KR20220074460A - 열교환기 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 블록형 하우징; 상기 블록형 하우징 내부에 구비되고, 노심으로부터 발생한 열을 전달하기 위한 제1유체가 제1유로로 흐르도록 형성되는 일차계통; 및 상기 블록형 하우징 내부에 구비되고, 상기 제1유체와 열교환에 의해 액체에서 증기로 변화하는 제2유체가 제2유로로 흐르도록 형성되는 이차계통을 포함한다. 나아가, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 식각된 판재로 형성되어 서로 하나씩 건너뛰어 배치되는 열교환기를 형성하고, 상기 블록형 하우징은 상하로 적층이 가능한 형태이고, 상기 제1유로와 상기 제2유로의 적어도 일부가 직교류로 열교환하도록 형성된다.

Description

열교환기 및 이를 구비하는 원전 {HEAT EXCHANGER AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}

본 발명은 원전의 증기발생기에 관한 것으로, 일차계통과 이차계통을 포함하는 증기발생기 및 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.

원전은 원자로에서 연료인 원자의 핵분열에 의해 만들어진 열에너지로부터 전기를 생산하는 시설이다. 핵분열에 의하여 발생한 열을 이용하여 고온, 고압의 증기를 만들어 터빈발전기를 돌려 발전하는 방식이 일반적이다. 원자로에서 발생한 고온의 열에 의해 유체를 증기로 변환하는 증기발생기가 필요하며, 상기 증기발생기는 원자로 주위를 감싸도록 구성되어, 열교환에 의하여 유체가 액체에서 증기로 변환된다.

특히, 인쇄 기판형 열교환기(printed circuit heat exchanger, PCHE)는 미세유로 구조에 의하여 주어진 부피에서 열전달양이 높다. 즉, 인쇄 기판형 열교환기는 높은 열교환 밀도로 인하여 여러 산업분야에 다양하게 이용되고 있다. 이 때, 고온부와 저온부를 통과하는 유체 간의 효율적인 열교환을 위해서는 고온부 유체와 저온부 유체가 열교환기 내에서 주로 열전달이 일어나는 영역인 '주 열전달 영역'에서 균일한 유량 분포를 갖는 것이 중요하다.

이와 관련하여 원전에서의 인쇄기판형 열교환기를 적용하기 위해서는 저온부 유로 구성에서는 저온부 입구 헤더로부터 유입되는 저온부 유체가 주 열전달 영역에 균일하게 분배될 수 있도록 고안된 연결유로 및 주 열전달 영역을 통과한 저온부 유체가 저온부 출구 헤더로 연결되는 연결유로의 설계가 중요하게 된다.

이러한 연결유로 부분에서의 압력손실을 낮게 유지하는 것은 균일한 유량분배를 위하여 매우 중요하나, 인쇄기판형 열교환기가 고온부와 저온부 유로가 화학적으로 식각(etching)된 판재들 간의 고온 확산접합(diffusion bonding) 과정을 통하여 제작된다는 특성 때문에 해당 위치에서의 유로의 수력직경(hydraulic diameter)은 주 열전달 영역의 수력직경에 비하여 큰 값을 가지기가 어렵고, 이로 인해 연결유로부의 압력손실을 낮추는 데는 한계가 있다.

이에 따라, 입구영역 이후에 높은 압력손실이 나타나도록 고안된 유로부(소위 오리피스)를 설치함으로써 균일한 유량분배를 위한 설계가 자주 채택되는 실정이다. 이 경우 열교환기 운전 시 압력손실이 과도해져 높은 용량의 펌프를 사용해야 하므로 건설 및 유지비용의 증가를 야기함은 물론, 입구 헤더로부터 이물질이 유입될 경우 오리피스에 고착되어 도리어 유량의 균일도를 저하시킬 가능성도 상존한다.

한편, 상술한 오리피스의 또 다른 역할로서, 혹 열교환기가 증기발생기로 응용될 경우 저온부에서 증기 발생 시 나타나는 부피 팽창에 의한 유동 불안정성의 억제 효과가 있다. 이러한 목적으로 오리피스가 설치될 때는 일반적으로 저온부의 주 열전달 영역 전단부와 헤더 사이에 설치된다.

