KR20160145155A

KR20160145155A - 열 교환 및 압축성이 개선된 열 교환기 모듈 및 액체 금속 및 가스와의 용도

Info

Publication number: KR20160145155A
Application number: KR1020167031910A
Authority: KR
Inventors: 라이오넬 카숑; 프란체스코 비틸로
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-12-19
Also published as: EP3132222A1; FR3020135A1; US20170030660A1; TN2016000436A1; WO2015159213A1; EP3132222B1

Abstract

본 발명은 적어도 두 개의 유체 회로를 포함하는 종방향 축선(X)을 구비하는 열 교환기 모듈에 관한 것으로, 상기 두 개 이상의 유체 회로 중 제 1 유체 회로는 각각 종방향 축선(X)에 대해 연장된 유체 순환을 위한 적어도 한 쌍의 채널(1, 2)을 포함하고, 상기 단일 쌍의 두 개의 채널은 상하로 적층되며, 제 1 회로 내부 자체에서 유체와 혼합하기 위한 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역에서 서로 연통된다.

Description

열 교환 및 압축성이 개선된 열 교환기 모듈 및 액체 금속 및 가스와의 용도{HEAT-EXCHANGER MODULE WITH IMPROVED HEAT EXCHANGE AND COMPACTNESS, USE WITH LIQUID METAL AND GAS}

본 발명은 적어도 하나의 통합 유체 회로를 구비한 열 교환기 모듈에 관한 것이다.

본 발명은 더욱 상세하게는 동일한 수두 손실로 교환되는 열 출력 및 압축성을 개선하기 위한 새로운 타입의 열 교환기 모듈의 제조에 관한 것이다.

공지된 열 교환기는 내부 열 순환 채널을 갖는 두 개 이상의 회로를 포함한다. 단일 회로를 갖는 교환기에서, 열은 회로 및 회로가 침지되는 주변 유체 사이에서 교환된다. 두 개 이상의 유체 회로를 구비한 열 교환기에서, 열은 두 개의 유체 회로들 사이에서 교환된다.

화학 원자로가 공지되며 상기 화학 원자로는 작은 양의 코-리에이전트(co-reagent)가 제 1 유체 회로의 입구에 동시에 주입되는 연속 공정을 채용하고 바람직하게는 혼합기를 구비하고, 얻어진 화학 제품은 상기 제 1 회로의 출구에서 회수된다. 이러한 공지된 화학 원자로 중 일부는 제 2의 소위 유틸리티 유체 회로를 포함하며, 이 유체 회로의 기능은 반응에 필요한 열을 제공하거나 반대로 이에 의해 주어진 열을 방출하는 것에 의한 화학 반응의 열 제어이다. 유틸리티를 갖는 두 개의 유체 회로를 구비한 이러한 화학 원자로는 통상적으로 교환기-원자로라 불린다.

본 발명은 열을 교환하고 하나 또는 두 개의 유체 회로를 통합하는 유일한 기능을 갖는 열 교환기 모듈의 제조 및 교환기-원자로의 제조에 관한 것이다. 따라서, "적어도 두 개의 유체 회로를 구비한 열 교환기 모듈"은 열을 교환하는 유일한 기능을 갖는 열 교환기 모듈 및 교환기-원자로 둘 모두를 의미한다는 것이 본 발명과 관련하여 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 두 개의 유체들 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환기 모듈의 주요 용도는 두 개의 유체들 중 하나로서 가스를 사용하는 용도이다. 이는 유리하게는 액체 금속 및 가스, 예를 들면 액체 나트륨 및 질소를 의미할 수 있다.

본 발명에 따른 열 교환기 모듈의 의도된 주요 적용은 보조 루프로부터의 액체 나트륨과 같은 액체 금속과 소위 제 4 세대의 원자로 계(family)의 일부인, 액체 나트륨과 같은 액체 금속으로 냉각되는 고속 중성자로(FNR-Na) 또는 나트륨 고속 원자로(SFR)의 삼차 루프로부터의 질소 가스 사이에서 열을 교환하는 것이다.

본 발명에 따른 열 교환기 모듈은 또한 바람직하게는 높은 열 출력의 컴팩트 열 교환기를 갖는 것이 필요할 때, 액체 및 가스와 같은 두 개의 유체들 사이의 교환이 필요한 임의의 다른 적용에서 사용될 수 있다.

