KR20150058646A - 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 1차측 유체와 2차측 유체가 원활하게 흐르도록 유체의 유로를 형성하여, 유체가 각각의 열교환부 입구에 고르게 유입되도록 하고, 열교환부 입구에서의 유체의 균일화와 유로의 단순화를 통해 유체의 압력강하의 정도를 감소시켜 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있으며, 상부 챔버를 통해 복수개의 하강관으로 유체를 균일하게 분배하므로 2차측 유체 입구와 출구를 1개씩만 형성하여도 충분히 열교환의 균일성을 확보할 수 있는 관계로 유동라인을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 1차측 유체 입구에 제1 반구형 챔버를 연통시켜 1차측 유체의 원활한 유동이 가능하도록 하고, 하부 챔버의 2차측 고온 유체가 제1 반구형 챔버의 1차측 고온 유체로부터 열보전이 가능하도록 한 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 1차측 유체 입구로 유입된 고온 유체가 매니폴드로 이동하기 전에 유동시킨 후 매니폴드로 이동하도록 하는 제1 반구형 챔버; 및 제1 반구형 챔버를 거쳐 매니폴드로 유입된 1차측 고온 유체가 2차측 저온 유체와 열교환한 후 배출되는 1차측 유체 출구와 연결되며, 제1 반구형 챔버와 이격되어 제1 반구형 챔버를 둘러싸는 열교환기 용기를 포함하는 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기를 제공한다.

Description

수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기{Intermediate Heat Exchanger of Very High Temperature Gas-cooled Reactor for Hydrogen Production}

본 발명은 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 1차측 유체와 2차측 유체가 원활하게 흐르도록 유체의 유로를 형성하여, 유체가 각각의 열교환부 입구에 고르게 유입되도록 하고, 열교환부 입구에서의 유체의 균일화와 유로의 단순화를 통해 유체의 압력강하의 정도를 감소시켜 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있으며, 상부 챔버를 통해 복수개의 하강관으로 유체를 균일하게 분배하므로 2차측 유체 입구와 출구를 1개씩만 형성하여도 충분히 열교환의 균일성을 확보할 수 있는 관계로 유동라인을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 1차측 유체 입구에 제1 반구형 챔버를 연통시켜 1차측 유체의 원활한 유동이 가능하도록 하고, 하부 챔버의 2차측 고온 유체가 제1 반구형 챔버의 1차측 고온 유체로부터 열보전이 가능하도록 한 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기에 관한 것이다.

초고온 가스로(VHTR, Very High Temperature Gas-cooled Reactor)는 흑연 감속재와 가스 냉각재를 사용하는 제4세대 원자로로, 대략 950 도씨 이상의 고온 생산으로 경쟁력있는 수소 생산이 가능하여 수소 경제를 대비한 가장 경제성이 있는 원자로로 각광받고 있다. 초고온 가스로는 수소 생산 이외에도 공정열 생산을 통해 발전용으로 사용가능하다.

초고온 가스로의 중간 열교환기는 고온의 1차측 유체와 저온의 2차측 유체간에 열을 안정적으로 교환하고, 수소 생산 공정 설비와 일정거리를 확보함으로서 수소 생산 공정 설비에서의 폭발 발생시 원자로가 입을 수 있는 피해를 1차적으로 방지한다.

대한민국 공개특허공보 제2008-0025694호(2008.3.21.공개)에는 1차측 유체와 2차측 유체 사이의 열교환을 위한 고온 원자로용으로 고안된 열교환기 조립체가 개시되어 있다.

도 1은 상기 선행기술에 개시된 열교환기 조립체의 단면도이다. 도 1에서 고온 유체는 적색, 저온 유체는 청색으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파이프 형상의 1차측 유체 입출구와 2차측 유체 입구 및 2차측 유체 출구가 중심의 매니폴드에 거의 수직으로 용접 등의 방식으로 연결되어 있다. 1차측 유체 입구를 통해 유입된 1차측 고온 유체는 매니폴드의 벽에 지속적인 압력과 열을 전달하게 된다. 이러한 매니폴드와 유체 입출구의 연결부는 높은 수준의 열기계적 응력을 받기 때문에 변형, 균열, 파괴 가능성을 항상 내포하고 있다.

또한, 1차측 저온 유체가 압력용기의 하단까지 이동한 후 1차측 유체 출구로 배출되므로 1차측 유체의 유동이 매우 복잡하다. 유체의 유동이 복잡할 경우 유체의 압력강하로 인해 열교환기의 성능이 저하될 수 있다.