인쇄기판형 열교환기는 고온부와 저온부의 유체 간의 열교환을 하는 장치이므로, 고온부 유체의 입/출구, 저온부 유체의 입/출구부에 헤더가 필요하다. 인쇄기판형 열교환기의 헤더는 열교환기 내부에 식각된 유로가 외부 헤더로 연결되며, 열교환기 블록 외부에 헤더를 용접하는 방식이 사용된다. 뿐만 아니라, 블록 내부에 헤더 역할을 하는 공동을 설계한 뒤 배관을 직접 블록에 브레이징(brazing)으로 연결하는 방식 또한 사용되고 있다. 이 때 헤더 역할을 하는 공동은 고온부 판재와 저온부 판재에 모두 동일한 위치에 기계적으로 가공되며, 화학적 식각과 동시에 이루어진다. 그 후 고온부 판재와 저온부 판재들을 적층하여 확산접합함과 동시에 배관을 연결하여 블록을 완성하게 된다. 이러한 블록 내 헤더 방식은 블록 제작(확산접합) 이후 추가로 헤더를 용접하지 않아도 되고, 블록 외부 공간 절약에 도움이 되는 반면, 헤더가 블록 내부 공간을 차지하기 때문에 블록 내부에서의 주 열전달 영역의 면적이 감소하고, 고온부와 저온부 헤더와 유로들이 서로 간섭하지 않도록 설계하여야 하는 단점이 있다.

또한, 종래의 인쇄기판형 열교환기를 원전에서 증기발생기로 응용한 연구 내용에 따르면 인쇄기판형 증기발생기의 일/이차측 유로 길이가 증가함에 따라 인쇄기판형 증기발생기의 총 체적은 감소한다. 다시 말해, 인쇄기판형 증기발생기의 일/이차측 유로 길이가 증가함에 따라 유로 길이 증가율에 비해 블록의 단면적 감소율이 더 높아진다. 한편, 인쇄기판형 증기발생기의 일/이차측 유로 길이가 증가함에 따라 일/이차측 압력 손실은 크게 증가한다. 따라서, 인쇄기판형 증기발생기의 체적과 일/이차측 압력손실이 모두 허용 가능한 범위에 있도록 설계값을 잘 채택하는 것이 중요하다.

본 발명의 일 목적은 가압경수로형 원전 또는 신규 개발된 일체형 가압경수로인 SMART와 같은 노형의 원전에 인쇄기판형 증기발생기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 균일한 유량 분배 및 낮은 압력 손실과 높은 열전달밀도를 갖는 인쇄기판형 열교환기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 블록형 하우징; 상기 블록형 하우징 내부에 구비되고, 노심으로부터 발생한 열을 전달하기 위한 제1유체가 제1유로로 흐르도록 형성되는 일차계통; 및 상기 블록형 하우징 내부에 구비되고, 상기 제1유체와 열교환에 의해 액체에서 증기로 변화하는 제2유체가 제2유로로 흐르도록 형성되는 이차계통을 포함한다. 나아가, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 식각된 판재로 형성되어 서로 하나씩 건너뛰어 배치되는 열교환기를 형성하고, 상기 블록형 하우징은 상하로 적층이 가능한 형태이고, 상기 제1유로와 상기 제2유로의 적어도 일부가 직교류로 열교환하도록 형성된다.

실시예에 있어서, 상기 일차계통은, 상기 제1유로로 제1유체를 공급하도록 형성되는 일차측 고온부 헤더와 열교환된 제1유체를 배출하도록 형성되는 일차측 저온부 헤더를 포함하고, 상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더는 서로 마주보도록 형성된다.

실시예에 있어서, 상기 이차계통은, 상기 제2유로로 제2유체를 공급하도록 형성되는 급수 헤더와 열교환된 제2유체를 배출하도록 형성되는 주증기 헤더를 포함하고, 상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더는 서로 마주보도록 형성된다.

실시예에 있어서, 상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더가 마주하는 방향과 상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더가 마주하는 방향은 서로 수직하게 교차된다.

실시예 있어서, 상기 제2유로의 입구측에는 오리피스(orifice)가 구비된다.

또한, 본 발명은 압력용기를 포함하는 일체형 원자로를 구비하는 원전을 개시한다. 본 발명의 원전은 압력용기 내부에 배치되는 노심; 상기 압력용기의 내부에서 상기 노심에서 발생하는 열에너지를 제1유체에 전달하도록 형성되는 일차측 고온부 유로; 상기 압력용기의 내부에서 상기 일차측 고온부 유로의 둘레를 둘러싸도록 배치되고 제1유체와 제2유체 상호간의 열교환하도록 형성되는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는, 식각된 판재로 제1유로와 제2유로를 형성하고, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 서로 하나씩 건너뛰어 교대로 배치되어 적층되는 열교환기를 형성하는 일체형 원자로를 구비한다.

