WO2016047939A1 - 열교환기 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

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WO2016047939A1
WO2016047939A1 PCT/KR2015/009507 KR2015009507W WO2016047939A1 WO 2016047939 A1 WO2016047939 A1 WO 2016047939A1 KR 2015009507 W KR2015009507 W KR 2015009507W WO 2016047939 A1 WO2016047939 A1 WO 2016047939A1
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flow path
monitoring
passage
plate
channel
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PCT/KR2015/009507
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English (en)
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김영인
김긍구
윤주현
최순
한훈식
강한옥
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한국원자력연구원
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/02—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator
    • G21C17/032—Reactor-coolant flow measuring or monitoring
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/02—Arrangements or disposition of passages in which heat is transferred to the coolant; Coolant flow control devices
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/002—Detection of leaks
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21D—NUCLEAR POWER PLANT
    • G21D1/00—Details of nuclear power plant
    • G21D1/006—Details of nuclear power plant primary side of steam generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00—Reactor types
    • G21C1/32—Integral reactors, i.e. reactors wherein parts functionally associated with the reactor but not essential to the reaction, e.g. heat exchangers, are disposed inside the enclosure with the core
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a plate heat exchanger, and more particularly to a heat exchanger using a microchannel, such as a plate or printed plate heat exchanger, and a nuclear power plant having the same.
  • the printed circuit board heat exchanger has been developed by Heatric, UK (Patent: US Pat. No. 4,665,975, 1987).
  • the printed circuit board heat exchanger is a heat exchanger having a structure that eliminates welding between the plates of the heat exchanger by using a dense flow path arrangement and diffusion bonding technique by a photo-chemical etching technique. Accordingly, the printed circuit board heat exchanger is applicable to an environment of high temperature and high pressure, and has high integration and excellent heat exchange performance.
  • Printed board heat exchanger Evaporator, condenser, etc. for cooling and heating system, fuel cell, automobile, chemical process, medical equipment, nuclear power, information and communication equipment, cryogenic environment, etc. The scope of application is expanding to a wide variety of fields such as coolers, radiators, heat exchangers, and reactors.
  • the manufacturing technology in the form of a printed board is a photo-chemical etching technique (photo-chemical etching technique) because there is an advantage that can be processed very freely than the general processing method.
  • Plate heat exchangers to be utilized as one example of the present invention has been widely applied in the industry for over 100 years.
  • Plate type heat exchangers generally extrude the plates to form flow channels and join between the plates using a gasket or using ordinary welding or brazing welding.
  • printed board type heat exchangers and their applications are similar but are used more in low pressure environment. Heat exchange performance is smaller than printed board heat exchangers and is superior to shell and tube heat exchangers. In addition, compared to a printed board type heat exchanger, it is easy to manufacture.
  • An object of the present invention is to provide a plate-type heat exchanger or steam generator, especially a printed board type heat exchanger or steam generator that has excellent pressure resistance and structural integrity and is easy to use as a multi-purpose heat exchanger such as a high-temperature high-pressure facility or a highly toxic chemical facility. Due to the nature of the flow path, the maintenance work was derived to overcome the weak points.
  • a heat exchanger includes a plate portion in which a plurality of plates overlap each other, and at least a portion of each plate is processed to form a flow path through which fluid flows. And a flow passage portion, and a monitoring flow passage formed between the plurality of plates so that the fluid leaking from the flow passage flows, and configured to detect the leakage of the fluid from the flow passage.
  • the flow path may include a first flow path through which a high temperature fluid flows, and a second flow path through which a low temperature fluid flows apart from the first flow path and exchanges heat with the high temperature fluid.
  • the monitoring channel may be formed between the first channel and the second channel.
  • the plate portion may include a first plate on which the first flow path is formed and a second plate on which the second flow path is formed, and the monitoring flow path may be formed between the first and second plates.
  • the display device may further include a third plate disposed between the first and second plates, and the monitoring channel may be formed on the third plate.
  • the monitoring flow passage may be formed to contact the first plate or the second plate.
  • a fourth plate spaced apart from the third plate and formed to be in contact with the first plate or the second plate, wherein the monitoring channel is formed of a plurality of flow paths and is formed on the third plate; It may include a monitoring channel and the second monitoring channel formed in the fourth plate.
  • the monitoring passage may be formed as an open passage including a first passage in which a plurality of passages are spaced apart from each other and formed in one direction, and a second passage communicating the first passage with each other.
  • the monitoring channel may be formed as a micro channel having a smaller cross-sectional area than the first channel and the second channel so as to suppress a decrease in heat exchange performance between the first channel and the second channel.
  • At least one of the first and second passages may be formed over at least two plates.
  • the monitoring flow passage is formed of a plurality of flow passages, and includes a monitoring flow passage header where the plurality of flow paths are collected so as to detect a change in the state of the fluid inside the monitoring flow passage. Can be.
  • the monitoring channel header may include a sensor unit that detects a change in temperature, pressure, chemical state or radioactivity in the monitoring channel when the fluid flows from the channel and flows into the monitoring channel.
  • the monitoring flow path may be filled with a compressible or incompressible fluid, and the monitoring flow header may be connected to a pressure control unit capable of receiving pressure fluctuations.
  • it may include a monitoring instrument connected to the pressure control unit, which can detect a change in the state inside the pressure control unit.
  • the second flow path is connected in a straight line from the inlet to the outlet so as to increase the resistance of the flow path to solve the flow instability caused by the inflow of the fluid to the inlet portion in which the fluid is introduced It may include a flow path resistance portion including a bent or curved flow path to extend longer than the length.
  • the second flow path may include a plurality of main flow paths provided and spaced apart from each other, and sub-flow paths formed to communicate with each other.
  • the flow path resistance part may be formed as an economizer in which a bent shape is repeated along the traveling direction of the flow path so as to equalize the flow rate of the fluid flowing into the flow path and improve heat transfer.
  • the present invention discloses a nuclear power plant having a heat exchanger in order to realize the above object.
  • the nuclear power plant includes a reactor core having an inner core, a reactor configured to circulate a coolant, a heat exchanger disposed inside or outside the reactor, and having the coolant introduced therein for heat exchange.
  • the heat exchanger includes a plurality of plates overlapping each other. A plate portion, a flow path portion for processing at least a portion of each plate to form a flow passage therein, and a plurality of plates formed between the plurality of plates so that the fluid leaking out of the flow passage flows from the flow passage. Includes a monitoring flow path formed so as to detect leaks.
  • the heat exchanger may be a steam generator for supplying a high temperature and high pressure coolant heated in the reactor core to steam the water supply.
  • the monitoring micro-channel since the monitoring micro-channel has a very small channel compared to the main channel, the effect of the reduction in structural strength and heat transfer performance may be very small.
  • the abnormal state when an abnormality occurs in any one of the main flow path during operation of the heat exchanger (or steam generator), the abnormal state is detected early, so that the fluid of one flow path to the opposite flow path Since the accident can be prevented from being transferred to the air, the safety of the heat exchanger can be greatly improved.
  • the present invention it is possible to solve the maintenance issue that occurs when applying a plate-type steam generator or heat exchanger to the steam generator or heat exchanger of the nuclear power plant, so that the nuclear power plant (pressurized water reactor, hot gas, or Liquid metal, etc.).
  • the heat exchanger or steam generator using the plate-type can make a very large heat transfer area can be significantly reduced in size compared to the conventional shell & tube heat exchanger or steam generator.
  • the conventional heat exchanger for the plate-type heat exchanger for the heat exchange between the fluid flow fluid can be applied to the prior art, and to reduce the flow resistance in part Even with the improvement of the flow path (increasing the flow area), the size can be significantly reduced compared to the conventional shell & tube steam generator. Also, for the plate steam generator, the improvement for some flow paths (increasing the flow area, In the case of applying the flow path resistance portion or the economizer), the size can be greatly reduced compared to the conventional shell & tube type steam generator.
