 있다. 상기와 같이 이상 유동이 발생하는 유로 채널을 포함하여 전채널 사이에 제2유체(620a)의 이동이 가능하도록 구성되는 경우 쉘&튜브형 열교환기의 쉘 쪽의 특성과 유사해져 제2유체(620a)의 유동불안이 감소하므로 유로저항부(624)에서 요구하는 유로저항을 감소시킬 수 있고, 유로저항부(624)는 쉘&튜브형 열교환기의 이코노마이저(economizer)와 유사한 기능을 가질 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 유로 채널(621a,622a,623a)은 도시된 바와 같이 제2 유체(620a)의 진행 방향에 변화를 일으키면서도 유로저항이 작은 마름모 형상(diamond shape)으로 벤딩된 형태(유선형 형태의 단순화한 도시)의 유로를 더 구비할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 열전달 계수의 크기가 가장 작은 제3 유로 채널(623a)의 유로 형상을 제1 및 제2 유로 채널(621a,622a)의 유로 형상보다 더 큰 열전달 면적을 갖도록 구성할 수 있다. 있다. 열전달 면적을 증가시키는 유로 채널의 선택은 제2 유체(620a)의 뿐만 아니라 제1 유체(110a)의 열전달 특성을 고려하여 결정하게 되므로, 열교환기의 특성에 따라 선택적으로 적용하여야 한다.
다음으로, 도 11을 참조하면, 열교환기(700)에 구비되며 제2 유체(720a)가 흐르는 상기 제2 유로부(720)는 제1 유로 채널(721a)을 구비하는 단상영역부(721)와, 제2 유로 채널(722a)을 구비하는 이상영역부(722)와, 제3 유로 채널(723a)을 구비하는 과열영역부(723)와, 유로저항 채널(724a)을 구비하는 유로저항부(724)와, 재분배 유로 채널(725a)을 구비하는 유량 재분배부(725)를 포함하고, 상기 제2 유로부(720)와, 단상영역부(721), 이상영역부(722), 과열영역부(723), 유로저항부(724) 및 유량 재분배부(725)는, 앞서 설명한 열교환기(100)에 구비되는 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)를 구비하는 단상영역부(121), 이상영역부(122), 과열영역부(123)와, 유로저항 채널(124a)을 구비하는 유로저항부(124)와, 재분배 유로 채널(125a)를 구비하는 유량 재분배부(125)와 각각 구성 및 효과적인 측면에서 유사한 특징들을 갖는다.
여기서, 상기 제2 유로부(720)의 측면부 상의 하부와 상부에는 제2 유로부(720)를 흐르는 제2 유체(720a)의 입구 헤더(726a)와 출구 헤더(726b)가 형성될 수 있다. 도 11에서 입구 헤더(726a)와 출구 헤더(726b)는 제2 유로부(720)의 동일한 측면부 상에 배치되는 것으로 도시되었으나, 동일한 측면부가 아닌 서로 다른 측면부에 각각 배치될 수도 있다. 이러한 특성은 열교환기의 배치 특성에 따라 결정되는 것으로 열교환기의 배치 특성에 따라 선택적으로 적용하여야 한다.
이하, 플레이트형 열교환기(100)에 구비되는 감시유로부(127)에 대하여 도 12를 참조하여 설명한다.
도 12는 도 4 및 도 5에 도시된 플레이트형 열교환기에(100)에 구비되는 감시유로부(127)를 나타낸 개념도이다.
도 12를 참조하면, 열교환기(100)는 감시유로부(127)를 더 포함할 수 있다.