실시예에 있어서, 상기 열교환기는, 블록형 하우징; 열을 전달하기 위한 제1유체가 상기 제1유로로 흐르도록 형성되는 일차계통; 및 상기 제1유체와 열교환에 의해 액체에서 증기로 변화하는 제2유체가 상기 제2유로로 흐르도록 형성되는 이차계통을 포함하고, 상기 블록형 하우징은 상하로 적층이 가능한 형태이고, 상기 제1유로와 상기 제2유로의 적어도 일부가 직교류로 열교환하도록 형성되는 열교환기를 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 일차계통은, 상기 제1유로로 제1유체를 공급하도록 형성되는 일차측 고온부 헤더와 열교환된 제1유체를 배출하도록 형성되는 일차측 저온부 헤더를 포함하고, 상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더는 서로 마주보도록 형성되는 열교환기를 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 이차계통은, 상기 제2유로로 제2유체를 공급하도록 형성되는 급수 헤더와 열교환된 제2유체를 배출하도록 형성되는 주증기 헤더를 포함하고, 상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더는 서로 마주보도록 형성된다.

실시예에 있어서, 상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더가 마주하는 방향과 상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더가 마주하는 방향은 서로 수직하게 교차된다.

실시예에 있어서, 상기 일차측 고온부 유로의 길이 방향으로 하나 이상의 블록형 열교환기가 적층되어 배치된다.

도 1은 압력용기를 포함하는 종래의 일체형 원자로인 SMART의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 관련된 열교환기(1000)의 등각투영 뷰(isometric view)이다.
도 3은 도 2에 개시된 열교환기의 미세유로의 실시 예에 관련된 개념도이다.
도 4는 본 발명의 열교환기의 실시 예에 관련된 개념도이다.
도 5는 본 발명의 열교환기의 다른 실시 예에 관련된 개념도이다.
도 6은 본 발명의 열교환기의 또 다른 실시 예에 관련된 개념도이다.
도 7은 압력용기 내부에 본 발명의 열교환기가 배치된 실시 예에 관련된 측면도이다.
도 8은 압력용기 내부에 본 발명의 열교환기가 배치된 실시 예에 관련된 개념도이다.
도 9는 압력용기 내부에 본 발명의 열교환기가 배치된 다른 실시 예에 관련된 개념도이다.

구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 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.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 압력용기를 포함하는 종래의 일체형 원자로인 SMART(10)의 개념도이다. 일체형 원자로는 압력용기(1) 내부에 원자로 노심(2')이 위치하고, 증기발생기(3'), 가압기(4), 원자로냉각재펌프(5)와 같은 주요기기가 구비된다. 이에, 일체형 원자로에서는 이들 주요기기들을 연결하기 위한 대형 배관이 배제되어 배관에서 취약점이 발생하는 문제점을 제거할 수 있다.

특히 일체형 원자로의 내부에 증기발생기(3')를 배치하는 것은 압력용기(1) 내 일차측 유체에 잠겨 있기 때문에 일차측(고온부) 헤더가 불필요하다. 또한, 일차측 압력손실이 작을수록 원자로냉각재펌프(RCP)의 부하가 줄어들어 경제성이 증가하며, 사고 시 자연대류를 이용한 노심 냉각이 용이해지므로 안전성 또한 향상될 수 있다.

나아가, 일체형 원자로 내부의 증기발생기를 인쇄 기판형 열교환기(printed circuit heat exchanger, PCHE)로 적용할 수도 있다. 인쇄 기판형 열교환기는 미세유로 구조에 의하여 주어진 부피에서 열전달량이 높아서 열교환 밀도가 향상된다는 점에서 일체형 원자에 적용될 수 있다. 다시 말하자면, 일체형 원자로의 증기발생기를 인쇄 기판형 열교환기로 적용할 수 있다.

SMART와 같은 일체형 원자로에 인쇄기판형 증기발생기를 적용한다면 기존 증기발생기에 비해 동일 열전달량을 위한 체적이 줄어들어 기기 배치에 용이하므로 원가가 절감된다는 장점이 있다. 인쇄기판형 증기발생기의 체적과 일/이차측 압력손실은 최소가 되도록 설계하는 것이 바람직하지만 유로의 길이가 증가함에 따라 체적이 감소하는 한편, 일/이차측 압력손실은 증가하므로, 적절한 설계값을 찾는 것이 필수적이다.

유로의 길이가 증가함에 따라 체적이 감소하는 이유는 이차측으로 공급된 급수가 상변화(비등, boiling) 과정을 거쳐 과열증기(superheated steam)가 되어 밖으로 빠져나가기까지 충분한 거리를 허용하게 되면 그 이상으로 블록 단면적이 감소하기 때문이다. 다시 말하면, 급수가 과열증기가 되어 밖으로 나가기까지 충분한 열전달이 일어나는 면적 및 시간을 허용하게 되면 그 이상으로 필요한 유로 개수가 감소하기 때문이다.