본 발명의 내용에서, "1차 유체"는 열과 관련하여 통상적인 의미를 갖는다, 즉 저온 유체인 2차 유체에 열을 전달하는 고온유체를 갖는다.

반대로, 본 발명의 내용에서, "2차 유체"는 열과 관련하여 통상적인 의미를 가지며, 2차 유체는 즉 1차 유체로부터 열이 전달되는 저온 유체를 갖는다.

주요 적용에서, 1차 유체는 나트륨이고 FNR-Na의 열 변환 사이클의 소위 2차 루프에서 순환하고 2차 유체는 질소이고 상기 사이클의 3차 루프에서 순환한다.

튜브 열 교환기는 예를 들면 셀 및 튜브 열 교환기이고, 여기서 직선형이거나 U자 형상으로 만곡되거나 나선형 형상인 튜브 묶음이 천공 플레이트에 고정되고 셀로 불리는 밀봉된 엔클로저 내부에 배치된다. 이러한 셀 및 튜브 열 교환기에서, 유체들 중 하나가 튜브 내부를 순환하고 다른 유체는 셀 내부를 순환한다. 이러한 셀 및 튜브 열 교환기는 대형 용적을 가지며 이들의 압축성이 이에 따라 낮아진다.

존재하는 소위 플레이트 열 교환기는 존재하는 소위 튜브 열 교환기에 비해 상당한 장점을 가지며, 특히 바람직하게는 높은 열 교환기의 용적 대 면적의 비율 덕분에 이들의 열적 성능 및 이들의 압축성에 대한 장점을 갖는다. 컴팩트(compact) 플레이트 열 교환기는 다수의 산업 분야에서 사용된다.

컴팩트 플레이트 열 교환기의 이러한 분야에서, 열 교환 패턴을 규정하는 다양한 기본 형상이 개발되었다.

핀에 의해 한정된 구조에 의해 열 교환 패턴이 규정되는 핀을 통합한 제 1 플레이트 열 교환기가 인용될 수 있으며, 그 구조는 두 개의 금속 플레이트들 사이에 장착되고 매우 다양한 기하학적 형상을 갖는다. 교환 패턴은 열 교환기의 두 개의 유체 회로들 중 하나와 다른 하나 사이에서 상이할 수 있다. 금속 플레이트는 통상적으로 납땜(brazing) 또는 확산 용접에 의해 조립된다.

또한, 파형부(undulation) 또는 주름부(corrugation)를 갖는 플레이트 열 교환기가 공지되어 있다. 파형부는 두 개의 유체 회로를 분리하는 플레이트를 가압함으로써 생성된다. 이 때문에, 교환 패턴은 두 개의 유체 회로 각각에 대해 동일하다. 이러한 타입의 교환 패턴에 의해 생성된 유체의 유동은 3차원이고 이에 따라 고 성능을 제공한다. 플레이트들은 서로 볼트 결합되거나 이들의 주변을 용접(표준 용접 또는 확산 용접)에 의해 조립된다.

마지막으로, 기계가공된 그루브를 구비한 플레이트 열 교환기가 공지되어 있으며 이 기계가공은 기계적 또는 전자 화학적 수단에 의해 수행된다. 기계가공에 의해 규정된 채널은 밀리미터 섹션이고 규칙적인 지그 재그 프로파일을 가지고 거의 대부분 연속적이다. 상기 플레이트는 확산 용접에 의해 조립되어 두 개의 인접한 플레이트들 사이의 모든 접촉점에서 용접을 가능하게 한다. 기계가공된 그루브를 구비한 이러한 타입의 플레이트 교환기는 이에 따라 본질적으로 고압 내성을 갖는다.

본 발명의 발명가들은 소위 제 4 세대 계의 원자로의 제조와 관련하여 가스와 액체 금속 사이, 즉 우수한 열 도체, 액체 금속과 매우 낮은 열 전달 특성을 갖는 유체, 가스 사이의 열 교환의 구성으로 열 교환기를 설계하기 위하여 이러한 다양한 플레이트 열 교환기 기술을 평가 하였다. 발명가들은 아래 주요 결론에 도달하였다.

