KR101602067B1 - Heat transport system for high temperature gas-cooled reactor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고온가스로의 열전달 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 저온환경에서 운용되던 상용 순환기를 활용하여 고출력의 열전달 시스템을 효율적으로 구현할 수 있는 고온가스로의 열전달 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a heat transfer system for a high-temperature gas furnace, and more particularly, to a heat transfer system for a high-temperature gas furnace capable of effectively realizing a high-output heat transfer system utilizing a commercial circulator operated in a conventional low-
최근 들어 화석연료를 대체하는 청정한 에너지원으로서 수소에 대한 관심이 증대되고 있으며, 수소는 화석연료와는 달리 지구환경오염 물질의 배출 없이 기존의 화석연료를 사용하는 에너지 시스템을 부분적으로 수정하여 활용할 수 있다는 측면에서 미래의 유망한 청정에너지로 부각되고 있다.Recently, interest in hydrogen has been growing as a clean energy source that replaces fossil fuels. Hydrogen, unlike fossil fuels, can be partially modified to utilize existing fossil fuel-based energy systems without emitting global environmental pollutants. It is emerging as promising clean energy for the future.
특히, 최근 온실가스 문제가 대두되면서 고온가스로의 열을 수소생산에 활용하려는 노력이 진행 중이며, 여러 가지 수소생산 방법 중에서 고온 열화학 공정을 이용한 열분해 수소생산 방법이 대량의 수소 생산에 적합한 방법으로 고려되고 있다. Particularly, as the recent greenhouse gas problem has arisen, an effort is being made to utilize the heat of the hot gas furnace for hydrogen production, and the pyrolysis hydrogen production method using the high temperature thermochemical process among various hydrogen production methods is considered as a method suitable for the mass production of hydrogen have.
고온가스로는 불활성 기체인 헬륨을 냉각재로 사용하기 때문에 물을 냉각재로 사용하는 경수로 보다 훨씬 높은 열을 얻을 수 있다. 기존의 고온가스로는 700℃ 정도의 노심 출구온도를 가지며 전기 생산 또는 공정열 공급 분야에 활용되어 왔다.Since the hot gas furnace uses helium, which is an inert gas, as a coolant, much higher heat can be obtained than a light water reactor using water as a coolant. Conventional hot gas furnaces have a core outlet temperature of about 700 ° C and have been utilized in the field of electric production or process heat supply.
그런데, 이와 같은 고온가스로는 경제적인 수소생산을 위해서 고온가스로의 출구온도를 950℃ 정도까지 상승시켜야 할 필요가 있다. 그러나, 고온가스로는 안전성을 위하여 노심 입구온도와 출구온도의 차이가 일정범위 내로 제한되기 때문에 출구온도를 올리면 입구온도도 함께 올려야 한다. 예를 들어, 고온가스로의 출구온도를 950℃까지 상승시킬 경우 허용 가능한 입구온도는 490℃ 정도가 된다.However, in such a hot gas furnace, it is necessary to raise the outlet temperature of the hot gas furnace to about 950 ° C in order to produce economical hydrogen. However, since the difference between the inlet temperature and the outlet temperature of the core is limited within a certain range in order to ensure the safety of the hot gas furnace, the inlet temperature must also be raised when the outlet temperature is raised. For example, when the outlet temperature of the hot gas path is raised to 950 ° C, the allowable inlet temperature is about 490 ° C.