한편, 유로의 길이가 증가함에 따라 압력손실이 함께 증가하는 이유는 유체역학적 원리에 따라 주어진 유로의 형상, 평균 유속, 유체의 특성이 고정되었을때 압력손실은 유로의 거리에 비례하기 때문이다. 유로의 길이가 증가하더라도 총 제적이 감소하는 경우 압력손실이 비례하여 증가하지 않는데, 이는 유로의 길이가 증가하여 유로 개수가 감소하고 블록의 단면적이 감소하고, 유체의 평균 속도가 증가하여 압력 구배가 증가하기 때문이다.

종래의 인쇄기판형 열교환기에 대한 연구는 주로 일/이차측 유로가 대향류(counter-flow)인 경우에 대한 것이며, 주 열전달 영역 이외의 헤더와의 연결유로의 효과는 배제되어 있다. 즉, 종래의 연구 결과는 일차측과 이차측 유로의 개수 및 유로 길이는 모두 동일한 경우에 대한 결과이므로 일차측과 이차측 유로의 개수와 유로 길이가 서로 다르다면 체적의 증가를 억제하면서도 압력손실을 크게 감소시키는 것 또한 가능할 것으로 기대된다.

이를 테면, 직육면체형 블록 내부에 인쇄 기판형 열교환기의 유로를 배치할 때, 압력손실을 최소화하고 경제성과 안정성이 향상되도록 유로를 배치할 수 있다. 상세하게, 후술될 도 2와 같이 직육면체형 블록이 x,y,z 좌표계에 놓인 경우 인쇄 기판형 유로가 x,y 평면에 평행하게 배치될 수 있다. 나아가, 직육면체형 블록의 z축 단면에서 x 축 방향이 y축 방향보다 더 긴 직사각형일 경우, 도 3의 (a)와 같이 일차측 유로를 y축 방향으로 배치하여 개수가 많고 길이가 더 짧게 배치하여 평균 유속을 감소시켜 압력 손실을 최소화하여 경제성과 안전성의 향상을 도모할 수 있다. 이때, 도 3의 (b)와 같이 이차측은 x축 방향으로 배치하여 유로의 길이를 길게 함으로써 상변화 및 과열증기가 되기까지 충분한 거리를 확보하는 것으로 체적의 감소를 추구할 수 있다. 본 발명의 실시예에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 관련된 열교환기(1000)의 등각투영 뷰(isometric view)이다. 도 2의 (a)와 (b)는 블록형 하우징(100)으로 형성되는 열교환기(1000) 내부의 일차계통과 이차계통의 일부를 도시한 도면이고, 도 2의 (c)는 열교환기(1000)의 블록형 하우징(100)의 x축 양의 방향의 측면도이다. 본 발명의 열교환기(1000)를 이해하기 위하여 도 2의 (a), (b) 및 (c)에 x, y, z 입체 좌표 방향을 함께 도시하였다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 열교환기(1000)는 블록형 하우징(100) 내부에 일차계통 및 이차계통을 구비한다. 본 발명의 열교환기는 직육면체 형태의 블록형 하우징(100)에 인쇄기판형 또는 판형으로 형성된 일차계통과 이차계통으로 열교환이 이루어진다. 도 2에서 열교환기(1000)의 일차계통과 이차계통의 배치를 설명하기 위해서 주 열전달 영역의 미세유로(제1유로, 제2유로)는 도시하지 않고 후술한다. 블록형 하우징(100)은 직육면체로 도시하였으나 상하로 적층이 가능한 형태라면 형태에 한정되지 아니한다.

열교환기(1000)의 일차계통은 도 2의 (a)로 나타낼 수 있다. 블록형 하우징(100) 내부에 일차측 고온부 헤더(200), 일차측 저온부 헤더(210)를 포함한다. 일차측 고온부 헤더(200)는 제1유체를 공급하도록 형성되고, 제1유체는 제1유로로 흘러 열교환하여 일차측 저온부 헤더(210)로 배출될 수 있다. 제1유체는 고온에서 열교환하여 저온으로 이루어진다. 제1유체는 노심(2')으로부터 발생한 열을 전달받아 고온이 되며, 제2유체와 열교환하여 냉각이 된다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 일차측 고온부 헤더(200)와 일차측 저온부 헤더(210)는 서로 마주보도록 형성된다.

한편, 열교환기(1000)의 이차계통은 도 2의 (b)로 나타낼 수 있다. 블록형 하우징(100) 내부에 급수 헤더(300), 주증기 헤더(310)를 포함한다. 급수 헤더(300)는 제2유체를 공급하도록 형성되고, 제2유체는 제2유로로 흘러 열교환하여 주증기 헤더(310)로 배출될 수 있다. 제2유체는 열교환하여 과열증기로 상변화한다. 즉, 제2유체는 노심(2')으로부터 발생한 열을 전달받은 제1유체를 열원으로 열교환이 이루어진다. 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 급수 헤더(300)와 주증기 헤더(310)는 서로 마주보도록 형성된다.