한편, 2차측 유체 입구와 출구는 원주 방향으로 다수 배치되어 있다(도 1은 단면도이므로 1개씩의 2차측 유체 입구와 출구만 도시되어 있음). 이러한 구조는 열교환기의 구조를 복잡하게 만들고, 입출구와 매니폴드 간의 연결부의 개수를 증가시키므로 상기에서 언급한 바와 같이 열기계적 응력에 의한 영향을 받게 되는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 고온의 1차측 유체는 입구로의 유입 즉시 중심에 위치한 매니폴드로 유입되어 상승하므로, 1차측 고온 유체와 2차측 고온 유체가 격리되어 1차측 고온 유체가 2차측 고온 유체의 열 보전에 도움을 줄 수 없게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 유체의 유로를 단순화하고 유동의 균일성을 향상시킬 수 있는 열교환기 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기는 1차측 유체 입구로 유입된 고온 유체가 매니폴드로 이동하기 전에 유동시킨 후 매니폴드로 이동하도록 하는 제1 반구형 챔버; 및 제1 반구형 챔버를 거쳐 매니폴드로 유입된 1차측 고온 유체가 2차측 저온 유체와 열교환한 후 배출되는 1차측 유체 출구와 연결되며, 제1 반구형 챔버와 이격되어 제1 반구형 챔버를 둘러싸는 열교환기 용기를 포함한다.

또한, 상기 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기는 1차측 유체 입구 및 1차측 유체 출구보다 상부에 위치하되 단일의 개수로 구비되는 2차측 유체 입구; 2차측 유체 입구와 연통되어 상단에 위치하며, 하부 방향으로 2차측 저온 유체를 균일하게 분배하는 상부 챔버; 및 상부 챔버의 하단 원주상을 따라 복수개 배치되며, 상부 챔버로부터 각각 분배된 2차측 저온 유체를 열교환부로 유입시키는 하강관을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기는 2차측 유체가 배출되며 2차측 유체 입구보다 하부에 위치하되 단일의 개수로 구비되는 2차측 유체 출구; 및 열교환부를 통해 1차측 고온 유체와 열교환한 2차측 유체를 수용하여 2차측 유체 출구로 전달하고, 매니폴드의 하단 외주면에 형성되며, 제1 반구형 챔버의 상부에 위치하여 제1 반구형 챔버 내에서 유동하는 1차측 고온 유체로부터 2차측 유체가 열을 얻어 온도를 보전할 수 있도록 하는 하부 챔버를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 1차측 유체와 2차측 유체가 원활하게 흐르도록 유체의 유로를 형성하여, 유체가 각각의 열교환부 입구에 고르게 유입되도록 하고, 열교환부 입구에서의 유체의 균일화와 유로의 단순화를 통해 유체의 압력강하의 정도를 감소시켜 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 상부 챔버를 통해 복수개의 하강관으로 유체를 균일하게 분배하므로 2차측 유체 입구와 출구를 1개씩만 형성하여도 충분히 열교환의 균일성을 확보할 수 있는 관계로 유동라인을 단순화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 1차측 유체 입구에 제1 반구형 챔버를 연통시켜 1차측 유체의 원활한 유동이 가능하도록 하고, 하부 챔버의 2차측 고온 유체가 제1 반구형 챔버의 1차측 고온 유체로부터 열보전이 가능하도록 한 효과가 있다.

도 1은 관련 선행기술에 개시된 열교환기 조립체의 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기의 구조를 도시한 단순화된 개념적 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기의 구조를 도시한 단순화된 개념적 단면도이다.

도 2에서 1차측 유체의 흐름은 실선으로, 2차측 유체의 흐름은 점선으로 도시되어 있다. 또한, 고온 유체는 적색으로, 저온 유체는 청색으로 도시되어 있다. 이하에서 '고온'과 '저온'은 상대적인 개념이며, 1차측 유체 입구로 고온의 유체가 유입되고, 2차측 유체 입구로 상대적으로 저온의 유체가 유입되며, 1차측 고온 유체와 2차측 저온 유체가 상호 열교환을 수행한 후 1차측 저온 유체와 2차측 고온 유체가 되어 각각 1차측 유체 출구와 2차측 유체 출구로 배출되는 것으로 정의한다. 따라서, 고온과 저온은 특정한 임계온도를 기준으로 한 것이 아니라 상대적으로 정의되었으며, 절대적인 온도값을 지칭하는 것이 아님을 밝혀둔다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기는 1차측 유체 입구(202), 1차측 유체 출구(204), 2차측 유체 입구(206), 2차측 유체 출구(208), 하부 챔버(210), 제1 반구형 챔버(212), 열교환기 용기(214), 매니폴드(216), 상부 챔버(218), 하강관(220), 및 열교환부(222)를 포함하여 이루어진다.