  • the size of the steam generator can be significantly reduced, it is possible to reduce the size of the reactor vessel and the reactor building and obtain the additional effect of improving the economics of nuclear power plants. have.
  • the intermediate loop can be removed, thereby greatly simplifying the installation.
  • FIG. 1 is a conceptual view showing the flow path and plate of the conventional heat exchanger and the first and second flow paths and the monitoring flow path and the plate portion of the heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • 2A to 2C are conceptual views illustrating headers of a monitoring channel and a plate forming the monitoring channel and the monitoring channel, respectively.
  • 2D is a conceptual diagram showing the first and second flow paths and the monitoring flow path and the plate portion in different directions.
  • 3 to 6 are conceptual views showing a state in which the first or second flow paths each having a closed flow path structure are formed in the plate portion.
  • FIG 7 to 10 are conceptual views showing another state in which the second flow path is formed in the plate portion, respectively.
  • 11A and 11B are conceptual views illustrating a nuclear power plant for receiving a heat exchanger according to another embodiment of the present invention, respectively.
  • the plate-type heat exchanger is, unless otherwise specified, a heat exchanger or a steam generator in the case where there is a difference between a general plate type and a printed plate type heat exchanger or a steam generator as well as a processing method or a joining method of a plate (plate). All are referred to generically.
  • the present invention is applicable to a plate heat exchanger, so it is not limited to a printed board heat exchanger.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the flow paths 121 and 122 of the conventional heat exchanger and the first and second flow paths and the monitoring flow path 130 and the plate part 110 of the heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • the plate part 110 refers to a unit block in which the same pattern for the heat exchanger configuration is repeated.
  • the plate part 110 is continuously stacked to form a main heat transfer part of the heat exchanger.
  • Heat exchanger according to an embodiment of the present invention includes a plate portion 110, flow paths (121, 122) and the monitoring flow path (130).
  • the terms flow paths 121 and 122 may be used as a concept including the first flow path 121 and the second flow path 122.
  • the plate unit 110 may be formed by stacking a plurality of plates.
  • the plates may have flow paths 121 and 122 or monitoring flow paths 130 formed therein.
  • the flow paths 121 and 122 or the monitoring flow path 130 may be formed by etching a plate, but the plate processing method is not limited thereto, and at least one or more methods such as etching, extrusion, cutting, laser, and printing may be performed. By using or a mixture of at least two or more of the above-mentioned processing methods are all collectively referred to. Since the plate includes flow paths 121 and 122 through which fluid flows, the plate is manufactured so that fluid does not escape through the plate in the flow paths 121 and 122 when contacted with another member, that is, when the flow paths 121 and 122 are generated.
  • the flow paths 121 and 122 through which the high temperature fluid flows and the flow paths 121 and 122 through which the low temperature fluid flows may exchange heat through the plate, at least a part of the plate may be made of a material having high thermal conductivity.
  • the flow path is formed by processing at least a portion of each of the plurality of plates.
  • a space in which fluid flows may be formed in the passages 121 and 122.
  • the flow paths 121 and 122 include a first flow path 121 through which a high temperature fluid flows, and a second flow path 122 through which a relatively low temperature fluid flows.
  • the first passage 121 and the second passage 122 are formed to be spaced apart from each other, and may be formed on different plates.
  • the fluid flowing in the first passage 121 and the fluid flowing in the second passage 122 may exchange heat with each other.
  • it may be provided with one or more additional flow paths (ie, three or more types of fluids) through which high or low temperature fluid flows for a special purpose.
  • each of the flow paths 121 and 122 may employ a flow path structure of overlapping two or more plates so as to increase the area of the flow paths 121 and 122 to reduce the resistance of the flow paths 121 and 122.
  • each of the flow paths 121 and 122 may use the open flow paths 121 and 122 to reduce the resistance of the flow paths 121 and 122 (see FIG. 7).
  • the monitoring passage 130 is formed to be spaced apart from the passages 121 and 122. In addition, when the plate is damaged and the fluid flows from the inside of the flow paths 121 and 122, the leaked fluid may flow into the monitoring flow path 130.
  • the monitoring channel 130 is the first channel 121 and the second channel so that the fluid flowing out of the first channel 121 and / or the second channel 122 can easily flow into the monitoring channel 130. It may be formed between the flow path (122). In addition, the monitoring channel 130 may be installed between the first plate 111 and the second plate 112 without the first channel 121 and the second channel 122.
  • first passage 121 and the second passage 122 are illustrated as being uniformly installed at the same interval, the first passage 121 and the second passage 122 are different from each other. Since it can be installed in the shape as shown, it does not always have the same spacing arrangement as in the figure.
  • the monitoring passage 130 is located outside or the second passage 122 of the first passage 121.
  • the second monitoring passage 132 is formed on the outer side of the.
  • the first monitoring channel 131 and the second monitoring channel 132 play the same role.
  • the monitoring channel 130 may be formed on a plate provided separately to form the monitoring channel 130 (see (a) and (b)), and the first channel 121 or the second channel ( The first channel 121 or the second channel 122 may be directly spaced apart from the first channel 121 or the second channel 122 (see (c) and (d)).
  • the pressure control unit 12 may be further provided to accommodate the volume change of the compressive fluid according to the change of the temperature inside the monitoring passage 130. (See FIG. 11B).
  • the pressure control unit 12 may be further provided to accommodate the pressure fluctuation.
  • the first passage 121 and the second passage 122 are formed in the first plate 111 and the second plate 112, respectively.
  • the first monitoring channel 131 and the second monitoring channel 132 are formed in the third plate 113 and the fourth plate 114, respectively Can be.
  • the first and second plates may be applied as thinner plates.
  • the first passage 121 is formed over two first plates 111a and 111b, and the second passage 122 has one second plate 112. ) Is formed.
  • the third plate 113 is inserted between the first plate 111 and the second plate 112, the fourth plate 114 is laminated on the lower portion of the second plate (112). It is.
  • first and second monitoring channels 131 and 132 are formed in the third and fourth plates 113 and 114, respectively.
  • the first and second plates 111a, 111b and 112 may apply a thinner plate than the conventional one in order to reduce the size of the heat exchanger.
  • the first monitoring channel 131 and the second monitoring channel 132 play the same role.
  • the first passage 121 is formed over the two first plates 111a and 111b in the upper portion (conventional), and the second passage 122 is one second plate 112. It is formed in.
  • the second flow passage 122 is also formed of two second plates 112a and 112b.
  • the first monitoring channel 131 of the monitoring channel 130 is lower in the first plate 111 to contact the lower plate 111b of the first plate 111 and the upper plate 112a of the second plate 112.
  • the plate 111b or the second plate 112 may be formed in the upper plate 112a.
  • the second monitoring channel 132 may be formed in the lower plate 112b of the second plate 112.
  • the monitoring passage 130 is formed to be spaced apart from the first passage 121 and the second passage 122.
  • the first plates 111a and 111b and the second plates 112a and 112b may reduce the size of the heat exchanger by applying a thinner plate.
  • the first passage 121 is formed over two first plates 111a and 111b in the upper portion (conventional), and the second passage 122 also includes two second plates 112a, 112b).
  • the first and second monitoring passages 131 and 132 are respectively an upper plate 111a and a second plate 112 of the first plate 111. It is formed at 112a.
  • the monitoring passage 130 may be formed in the lower plate 111b of the first plate 111 and the lower plate 112b of the second plate 112.
  • first and second monitoring passages 131 and 132 are formed to be spaced apart from each other, but may be sequentially formed between the first passage 121 and the second passage 122. . That is, the first monitoring channel 131 is formed between the first channel 121 and the second channel 122, and the second monitoring channel 132 is the first monitoring channel 131 and the second channel ( 122).
  • 2A to 2C are conceptual views illustrating headers of a plate and a monitoring channel 130 forming the monitoring channel 130 and the monitoring channel 130, respectively.
  • the monitoring channel 130 (the other side of the first channel 121 or the second channel 122 of the first plate 111 or the second plate 112, or the third plate 113)
  • the first monitoring channel 131 or the second monitoring channel 132 is a conceptual diagram showing a state formed.