- 핀이 통합된 플레이트 열 교환기는 핵 구성요소와 호환하기가 어려운 설계이며;

- 비록 높은 압축성 및 높은 단위 열 출력을 가지지만, 프레스된 플레이트 열 교환기는 액체 금속으로 냉각된 원자로와 관련하여 가스와 액체 금속 사이의 압력 차에 의해 호환되지 않고 따라서 튼튼하지 않으며;

- 기계가공된 그루브를 가지는 플레이트 열 교환기는 튼튼하고 열역학적 및 열기계적 성능 요건 둘 모두를 만족할 수 있지만 균등한 수두 손실에 대해 프레스된 플레이트 교환기보다 적은 압축성을 갖는다.

따라서 압축 플레이트 열 교환기를 더 개선하기 위한 요구가 있으며 특히 열 교환기의 견고성을 보장하면서 높은 단위 열 출력 및 큰 압축성 둘 모두를 열 교환기에 제공하기 위한 목적을 갖는다.

본 발명의 목적은 적어도 부분적으로 이러한 요건을 해결하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 두 개 이상의 유체 회로를 포함하는 종방향 축선(X)을 구비한 열 교환기 모듈로 이루어지고, 두 개의 유체 회로 중 첫번째 유체 회로는 유체 순환을 위한 적어도 한 쌍의 채널을 포함하며, 이 채널 각각은 종방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장되며, 동일한 쌍의 두 개의 채널은 상하로 적층되고 제 1 회로 자체에서 유체와 혼합하기 위한 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역에서 서로 연통된다.

즉, 본 발명은 유체가 교차 영역의 존재에 의해 3차원적이고, 증명된 견고성의 기계가공된 그루브를 갖는 플레이트 열 교환기를 제조하기 위한 기술을 사용하여 생산될 수 있는 유체 회로를 제안하는 것을 필수 구성으로 한다.

따라서, 동일한 크기에 대해, 본 발명에 따른 열 교환기 모듈은 기계가공된 플레이트를 구비한 종래 기술의 열 교환기에 비해 개선된 열 교환기 성능 및 종래 기술의 프레스된 플레이트 열 교환기에 비해 개선된 견고성을 갖는다.

즉, 동일한 열적 성능에 대해, 본 발명에 따른 열 교환기 모듈은 종래 기술의 열 교환기에 비해 개선된 압축성을 갖는다.

이제, 열 교환기의 개수, 열 교환기를 포함하는 건물의 크기의 제한을 고려하는 것이 가능하기 때문에, 이는 제 4 세대 원자로 열 교환기의 주요 적용시 주요 장점을 제공한다.

하나의 유리한 실시예에 따라, 각각의 채널은 적어도 부분적으로 곡선형 지그재그 프로파일을 가지며, 바람직하게는 이의 길이에 걸쳐 규칙적이다.

이러한 실시예에 따라, 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일은 유리하게는 굽힘부들 및 직선형 세그먼트들을 포함하며 직선형 세그먼트는 두 개의 연속적인 굽힘부들을 연결한다.

본 발명에 따라 교차하는 채널의 각각에 대해 이러한 종류의 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일은 각각의 채널의 기하학적 매개변수, 특히 각각의 채널의 단면의 기하학적 형상, 채널의 직선형 세그먼트들의 각도, 두 개의 굽힘부들 사이의 길이, 굽힘부들의 곡률 반경, 채널들 사이의 거리의 변화를 통하여 큰 설계적 유연성을 가능하게 한다.

발명가들에 의해 수행된 주요 연구는 다음을 밝혔다:

- 열 교환 계수 및 또한 마찰 계수는 직선형 세그먼트들의 각도를 따라 증가하며;

- 열 교환 계수 및 마찰 계수는 두 개의 굽힘부들 사이의 길이가 증가하는 경우 감소하며;

- 곡률 반경이 감소될 때 열 교환 계수 및 마찰 계수가 증가한다.

본 발명에 따라 열 교환기 모듈을 구성하는 금속은 요구된 용도의 조건, 즉 유체의 압력, 모듈을 통하여 순환하는 유체의 온도 및 특성에 따라 선택된다. 이 금속은 예를 들면 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄 또는 이러한 요소들과 강의 합금, 특히 합금 강, 스테인리스 강, 또는 니오븀, 몰리브덴, 탄탈, 또는 텅스텐의 합금으로부터 선택된 내화 금속일 수 있다.