나아가, 급수 헤더(300)에 급수를 공급하도록 형성되는 급수배관(301)이 구비될 수 있다. 열교환하여 과열증기로 상변화한 제2유체는 주증기 헤더(310)에 구비되어 주증기를 배출하도록 형성된 주증기 배관(311)으로 배출될 수 있다.

덧붙여, 고온부 헤더(200), 일차측 저온부 헤더(210)와 급수 헤더(300), 주증기 헤더(310)는 서로 수직방향으로 배치될 수 있다. 다시 말해, 일차측 고온부 헤더(200)와 일차측 저온부 헤더(210)가 마주하는 방향과 급수 헤더(300)와 주증기 헤더(310)가 마주하는 방향은 서로 수직하게 교차될 수 있다.

본 발명의 고온부 헤더(200), 일차측 저온부 헤더(210)와 급수 헤더(300), 주증기 헤더(310)는 편의상 직육면체로 표현하였으나 직육면체에 국한되지 아니한다. 나아가 헤더의 비율 또한 도시된 것과 같이 한정되는 것은 아니다.

도 3은 도 2에 개시된 열교환기의 미세유로의 실시 예에 관련된 개념도이다.

도 3을 참조하면, 도 3의 (a), (b)는 각각 도 2에서 생략된 판형 또는 인쇄기판형 열교환기의 일차측 및 이차측의 유로 식각의 예시이다.

도 3의 (a), (b)는 x,y 평면에 인쇄 기판형 유로를 평행하게 배치된 예를도시하였다. 상세하게는 도 2에서 미도시된 주 열전달 영역은 일차계통의 제1유로(220)를 도3 (a)에 도시하였으며, 도 3 (b)는 이차계통의 제2유로(320)를 도시하였다.

본 발명의 열교환기(1000)는 도 3의 (a), (b)에 도시된 제1유로(220)와 제2유로(320)를 가공한 판재를 확산접합하여 열교환하도록 형성된다. 이때, 제1유로(220)와 제2유로(320)가 식각된 판재의 배치는 서로 하나씩 건너뛰어 교대로 배치되어 적층된다. 제1유로(220)와 제2유로(320)를 통하여 주로 열교환이 이루어지는 영역은 주 열전달 영역으로 점선으로 나타낸 사각형의 영역에 해당한다.

도 3의 (a), (b)에 도시된 제1유로(220)와 제2유로(320)의 주 열전달 영역에서 제1유체와 제2유체가 서로 직각으로 흐르면서 열교환이 이루어진다. 즉, 제1유로(220)와 제2유로(320)는 직교류(cross flow)를 형성할 수 있다.

전술된 일차측 고온부 헤더(200)와 일차측 저온부 헤더(210)가 마주하는 방향과 급수 헤더(300)와 주증기 헤더(310)가 마주하는 방향은 서로 수직하게 교차되는 것을 x, y 축을 중심으로 설명할 수도 있다.

일차측 고온부 헤더(200), 일차측 저온부 헤더(210), 급수 헤더(300), 주증기 헤더(310)는 후술할 도 4, 5, 6의 유로 배치에서는 블록 외부에 별도로 접합 설치된다. 하지만 도 3의 열교환기에서는 블록 내부에 식각 또는 기타 기계적 가공을 통하여 일차측의 제1유로가 식각되는 판재 및 이차측의 제2유로가 식각되는 판재 모두에 가공되어, 도 2에서와 같이 직육면체의 열린 공간 형태를 갖는다. 이 경우 블록 내부에 헤더가 설치된 것으로, '내부 헤더'로 지칭할 수도 있다. 도 2에 직육면체 형태로 도시된 헤더의 형태는 예시이며, 내부 헤더의 형상은 반드시 직육면체로 한정하는 것은 아니다.

일차측 유체는 일차측 고온부 헤더(200)를 통하여 공급된다. 일차측 고온부 헤더(200)는 주증기 헤더(310)보다 양의 y방향에 해당하는 위치에 배치된다. 제1유체는 양의 x방향으로 일차측 고온부 헤더(200)로 유입된다. 이어서, 제1유체는 주 열전달 영역에서 음의 y방향으로 흐르며, 일차측 저온부 헤더(210)에서 모여 양의 x방향으로 블록을 빠져나간다.

이러한 일차측 고온부 헤더(200), 일차측 저온부 헤더(210) 및 제1유로(220)의 배치를 통하여 주 열전달 영역 전체에 걸쳐 균일한 유량분배를 얻을 수 있다. 나아가 제1유로(220)의 길이를 짧게 형성할 수 있으므로 압력손실을 낮출 수 있는 장점이 있다.

