KR20170091349A - 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기 - Google Patents

오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유로의 오리피스 영역 단면에 화학적 에칭방식을 이용하여 요철구조를 형성시켜 다단형 오리피스가 마련된 오리피스 영역을 가지는 유로를 제공하기 위한 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기에 관한 것으로, 상용 원자로에서 사용되는 인쇄형열교환기가 구비된 증기발생기에 있어서, 인쇄형열교환기(100)가, 물이 유입되는 입구로부터 일정 거리 이격된 위치까지 형성되며, 입구로부터 유입되는 물을 고압으로 이동시키는 오리피스 영역(111)과, 오리피스 영역(111)으로부터 연장되어 오리피스 영역(111)으로부터 배출되는 물을 저압으로 이동시키면서 물이 증기로 변환되도록 하는 유효전열 영역(112)으로 이루어진 유로(110)가 일정 간격으로 다수개 형성되어 있다. 이에 따라 오리피스 부위에서 압력강하를 얻음을 수 있도록 하고, 이로 인해 유동불안정을 완화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다. 또한 확산접합을 곡면형태로 하여 다양한 형상의 증기발생기를 구현할 수 있다.

Description

오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기{Steam generator of the printed circuit heat exchanger type having an orifice}
본 발명은 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기에 관한 것으로, 특히 유로의 오리피스 영역 단면에 화학적 에칭방식을 이용하여 요철구조를 형성시켜 다단형 오리피스가 마련된 오리피스 영역을 가지는 유로를 제공하기 위한 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기에 관한 것이다.
증기발생기로는 기존의 상용원자로에서 사용되는 재순환형 U튜브형과 관류형 증기발생기가 주로 사용되고 있다. 먼저 U튜브형 증기발생기는 주냉각재가 관내를 흐르고 관외에서는 주 증기가 발생하며, 증기건조기와 습분분리기가 증기발생기 상단에 설치되어 있는 형태가 된다. U튜브형 증기발생기는 누설을 검출하기가 용이하고 보수나 수리도 용이하다. U형 전열관은 제작이 어렵지 않으며, 열전달에 관련한 실험 및 운전 경험이 많으므로 설계 및 제작이 용이하다. 반면에 건포화 증기만 얻을 수 있고 부하가 변동되면 증기의 압력변동이 커진다는 단점이 있다.
이에 반해, 도 1에 도시된 관류형 증기발생기(once-through steam generator)는 이차측 냉각수가 관내를 흐르면서 모두 증발하는 형태이다. 이 경우 전열면적이 U형 증기발생기보다 약 20% 정도 더 필요하다. 유동의 불안정이 있을 수 있으므로 급수제어장치가 충분하고 정교한 제어가 가능해야 하며 세관 내에서 급수가 모두 증발하므로 급수 순도를 유지하는 것이 필요하다.
이러한 관형 증기발생기(tube type steam generator)는 부피를 작게 제작하는데 한계가 있으므로 최근 각광을 받고 있는 인쇄형열교환기(printed circuit heat exchanger)를 증기발생기로 사용할 수 있다. 이 경우 재순환 형태보다는 관류식(once-through) 형태로 과열증기를 생산하는 것이 적합하다. 그러나 인쇄형 증기발생기는 매우 많은 평행유로를 가지고 있다. 이는 단순 가스나 액체의 열교환기에서는 큰 문제가 없으나 상(phase)이 변하는 증기발생기에서는 유로 간의 유동분포가 달라질 수 있고 유로 내에서 증발(evaporation) 및 과열(superheating) 영역의 경계가 진동하여 유동 불안정을 유발할 수 있다. 관류형 증기발생기에서는 튜브입구에 오리피스를 부착하여 유로 간의 균일한 유량분포와 유동 불안정을 방지하도록 한다. 증발 영역의 경계가 진동(oscillation)하게 되면 특정 위치에서 표면온도, 전열계수 등이 변하게 되고 이로 인해 발생한 열응력이 발생한다. 열응력은 피로손상을 누적시켜서 기기, 즉 증기발생기의 수명 문제를 야기할 수 있다.
다중 유로의 인쇄형 열교환기를 증기발생기로 사용하는 경우에도 기존의 관류식 증기발생기와 동일하게 증발경계(dry-out boundary)가 임의로 움직인다. 인쇄형열교환기는 화학적에칭으로 제작할 경우 유로의 직경이 3mm 이하이므로, 튜브방식과 같이 오리피스를 장착하기가 힘들고 가능하더라도 장착 자체가 구조와 형상이 복잡해지고 비경제적이라는 문제점이 있다.