감시유로부(127)는, 상기 제1 유로부(110) 또는 상기 제2 유로부(120)의 손상 여부를 모니터링하도록, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120) 사이에 형성되는 복수의 미세 감시유로(127a)를 구비하며, 상기 제1 유체(110a) 또는 상기 제2 유체(120a)가 상기 미세 감시유로(127a)로 유입되었는지 또는 상기 미세 감시유로(127a)의 유체가 상기 제1 유로부(110) 또는 상기 제2 유로부(120)로 유출 되었는지 여부를 감지하도록 구성된다. 감시유로부(127)는 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120) 중 서로 마주하는 어느 일면 상에 형성될 수 있다. 또한, 감시유로부(127)는 제1 유로부(110) 또는 제2 유로부(120)에 발생되는 손상에 의한 제1 유체(110a) 또는 제2 유체(120a)와 미세 감시유로(127a)를 흐르는 유체 사이의 상관관계에 의해 형성되는 물리적 또는 화학적 상태 변화를 미세 감시유로(127a)와 연결되는 감시헤더(127b)를 통해 감지하도록 이루어지는 감지센서를 더 구비할 수 있다. 상기와 같은 감시유로부(127)를 구비하여 열교환기의 이상 여부를 감시하여 열교환기의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이하, 제2 유로부(120)의 주열전달 영역에서 나타나는 제2 유체(120a)의 상태 변화와 제2 유체(120a)의 열전달 계수 변화에 대하여 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한다.
도 13은 도 5에 도시된 제2 유로부(120)의 주열전달 영역에서 나타나는 제2 유체(120a)의 상태 변화를 개념적으로 나타낸 개념도이고, 도 14는 도 5에 도시된 제2 유로부(120)의 주열전달 영역에서 나타나는 제2 유체(120a)의 열전달 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
우선, 도 13을 참조하면, 단상영역부(121)는 제2 유체(120a)의 온도가 제2 유체(120a)의 압력에 해당하는 포화온도보다 낮은 과냉 액체 상태로만 흐르는 영역이다. 단상영역부(121)의 유로를 따라 제2 유체(120a)의 온도가 증가하며, 제2 유체(120a)의 온도가 포화온도에 가까워지면 기포가 형성되며 이상영역부(122)로 천이한다. 여기서, 단상영역부(121)는 도 13에 도시된 A 구간을 의미한다.
다음으로, 이상영역부(122)는 포화상태의 액체와 기체(증기발생기의 경우는 증기)가 함께 흐르는 영역이다. 기체(기포 등)에 의한 유동 교반으로 열전달 계수가 주열전달 영역의 다른 유동 영역에 비해 가장 높다. 여기서, 이상영역부(122)는 상류에서부터 과냉 비등(subcooled boiling), 포화핵 비등(saturated nucleate boiling), 기타 비등(forced convective heat transfer through liquid film, Liquid deficient region) 구간으로 구분할 수 있다. 이상영역부(122)의 유로를 흐르는 제2 유체(120a)가 모두 비등(혹은 증발)하여 증기만 흐르게 되면 기체는 포화온도 이상으로 과열되기 시작하며 과열영역부(123)로 천이한다. 여기서, 이상영역부(122)는 도 13에 도시된 B 내지 G 구간을 의미한다.
다음으로, 과열영역부(123)는 제2 유체(120a)의 온도가 제2 유체(120a)의 압력에 해당하는 포화온도보다 높은 과열 유체(증기)만 흐르는 영역이다. 보통 과열 영역은 앞서 살펴본 두 영역보다 열전달 계수가 가장 낮게 형성된다. 여기서, 과열영역부(123)는 도 13에 도시된 H 구간을 의미한다.
한편, 도 14를 참조하면, 제2 유로부(120)를 흐르는 상기 제2 유체(120a)의 열전달 계수는 과열영역부(123), 단상영역부(121), 이상영역부(122) 순으로 증가한다. 예를 들어, 단상영역의 열전달 계수는 수백 내지 수천 W/m2K이고, 이상영역의 열전달 계수는 수천 내지 수만 W/m2K이며, 과열 영역의 열전달 계수는 수십 내지 수백 W/m2K로 나타날 수 있다. 보다 구체적으로, 단상영역부(121)의 제2 유체(120a)에 대한 열전달 계수는 밀도 변화에 따라 점진적으로 감소하고, 이상영역부(122)의 제2 유체(120a)에 대한 열전달 계수는 상변화에 따라 급격히 증가한 후 다시 감소하고, 과열영역부(123)의 제2 유체(120a)에 대한 열전달 계수는 밀도 변화에 따라 점진적으로 감소하도록 이루어진다.