도 1은 기존의 수소생산용 고온가스로 열전달계통을 개략적으로 보여주는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 수소생산용 고온가스로 열전달계통에서는 490℃ 정도의 입구온도를 갖는 헬륨(He) 냉각재(H)가 고온가스로(10) 내부의 상승유로(14)를 통해 상승 이동된 후 하강하여 노심(20)을 통과하면서 950℃로 가열된 다음, 2개의 열교환기(30,40)를 순차적으로 지나면서 2차 계통(50)에 열을 전달하고 490℃로 냉각된 후, 순환기(60)에 의하여 다시 고온가스로(10)의 노심(20)으로 보내지는 과정을 거치게 된다. FIG. 1 is a schematic view of a conventional heat transfer system using a high temperature gas for hydrogen production. As shown in FIG. 1, a conventional high temperature gas for hydrogen production uses helium (He) having an inlet temperature of about 490 ° C., The coolant H is lifted up through the
이 과정에서 순환기(60)는 고온가스로 열전달계통의 저온부(490℃) 영역에 설치되어 헬륨 냉각재(H)를 순환시키게 되는데, 이러한 경우 고온가스로(10)의 출구온도와 입구온도를 각각 950℃, 490℃ 정도로 유지하기 위해서는 490℃ 정도의 고온환경에서 운전 가능한 순환기가 필요하다.In this case, the
그러나, 기존의 저온환경(약 350℃ 정도)에서 사용되던 상용 순환기(60)와 달리 490℃의 고온환경에서 운전되는 순환기의 경우에는, 순환기의 설계 시 임펠러의 열구조 건전성, 전동기 냉각, 열팽창 등 다양한 설계 현안이 존재하기 때문에 순환기의 운전온도가 일정 범위 내로 제한될 수밖에 없다. However, in the case of a circulator operated at a high temperature of 490 ° C, unlike the conventional circulator (60) used in the conventional low temperature environment (about 350 ° C), the thermal structure integrity of the impeller, the cooling of the motor, Since there are various design issues, the operating temperature of the circulator can not be limited within a certain range.
이 때문에, 현재까지 상용으로 운전된 경험이 있는 순환기의 운전온도가 약 350℃ 정도임을 감안한다면, 490℃의 고온에서 운전될 순환기는 새로이 설계되어 개발되어야 하며, 이러한 고온환경에서 운전 가능한 신규 순환기에 개발에 따른 막대한 연구 개발 비용 및 설계 비용이 요구되는 문제가 있었다.Therefore, considering that the operation temperature of the circulator having the commercial operation so far is about 350 ° C, the circulator to be operated at the high temperature of 490 ° C must be newly designed and developed, and the new circulator There is a problem that a huge research and development cost and a design cost are required.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 기존의 저온환경에서 운용되던 상용 순환기를 활용하여 고출력의 열전달 시스템을 구현할 수 있도록 함으로써, 고온에서 운전 가능한 신규 순환기의 개발부담 없이 대량의 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 고온가스로의 열전달 시스템을 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a high-output heat transfer system using a commercial circulator operated in a low-temperature environment, And to provide a heat transfer system of a high-temperature gas furnace capable of efficiently producing a large amount of hydrogen without the burden of development of a new circulating machine as much as possible.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고온가스로의 열전달 시스템은, 핵분열을 통해 고온의 열을 발생시키는 가스로; 가스로에서 방출되는 고온상태의 냉각재를 열교환 작용에 의해 순차적으로 냉각시키는 복수의 열교환기; 복수의 열교환기를 거치면서 순차적으로 냉각된 저온상태의 냉각재를 가스로 내부로 다시 유입시킬 수 있도록 냉각재를 순환시키는 순환기; 순환기를 거쳐 나온 저온상태의 냉각재를 상기 열교환기로 다시 리턴시켜 가스로의 입구온도에 요구되는 적합한 온도까지 상승시켜 주는 제1리턴유로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a heat transfer system for a high-temperature gas furnace, including: a gas generating high-temperature heat through fission; A plurality of heat exchangers sequentially cooling the high-temperature coolant discharged from the gas furnace by a heat exchange action; A circulator for circulating the coolant so that the coolant in the low temperature state, which is sequentially cooled while passing through the plurality of heat exchangers, can be introduced back into the inside of the gas; And a first return flow passage for returning the coolant in a low temperature state, which has passed through the circulator, back to the heat exchanger to raise the temperature to an appropriate temperature required for the inlet temperature of the gas.
이때, 상기 제1리턴유로를 통해 상기 열교환기로 리턴되는 저온상태의 냉각재는 적어도 하나 이상의 열교환기를 순차적으로 거쳐 열교환된 후 상기 가스로의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로 내부로 공급될 수 있다.At this time, the coolant at a low temperature state returned to the heat exchanger through the first return flow channel may be supplied to the inside of the gas while being heated to the inlet temperature of the gas furnace after sequentially exchanging heat through at least one heat exchanger.