따라서 인쇄형열교환기의 오리피스 개념과 설계 및 제작방식에 대한 제시가 필요하다.
대한민국 등록특허 제 0621319 호
이와 같은 필요성에 부응하여 안출된 것으로, 본 발명은 유로의 오리피스 영역 단면에 화학적 에칭방식을 이용하여 요철구조를 형성시켜 다단형 오리피스가 마련된 오리피스 영역을 가지는 유로를 제공하기 위한 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기를 제공하는데, 그 목적이 있다. 또한, 단순한 평판형 인쇄형열교환기 방식이 아닌 곡면을 갖는 형태의 오리피스를 장착한 인쇄형증기발생기를 형상과 공간의 제약을 적게 받는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기는 상용 원자로에서 사용되는 인쇄형열교환기가 구비된 증기발생기에 있어서, 인쇄형열교환기(100)가, 물이 유입되는 입구로부터 일정 거리 이격된 위치까지 형성되며, 입구로부터 유입되는 물을 고압으로 이동시키는 오리피스 영역(111)과, 오리피스 영역(111)으로부터 연장되어 오리피스 영역(111)으로부터 배출되는 물을 저압으로 이동시키면서 물이 증기로 변환되도록 하는 유효전열영역(112)으로 이루어진 유로(110)가 일정 간격으로 다수개 형성되어 있을 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 오리피스 영역(111)의 길이(la)는 유효전열 영역의 길이(Lb), 정상유로의 반경(Rb) 및 오리피스 영역(111)의 직경(ra)을 기반으로 결정될 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 인쇄형열교환기(100)는, 판 형태의 플레이트 다수 개가 각각 에칭된 후, 에칭된 플레이트가 상호 적층되면서 에칭된 부위가 유로를 이루게 되고, 오리피스 영역(111)의 내부 단면에 요철구조(111a)(111b)가 형성되어 있고, 요철구조(111a)(111b)는, 화학적 에칭 방식에 의해 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 요철구조(111a)(111b)의 형상은 반원, 타형, 사각형, 삼각형, 사다리꼴 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 요철구조(111a)(111b)는, 다수 개의 플레이트 각각을 별도로 에칭한 후, 플레이트가 상호 적층됨으로써 형성되고, 그 형성되는 형태와 방향은 입체형태를 가질 수 있다.
본 발명과 관련된 실시예로서, 인쇄형열교환기(100)는, 플레이트 각각을 곡면형태로 적층하여 확산접합시켜 형성되고, 그 형성되는 형태와 방향은 입체형태를 가질 수 있다.
본 발명은 유로의 오리피스 영역 단면에 화학적 에칭방식을 이용하여 요철구조를 형성시켜 다단형 오리피스가 마련된 오리피스 영역을 가지는 유로를 제공함으로써, 오리피스 영역의 유로 단면적을 줄일 수 있고, 이로 인해 오리피스 부위에서 압력강하를 얻음을 수 있을 뿐만 아니라, 유동 불안정을 완화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상변화가 있는 증발 영역의 경계면 진동(oscillation)을 감소시키거나, 또는 진동폭을 축소하여 열응력 크기를 줄여 피로손상을 감소시킴으로써, 기기의 수명저하 감소할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 별도의 압력강하용 추가장치를 사용하지 않아도 되므로 인쇄형열교환기를 컴팩트(compact)한 구조로 설계할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압력강하의 크기를 설계 과정에서 용이하게 조정 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 화학적에칭 방법으로 제작하는 인쇄형열교환기에서 유로에칭과 동시에 오리피스 영역에 요철구조를 형성시켜 다단형의 오리피스를 구현하고, 이로 인해 오리피스 영역의 단면적을 감소시킬 수 있도록 함으로써, 다단형 오리피스를 제작하기 위한 별도의 공정이 필요로 하지 않는다는 효과가 있다.