한편, 제2유체는 급수 배관을 따라 급수 헤더(300)를 통해 제2유로(320) 및 각 층에 균일하게 분배되며, 주 열전달 영역으로 이동하기 위해 오리피스(미도시)를 통과함으로써 유량 분배 균일성 강화 및 상변화에 의한 유동불안정성 억제 효과를 얻게 된다. 일 실시예에서 오리피스는 급수 헤더(300)와 점선으로 표시된 주 열전달 영역 사이에 배치될 수 있다. 즉, 오리피스는 제2유로(320)의 시작부분에 배치될 수 있다.

오리피스 및 제2유로(320)를 거친 제2유체는 이후 주증기 헤더(310)에서 다시 모여 주증기 배관(311)을 따라 블록 외부로 이동하게 된다. 이차계통의 제2유로(320)의 길이는 일차계통의 제1유로(220)에 비해 상당히 길게 배치할 수 있고, 이를 통해 충분한 열전달 면적을 확보하여 블록의 총 체적 감소를 도모할 수 있다.

도 4 내지 도 6에서는 인쇄기판형 또는 판형의 증기발생기로 형성된 열교환기의 블록 외부에 헤더가 용접될 경우 적용 가능한 내부 유로(제1유로, 제2유로)에 대하여 제시한다.

도 4는 본 발명의 열교환기의 실시 예에 관련된 개념도이다.

도 4의 (a), (b)는 각각 본 발명의 열교환기의 일차계통 및 이차계통의 유로 식각의 예시이다. 점선으로 표시된 영역은 도 4에 도시된 열교환기의 주 열전달 영역이다.

도 4를 참조하면, 주 열전달 영역에서 제1유체와 제2유체의 주된 유동 방향은 대향류(counter flow)이다. 이에, 열교환 성능과 같은 파라미터의 예측이 용이하다는 장점이 있다. 한편, 도 4의 (b)에 도시된 것과 같이 제2유로가 구비되므로, 제2유로의 입구와 출구에 가까운 영역에서 일부가 직교류(cross flow)로 유체의 열교환이 이루어진다. 즉, 제1유로와 제2유로의 적어도 일부가 직교하는 직교류를 형성한다. 도 4에 개시된 열교환기는 후술될 도 5, 6에 개시된 열교환기와 비교하여 가장 작은 크기의 블록으로 열교환기를 구성할 수 있으므로 확산접합을 통한 제작에 가장 유리하며, 블록의 구조건정성 및 경제성이 개선될 수 있다.

도 5는 본 발명의 열교환기의 다른 실시 예에 관련된 개념도이다.

도 5의 (a), (b)는 각각 본 발명의 열교환기의 일차계통 및 이차계통의 유로 식각의 예시이다. 점선으로 표시된 영역은 도 5에 도시된 열교환기의 주 열전달 영역이다.

도 5를 참조하면, 주 열전달 영역에서 제1유체와 제2유체의 주된 유동 방향은 직교류(cross flow)이다. 이는 앞서 설명한 도 2 및 도 3의 제1유로(220) 및 제2유로(320)와 유사하므로 그 설명은 전술된 설명으로 갈음한다.

도 5의 (a)에 도시된 제1유로의 배치를 통하여 주 열전달 영역 전체에 걸체 균일한 유량분배를 얻을 수 있다. 나아가 제1유로의 길이를 짧게 형성할 수 있으므로 압력손실을 낮출 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 5에 개시된 열교환기는 도 4나 후술할 도 6에 개시된 열교환기와 비교하여 가장 낮은 일차측 압력손실을 나타내어, 사고 시 자연대류 냉각 조건에서 원자로의 안전성을 가장 잘 확보할 수 있다.

또한, 도 5의 (b)에 도시된 제2유로의 길이는 (a)에 도시된 일차계통의 제1유로에 비해 상당히 길게 배치할 수 있고, 이를 통해 충분한 열전달 면적을 확보하여 블록의 총 체적 감소를 도모할 수 있다.

도 6은 본 발명의 열교환기의 또 다른 실시 예에 관련된 개념도이다.

도 6의 (a), (b)는 각각 본 발명의 열교환기의 일차계통 및 이차계통의 유로 식각의 예시이다. 점선으로 표시된 영역은 도 6에 도시된 열교환기의 주 열전달 영역이다.

도 6을 참조하면, 주 열전달 영역에서 제1유체와 제2유체는 직교류(cross flow)와 대향류(conter flow)의 혼합형으로 형성될 수 있다. 점선으로 표시된 주 열전달 영역에서의 유동 방향은 일부는 대향류이고 일부는 직교류이다. 즉, 제1유로와 제2유로의 적어도 일부가 직교하는 직교류를 형성한다. 도 6과 같이 직교류와 대향류는 6:4의 비율로 구성될 수 있다. 하지만, 직교류와 대향류의 비율은 점선으로 표시된 주 열전달 영역의 가로와 세로의 비율에 따라 해당 비율이 달라는 것으로 비율이 6:4로 한정되는 것은 아니다.