유체 순환 채널은 특히 열의 요구된 교환 및 이송된 유체의 특성 및 성질에 종속하는 폭 및 높이를 갖는다. 폭 및 높이는 특히 채널의 경로를 따라 변화할 수 있다.

각각의 채널은 바람직하게는 적어도 부분적으로 지그재그 프로파일을 갖는다. 곡선형 지그재그 프로파일은 바람직하게는 그 길이에 걸쳐 규칙적이다.

하나의 유리한 실시예에 따라, 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일은 굽힘부들 및 직선형 세그먼트들을 포함하며, 상기 직선형 세그먼트는 두 개의 연속 굽힘부들을 연결한다.

채널들은 타원형, 원형, 직사각형 또는 정사각형 단면을 가질 수 있다.

대칭(직사각형, 정사각형 또는 원형)의 평면을 갖는 단면은 흐름의 중단 및 자체에서 유체의 더 향상된 혼합을 조력한다.

정사각형 또는 직사각형 단면은 또한 더 큰 압축성을 가능하게 한다.

원형 또는 타원형 단면이 갖는 장점은 채널의 제조를 간단하게 하는 것이며, 실제로 실시하기가 용이한 전자화학적 부식 기계가공 공정이 사용될 수 있다.

이의 유압 직경(Dh)에 의해 채널을 규정하는, 바람직한 크기는 아래와 같다:

- 굽힘부들의 곡률 반경은 0.5 내지 3 Dh이고,

- 직선형 세그먼트의 길이는 4 내지 8 Dh이고,

직선형 세그먼트와 종방향 축선(X) 사이의 각도는 10° 내지 45°이다.

하나의 유리한 실시예에 따라, 곡선형 지그재그 프로파일은 두 개의 채널에 대해 동일하고 종방향 축선(X) 또는 평행한 축선에 대해 서로 대칭이다.

변형 실시예에 따라, 동일한 쌍의 두 개의 채널은 종방향 축선(X)에 대해 실질적으로 평행한 동일한 직선형 채널 부분에서 이들의 종방향 단부들에서 연결된다.

제 1 실시예에 따라, 두 개의 유체 회로 중 각각은 적어도 한 쌍의 유체 순환 채널을 포함하며, 이 각각의 유체 순환 채널은 종방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장되고 동일한 쌍의 두 개의 채널은 상하로 적층되며, 복수의 교차 단면에서 서로 연통되고 제 1 유체 또는 제 2 회로에서 유체 자체에서의 혼합을 위한 영역을 각각 규정한다.

제 2 실시예에 따라, 전형적으로 두 개의 유체들 중 하나의 유체가 액체 금속(Na)이고 유체들 중 다른 하나는 불활성 가스(N₂)이고, 제 1 유체 회로는 적어도 한 쌍의 유체 순환 채널을 포함하며, 각각의 유체 순환 채널은 종방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장된다. 동일한 쌍의 두 개의 채널은 서로 적층되며, 제 1 유체 자체에서 유체를 혼합하기 위한 영역을 각각 규정 하는 복수의 교차 영역에서 서로 연통되며, 제 2 유체 회로는 적어도 한 쌍의 직선 형상의 채널을 포함한다.

본 발명은 아래에서 설명되는 바와 같은 열 교환 모듈을 생산하는 방법으로 이루어진다:

- 제 1 금속 플레이트에 적어도 하나의 제 1 그루브를 기계가공하는 단계;

- 제 2 금속 플레이트에 적어도 하나의 제 2 그루브를 기계가공하는 단계;

- 제 1 유체 그루브 및 제 2 유체 그루브 각각이 종방향 축선(X)에 대해 각각 평행하게 연장되는 유체 순환 채널을 한정하도록 기계가공된 제 1 플레이트에 대해 기계가공된 제 2 플레이트를 위치 설정하는 단계로서, 두 개의 채널은 상하로 적층되며, 자체에서 유체를 혼합하기 위한 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역에서 서로 연통되는, 단계; 및

- 제 1 플레이트와 제 2 플레이트 사이에 확산 용접을 형성하도록, 열간 정수압 소결법 또는 고온 단축방향 확산 용접(hot uniaxial diffusion welding)으로 통상 지칭되는 공정 또는 납땜에 의해 제 1 플레이트와 제 2 플레이트를 서로 조립하는 단계.