더불어, 본 발명은 에칭으로 다수 개의 유로를 제작하면서 오리피스를 형성하여, 인쇄 플레이트의 압착 시 유로관 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있고, 유로관 형태가 유지되면서 높은 차압을 견딜 수 있음으로써, 증기 생산효율이 향상될 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 일반적인 관류식 증기발생기의 증발 경계 진동 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 인쇄형열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 유로가 형성된 인쇄형열교환기의 플레이트를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 다중 유로를 오리피스 영역 및 유효전열 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에서 하나의 유로 형상을 도시한 도면으로, 오리피스 영역 및 유효전열 영역의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 3 내지 도 5의 오리피스 영역에 형성된 요철구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명이 적용된 인쇄형열교환기의 응용 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 10은 본 발명이 적용된 인쇄형열교환기가 곡면형태로 확산접합되어 증기발생기로 응용 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2의 (a) 및 (b)는 인쇄형열교환기를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명에 따라 유로가 형성된 인쇄형열교환기의 플레이트를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 3의 다중 유로를 오리피스 영역 및 유효전열 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 4에서 하나의 유로 형상을 도시한 도면으로, 오리피스 영역 및 유효전열 영역의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 6 및 도 7은 도 3 내지 도 5의 오리피스 영역에 형성된 요철구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 발명이 적용된 인쇄형열교환기의 응용 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 9 및 10은 본 발명이 적용된 인쇄형열교환기가 곡면형태로 확산접합되어 증기발생기로 응용 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용된 인쇄형열교환기(100)는 다수개의 플레이트가 적층되어 이루어지며, 플레이트(100a)에는 도 3에 도시된 바와 같이 다수개의 유로(110)가 일정 간격 이격된 상태로 평행하게 형성되어 있다.
이러한 인쇄형열교환기(100)는 다수 개의 플레이트가 각각 에칭을 통해 유로의 한 부분이 형성되고, 에칭 된 다수 개의 플레이트가 상호 적층 됨으로써, 사용자가 원하는 위치에 원하는 방향으로 유로가 형성될 수 있도록 할 수 있게 된다.
유로(110)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 물이 유입되는 입구로부터 일정 거리 이격된 위치까지 형성되며, 입구로부터 유입되는 물을 고압으로 이동시키는 오리피스 영역(111)과, 오리피스 영역(111)으로부터 연장되어 오리피스 영역(111)으로부터 배출되는 물을 저압으로 이동시키면서 물이 증기로 변환되도록 하는 유효전열 영역(112)으로 이루어져 있다.
오리피스 영역(111)은 도 5에 도시된 바와 같이 일정한 길이를 가지되, 좁은 유로가 설계되어 있다. 오리피스 영역(111)의 길이(la)는 유효전열 영역의 길이(Lb), 정상유로의 반경(Rb) 및 오리피스 영역(111)의 직경(ra)을 기반으로 결정된다. 오리피스 영역(111)의 직경(ra)은 정상유로의 반경(Rb)에 비해 직경이 충분한 압력강하를 가질 수 있도록 작게 제작된다. 유효전열 영역(Lb)에서 물이 증발되는 증발 영역(evaporation region)과 과열 영역(super heating region)으로 이루어져 있다.
좁은 공간에서 필요한 압력강하를 얻기 위해 단순히 유로의 형상을 ra로 줄여서 오리피스 영역(1110)을 확보하는 방법 이외에 짧은 길이에서 높은 압력강하를 얻기 위해 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 다단으로 구성할 수도 있다.
즉, 필요한 압력강화를 얻기 위해 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 오리피스 영역(111)의 내부 단면에 요철구조(111a)(111b)를 형성시킴으로써, 오리피스 영역(111)에 다단형 오리피스를 구현할 수 있으며, 오리피스 영역의 유로 단면적을 줄일 수 있도록 한다. 여기서, 요철구조(111a)(111b)는 화학적 에칭방식으로 형성시킬 수 있되, 플레이트에 유로(110)를 형성시킬 때 함께 형성시키게 된다.
요철구조(111a)(111b)의 형상은 도 6의 반원, 도 7의 사각형상을 이룰 수 있으며, 도면으로 도시하지 않았으나, 요철구조(111a)(111b)의 형상은 타원형, 사각형, 삼각형, 사다리꼴 형상 중 필요에 의해 선택한 후 화학적 에칭시 해당 형상이 형성될 수 있도록 패턴을 이용하면 된다. 이로써, 다양한 형태의 다단형 오리피스가 형성된 오리피스 영역을 유로 상에 구현할 수 있게 된다.
그리고 요철구조(111a)(111b)는 다수 개의 플레이트 각각을 별도로 에칭한 후, 플레이트가 상호 적층됨으로써 형성되고, 그 형성되는 형태와 방향은 입체형태를 가진다.
이때 오리피스 영역(la)의 압력강하 범위는 제로(0)보다 크고 유효전열 영역(Lb)의 압력강하보다는 작거나 같다.