이 경우는 전술된 도 5와 비교하여 일차계통의 제1유로의 개수가 감소하고 길이가 증가하므로 일차계통의 압력손실은 다소 증가한다. 하지만, 일차계통의 평균유속 증가에 의해 전체적인 열교환 효율도 증가하여 체적이 감소할 수 있다. 이에, 열교환기 블록들의 부피의 합이 상술한 도 4나 도 5에 개시된 열교환기와 비교하여 가장 작게 구성될 수 있으므로 원전의 콤팩트한 구성이 가능하게 된다. 나아가, 열교환기 및 원자로 크기 축소에 따른 원전 경제성이 향상될 수도 있다. 이 경우 원자로의 크기와 원전 건물 크기가 축소되므로 건설 비용이 절감될 수 있다.

도 4 내지 도 6에 도시한 제1유로와 제2유로의 크기나 길이, 배치, 유로의 위상적 형태(연결유로 등의 유무), 헤더로 연결되는 위치 등을 매우 다양하게 변화시킬 수 있으므로, 반드시 도시된 대로 한정하는 것은 아니다.

도 7은 압력용기 내부에 본 발명의 열교환기가 배치된 실시 예에 관련된 측면도이다.

도 7을 참조하면, 노심(2')에서 발생한 열로 가열된 제1유체는 일차측 고온부 유로(2)를 통하여 압력용기(1) 중심부를 따라 상승한다. 블록형 하우징을 가지는 열교환기(3)들은 일차측 고온부 유로(2)를 감싼다. 이어서, 제1유체는 열교환기(3) 내부의 유로를 따라 수평 방향으로 압력 용기 내부 외곽을 향해 방사형으로 흘러나가면서 제2유체와 열교환할 수 있다. 열교환하여 냉각된 제1유체는 열교환기(3)와 압력용기(1) 내면 사이에 형성된 저온부 유로를 따라 하강하는 형태가 될 수 있다.

도 8은 압력용기 내부에 본 발명의 열교환기가 배치된 실시 예에 관련된 개념도이다.

도 8과 같이 블록형 하우징을 가지는 열교환기(3a)를 배치하는 경우에는 전술된 도 3에 도시한 제1유로, 제2유로의 형태를 가지는 일차계통, 이차계통을 판재에 가공한 뒤 확산접합하여 주 열전달 영역이 직교류가 되도록 고안할 수 있다.

이에, 도 8과 같이 열교환기(3a)를 배치하는 경우에는 도 3과 같이 제1유로와 제2유로를 형성할 수 있다. 전술한 것과 같이 일차측 고온부 헤더를 통해 주 열전달 영역 전체에 걸쳐 균일한 유량분배를 얻을 수 있고, 제1유로의 길이를 짧게 만들 수 있어 압력손실을 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 또한 제2유로의 길이는 제1유로에 비해 상당히 길게 배치할 수 있고, 이를 통해 충분한 열전달 면적을 확보하여 블록의 총 체적 감소를 도모할 수 있다.

도 9는 압력용기 내부에 본 발명의 열교환기가 배치된 다른 실시 예에 관련된 개념도이다.

도 9와 같이 블록형 하우징을 가지는 열교환기(3b)를 배치하는 경우에는 전술된 도 5에 도시한 제1유로, 제2유로의 형태를 가지는 일차계통, 이차계통을 판재에 가공한 뒤 확산접합하여 주 열전달 영역이 직교류가 되도록 고안할 수 있다.

또한, 도 9와 같이 블록형 하우징을 가지는 열교환기(3b)를 배치하는 경우에는 전술된 도 6에서 도시한 열교환기도 적용될 수 있다. 이 때 주 열전달 영역에서의 유동 방향은 일부는 대향류이고 일부는 직교류이다. 이 경우는 도 5의 열교환기를 적용할 때와 비교하면 제1유로의 개수가 감소하고 길이가 증가하므로 일차측의 압력손실은 다소 증가하나, 일차측의 평균유속 증가에 의해 전체적인 열교환 효율도 증가하여 주어진 열전달량을 충족하기 위한 증기 발생기 블록의 체적 합계가 감소한다.

본 발명의 압력용기(1) 내부에 열교환기가 배치된 예는 각 블록의 크기나 길이 비율, 단면도에 나타나는 블록의 개수 등을 매우 다양하게 변화시킬 수 있으므로, 반드시 도시된 블록의 크기, 길이, 개수에 한정하는 것은 아니다.