한편, 상기 열교환기는, 가스로에서 배출된 고온상태의 냉각재를 일정온도로 순차적으로 냉각시킬 수 있도록 상호 직렬로 연결되는 제1열교환기와 제2열교환기 및 제3열교환기를 포함하며, 상기 제1열교환기는 상기 제1리턴유로와 연결되어, 상기 제1리턴유로를 통해 리턴되는 저온상태의 냉각재가 상기 제1 및 제2열교환기를 순차적으로 거쳐 가스로의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로로 공급되도록 구성할 수 있다.The heat exchanger includes a first heat exchanger, a second heat exchanger and a third heat exchanger, which are connected in series so as to cool the high-temperature coolant discharged from the gas furnace to a predetermined temperature sequentially, and the first heat exchanger The coolant in a low temperature state connected to the first return flow channel and returned through the first return channel is supplied to the gas furnace in a state where the coolant is sequentially heated to the inlet temperature of the gas furnace through the first and second heat exchangers .
여기서, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에는 상기 제1리턴유로의 일측에서 분기되어 상기 가스로 내부의 냉각유로와 연결되며, 상기 순환기를 통과한 저온상태의 냉각재 일부 유량을 가스로 내부의 냉각유로로 공급하여 압력용기를 냉각시킬 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 우회유로를 더 포함할 수 있다.Here, the high-temperature gas furnace heat transfer system of the present invention is connected to a cooling channel inside the gas furnace by branching from one side of the first return channel, and a part of the flow rate of the coolant at a low- To provide a passage for the coolant to cool the pressure vessel.
또한, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에는 상기 가스로 내부의 압력용기를 냉각한 후 배출되는 냉각재가 다시 상기 열교환기 측으로 유입될 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 제2리턴유로를 더 포함하여 구성될 수 있다.The heat transfer system according to the present invention may further include a second return flow path for providing a path for the coolant to cool the pressure vessel inside the gas furnace and then discharge the coolant to the heat exchanger side, Lt; / RTI >
이때, 상기 제2리턴유로의 출구는 상기 순환기의 입구 측 유로 상에 연결되도록 구성하는 것이 바람직하다.
At this time, it is preferable that the outlet of the second return passage is connected to the inlet-side flow passage of the circulator.
상기한 본 발명의 구성에 따르면, 고온환경에서 운용 가능한 신규 순환기의 개발부담 없이 기존의 저온에서 운용되었던 검증된 상용 순환기를 활용하여 고출력 열전달 시스템을 구현할 수 있기 때문에 신규 순환기의 개발에 따른 막대한 연구개발 비용 및 설계비용을 절감할 수 있고, 적은 비용을 들여 대량의 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 효과가 있다.According to the structure of the present invention described above, it is possible to realize a high-output heat transfer system by utilizing a verified commercial circulator which was operated at an existing low temperature without the burden of developing a new circulator capable of operating in a high temperature environment. Therefore, It is possible to reduce cost and design cost, and to efficiently produce a large amount of hydrogen at a low cost.
또한, 순환기의 출구와 열교환기의 입구를 연결하는 유로로부터 분기되어 고온가스로 내부의 냉각유로와 연결되는 별도의 우회유로를 설치하여, 상기 우회유로를 통해 냉각유로로 유입되는 저온상태의 냉각재를 이용하여 압력용기를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.A separate bypass channel branched from the flow channel connecting the outlet of the circulator and the inlet of the heat exchanger and connected to the cooling channel inside the high temperature gas furnace is provided to cool the coolant in the low temperature state flowing into the cooling channel through the bypass channel There is an effect that the pressure vessel can be effectively cooled.