  • the monitoring channel 130 may prevent the heat exchange performance between the first channel 121 and the second channel 122 from being reduced, and a micro channel may be applied to minimize structural effects on the heat exchanger.
  • the microchannel may have a smaller cross-sectional size than the first or second channels 121 and 122.
  • the monitoring passage 130 may include a first passage 133 in which the plurality of passages 121 and 122 are spaced apart from each other, and the second passage 134 communicating the first passage 133 and the first passage 113 with each other. Can be.
  • the first passage 133 and the second passage 134 communicate with each other, if an abnormality occurs in any part (that is, the plate is damaged and is removed from the first passage 121 or the second passage 122).
  • the open passages 133 and 134 communicate with each other toward the first passage 133 and the second passage 134.
  • the fluid or its effects are propagated along the open flow paths 133 and 134 to be collected in the header 140 to be described later, so that measurement can be easily performed.
  • the monitoring channel header 140 may be configured to collect a plurality of flow paths 133 and 134 forming the monitoring channel 130 so as to detect a change in the state of the fluid inside the monitoring channel 130.
  • the monitoring channel header 140 may be installed toward the outside of the micro channel and may transmit a state of the monitoring channel 130 inside the heat exchanger to the outside of the heat exchanger.
  • decontamination headers 140b and 140c for removing contaminants in the flow paths 121 and 122 may be added to the monitoring passage 130.
  • the decontamination headers 140b and 140c may include a header 140b for injecting a decontamination drug and a header 140c for extracting the decontamination drug and may include a total of two headers.
  • the decontamination headers 140b and 140c may be disposed at upper and lower portions of the monitoring passage 130 header, respectively.
  • only the decontamination headers 140b and 140c are installed in accordance with the method of monitoring the condition, and a connection pipe connecting the decontamination headers 140b and 140c and the outside is provided to continuously flow a small amount of fluid from the outside. It may be configured to send and collect externally (not shown).
  • the monitoring passage 130 may further include a third passage 135 formed in a direction different from the first passage 133 and the second passage 134.
  • the third passage 135 may be formed in a direction penetrating the ground based on the drawing.
  • the third passage 135 since the third plate 113 may be formed between the first plate 111 and the second plate 112, the third passage 135 may include the first and second plates 112. It may serve to connect with the third plate (113). Even when diffusion bonding the respective plates, a gap may occur between the plates, and the first flow path 121 and the first passage 121 and the first plate 112 may be used to detect the fluid flowing through the gap. It is possible to form a third passage 135 connecting the portion where the second passage 122 is not installed and the monitoring passage 130 of the third plate 113.
  • the monitoring channel 130 may be directly formed on the first plate 111 or the second plate 112 (see FIG. 1), the FIG. 2A to FIG. 2D
  • the third plate 113 may be the first plate 111 or the second plate 112.
  • 2D is a conceptual diagram illustrating the first and second flow paths 121 and 122, the monitoring flow path 130, and the plate part 110 in different directions.
  • first plate 111, the third plate 113, the second plate 112, and the fourth plate 114 are repeated from the top.
  • Each plate is provided with a first channel 121, a first monitoring channel 131, a second channel 122, and a second monitoring channel 132.
  • a third passage 135 formed through the plates may be formed.
  • 3 to 6 are conceptual views illustrating a state in which the first or second flow passages 121 and 122 each having a closed flow passage structure are formed in the plate portion.
  • the first flow passage and the second flow passages 121 and 122 may follow a configuration of a general heat exchanger or a steam generator.
  • FIG. 3 to FIG. 6 are written based on the first plate 111 on which the first channel 121 is formed, the second plate 112 on which the second channel 122 is formed is different from the drawing. This may be the same or similar.
  • the first passage 121 will be described as a reference.
  • a general plate-shaped flow path may be configured, and a closed flow path structure (a structure in which adjacent flow paths are not in communication with each other) may be formed.
  • headers 141a1 and 141a2 may be provided at upper and lower portions thereof, respectively.
  • the first passage 121 is an inlet / outlet area A connected to one of the headers 141a1, a main heat transfer part B, and an inlet / outlet area C connected to the other one of the headers 141a2.
  • the main heat-transfer part 121b may be formed while repeatedly bending in an oblique line in the advancing direction of the flow path. That is, the first bending passage 121b1 which is bent in one direction in the direction of about 45 degrees from the inlet / outlet area passage 121a and the second bending passage which is formed by bending in the direction of about 90 degrees with the first bending passage 121b1 ( 121b2) may be repeatedly formed.
  • two headers 141b1 and 141b2 may be formed at upper and lower sides of one side of the first plate 111, respectively, facing in opposite directions.
  • two headers 141c1 and 141c2 may be formed on the top and bottom of one side of the first plate 111 to face the same direction.
  • one of the two headers 141d1 and 141d2 may be formed below the first plate 111, and the other 141d1 may be formed on one side of the first plate 111. Can be.
  • the header 141d1 formed on the side surface is formed adjacent to the other end of one end where the header 141d2 is formed so as to be formed opposite to the other header 141d2.
  • the header connection method may be configured in various ways.
  • FIG. 7 to 10 are conceptual views illustrating another embodiment in which the second flow paths 221, 321, 421, and 521 are formed in the plate portion, respectively.
  • the second flow paths 221, 321, 421, and 521 may be a part of a steam generator that is supplied with fluid from the water supply system and discharged to the turbine system.
  • flow path resistance parts 321e, 421e, and 521e for increasing the resistance of the flow path may be provided at the inlets of the second flow paths 221, 321, 421, and 521 (FIGS. 8 to 10).
  • a common header 521f may be further added to the inlet of the flow path resistance sections 321e, 421e, and 521e. (See FIG. 10).
  • a plurality of second passages 221, 321, 421, and 521 may be provided in plurality, and the main passages 221a1, 221b1, 221b2, and 221c1 may be spaced apart from each other and the main passages 221a1, 221b1, and 221b2 spaced apart from each other.
  • 221c1 may include sub-channels 221a2, 221b2, and 221c2 formed to communicate with each other.
  • the second flow path 221 has an open structure.
  • the open structure is designed to reduce the flow resistance or to mitigate abrupt pressure fluctuations that occur at specific sites in the case of abnormal flow.
  • a streamlined structure may be applied in addition to the open structure.
  • a main flow passage 221a1 flowing from one header 241a1 to the opposite header is formed and a sub flow passage 221a2 for communicating the flow passage 221a1.
  • This open structure can be applied to the main heat transfer portion B and the opposite inlet / outlet region C as shown.
  • the second flow path 321 is connected in a straight line from the inlet to the outlet so as to increase the resistance of the flow path to solve the flow instability caused by the phase change of the fluid at the inlet portion of the fluid inlet. It may include a flow path resistance portion 321e including a bent or curved flow path to extend longer than the length.
  • the flow path resistance part 321e may be formed as an economizer in which a bent shape is repeated along the traveling direction of the flow path to uniformize the flow rate of the fluid flowing into the flow path and improve heat transfer.
  • the inlet flow path resistance part 321e is configured to reduce the instability of the abnormal flow that occurs while steam is generated in the steam generator, and is installed to reduce the propagation of a sudden pressure fluctuation generated in the upper part to the lower part.
  • the second flow path 421 has an open structure (see description of FIG. 7), and a flow path resistance part 421e or an economizer is formed at the inlet side.
  • the economizer can stabilize the flow in the inlet region when the shell side (outside the tube) is used as a secondary fluid (water supply / vapor) in the shell & tube type steam generator. And install to increase the heat transfer efficiency.
  • the flow path resistance portion 421e may play a role similar to that of the shell side economizer in the shell & tube type steam generator.
  • water may be supplied to the header 441 located at the lower side of the drawing. That is, the lower header 441 side is the entrance.
  • a flow path resistance portion (or economizer 421e) region E is formed on the upper portion, and the flow channel enlargement portion D, the inlet region C, the main heat transfer portion B, and the outlet region (the flow path is enlarged thereon). A) is formed sequentially.