본 발명은 또한 위에서 설명된 바와 같이 열 교환기 모듈을 다수 포함하는 열 교환기에 관한 것으로, 상기 열 교환기 모듈은 각각 엔클로저의 중심 축선에 대해 평행하게 연장하고 상기 엔클로저 내부에 배열된다.

본 발명은 또한 위에서 설명된 열 교환기의 용도로 이루어지며 2차 유체로서 제 1 유체는 가스 또는 가스의 혼합물이고 1차 유체로서 제 2 유체는 액체 금속이다.

제 1 유체는 주로 질소를 포함하며 제 2 유체는 액체 나트륨이다. 제 1 유체 또는 제 2 유체는 원자로로부터 나올 수 있다.

본 발명은 최종적으로 액체 금속 특히 액체 나트륨(FNR-Na 또는 SFR)으로 냉각되는 고속 중성자 원자로와, 상술된 바와 같은 열 교환기 모듈을 다수 포함하는 열 교환기를 포함한다.

본 발명의 다른 장점 및 특징은 아래의 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 주어진 본 발명의 실시예의 상세한 설명을 읽을 때 더 명확하게 될 것이다.
- 도 1은 두 개의 플레이트들로부터 종래 기술의 열 교환기 모듈의 사시도이며;
- 도 2는 도 1에 따른 열 교환기 모듈의 채널의 지그재그 프로파일을 보여주는 투명한 상세도이며;
- 도 3a는 본 발명에 따른 열 교환기 모듈을 구성하도록 두 개의 플레이트를 조립하기 전에 기계가공된 그루브를 갖는 두 개의 플레이트의 사시도이며;
- 도 3b는 도 3a에 따른 두 개의 플레이트들로부터 생산된 본 발명에 따른 열 교환기 모듈의 사시도이며;
- 도 4는 본 발명에 따른 열 교환기 모듈의 채널들 사이의 교차 영역을 보여주는 투명한 상세도이며;
- 도 5는 본 발명에 따른 열 교환기 모듈 내의 3쌍의 채널의 사시도이며;
- 도 6은 종래 기술에 따라 그리고 본 발명에 따라 유체 순환 채널의 예들 사이의 레이놀드수(Re)의 함수로서 교환된 열 출력을 포함하는 지점들의 개요이다.

명료성을 위해, 종래기술에 따라 그리고 본 발명에 따라 동일한 요소는 동일한 도면 번호로 표시된다.

도 1에서 종방향 축선(X)을 구비하고 적어도 하나의 유체 회로를 포함하는 종래 기술의 열 교환기 모듈이 표시된다.

모듈은 한 쌍의 유체 순환 채널(1, 2)을 포함하며 이 유체 순환 채널 각각은 종방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장된다.

두 개의 채널(1, 2)은 그들 사이에 걸쳐 교차 없이 상하로 적층된다.

더욱 상세하게는, 각각의 채널(1, 2)은 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일을 갖는다. 두 개의 채널(1, 2)의 곡선형 지그재그 프로파일은 종방향 축선(X) 또는 평행한 축선에 대해 서로 동일하고 대칭이다.

도 2에서 더 잘 볼 수 있는 바와 같이, 곡선형 지그재그 채널 프로파일은 굽힘부들(14, 16) 및 직선형 세그먼트들을 특징으로 하고 직선형 세그먼트(15)는 두 개의 연속하는 굽힘부들을 연결한다.

도 3b에서, 종방향 축선(X)을 구비하고 하나 이상의 유체 회로를 포함하는 본 발명에 따른 열 교환기 모듈이 제시된다.

상기 모듈은 한 쌍의 유체 순환 채널(1, 2)을 포함하며 유체 순환 채널 각각은 종방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장된다.

본 발명에 따라, 두 개의 채널(1, 2)은 상하로 적층되며, 자체에서 유체를 혼합하는 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역(3)에서 서로 연통된다.

더 자세하게는, 각각의 채널(1, 2)은 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일을 갖는다. 두 개의 채널(1, 2)의 곡선형 지그재그 프로파일은 종방향 축선(X) 또는 평행한 축선에 대해 서로 동일하고 대칭이다.