이러한 상기 요철구조(111a)(111b)의 형상을 통해 유로 내에서 유동되는 유체가 사용자가 설정된 위치에서 증발할 수 있도록 하고, 유체와 증기가 발생되는 경계에 대한 진동 및 과진폭을 감소시킬 수 있게 된다.
이렇게, 과진폭이 감소됨에 따라 피로하중의 발생이 방지되어 기계의 사용 수명이 연장될 수 있게 된다.
도 8은 본 발명이 적용된 인쇄형열교환기의 응용 실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 인쇄형열교환기(100)를 일정 곡률을 가지도록 구부러지게 형성시킨 후 관(200)의 내주연을 따라서 일정 간격으로 배치시켜, 원하는 크기 및 원하는 형상을 가지는 증기발생기를 구현할 수 있도록 한다. 즉 인쇄형열교환기의 크기 및 형상의 변형을 통해 원하는 증기발생기를 제작할 수 있도록 하고, 인쇄형열교환기의 유로에 오리피스 영역을 형성시킴과 동시에 오리피스 영역을 다단형으로 형성시켜 다중 유로로 설계되어 있는 각 유로의 압력강하의 차이가 있는 경우 오리피스 영역에서 전체 압력강하를 조절하여 각 유로의 유량분포 차이를 완화시킬 수 있게 된다. 이로써 유동불안정을 완화시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 인쇄형열교환기방식 증기발생기는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 곡면을 갖는 형태로 확산접합하여 제작할 수 있다. 윗면과 아랫면의 곡율이 동일하거나 다른 경우에 적용이 가능하다. 다만, 곡률반경(Rpche-i)과 두께(Tpche)의 비가 10 이상일 경우에는 응력해석 없이 확산접합 적용이 가능하다. 곡률반경(Rpche-i)과 두께(Tpche)의 비가 5~10일 경우에는 확산접합 시에 가해진 힘을 바탕으로 인쇄형열교환기의 윗면과 아랫면의 응력해석을 수행하여 전영역에서 두께 방향응력이 항복응력이하, 항복응력의 80%이상의 범위에 포함되어야 한다.
본 발명에 따른 인쇄형열교환기 방식의 증기발생기에 구비된 오리피스는 물 이외에도 유동불안정이 발생할 수 있는 인쇄형열교환기, 예를 들면 초임계 이산화탄소를 사용하는 열교환기 등에 동일한 방식으로 적용할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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.
100 : 인쇄형열교환기 110 : 유로
111 : 오리피스 영역
111a, 111b : 요철구조(오목한 부위와 볼록한 부위)
112 : 유효전열 영역 200 : 관

Claims (6)

  1. 상용 원자로에서 사용되는 인쇄형열교환기가 구비된 증기발생기에 있어서,
    상기 인쇄형열교환기(100)가,
    물이 유입되는 입구로부터 일정 거리 이격된 위치까지 형성되며, 입구로부터 유입되는 물을 고압으로 이동시키는 오리피스 영역(111)과,
    상기 오리피스 영역(111)으로부터 연장되어 상기 오리피스 영역(111)으로부터 배출되는 물을 저압으로 이동시키면서 물이 증기로 변환되도록 하는 유효전열영역(112),
    으로 이루어진 유로(110)가 일정 간격으로 다수개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스 영역(111)의 길이(la)는 유효전열 영역의 길이(Lb), 정상유로의 반경(Rb) 및 오리피스 영역(111)의 직경(ra)을 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄형열교환기(100)는,
    판 형태의 플레이트 다수 개가 각각 에칭된 후, 에칭된 플레이트가 상호 적층되면서 에칭된 부위가 유로를 이루게 되고,
    상기 오리피스 영역(111)의 내부 단면에 요철구조(111a)(111b)가 형성되어 있고,
    상기 요철구조(111a)(111b)는, 화학적 에칭 방식에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 요철구조(111a)(111b)의 형상은 반원, 타형, 사각형, 삼각형, 사다리꼴 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 요철구조(111a)(111b)는,
    다수 개의 플레이트 각각을 별도로 에칭한 후, 플레이트가 상호 적층됨으로써 형성되고, 그 형성되는 형태와 방향은 입체형태를 갖는 것을 특징으로 하는 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 인쇄형열교환기(100)는,
    플레이트 각각을 곡면형태로 적층하여 확산접합시켜 형성되고, 그 형성되는 형태와 방향은 입체형태를 갖는 것을 특징으로 하는 오리피스가 구비된 인쇄형 열교환기방식의 증기발생기.
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