1차측 유체 입구(202)로는 고온 유체가 유입된다. 1차측 유체 입구(202)는 1차측 유체 출구(204)와 동심원을 이루면서 1차측 유체 출구(204)의 내부에 구비되어 별도 유로를 형성한다.

1차측 유체 입구(202)는 제1 반구형 챔버(212)와 연통된다. 1차측 유체 입구(202)로 유입된 고온 유체는 매니폴드(216)로 유입되기 전에 제1 반구형 챔버(212)로 유입되어 유동함으로써, 유체의 원활한 유동을 확보한다.

1차측 유체 출구(204)로는 저온의 2차측 유체와 열교환이 완료된 저온 유체가 배출된다. 1차측 유체 출구(204)는 1차측 유체 입구(202)와 동심원을 이루면서 1차측 유체 입구(202)의 외부를 둘러싸서 별도 유로를 형성한다.

1차측 유체 출구(204)는 열교환기 용기(214)와 연통된다. 열교환이 완료된 1차측 유체는 1차측 유체 출구(204)로 일부 배출되고 일부는 열교환기 용기(214) 내로 유입된 후, 1차측 유체 출구(204)로 재배출된다.

2차측 유체 입구(206)는 1차측 유체 입구(202) 및 1차측 유체 출구(204)보다 상부에 위치하여 2차측 저온 유체를 유입한다. 2차측 유체 입구(206)는 단일의 개수로 구비된다.

2차측 유체 출구(208)는 열교환이 완료된 2차측 고온 유체를 배출한다. 2차측 유체 출구(208)는 하부 챔버(210)와 연통되어, 하부 챔버(210)로부터 2차측 고온 유체를 전달받아 이를 외부로 배출한다. 2차측 유체 출구(208)도 단일의 개수로 구비된다.

발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 바와 같이 2차측 유체 입구와 2차측 유체 출구가 다수개 형성되면 열교환기의 구조를 복잡하게 만들고, 입출구와 매니폴드 간의 연결부의 개수를 증가시키므로 열기계적 응력에 의한 영향이 증가하게 된다.

본 발명에서는 상부 챔버(218)에서 복수개의 하강관(220)으로 2차측 저온 유체를 균일하게 분배하므로 균일한 열교환을 위해 굳이 2차측 유체 입구와 출구를 다수개 형성할 필요가 없다. 따라서, 본 발명에서 2차측 유체 입구(206)와 2차측 유체 출구(208)는 단일의 개수, 즉 1개씩만 형성되면 충분하다. 이러한 구조는 열교환기의 구조를 단순화하고, 입출구와 매니폴드 간의 연결부 개수를 감소시킬 수 있게 된다.

하부 챔버(210)는 매니폴드(216)의 하단 외주면을 둘러싸는 형상으로 형성된다. 열교환부(222)를 통해 1차측 고온 유체와 열교환한 2차측 유체는 하부 챔버(210)로 모인 후 2차측 유체 출구(208)를 통해 배출된다. 즉, 하부 챔버(210)는 열교환이 완료된 2차측 유체를 수용하여 2차측 유체 출구(208)로 전달한다.

하부 챔버(210)는 제1 반구형 챔버(212)의 상부에 위치하여 제1 반구형 챔버(212) 내에서 유동하는 1차측 고온 유체로부터 2차측 고온 유체가 열을 얻어 온도를 보전할 수 있도록 한다. 즉, 제1 반구형 챔버(212) 내에 위치한 1차측 고온 유체는 하부 챔버(210)를 경계로 하부 챔버(210) 내부에 위치한 2차측 고온 유체와 접하게 된다. 따라서, 1차측 고온 유체는 2차측 고온 유체에 열을 전달하게 되고 그 결과 2차측 고온 유체의 온도가 저하되는 것을 방지하고 일종의 보온 기능을 제공하게 된다. 이를 통해 열교환기의 효율을 높이고 1차측과 2차측 간의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

제1 반구형 챔버(212)는 1차측 유체 입구(202)로 유입된 고온 유체가 매니폴드(216)로 이동하기 전에 유동시킨 후 매니폴드(216)로 이동하도록 한다. 제1 반구형 챔버(212)는 1차측 유체 입구(202)와 연통되는 구조를 취하고 있다.

열교환기 용기(214)는 제1 반구형 챔버(212)를 거쳐 매니폴드(216)로 유입된 1차측 고온 유체가 2차측 저온 유체와 열교환한 후 배출되는 1차측 유체 출구(204)와 연결된다. 열교환기 용기(214)는 제1 반구형 챔버(212)와 소정 간격 이격되어 제1 반구형 챔버(212)를 둘러싸는 형상을 갖는다.

즉, 제1 반구형 챔버(212)에는 1차측 고온 유체가 수용되고, 열교환기 용기(214)에는 1차측 저온 유체가 수용된다.