  • the second passage 521 has an open structure, and headers 541a1 and 541a2 are installed on upper and lower side surfaces thereof.
  • An inlet common header 521f is provided in the header 541a2 provided on the lower side.
  • the inlet common header 521f may be provided to connect the inlet of the flow path with the flow path resistance parts 521e and E and distribute the flow rate to the flow path resistance part 521e (economizer).
  • FIGS. 11A and 11B are conceptual views illustrating a nuclear power plant 1 containing a heat exchanger 10 according to another embodiment of the present invention, respectively.
  • Nuclear power plant 1 includes a reactor 30, heat exchanger (10).
  • the reactor 30 includes a reactor core 20 therein and is formed to circulate the coolant 80.
  • the heat exchanger 10 may be a heat exchanger 10 according to any one of the above-described embodiments.
  • the heat exchanger 10 may be a steam generator that receives a high temperature, high pressure coolant heated in the reactor core 20 to make water supply steam.
  • a built-in pump (candle pump) 70 may be included, and the steam generator 10 is disposed inside the reactor 30.
  • the sensor unit 11 may be connected to the monitoring channel header 40a.
  • the case may be a case where an incompressible fluid flows in the monitoring flow path.
  • the sensor unit 11 may be configured to detect a change in temperature, pressure, humidity, physical state, chemical state, or radiation value in the monitoring passage when the fluid flows out of the passage and flows into the monitoring passage.
  • the heat exchanger 10 or the steam generator-related equipment is stopped to take an action before an accident occurs. It can increase safety.
  • a compressive fluid may flow in the monitoring flow path inside the heat exchanger 10.
  • the monitoring channel header 40a may further include a pressure controller 12 capable of accommodating a pressure change caused by a change in the volume of the fluid.
  • a pressure control unit 12 may be further included to accommodate the pressure fluctuation.
  • the pressure control unit 12 may further include a monitoring instrument 11 ′ for detecting a change in the state of the pressure control unit 12.
  • the heat exchanger described above and the nuclear power plant having the same are not limited to the configuration and method of the embodiments described above, but the embodiments are configured by selectively combining all or part of the embodiments so that various modifications can be made. May be
  • the invention can be used in the heat exchanger and nuclear power industry.

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Abstract

본 발명은 플레이트형 열교환기에 관한 것으로, 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부; 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어, 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부; 및 상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함하는 열교환기 및 이를 포함하는 원전을 개시한다.

Description

열교환기 및 이를 구비하는 원전
본 발명은 플레이트형 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판형 또는 인쇄기판형 열교환기와 같이 미세유로를 사용하는 열교환기 및 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.
인쇄기판형 열교환기는 기술은 영국 Heatric 사(Patent : US 4665975, 1987)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 인쇄기판형태의 제작 기술은 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)을 이용하므로 일반 가공 방식보다는 매우 자유롭게 가공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 예 중의 하나로 활용할 판형 열교환기는 100년 넘게 산업계에서 광범위하게 적용되고 있다. 판형(plate type) 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. 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기보다는 작고 쉘 앤 튜브(shell and tube)형 열교환기보다는 우수한 특성이 있다. 또한 인쇄기판형 열교환기에 비해서는 제작이 간편한 특성이 있다.
한편, 원전의 주요기기 들은 원전의 안전성, 신뢰도, 가동률 향상 등의 목적과 관련 요건에 따라 증기발생기에 대한 비파괴검사를 포함한 유지보수를 수행하고 있다. 그런데 쉘&튜브 열교환기나 증기발생기 중에 매우 작은 세관을 사용하는 경우나 플레이트형(인쇄기판형 및 판형) 열교환기나 증기발생기의 경우, 세관 또는 세부유로가 매우 작아 유로에 대한 정밀한 검사 등의 유지보수 작업이 매우 어렵게 된다.
본 발명의 일 목적은 플레이트형 열교환기나 증기발생기, 특히 내압특성과 구조적 건전성이 우수해 고온 고압설비나 고독성 화학설비 등의 다용도의 열교환 설비로 이용이 용이한 인쇄기판형 열교환기나 증기발생기가 갖고 있는 작은 유로의 특성으로 인해 유지보수 작업이 어려운 약점을 극복하고자 도출된 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 열교환기는, 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부, 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부, 및 상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 유로는 고온의 유체가 흐르는 제1유로, 및 상기 제1유로와 이격되며 상기 고온의 유체와 열교환을 하는 저온의 유체가 흐르는 제2유로를 포함할 수 있다.
상기 감시유로는, 상기 제1유로 및 제2유로 사이에 형성될 수 있다.
상기 플레이트부는, 상기 제1유로가 형성되는 제1플레이트, 상기 제2유로가 형성되는 제2플레이트를 포함하고, 상기 감시유로는, 상기 제1 및 제2플레이트 사이에 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2플레이트 사이에 배치되는 제3플레이트를 더 포함하고, 상기 감시유로는 상기 제3플레이트에 형성될 수 있다.
상기 감시유로는, 상기 제1플레이트 또는 제2플레이트에 접하도록 형성될 수 있다.
상기 제3플레이트와 이격되고, 상기 제1플레이트 또는 제2플레이트와 접하도록 형성되는 제4플레이트를 더 포함하고, 상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되어 있고, 상기 제3플레이트에 형성되는 제1감시유로 및 상기 제4플레이트에 형성되는 제2감시유로를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 감시유로는, 복수의 유로가 서로 이격되어 일방향으로 형성되는 제1통로, 및 상기 제1통로를 서로 연통시키는 제2통로를 포함하는 개방형 유로로 형성될 수 있다.
여기서 상기 감시유로는, 상기 제1유로 및 제2유로 간의 열교환 성능 저하를 억제하도록, 상기 제1유로 및 상기 제2유로보다 단면의 크기가 작은 미세유로로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 및 제2유로 중 적어도 하나는, 적어도 2개 이상의 플레이트에 걸쳐서 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되어 있고, 상기 감시유로 내부의 유체의 상태 변화를 감지할 수 있도록, 상기 복수의 유로가 모이는 감시유로헤더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감시유로헤더에 연결되며, 상기 유로에서 유체가 흘러나와 상기 감시유로로 유입시, 상기 감시유로 내부에 온도, 압력, 화학적 상태 또는 방사능 수치의 변화를 감지가능한 센서부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 감시유로 내부에는 압축성 또는 비압축성 유체가 채워지고, 상기 감시유로헤더에는, 압력 변동을 수용할 수 있는 압력제어부가 연결될 수 있다.
여기서, 상기 압력제어부에 연결되어, 상기 압력제어부 내부의 상태 변화를 감지할 수 있는 감시용 계측기를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제2유로는, 유체가 유입되는 입구부분에 유체의 유입으로 인한 유동 불안정을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키도록, 입구에서 출구까지 직선으로 연결되는 길이보다 길게 연장되도록 절곡 또는 곡선 유로를 포함하는 유로저항부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제2유로는, 복수로 구비되어 서로 이격된 메인유로, 및 서로 이격된 상기 메인유로들이 서로 연통되도록 형성되는 서브유로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 유로저항부는, 유로로 유입되는 유체의 유량을 균일화하고 열전달을 향상시키도록, 유로의 진행방향을 따라 절곡된 형태가 반복되는 이코노마이저로 형성될 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 열교환기를 구비하는 원전을 개시한다. 원전은, 내부에 원자로노심을 포함하고, 냉각재가 순환하도록 형성되는 원자로, 상기 원자로 내부 또는 외부에 배치되고, 상기 냉각재가 유입되어 열교환되는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는, 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부, 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어, 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부, 및 상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함한다.