또한, 상기 제1 및 제2 유로부(110,120)의 크기를 감소시키도록, 제1 내지 제3 유로 채널(121a,122a,123a)의 유로 형상이 점진적으로 증가하거나 감소하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 유로 채널(121a)의 유로 형상은 상기 제1 유로 채널(121a)에서 상기 제2 유체(120a)에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 증가하도록 형성되거나, 제2 유로 채널(122a)의 유로 형상은 상기 제2 유로 채널(122a)에서 상기 제2 유체(120a)에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 급격히 감소한 후 다시 증가하도록 형성되거나, 제3 유로 채널(123a)의 유로 형상은 상기 제3 유로 채널(123a)에서 상기 제2 유체(120a)에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 증가하도록 형성될 수 있다. 단, 전 영역의 열전달 계수를 고려하여 열교환기를 구성할 수도 있으나, 이 경우 열교환기 유로 구조가 복잡해지고 제작 단가가 상승할 수 있다. 따라서 효과가 작은 영역은 제외하고, 효과가 큰 영역을 선택적으로 고려하여 보다 효율적으로 구성할 수도 있다.
한편, 상기와 같이 제2 유로부(120)의 주열전달 영역을 이루는 각각의 열전달 영역별로 서로 다른 열전달 면적을 갖도록 열교환기의 유로 채널을 구성하는 방법은, 응축기와 같이 상변화를 동반하거나 또는 밀도 변화가 매우 큰(예, 초임계 열교환기) 열교환기에도 적용 가능하므로, 반드시 액상이 기상으로 변하는 열교환기로 한정하는 것은 아니다.
100 : 열교환기 110 : 제1 유로부
110a : 제1 유체 111 : 유로 채널
120 : 제2 유로부 120a : 제2 유체
121 : 단상영역부 121a : 제1 유로 채널
122 : 이상영역부 122a : 제2 유로 채널
123 : 과열영역부 123a : 제3 유로 채널
124 : 유로저항부 124a : 유로저항 채널
125 : 유량 재분배부 125a : 재분배 유로 채널
126a : 입구헤더 126b : 출구헤더
127 : 감시유로부 127a : 미세 감시유로
127b : 감시헤더

Claims (19)

  1. 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및
    상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 기체로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고,
    상기 제2 유로부는,
    상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제1 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부;
    상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제2 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및
    상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제3 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 열전달 면적이 증가하도록 세분화된 유로채널로 형성되고, 상기 과열영역부는 상기 단상영역부 및 이상영역부보다 유로 폭이 더 좁은 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 계수의 크기는 상기 이상영역부, 상기 단상영역부, 상기 과열영역부 순으로 감소하고, 상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은 상기 열전달 계수가 작은 경우 더 큰 열전달 면적을 갖도록 세분화된 유로채널로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 유로 채널의 유로 형상은 상기 제1 및 제2 유로 채널의 유로 형상보다 더 큰 열전달 면적을 갖도록 세분화된 유로채널로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 서로 연통되게 형성되어 상기 제1 내지 제3 유로 채널에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체의 이동이 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제3 유로 채널에서 각각의 유로 채널 상의 인접한 유로 사이에 상기 제2 유체의 이동이 불가하도록 폐쇄된 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 상기 제2 유체의 진행 방향에 변화를 일으키면서도 유로저항이 작은 유선형의 유로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나는 상기 제2 유체의 진행 방향에 변화를 일으키는 곡선 또는 꺾인 형태의 유로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제1 유로 채널의 유로 형상은 상기 제1 유로 채널에서 상기 제2 유체에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제2 유로 채널의 유로 형상은 상기 제2 유로 채널에서 상기 제2 유체에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 감소한 후 다시 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 감소시키도록, 상기 제3 유로 채널의 유로 형상은 상기 제3 유로 채널에서 상기 제2 유체에 대한 상기 열전달 계수의 변화에 근거하여 열전달 면적이 점진적으로 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유로부의 입구영역에 배치되어 상기 제2 유체의 상기 입구영역에서의 유동에 저항을 일으키도록 형성되는 복수의 유로저항 채널을 구비하는 유로저항부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유로저항 채널의 폭을 증가시켜 상기 유로저항 채널에서 