즉, 전술된 열교환기의 특징을 가지고, 압력용기(1)의 내부에서 일차측 고온부 유로(2)의 둘레를 둘러싸도록 열교환기(3)가 배치될 수 있다. 또한, 일차측 고온부 유로(2)의 길이 방향으로 하나 이상으로 열교환기(3)가 적층되어 배치될 수 있다.

나아가, 본 발명은 전술된 판형 또는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 원전을 포함한다. 전술된 열교환기를 원전에 적용하여 원형 단면을 갖는 압력 용기 내부에 직육면체 형태의 블록형 증기발생기(열교환기)를 효율적으로 배치하여 압력용기의 크기 축소로 인한 경제성이 향상될 수도 있다.

발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (11)

1. 열교환기에 있어서,
   블록형 하우징;
   노심으로부터 발생한 열을 전달하기 위한 제1유체가 제1유로로 흐르도록 형성되는 일차계통; 및
   상기 제1유체와 열교환에 의해 액체에서 증기로 변화하는 제2유체가 제2유로로 흐르도록 형성되는 이차계통을 포함하고,
   상기 제1유로와 상기 제2유로는 식각된 판재로 형성되어 서로 하나씩 건너뛰어 교대로 배치되어 적층되는 열교환기를 형성하고,
   상기 블록형 하우징은 상하로 적층이 가능한 형태이고,
   상기 제1유로와 상기 제2유로의 적어도 일부가 직교류로 열교환하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 일차계통은,
   상기 제1유로로 제1유체를 공급하도록 형성되는 일차측 고온부 헤더와
   열교환된 제1유체를 배출하도록 형성되는 일차측 저온부 헤더를 포함하고,
   상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더는 서로 마주보도록 형성되는 열교환기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 이차계통은,
   상기 제2유로로 제2유체를 공급하도록 형성되는 급수 헤더와
   열교환된 제2유체를 배출하도록 형성되는 주증기 헤더를 포함하고,
   상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더는 서로 마주보도록 형성되는 열교환기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더가 마주하는 방향과 상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더가 마주하는 방향은 서로 수직하게 교차되는 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2유로의 입구측에는 오리피스(orifice)가 구비되는 열교환기.
6. 압력용기를 포함하는 일체형 원자로를 구비하는 원전에 있어서,
   상기 압력용기 내부에 배치되는 노심;
   상기 압력용기의 내부에서 상기 노심에서 발생하는 열에너지를 제1유체에 전달하도록 형성되는 일차측 고온부 유로;
   상기 압력용기의 내부에서 상기 일차측 고온부 유로의 둘레를 둘러싸도록 배치되고 제1유체와 제2유체 상호간의 열교환하도록 형성되는 열교환기를 포함하고,
   상기 열교환기는,
   식각된 판재로 제1유로와 제2유로를 형성하고, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 서로 하나씩 건너뛰어 교대로 배치되어 적층되는 열교환기를 형성하는 일체형 원자로를 구비하는 열교환기를 포함하는 원전.
7. 제6항에 있어서,
   상기 열교환기는,
   블록형 하우징;
   열을 전달하기 위한 제1유체가 상기 제1유로로 흐르도록 형성되는 일차계통; 및
   상기 제1유체와 열교환에 의해 액체에서 증기로 변화하는 제2유체가 상기 제2유로로 흐르도록 형성되는 이차계통을 포함하고,
   상기 블록형 하우징은 상하로 적층이 가능한 형태이고,
   상기 제1유로와 상기 제2유로의 적어도 일부가 직교류로 열교환하도록 형성되는 열교환기를 포함하는 원전.
8. 제7항에 있어서,
   상기 일차계통은,
   상기 제1유로로 제1유체를 공급하도록 형성되는 일차측 고온부 헤더와
   열교환된 제1유체를 배출하도록 형성되는 일차측 저온부 헤더를 포함하고,
   상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더는 서로 마주보도록 형성되는 열교환기를 포함하는 원전.
9. 제8항에 있어서,
   상기 이차계통은,
   상기 제2유로로 제2유체를 공급하도록 형성되는 급수 헤더와
   열교환된 제2유체를 배출하도록 형성되는 주증기 헤더를 포함하고,
   상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더는 서로 마주보도록 형성되는 열교환기를 포함하는 원전.
10. 제9항에 있어서,
    상기 일차측 고온부 헤더와 상기 일차측 저온부 헤더가 마주하는 방향과 상기 급수 헤더와 상기 주증기 헤더가 마주하는 방향은 서로 수직하게 교차되는 열교환기를 포함하는 원전.
11. 제7항에 있어서,
    상기 일차측 고온부 유로의 길이 방향으로 하나 이상의 블록형 열교환기가 적층되어 배치되는 열교환기를 포함하는 원전.

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