여기서, 상기 열교환기는, 상기 원자로노심에서 가열된 고온, 고압의 냉각재를 공급받아 급수를 증기로 만드는 증기발생기일 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 감시용 미세유로에는 주 유로에 비해 매우 작은 유로를 구성되므로 구조적인 강도나 열전달 성능의 감소 영향이 매우 적을 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 열교환기(또는 증기발생기) 운전 중에 이상이 발생하는 경우 조기에 감지가 되므로, 열교환 유로에 대한 조사 및 검사 등의 요구를 완화할 수 있어 열교환기에 대한 유지보수 작업을 크게 단순화할 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 열교환기(또는 증기발생기) 운전 중에 어느 한쪽의 주 유로에서 이상이 발생하는 경우에 이상 상태가 조기에 감지되므로, 한쪽 유로의 유체가 반대 쪽 유로로 이송되어 사고가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있어 열교환기의 안전성이 크게 향상될 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 원전의 증기발생기 또는 열교환기에 플레이트형 증기발생기나 열교환기를 적용하는 경우에 나타나는 유지보수 현안을 해소할 수 있어, 원전(가압경수로, 고온가스로, 또는 액체금속로 등)에 적용하기가 매우 용이할 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 플레이트형을 이용하는 열교환기 또는 증기발생기는 매우 큰 열전달 면적을 만들 수 있어 종래의 쉘&튜브형 열교환기 또는 증기발생기에 비해 크기를 크게 줄일 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예에 의하면, 플레이트형의 경우, 주유로 유체 사이의 열교환을 위한 플레이트형 열교환기에 대해서는 열교환 효율이 우수한 종래의 기술을 적용할 수 있으며, 유로저항을 감소시키기 위해 일부 유로에 대한 개선 사항(유로면적 증가)을 적용하는 경우에도 종래의 쉘&튜브형 증기발생기에 비해 크기를 크게 감소시킬 수 있으며, 또한 플레이트형 증기발생기에 대해서는 일부 유로에 대한 개선 사항(유로면적 증가, 유로저항부 또는 이코노마이저 구비)을 적용하는 경우에도 종래의 쉘&튜브형 증기발생기에 비해 크기를 크게 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예를 일체형 원자로에 적용할 경우, 증기발생기 크기가 크게 감소할 수 있어, 원자로용기와 원자로건물의 크기를 줄일 수 있고 원전의 경제성을 향상시키는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명 중 적어도 하나의 실시예를 고온가스로나 액체금속로의 증기발생기 등에 적용할 경우, 중간 루프를 제거할 수 있어 설비를 크게 단순화할 수 있다.
도 1은 종래의 열교환기의 유로 및 플레이트와 본 발명의 일 실시예에 관련된 열교환기의 제1, 2유로 및 감시용 유로와 플레이트부를 나타낸 개념도.
도 2a 내지 도 2c는 각각 감시용 유로 및 감시용 유로를 형성하는 플레이트와 감시용 유로의 헤더를 나타낸 개념도.
도 2d는 제1, 2 유로 및 감시용 유로와 플레이트부를 다른 방향에서 나타낸 개념도.
도 3 내지 도 6은 각각 폐쇄형 유로 구조를 갖는 제1 또는 2 유로가 플레이트부에 형성되는 모습을 나타낸 개념도.
도 7 내지 도 10은 각각 제2유로가 플레이트부에 형성되는 다른 모습을 나타낸 개념도.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 서로 다른 일 실시예에 따른 열교환기를 수용하는 원전의 모습을 나타낸 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 열교환기 및 이를 구비하는 원전에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 플레이트형 열교환기라 함은, 특별한 언급이 없는 한, 일반적인 판형과 인쇄기판형 열교환기 또는 증기발생기뿐만 아니라 플레이트(판)의 가공 방법이나 접합 방법에 차이가 있는 경우의 열교환기 또는 증기발생기를 모두 포괄적으로 지칭한다. 또한, 본 발명은 판형 열교환기에도 적용할 수 있으므로 인쇄기판형 열교환기로 한정하지는 않는다.
도 1은 종래의 열교환기의 유로(121, 122) 및 플레이트와 본 발명의 일 실시예에 관련된 열교환기의 제1, 2유로 및 감시유로(130)와 플레이트부(110)를 나타낸 개념도이다.
플레이트부(110)는 열교환기 구성을 위한 동일한 패턴이 반복되는 단위 블럭을 의미하는 것으로, 플레이트부(110)을 연속적으로 적층하여 열교환기의 주열전달부가 구성된다.
(a) 내지 (d)는 각각 서로 다른 실시예를 나타내며, 각각에서 상부의 그림은 감시유로(130)가 없는 종래의 실시예를 나타내고, 하부의 그림은 감시유로(130)가 형성된 본 발명의 실시예를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 열교환기는 플레이트부(110), 유로(121, 122) 및 감시유로(130)를 포함한다. 제1유로(121)와 제2유로(122)를 포함하는 개념으로 유로부(121, 122)라는 용어를 사용할 수 있다.
플레이트부(110)는 복수의 플레이트가 서로 적층되어 형성될 수 있다. 플레이트에는 유로(121, 122) 또는 감시유로(130)가 형성될 수 있다. 상기 유로(121, 122) 또는 감시유로(130)는 플레이트를 식각하여 제작하는 방식으로 이루어질 수 있으나, 플레이트 가공 방식을 이에 한정하지는 않으며, 식각, 압출, 절삭, 레이저, 프린트 등의 적어도 하나 이상의 방식을 사용하거나, 또는 상기 가공 방식의 적어도 두 가지 이상의 방식을 혼합하여 사용하는 것을 모두 포괄적으로 지칭한다. 플레이트는 유체가 흐르는 유로(121, 122)를 포함하므로, 다른 부재와 접촉되는 경우 즉, 유로(121, 122)가 생성되는 경우 상기 유로(121, 122)에서 플레이트를 통해 유체가 빠져나가지 않도록 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 고온의 유체가 흐르는 유로(121, 122)와 저온의 유체가 흐르는 유로(121, 122)가 플레이트를 통하여 열교환 할 수 있으므로, 플레이트의 적어도 일부가 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있다.
유로는 복수의 상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어 형성된다. 상기 유로(121, 122)의 내부에는 유체가 흐르는 공간을 형성할 수 있다. 유로(121, 122)는 고온의 유체가 흐르는 제1유로(121)와, 상대적으로 저온의 유체가 흐르는 제2유로(122)를 포함한다. 제1유로(121) 및 제2유로(122)는 서로 이격되어 형성되며, 서로 다른 플레이트에 형성될 수 있다. 상기 제1유로(121)에 흐르는 유체와 제2유로(122)의 흐르는 유체는 서로 열교환 할 수 있다. 또한 특수한 목적으로 고온 또는 저온의 유체가 흐르는 제3유로(미도시)를 하나 이상 더 추가(즉 3종류 이상의 유체)로 구비할 수 있다.
또한, 각 유로(121, 122)는 유로(121, 122)저항을 줄이도록 유로(121, 122)면적을 넓히기 위해 두 개 이상의 플레이트를 겹친 유로(121, 122) 구조를 적용할 수도 있다. 그리고 각 유로(121, 122)는 유로(121, 122)의 저항을 줄이기 위해 개방된 유로(121, 122)를 적용할 수도 있다.(도 7 참조)
감시유로(130)는 상기 유로(121, 122)와 이격되어 형성된다. 그리고 플레이트가 손상되어 상기 유로(121, 122) 내부로부터 유체가 흘러나오는 경우, 새어 나온 유체는 상기 감시유로(130)로 흘러 들어갈 수 있다. 상기 제1유로(121) 및/또는 제2유로(122)로부터 흘러 나오는 유체가 쉽게 상기 감시유로(130)로 흘러 들어갈 수 있도록, 감시유로(130)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 감시유로(130)는 제1유로(121) 및 제2유로(122)가 없는 제1플레이트(111)와 제2플레이트(112) 사이에도 설치될 수 있다. 또한, 도면을 살펴보면 제1유로(121) 및 제2유로(122)가 동일한 간격으로 균일하게 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 제1유로(121) 및 제2유로(122)가 서로 다른 간격이나 도시된 것과는 형상으로 설치될 수 있으므로 도면에서와 같이 등 간격의 배치를 항상 갖는 것은 아니다.