발생되는 유로오염을 완화하도록, 상기 유로저항 채널의 수는 상기 제1 유로 채널의 수보다 적게 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 유로 채널은 판형(plate type) 또는 인쇄기판형(printed circuit type)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체 또는 상기 제2 유체의 유로 면적 또는 열전달 면적을 증가시키도록, 상기 제1 유로부와 상기 제2 유로부 중 적어도 하나는 복수로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유로부 또는 상기 제2 유로부의 손상 여부를 모니터링하도록, 상기 제1 유로부와 상기 제2 유로부 사이에 형성되는 복수의 미세 감시유로를 구비하며, 상기 제1 유체 또는 상기 제2 유체가 상기 미세 감시유로로 유입되었는지 또는 상기 미세 감시유로의 유체가 상기 제1 유로부 또는 상기 제2 유로부로 유출되었는지 여부를 감지하도록 구성되는 감시유로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및
    상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 기체로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고,
    상기 제2 유로부는,
    상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부;
    상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및
    상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 열전달 면적이 증가하도록 세분화된 유로채널로 형성되고, 상기 과열영역부는 상기 단상영역부 및 이상영역부보다 유로 폭이 더 좁은 것을 특징으로 하는 열교환기.
  17. 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및
    상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 증기로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고,
    상기 제2 유로부는,
    상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제1 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부;
    상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제2 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체와 증기가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및
    상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제3 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 증기 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 제1 내지 제3 유로 채널 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 열전달 면적이 증가하도록 세분화된 유로채널로 형성되고, 상기 과열영역부는 상기 단상영역부 및 이상영역부보다 유로 폭이 더 좁은 것을 특징으로 하는 증기발생기.
  18. 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및
    상기 제1 유체와 열교환되어 액체에서 증기로 변화하는 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고,
    상기 제2 유로부는,
    상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부;
    상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 액체와 증기가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및
    상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 증기 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 유로부의 크기를 변화시키도록, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부 중 적어도 하나의 유로 형상은, 상기 단상영역부, 상기 이상영역부, 상기 과열영역부에서 각각 나타나는 상기 제2 유체의 서로 다른 열전달 계수에 근거하여 열전달 면적이 증가하도록 세분화된 유로채널로 형성되고, 상기 과열영역부는 상기 단상영역부 및 이상영역부보다 유로 폭이 더 좁은 것을 특징으로 하는 증기발생기.
  19. 원자로의 노심에 의해 가열되는 제1 유체와, 상기 제1 유체와 열교환되는 제2 유체를 순환시켜 증기를 만들어내는 열교환기를 포함하는 원전에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 제1 유체가 흐르는 제1 유로부; 및
    상기 제2 유체가 흐르는 제2 유로부를 포함하고,
    상기 제2 유로부는,
    상기 제2 유로부로 유입된 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제1 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체 상태로 흐르는 단상영역부;
    상기 단상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제2 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 액체와 기체가 혼합된 상태로 흐르는 이상영역부; 및
    상기 이상영역부를 통과한 상기 제2 유체가 흐르는 복수의 제3 유로 채널을 구비하며, 상기 제2 유체가 기체 상태로 흐르는 과열영역부를 포함하며,
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