매니폴드(중심관, 216)는 제1 반구형 챔버(212)로부터 유입되어 상승한 1차측 고온 유체를 열교환부(222)로 전달하여, 2차측 저온 유체와 열교환이 이루어지도록 한다.

상부 챔버(218)는 2차측 유체 입구(206)와 연통되어 열교환기의 상단에 위치한다. 상부 챔버(218)는 열교환부(222)의 상부 전체를 커버하는 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 여기서 상부 챔버의 형상을 한정하는 것은 아니다. 상부 챔버(218)는 복수개의 하강관(220)을 통해 하부 방향으로 2차측 저온 유체를 균일하게 분배한다. 이와 같은 상부 챔버(218)와 하강관(220) 구조는 열교환부(222) 전체를 이용하여 열교환의 균일성을 확보할 수 있도록 한다.

하강관(220)은 상부 챔버(218)의 하부에 복수개 구비된다. 일례로, 하강관(220)은 상부 챔버(218)의 하단 원주상을 따라 복수개 원형으로 배치될 수 있다. 하강관(220)은 상부 챔버(218)로부터 각각 분배된 2차측 저온 유체를 열교환부(222)로 유입시킨다.

열교환부(222)는 1차측 유체와 2차측 유체 간의 열교환을 수행한다.

본 발명은 1차측 유체 입구(202)를 통해 유입된 고온의 1차 유체가 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 선행기술과 같이 바로 매니폴드로 유입되는 것이 아니라, 원활한 유동을 위해 하부의 제1 반구형 챔버(212)에서 휘돌고 매니폴드(216)로 이동하게 된다. 고온의 1차측 유체는 열교환부(222)를 통과한 후 저온의 1차측 유체가 되고, 단순화된 유로를 통해 1차측 유체 출구(204)로 통과하게 된다.

2차측 유체 입구(206)로 유입된 저온의 2차측 유체는 열교환기 상단에 위치한 상부 챔버(218)를 지나 하강관(220)을 통해 열교환부(222)로 유입하게 된다. 상부 챔버(218)에서는 각각의 하강관(220)에 2차측 유체가 균일하게 분배되도록 한다.

본 발명은 1차측 유체와 2차측 유체가 원활하게 흐르도록 유체의 유로를 형성하여, 유체가 각각의 열교환부 입구에 고르게 유입되도록 한다. 열교환부 입구에서의 유체의 균일화와 유로의 단순화는 유체의 압력강하의 정도를 감소시켜 열교환기의 성능이 향상될 수 있도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

202 - 1차측 유체 입구 204 - 1차측 유체 출구
206 - 2차측 유체 입구 208 - 2차측 유체 출구
210 - 하부 챔버 212 - 제1 반구형 챔버
214 - 열교환기 용기 216 - 매니폴드
218 - 상부 챔버 220 - 하강관
222 - 열교환부

Claims (3)

1차측 유체 입구로 유입된 고온 유체가 매니폴드로 이동하기 전에 유동시킨 후 매니폴드로 이동하도록 하는 제1 반구형 챔버; 및
제1 반구형 챔버를 거쳐 매니폴드로 유입된 1차측 고온 유체가 2차측 저온 유체와 열교환한 후 배출되는 1차측 유체 출구와 연결되며, 제1 반구형 챔버와 이격되어 제1 반구형 챔버를 둘러싸는 열교환기 용기
를 포함하는 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기.

제1항에 있어서,
1차측 유체 입구 및 1차측 유체 출구보다 상부에 위치하되 단일의 개수로 구비되는 2차측 유체 입구;
2차측 유체 입구와 연통되어 상단에 위치하며, 하부 방향으로 2차측 저온 유체를 균일하게 분배하는 상부 챔버; 및
상부 챔버의 하단 원주상을 따라 복수개 배치되며, 상부 챔버로부터 각각 분배된 2차측 저온 유체를 열교환부로 유입시키는 하강관
을 더 포함하는 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기.

제2항에 있어서,
2차측 유체가 배출되며 2차측 유체 입구보다 하부에 위치하되 단일의 개수로 구비되는 2차측 유체 출구; 및
열교환부를 통해 1차측 고온 유체와 열교환한 2차측 유체를 수용하여 2차측 유체 출구로 전달하고, 매니폴드의 하단 외주면에 형성되며, 제1 반구형 챔버의 상부에 위치하여 제1 반구형 챔버 내에서 유동하는 1차측 고온 유체로부터 2차측 유체가 열을 얻어 온도를 보전할 수 있도록 하는 하부 챔버
를 더 포함하는 수소생산용 초고온 가스로 중간열교환기.

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