그리고, 감시유로(130)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 형성되는 제1감시유로(131) 이외에 상기 제1유로(121)의 외측 또는 제2유로(122)의 외측에 형성되는 제2감시유로(132)가 형성될 수 있다. 또한, 플레이트부(110)가 연속적으로 적층되어 열교환기가 구성되므로 제1감시유로(131)와 제2감시유로(132)는 동일한 역할을 수행하는 것이다.
상기 감시유로(130)는 상기 감시유로(130)를 형성할 수 있도록 별도로 구비된 플레이트에 형성될 수도 있으며((a)와 (b) 참조), 상기 제1유로(121) 또는 제2유로(122)가 형성된 플레이트에 상기 제1유로(121) 또는 제2유로(122)와 이격되어 직접 형성될 수도 있다.((c)와 (d) 참조) 또한, 후술하겠지만 상기 감시유로(130) 내부를 흐르는 유체는 특정하여 제한하지는 않지만, 압축성 유체가 흐르는 경우에는 상기 감시유로(130) 내부의 온도의 변화에 따른 압축성 유체의 체적변화를 수용할 수 있도록 압력제어부(12)가 추가로 구비될 수 있다(도 11b 참조). 또한, 비압축성 유체의 경우에도 압력변동을 수용할 수 있도록 압력제어부(12)가 추가로 구비될 수 있다.
(a)를 참조하면, 상부 도면에 나타나는 것과 같이 종래에는 제1유로(121)와 제2유로(122)는 각각 제1플레이트(111)와 제2플레이트(112)에 형성되어 있다. 그리고, 하부 도면에 나타나듯이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제3플레이트(113)와 제4플레이트(114)에 각각 형성되는 제1감시유로(131)와 제2감시유로(132)가 형성될 수 있다. 또한, 이때에는 제1 및 제2 플레이트는 더 얇은 플레이트로 적용될 수 있다.
(b)를 참조하면, 상부의 그림에 나타나듯이 제1유로(121)는 2개의 제1플레이트(111a, 111b)에 걸쳐서 형성되어 있고, 제2유로(122)는 하나의 제2플레이트(112)에 형성되어 있다. 하부의 그림을 참조하면, 제3플레이트(113)는 제1플레이트(111) 및 제2플레이트(112) 사이에 삽입되어 있고, 제4플레이트(114)는 제2플레이트(112)의 하부에 적층되어 있다. 그리고, 상기 제3 및 제4플레이트(113, 114)에는 각각 제1 및 제2감시유로(131, 132)가 형성되어 있다. 아울러, 제1 및 제2플레이트(111a, 111b, 112)는 열교환기의 크기를 줄이기 위해 종래보다 더 얇은 판을 적용할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 플레이트부(110)가 연속적으로 적층되어 열교환기가 구성되므로 제1감시유로(131)와 제2감시유로(132)는 동일한 역할을 수행하는 것이다.
(c)를 참조하면, 상부(종래)에는 제1유로(121)는 2개의 제1플레이트(111a, 111b)에 걸쳐서 형성되어 있고, 제2유로(122)는 하나의 제2플레이트(112)에 형성되어 있다. 하부(본 발명의 일실시예)에서는, 제2유로(122)도 2개의 제2플레이트(112a, 112b)로 형성되어 있다. 감시유로(130) 중 제1감시유로(131)는 제1플레이트(111) 중 하부 플레이트(111b) 및 제2플레이트(112) 중 상부 플레이트(112a)에 접하도록 제1플레이트(111) 중 하부 플레이트(111b) 또는 제2플레이트(112) 중 상부 플레이트(112a)에 형성될 수 있다. 그리고, 제2감시유로(132)는 제2플레이트(112) 중 하부 플레이트(112b)에 형성될 수 있다. 이 때에도 감시유로(130)는 제1유로(121) 및 제2유로(122)와 서로 이격되어 형성된다. 그리고, 제1플레이트(111a, 111b) 및 제2플레이트(112a, 112b)는 두께가 더 얇은 플레이트를 적용해 열교환기 크기를 줄일 수 있다.
(d)를 참조하면, 상부(종래)에는 제1유로(121)는 두 개의 제1플레이트(111a, 111b)에 걸쳐서 형성되어 있고, 제2유로(122)도 두 개의 제2플레이트(112a, 112b)에 형성되어 있다. 그리고 하부(본 발명의 일 실시예)를 참조하면, 제1 및 제2감시유로(131, 132)는 각각 제1플레이트(111) 중 상부 플레이트(111a), 제2플레이트(112) 중 상부 플레이트(112a)에 형성되어 있다. 다만, 도면에 도시된 것과 달리, 감시유로(130)는 제1플레이트(111) 중 하부 플레이트(111b)와 제2플레이트(112) 중 하부 플레이트(112b)에 형성될 수도 있다.
또한, 도면에 도시된 것과 달리, 상기 제1 및 제2감시유로(131, 132)는 서로 이격되어 형성되지만, 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 순차적으로 형성될 수 있다. 즉, 제1감시유로(131)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122) 사이에 형성되고, 제2감시유로(132)는 상기 제1감시유로(131) 및 제2유로(122) 사이에 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 감시유로(130) 및 감시유로(130)를 형성하는 플레이트와 감시유로(130)의 헤더를 나타낸 개념도이다.
도 2a를 참조하면, 제1플레이트(111) 또는 제2플레이트(112)의 제1유로(121) 또는 제2유로(122)의 반대쪽, 또는 제3플레이트(113)에 감시유로(130)(제1감시유로(131) 또는 제2감시유로(132))가 형성된 모습을 나타낸 개념도이다. 감시유로(130)는 상기 제1유로(121) 및 제2유로(122)간의 열교환 성능이 감소되는 것을 막고, 열교환기에 미치는 구조적 영향을 최소화하기 위해 미세유로가 적용될 수 있다. 상기 미세유로는 상기 제1 또는 제2유로(121, 122)보다 단면의 크기가 작을 수 있다.
그리고, 감시유로(130)는 복수의 유로(121, 122)가 서로 이격되어 일방향으로 형성되는 제1통로(133)과 제1통로(113)를 서로 연통시키는 제2통로(134)를 포함할 수 있다. 이와 같이 제1통로(133) 및 제2통로(134)는 서로 연통시켜 줌으로써, 어느 한 부분에서 이상이 발생하면(즉, 플레이트가 손상되어 제1유로(121) 또는 제2유로(122)로부터 유체가 새어 나와 감시유로(130)로 흘러 들어가게 되면), 제1통로(133) 및 제2통로(134)를 향해 소통되는 개방형 유로(133, 134)를 형성하게 된다. 상기 개방형 유로(133, 134)를 따라 유체 또는 그 영향이 전파되어 후술할 헤더(140)로 모아져 계측이 용이하게 가능할 수 있다.
감시유로헤더(140)는 상기 감시유로(130) 내부의 유체의 상태 변화를 감지할 수 있도록, 감시유로(130)를 형성하는 복수의 유로(133, 134)가 모이도록 이루어질 수 있다. 감시유로헤더(140)는 미세유로의 외곽을 향해 설치되고, 열교환기의 외부로 열교환기의 내부의 감시유로(130)의 상태를 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 감시유로(130) 내부에 유로(121, 122)의 오염물질의 제거를 위한 오염제거헤더(140b, 140c)가 추가될 수 있다. 상기 오염제거헤더(140b, 140c)는 오염제거용 약품을 주입하는 헤더(140b)와, 오염제거용 약품을 빼내는 헤더(140c)로 구성되어 총 두 개의 헤더를 포함할 수 있다. 상기 오염제거헤더(140b, 140c)는 상기 감시유로(130)헤더의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있다. 단, 상태를 감시하는 방법에 따라 오염제거헤더(140b, 140c) 만 설치하고, 오염제거헤더(140b, 140c)와 외부를 연결하는 연결배관을 구비하여, 외부로부터 미소량의 유체를 연속적으로 흘려보내고 외부로 수집하도록 구성할 수도 있다(미도시).