도 4에서 더 잘 볼 수 있는 바와 같이, 곡선형 지그재그 채널 프로파일은 굽힘부들(14, 16; 24, 26) 및 직선형 세그먼트들을 특징으로 하며 직선형 세그먼트(15; 25)는 두 개의 연속하는 굽힘부들을 연결한다.

아래 절차는 방금 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 열 교환기 모듈을 생성하기 위해 채용된다.

두 개의 동일한 직사각형 금속 플레이트(10, 20) 각각에서 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일(11, 12, 13)을 따라 각각의 개방 단부형 그루브 및 동일한 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일(21, 22, 23)을 따라 개방 단부형 그루브(20)가 기계가공된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 두 개의 플레이트(10, 20)의 그루브의 기계가공 프로파일은 두 개의 대향 패턴에 따라 생산된다, 즉, 플레이트가 서로 대면할 때 하나의 그루브(11)의 정점은 다른 그루브(21)의 정점과 대면한다.

기계가공된 플레이트(20)는 이어서 기계가공된 플레이트(10)에 대해 위치 설정되어 그루브(11, 21) 각각은 유체 순환 채널(1, 2)을 한정하고 이 유체 순환 채널 각각은 종방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장되고 두 개의 채널이 복수의 교차 영역(3)에서 상하로 적층되며, 서로 연통되고 교차 영역은 자체에서 유체를 혼합하기 위한 영역을 각각 규정한다.

두 개의 금속 플레이트(10, 20)는 이어서 열간 정수압 소결법(HIP)에 의해 또는 단축 방향 확산 용접 공정에 의해 서로 조립되어 두 개의 금속 플레이트들 사이에 확산 용접을 형성한다.

본 발명에 따른 교차 영역(3)을 구비한 채널(1, 2)의 열적 성능을 결정하고 교차하지 않는 채널을 구비한 종래 기술의 기계가공된 플레이트 열 교환기의 열 성능과 교차 영역을 비교하기 위하여 발명가에 의해 연구가 수행되었다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 종래 기술의 채널이 본 발명에 따른 채널로서 동일한 치수, 즉, 폭, 길이 및 높이를 갖는 것이 여기서 특정된다.

열적 압축성이 단위 체적당 교환된 열 출력 Pth로서 규정되며, 이는 열 교환기의 전체 길이(L) 곱하기 채널의 개수(N)에 비례한다.

비교 테스트 모두는 아래 표에 요약되고 도 6에서 포인트의 형태로 도시된다.

예 1 및 예 3은 발명을 나타내며, 즉 복수의 교차 영역(3)에서 교차하는 동일한 프로파일을 구비한 두 개의 채널(1, 2)에 대응한다.

예 2 및 예 4는 종래 기술을 나타내며 채널(1, 2)에 대한 동일한 프로파일의 채널에 대응하고 다른 채널과 교차하지 않는다.

기하학적 데이터, 즉 굽힘부들(14, 16 또는 24, 26) 사이의 길이(L), 직선형 세그먼트(15, 25)와 축선(X) 사이의 각도, 굽힘부 평균 곡률 반경(R)이 도 4에 도시된다.

채널의 총 길이가 도 3b에서 4 및 5로 참조된 직사각형 단부 부분의 L 더하기 곡선형 프로파일의 L에 대응한다.

기하학적 형상(횡단면( mm*mm))	각도α(도)	굽힘부들 사이의 길이 L (mm)	곡률 반경 R (mm)	총 길이 (mm)	곡선형 지그재그 프로파일 1, 2의 길이 L (mm)	수두 손실 ΔP (Pa)	열 교환 계수 (W/m²K)
예 1 (2 x (2x1))	45	9	4.3	124	149	29710	3769
예　2 (2x2)	45	9	4.3	124	149	8931	2843
예 3 (2 x (2x1))	20	14	6	164	172	15590	3308
예 4 (2x2)	20	14	6	164	172	5353	2493

이러한 표로부터, 두 개의 기준 기하학적 형상(하나의 기하학적 형상에 대한 예 1 및 예 2, 다른 기하학적 형상에 대한 예 3 및 예 4)에 대해 교차 없이 종래 기술에 따른 채널에 대한 것보다 본 발명에 따른 교차부(3)를 갖는 두 개의 채널(1, 2)에 대해 더 높다.