또한, 상기와 같은 우회유로를 통해 유입되는 저온의 냉각재를 이용하여 압력용기를 371℃ 이하의 온도로 냉각시키는 것이 가능하기 때문에, 허용온도가 높지만 원자력 압력용기의 재질로서 안전성이 입증되지 않은 고크롬강 재질의 압력용기 사용을 배제하고 기존의 상용 경수로에서 사용되던 안정성이 입증된 저크롬강(SA-508/533) 재질의 압력용기를 사용하여 시스템을 구현하는 것이 가능해지므로 원자로 압력용기에 대한 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.Further, since it is possible to cool the pressure vessel to a temperature of 371 ° C or lower by using the low-temperature coolant introduced through the bypass channel as described above, the high-chromium steel (SA-508/533) pressure vessel that has been proven to be used in conventional commercial light water reactors without the use of pressure vessels made of materials. There is an effect that can be done.
또한, 기존에는 고온가스로 내부의 압력용기를 냉각시키기 위하여 고온가스로 내측 하단부에 냉각재를 공급 및 순환시킬 수 있는 별도의 냉각재 공급 및 순환장치가 설치되었지만, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에서는 순환기를 지나온 저온상태의 냉각재를 우회유로를 통해 고온가스로 내부의 냉각유로로 공급하여 순환시키도록 구성되어 있기 때문에 기존과 같이 압력용기를 냉각시키기 위한 별도의 내부 장치구성이 필요 없고, 이로 인해 시스템의 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, in the prior art, there is provided a separate coolant supply and circulation device capable of supplying and circulating the coolant to the inner lower end portion of the high temperature gas to cool the pressure vessel inside the high temperature gas. In the high temperature gas furnace heat transfer system of the present invention, The coolant in the low-temperature state passing through the bypass passage is supplied to the cooling channel inside the high-temperature gas through the bypass passage and circulated. Therefore, there is no need for a separate internal device configuration for cooling the pressure vessel as in the conventional system. The manufacturing cost can be reduced.
또한, 압력용기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각재를 제2리턴유로를 통해 다시 순환기의 입구 측으로 리턴시킴으로써, 순환기의 전,후방의 압력 차에 의해 냉각재가 고온가스로의 내,외부로 자발적으로 효과적으로 순환시킬 수 있는 효과가 있다.
Further, by returning the coolant, which is discharged after cooling the pressure vessel, to the inlet side of the circulator through the second return channel, the coolant is spontaneously and effectively circulated to the inside and the outside of the hot gas path by the pressure difference between the front and rear sides of the circulator There is an effect that can be.
도 1은 종래의 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 예시도.1 is a conceptual view showing a conventional heat transfer system with a high temperature gas.
2 is a conceptual view showing a heat transfer system with a high-temperature gas according to an embodiment of the present invention;
3 is an illustration showing a heat transfer system with a hot gas according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 개념도이다.2 is a conceptual diagram showing a heat transfer system with a high-temperature gas according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템은 핵분열을 통해 고온의 열을 발생시키는 고온가스로(100)와, 고온가스로(100)에서 배출되는 고온상태의 헬륨 냉각재(H)를 열교환하여 일정온도까지 순차적으로 냉각시키는 복수의 열교환기(130,140,150)와, 복수의 열교환기(130,140,150)를 거치면서 순차적으로 냉각된 저온상태의 냉각재(H)가 고온가스로(100) 내부로 다시 유입되도록 냉각재를 순환시키는 순환기(170)와, 순환기(170)를 거쳐 나온 저온상태의 헬륨 냉각재를 열교환기(130,140)로 리턴시켜 재가열하는 제1리턴유로(172)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the high-temperature-gas heat transfer system according to an embodiment of the present invention includes a high-
고온가스로(100)에는 내부에 노심(120) 및 상기 노심(120)을 감싸는 반사체를 포함하는 노심지지배럴(112)과, 노심지지배럴(112)의 외부를 둘러싸고 내부에 냉각유로(116)가 형성된 압력용기(110)와, 노심지지배럴(112)의 내부에 형성되어 노심(120) 측으로 공급되는 헬륨 냉각재의 이동통로를 제공하는 상승유로(114)가 구비된다.The high
또한, 상기 고온가스로(100)의 일측에는 상승유로(114) 내부로 헬륨 냉각재를 공급할 수 있는 냉각재 입구(미도시), 및 노심(120)을 통과한 헬륨 냉각재가 외부로 배출되는 냉각재 출구(미도시)가 구비된다.A coolant inlet (not shown) capable of supplying the helium coolant into the
그리고 상기 고온가스로 열전달 시스템 내부에서 순환되는 냉각재는 불활성 가스인 헬륨(He) 가스가 사용된다. As the coolant circulated inside the heat transfer system by the high temperature gas, helium (He) gas, which is an inert gas, is used.