상기 도 2a와 동일, 유사한 구조에 대하여는 설명을 생략하도록 한다.
도 2c를 참조하면, 감시유로(130)는 제1통로(133) 및 제2통로(134)와 다른 방향으로 형성된 제3통로(135)를 더 포함할 수 있다. 제3통로(135)는 도면을 기준으로 지면을 뚫고 들어가는 방향으로 형성될 수 있다. 도 1을 참조하여 보면, 제3플레이트(113)는 제1플레이트(111) 및 제2플레이트(112) 사이에 형성될 수 있으므로, 제3통로(135)는 제1 및 제2플레이트(112)를 제3플레이트(113)와 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 각 플레이트들을 확산접합하는 경우에도, 플레이트 사이에 틈새가 생기는 경우가 발생할 수 있고, 상기 틈새를 통해 흘러나오는 유체를 감지하기 위하여 제1 및 제2플레이트(112) 중에 제1유로(121)와 제2유로(122)가 설치되지 않은 부분과 제3플레이트(113)의 감시용 유로(130)를 연결하는 제3통로(135)를 형성할 수 있는 것이다.
다만, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 것과는 달리, 감시유로(130)는 제1플레이트(111) 또는 제2플레이트(112)에 직접 형성될 수 있으므로(도 1참조), 상기 도 2a 내지 도 2d의 제3플레이트(113)는 제1플레이트(111) 또는 제2플레이트(112) 일 수 있다.
도 2d는 제1, 2 유로(121, 122) 및 감시유로(130)와 플레이트부(110)를 다른 방향에서 나타낸 개념도이다.
이를 참조하면, 상부에서부터 제1플레이트(111), 제3플레이트(113), 제2플레이트(112), 제4플레이트(114)가 반복되는 형상이다. 그리고 각각의 플레이트에는 제1유로(121), 제1감시유로(131), 제2유로(122), 제2감시유로(132)가 형성되어 있다. 또한, 상기 도 2c에서 살펴본 바와 같이 각 플레이트들을 관통하여 형성되는 제3통로(135)가 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 6은 각각 폐쇄형 유로 구조를 갖는 제1 또는 2 유로(121, 122)가 플레이트부에 형성되는 모습을 나타낸 개념도이다.
본 실시예에서 제1유로 및 제2유로(121, 122)는 일반적인 열교환기 또는 증기발생기의 구성을 따를 수 있다. 또한, 도 3 내지 도 6은 제1유로(121)가 형성되는 제1플레이트(111)를 기준으로 작성되었지만, 도면과 달리 제2유로(122)가 형성되는 제2플레이트(112)의 모습도 이와 같거나 유사할 수 있다. 이하, 제1유로(121)를 기준으로 설명한다.
도 3을 살펴보면, 일반적인 플레이트형 유로를 구성할 수 있으며, 폐쇄형 유로구조(인접한 유로끼리 서로 연통되지 아니한 구조)를 가질 수 있다. 그리고 상부와 하부에 각각 유로가 모이는 헤더(141a1, 141a2)를 구비할 수 있다.
제1유로(121)는 상기 헤더 중 하나(141a1)와 연결되는 입/출구 영역(A), 주전열부(B), 상기 헤더 중 다른 하나(141a2)와 연결되는 입/출구 영역(C)으로 형성될 수 있다. 이 중에서 주전열부 유로(121b)는 유로의 진행방향에서 사선으로 반복되어 꺽이면서 형성될 수 있다. 즉 입/출구 영역 유로(121a)에서 약 45도 방향으로 한쪽 방향으로 꺽이는 제1꺽임유로(121b1)과 상기 제1꺽임유로(121b1)과 약 90도의 방향으로 꺽여서 형성되는 제2꺽임유로(121b2)가 반복되어 형성될 수 있다. 이는 주 전열부(B)에서는 제2유로(122, 도 2d 참조)와 열교환을 하여야 하므로, 열전달 면적을 넓히기 위해 일반적으로 사용하는 방법이다. 단, 유로 형상은 이 밖에도 매우 다양한 형태로 구성할 수 있으므로, 상기한 형상으로 한정하는 것은 아니다.
도 4를 살펴보면, 2개의 헤더(141b1, 141b2)가 각각 서로 반대되는 방향을 바라보며 상기 제1플레이트(111)의 일측면 상부와 타측면 하부에 형성될 수 있다.
도 5를 살펴보면, 2개의 헤더(141c1, 141c2)가 각각 서로 같은 방향을 바라보도록 상기 제1플레이트(111)의 일측면의 상부와 하부에 형성될 수 있다.
도 6을 살펴보면, 2개의 헤더(141d1, 141d2) 중 하나(141d2)는 제1플레이트(111)의 하부에 형성될 수 있고, 다른 하나(141d1)은 제1플레이트(111)의 일측면에 형성될 수 있다. 측면에 형성되는 헤더(141d1)는 다른 헤더(141d2)와 서로 반대편에 형성될 수 있도록, 상기 헤더(141d2)가 형성되는 일단부의 타단부에 인접하여 형성된다. 이와 같이 헤더의 연결방법은 다양한 방법으로 구성될 수 있다.
도 7 내지 도 10은 각각 제2유로(221, 321, 421, 521)가 플레이트부에 형성되는 다른 모습을 나타낸 개념도이다.
제2유로(221, 321, 421, 521)는 급수계통에서 유체가 급수되어, 터빈계통으로 배출되는 증기발생기의 일부일 수 있다. 이러한 경우, 제2유로(221, 321, 421, 521)의 입구에 유동 불안전성을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키는 유로저항부(321e, 421e, 521e)를 설치할 수 있다.(도 8 내지 10 참조) 또한, 유로저항부(321e, 421e, 521e) 입구에 공통헤더(521f)를 더 추가할 수도 있다.(도 10 참조)
도 7을 참조하면, 제2유로(221, 321, 421, 521)는 복수로 구비되어 서로 이격된 메인유로(221a1, 221b1, 221b2, 221c1)와 서로 이격된 상기 메인유로(221a1, 221b1, 221b2, 221c1)들이 서로 연통되도록 형성되는 서브유로(221a2, 221b2, 221c2)를 포함할 수 있다. 이러한 메인유로 및 서브유로를 통해 제2유로(221)는 개방형 구조를 가지게 된다.
개방형 구조는 유로의 저항을 줄이거나, 이상(異相)유동의 경우 특정 부위에서 생기는 급격한 압력변동을 완화하는 기능을 가진 구조이다. 유로저항을 더 줄이기 위해 개방형 구조와 더불어 유선형 구조를 적용할 수도 있다.
입/출구 영역(A)에서도 하나의 헤더(241a1)로부터 반대편 헤더로 흘러가는 메인유로(221a1)와 상기 유로(221a1)를 연통시키는 서브유로(221a2)가 형성되어 있다. 이러한 개방형 구조는 도시된 바와 같이 주 전열부(B) 및 반대편 입/출구 영역(C)에서도 적용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제2유로(321)는, 유체가 유입되는 입구부분에 유체의 상변화로 인한 유동 불안정을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키도록, 입구에서 출구까지 직선으로 연결되는 길이보다 길게 연장되도록 절곡 또는 곡선 유로를 포함하는 유로저항부(321e)를 포함할 수 있다.
상기 유로저항부(321e)는, 유로로 유입되는 유체의 유량을 균일화하고 열전달을 향상시키도록, 유로의 진행방향을 따라 절곡된 형태가 반복되는 이코노마이저로 형성될 수 있다.
입구 유로저항부(321e)는 증기발생기에서 증기가 생성되면서 나타나는 이상유동의 불안정성을 감소시키기 위한 구성으로써, 상부에서 발생한 급격한 압력변동이 하부로 전파되는 것을 감소시키기 위해 설치한다.
본 발명에서는 유로저항부(321e, 421e, 521e)를 절곡된 형상만 도시하였으나 곡선유로를 이용하는 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으므로 절곡된 형상에 한정하는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, 제2유로(421)는 개방형 구조(도 7 설명 참조)를 가지며, 입구측에 유로저항부(421e) 또는 이코노마이저가 형성되어 있다.