그러나, 더 높은 수두 손실은 본 발명에 따른 교차부(3) 없이 두 개의 채널(1, 2)에 대해 보여진다. 그러나, 이러한 더 높은 수두 손실은 교환된 열 출력의 면에서 개선에 의해 보상되고 본 발명에 따른 예 1 및 예 3과 종래 기술에 따른 예 2 및 예 4가 열적 압축성의 면에서 비교되고, 본 발명에 따른 교차를 갖는 두 개의 채널(1, 2)을 갖는 패턴이 종래 기술의 단일 채널 패턴보다 우수한 열적 성능을 가능하게 하는 것이 보여진다. 이러한 개선된 열적 성능이 교환된 열 출력에서 20% 증가로서 정량화될 수 있는 것이 도 6에서 표시된 지점들로부터 더 명확하다.

동일한 규칙적인 곡선형 프로파일을 구비한 모두 및 서로 평행하게 배열된 본 발명에 따른 3쌍의 채널(1.1, 2.1; 1.2, 2.2, 1.3, 3.3)을 갖는 본 발명에 따른 열 교환기 모듈이 도 5에 제시된다.

도 5는 하나의 플레이트의 스케일에서 본 발명에 따른 채널의 배열을 도시하며, 채널들 사이의 거리가 충분히 작은 경우, 다른 교차 영역 및 이에 따른 자체에서 유체를 혼합하기 위한 다른 영역이 특히 굽힘부들의 수준에서 생성된다.

다른 개선예 및 장점은 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 제공될 수 있다.

이에 따라 도시된 본 발명의 실시예들 모두에서 채널의 교차 및 지그재그 채널 프로파일을 구비한 단지 하나의 유체 회로가 도시되고 설명된다.

두 개의 유체 회로를 갖는 본 발명에 따른 열 교환기 모듈에서, 다른 유체 회로는 본 발명의 채널과 동일한 채널, 즉 교차하는 채널로 구상될 수 있다.

대안적으로, 다른 유체 회로는 또한 직선 프로파일, 즉 직선형 및 교차하지 않는 채널로 구상될 수 있다.

예를 들면, 액체 나트륨과 같은 액체 금속과 질소와 같은 가스 사이의 열 교환기 모듈에서, 상기 가스 회로는 이에 따라 그리고 유리하게는 본 발명에 따른 교차하는 채널 및 직선형 채널을 갖는 액체 금속 회로로 구상될 수 있으며 상기 직선형 채널은 바람직하게는 이들을 차단하는 위험을 제한하기 위하여 가스 회로의 채널보다 더 큰 단면을 갖는다.

액체 금속/가스 열 교환기가 하나의 적용예이고 본 발명에 따른 교차 프로파일을 구비한 패턴을 가지며 동일한 열 교환기에서 양 유체 회로에 대해 구상될 수 있다는 것은 당연하다.

Claims

종방향 축선(X)을 구비한 열 교환기 모듈로서,
적어도 두 개의 유체 채널을 포함하며, 상기 유체 채널 중 제 1 유체 채널은 상기 종방향 축선(X)에 평행하게 각각 연장된 유체 순환을 위한 적어도 한 쌍의 채널(1, 2)을 포함하며,
동일한 쌍의 두 개의 채널은 상하로 적층되며, 제 1 회로 자체에서 유체를 혼합하기 위한 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역(3)에서 서로 연통되는,
열 교환기 모듈.
제 1 항에 있어서,
각각의 채널은 적어도 부분적으로 곡선형 지그재그 프로파일을 갖는,
열 교환기 모듈.
제 2 항에 있어서,
상기 곡선형 지그재그 프로파일은 그 길이를 따라 규칙적인,
열 교환기 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 규칙적인 곡선형 지그재그 프로파일은 굽힘부(14, 16; 24, 26) 및 직선형 세그먼트들을 포함하며, 직선형 세그먼트(15; 25)는 두 개의 연속하는 굽힘부를 연결하는,
열 교환기 모듈.
제 4 항에 있어서,
상기 굽힘부들의 곡률 반경은 0.5 내지 3 Dh이고, Dh는 상기 채널의 유압 직경인,
열 교환기 모듈.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 직선형 세그먼트의 길이는 4 내지 8 Dh이고, Dh는 상기 채널의 유압 직경인,
열 교환기 모듈.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 직선형 세그먼트와 상기 종방향 축선(X) 사이의 각도는 10° 내지 45 ° 인,
열 교환기 모듈.
제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 곡선형 지그재그 프로파일은 두 개의 채널에 대해 동일하고, 상기 종방향 축선(X) 또는 평행한 축선에 대해 서로 대칭인,
열 교환기 모듈.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널들은 타원형, 원형, 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는,
열 교환기 모듈.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
동일한 쌍의 두 개의 채널은 상기 종방향 축선(X)에 대해 실질적으로 평행한 동일한 직선형 채널 부분(4, 5)의 종방향 단부들에서 연결되는,
열 교환기 모듈.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기 모듈은 두 개의 유체에 대한 것이며, 두 개의 유체 회로 각각은 적어도 한 쌍의 유체 순환 채널(1, 2)을 포함하고 상기 유체 순환 채널 각각은 상기 길이 방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장하고, 동일한 쌍의 두 개의 채널은 상하로 적층되며 제 1 회로 또는 제 2 회로 자체에서 유체를 혼합하기 위한 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역에서 서로 연통하는,
열 교환기 모듈.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기 모듈은 액체 금속(Na) 및 불활성 가스(N₂)와 같은 두 개의 유체에 대한 것이며, 상기 제 1 유체 회로는 각각 상기 길이 방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장하는 적어도 한 쌍의 유체 순환 채널(1, 2)을 포함하고, 동일한 쌍의 두 개의 채널은 상하로 적층되며 상기 제 1 회로 자체에서 상기 유체와 혼합하기 위한 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역(3)에서 서로 연통하며, 상기 제 2 유체 회로는 직선 형상의 적어도 한 쌍의 채널을 포함하는,
열 교환기 모듈.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서 청구된 열 교환기 모듈을 제조하기 위한 방법으로서,
- 제 1 금속 플레이트(10)에 적어도 하나의 제 1 그루브(11)를 기계가공하는 단계;
- 제 2 금속 플레이트(20)에 적어도 하나의 제 2 그루브(21)를 기계가공하는 단계;
- 상기 제 1 그루브 및 상기 제 2 그루브가 각각 유체 순환 채널(1, 2)을 한정하도록 상기 기계가공된 제 1 플레이트에 대해 상기 기계가공된 제 2 플레이트(10)를 위치 설정하는 단계로서, 상기 유체 순환 채널 각각은 종방향 축선(X)에 대해 평행하게 연장하고, 상기 두 개의 채널은 서로 적층되며 자체에서 유체와 혼합하기 위한 영역을 각각 규정하는 복수의 교차 영역(3)에서 서로 연통하는, 단계; 및
- 제 1 금속 플레이트와 제 2 금속 플레이트 사이에 확산 용접을 형성하도록, 열간 정수압 소결법(HIP)에 의해 또는 고온 단축방향 확산 용접(hot uniaxial diffusion welding)으로 통상 지칭되는 공정에 의해 또는 납땜에 의해, 상기 1 금속 플레이트 및 상기 제 2 금속 플레이트를 서로 조립하는 단계를 포함하는,
열 교환기 모듈 제조 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 청구된 열 교환기 모듈을 다수 포함하는 열 교환기로서,
상기 열 교환기 모듈은 각각 엔클로저의 중심 축선에 대해 평행하게 연장하고 상기 엔클로저 내부에 배열되는,
열 교환기.
제 14 항에서 청구된 열 교환기의 용도로서,
2차 유체로서 상기 제 1 유체는 가스 또는 가스들의 혼합물이고 1차 유체로서 상기 제 2 유체는 액체 금속인,
열 교환기의 용도.
제 15 항에 있어서,
상기 제 1 유체는 주로 질소를 포함하고 상기 제 2 유체는 액체 나트륨인,
열 교환기의 용도.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 유체 및 상기 제 2 유체는 원자로로부터 나오는,
열 교환기의 용도.
액체 금속 특히 액체 나트륨(FNR-Na 또는 SFR)으로 냉각되는 고속 중성자 원자로와, 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서 청구된 열 교환기 모듈을 다수 포함하는,
핵 시설.