이코노마이저는 쉘&튜브형 증기발생기에서 쉘쪽(튜브 바깥쪽)을 2차유체(급수/증기)로 활용하는 경우에, 입구영역에서의 유동을 안정화할 수 있다. 그리고 열전달 효율을 증가시키기 위해 설치한다. 개방형 구조의 경우, 유로저항부(421e)는 쉘&튜브형 증기발생기에서 쉘쪽의 이코노마이저와 유사할 역할을 할 수 있다.
본 실시예에서는 도면의 하부측에 위치한 헤더(441)로 급수가 될 수 있다. 즉 하부 헤더(441)측이 입구가 되는 것이다. 그리고 상부에 유로저항부(또는 이코노마이저, 421e)(E영역)가 형성되고, 그 상부로 유로가 확대되는 유로확대부(D), 입구영역(C), 주 전열부(B), 출구영역(A)이 순차적으로 형성되어 있다.
도 10을 참조하면, 제2유로(521)는 개방형 구조를 가지며, 상부 및 하부측면에 헤더(541a1, 541a2)가 설치된다. 그리고 하부측면에 설치된 헤더(541a2)에는 입구 공통헤더(521f)가 설치된다.
입구 공통헤더(521f)는 유로의 입구와 유로저항부(521e)(E)를 연결하고, 유로저항부(521e)(이코노마이저)로 유량을 배분해주기 위하여 설치될 수 있다.
상술한 실시예와 동일, 유사한 내용은 생략하도록 한다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 서로 다른 일 실시예에 따른 열교환기(10)를 수용하는 원전(1)의 모습을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 원전(1)은 원자로(30), 열교환기(10)를 포함한다. 원자로(30)는 내부에 원자로노심(20)을 포함하고, 냉각재(80)가 순환되도록 형성된다. 또한, 열교환기(10)는 상술한 실시예 중 어느 하나에 따른 열교환기(10)일 수 있다. 아울러, 열교환기(10)는 상기 원자로노심(20)에서 가열된 고온, 고압의 냉각재를 공급받아 급수를 증기로 만드는 증기발생기일 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 내장형 펌프(캔드 펌프, 70)를 포함할 수 있으며, 증기발생기(10)가 원자로(30) 내부에 배치되어 있다.
도 11a를 참조하면, 감시유로헤더(40a)에 센서부(11)가 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 감시 유로에 비압축성 유체가 흐르는 경우일 수 있다. 센서부(11)는 상기 유로에서 유체가 흘러나와 상기 감시유로로 유입시, 상기 감시유로 내부에 온도, 압력, 습도, 물리적 상태, 화학적 상태 또는 방사능 수치의 변화를 감지 가능하도록 이루어질 수 있다.
그리고, 센서부(11)에 설정된 기설정값 이상의 이상 상태가 감지되면, 열교환기(10) 또는 증기발생기 관련 설비를 중지하여 사고가 발생하기 이전에 조치를 취함으로써, 사고 발생시 원전(1)의 안전성을 높일 수 있다.
도 11b에서 상기 열교환기(10) 내부의 감시유로에는 압축성 유체가 흐를 수 있다. 그리고 상기 감시유로헤더(40a)에는, 유체의 체적 변화에 의한 압력 변동을 수용할 수 있는 압력제어부(12)를 더 포함할 수 있다. 또한 비압축성 유체의 경우에도 압력변동을 수용할 수 있도록 압력제어부(12)를 더 포함할 수 있다.
아울러, 상기 압력제어부(12)에 연결되어, 상기 압력제어부(12) 내부의 상태 변화를 감지할 수 있는 감시용 계측기(11')를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 열교환기 및 이를 구비하는 원전은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 열교환기 및 원전 산업 분야에서 이용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 복수의 플레이트가 서로 겹쳐져 있는 플레이트부;
    상기 각 플레이트의 적어도 일부가 가공되어, 내부에 유체가 흐르는 유로를 형성하는 유로부; 및
    상기 유로로부터 새어 나오는 유체가 흘러 들어오도록 상기 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 상기 유로로부터 유체가 새어 나오는 것을 감지 가능하게 형성되는 감시유로를 포함하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로부는,
    상대적으로 고온의 유체가 흐르는 제1유로; 및
    상기 제1유로와 이격되며, 상기 고온의 유체와 열교환을 하도록 상기 고온의 유체보다 상대적으로 저온의 유체가 흐르는 제2유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감시유로는, 상기 제1유로 및 제2유로 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    서로 이격되어 형성되는 제1감시유로 및 제2감시유로를 포함하고,
    상기 제1감시유로는, 상기 제1유로 및 제2유로 사이에 형성되고,
    상기 제2감시유로는, 상기 제1감시유로 및 제2유로 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 플레이트부는,
    상기 제1유로가 형성되는 제1플레이트; 및
    상기 제2유로가 형성되는 제2플레이트를 포함하고,
    상기 감시유로는,
    상기 제1 및 제2플레이트 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2플레이트 사이에 배치되는 제3플레이트를 더 포함하고,
    상기 감시유로는 상기 제3플레이트에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감시유로는, 상기 제1플레이트 또는 제2플레이트에 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제3플레이트와 이격되고, 상기 제1플레이트 또는 제2플레이트와 접하도록 형성되는 제4플레이트를 더 포함하고,
    상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되고,
    상기 제3플레이트에 형성되는 제1감시유로 및 상기 제4플레이트에 형성되는 제2감시유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    복수의 유로가 서로 이격되어 일방향으로 형성되는 제1통로; 및
    상기 제1통로를 서로 연통시키는 제2통로를 포함하는 개방형 유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    상기 제1통로 및 제2통로 중 적어도 하나와 연결되고, 상기 플레이트부를 관통하여 형성되는 제3통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 감시유로는,
    상기 제1유로 및 제2유로 간의 열교환 성능 저하를 억제하도록, 상기 제1유로 및 상기 제2유로보다 단면의 크기가 작은 미세유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2유로 중 적어도 하나는,
    적어도 2개 이상의 플레이트에 걸쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 감시유로는 복수의 유로로 형성되어 있고,
    상기 감시유로 내부의 유체의 상태 변화를 감지할 수 있도록, 상기 복수의 유로가 모이는 감시유로헤더를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 감시유로헤더에 연결되며, 상기 유로에서 유체가 흘러나와 상기 감시유로로 유입시, 상기 감시유로 내부에 온도, 압력, 습도, 물리적 상태, 화학적 상태 또는 방사능 수치의 변화를 감지가능한 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 감시유로 내부에는 압축성 또는 비압축성 유체가 채워지고,
    상기 감시유로헤더에는, 압력 변동을 수용할 수 있는 압력제어부가 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 압력제어부에 연결되어, 상기 압력제어부 내부의 상태 변화를 감지할 수 있는 감시용 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 유로부는,
    상기 제1유로 및 제2유로 중 적어도 하나와 열교환하도록 형성되고,
    상기 제1유로 및 제2유로를 흐르는 유체보다 상대적으로 고온 또는 저온의 유체가 흐르는 적어도 하나의 제3유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  18. 제2항에 있어서,
    상기 제2유로는,
    유체가 유입되는 입구부분에 유체의 유입으로 인한 유동 불안정을 해소하기 위해 유로의 저항을 증가시키도록, 입구에서 출구까지 직선으로 연결되는 길이보다 길게 연장되도록 절곡 또는 곡선 유로를 포함하는 유로저항부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  19. 제2항에 있어서,
    상기 제2유로는,
    복수로 구비되어 서로 이격된 메인유로; 및
    서로 이격된 상기 메인유로들이 서로 연통되도록 형성되는 서브유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 유로저항부는,
    유로로 유입되는 유체의 유량을 균일화하고 열전달을 향상시키도록, 유로의 진행방향을 따라 절곡된 형태가 반복되는 이코노마이저로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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