이 헬륨 가스는 물을 냉각재로 사용하는 경수로 보다 훨씬 높은 열을 얻는 것이 가능하기 때문에 대량의 수소생산을 위한 열 공급에 적합하다.This helium gas is capable of obtaining much higher heat than a light-water reactor using water as a coolant, making it suitable for heat supply for massive hydrogen production.
고온가스로(100) 내부에 구비되는 노심지지배럴(112)은 그 내부공간에 노심(120)과, 상기 노심(120)을 감싸는 반사체(부호미표기)가 구비된다. The
이러한 노심지지배럴(112)은 노심(120)의 하우징 역할을 담당하게 된다.The
압력용기(110)는 노심지지배럴(112)의 외부를 둘러싸는 형태로 구비되며, 상기 압력용기(110)와 노심지지배럴(112) 사이에는 헬륨 냉각재가 이동될 수 있도록 환형의 냉각유로(116)가 형성된다.The
이와 같은 압력용기(110)의 재질로는 기존의 상용 경수로에서 사용되던 저크롬강(SA-508/533)이 사용된다.As the material of the
이는 순환기(170)를 거쳐 나온 저온의 냉각재를 후술되는 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116)로 유입시켜 압력용기(110)를 냉각하는 것을 통해 가능해진다.This is made possible by cooling the
즉, 상기 우회유로(180)를 통해 유입되는 저온의 냉각재로 압력용기(110)를 저크롬강(SA-508/533)의 허용온도인 371℃ 이하로 냉각시킬 수 있기 때문에 안전성이 검증되지 않은 고크롬강 재질의 압력용기를 사용하지 않고서도 고출력의 고온가스로 열전달 시스템을 구현할 수 있다. That is, since the
상기한 구성을 갖는 고온가스로(100)는 정상 운전시 압력용기(110)의 하부에 위치한 냉각재 입구를 통해 유입된 냉각재(헬륨 가스)가 상승유로(114)를 따라 상부까지 상승한 후 다시 하강하여 내부의 노심(120)을 지나면서 가열된 다음 냉각재 출구를 통해 열교환기(130,140,150) 측으로 배출된다.In the high-
열교환기(130,140,150)는 상기 고온가스로(100)에서 배출되는 고온상태의 냉각재를 열교환하여 2차 계통(160)으로 열을 전달하게 되며, 상기 열교환기(130,140,150)를 통과한 냉각재는 순환기(170)의 정상운전에 요구되는 일정 온도까지 냉각된다. The
상기 열교환기(130,140,150)로는 인쇄회로기판형 열교환기(PCHE)가 사용될 수 있다.As the
인쇄회로기판형 열교환기는 튜브형 또는 판형 열교환기에 비해 장치의 부피가 아주 작으면서도 높은 열교환 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. The printed circuit board type heat exchanger is advantageous in that the volume of the apparatus is very small as compared with the tubular or plate type heat exchanger, and high heat exchange efficiency can be obtained.
또한, 상기 인쇄회로기판형 열교환기는 고온고압의 환경에서 사용이 가능하고 복잡한 금형 공정을 거치지 않고 용이하게 제작할 수 있는 장점이 있다.In addition, the printed circuit board type heat exchanger is advantageous in that it can be used in an environment of high temperature and high pressure and can be easily manufactured without complicated mold process.
구체적으로, 본 발명에 따른 열교환기(130,140,150)는 냉각재가 배출되는 고온가스로(100)의 출구 측 방향을 따라 복수 개가 순차적으로 배치된다.Specifically, a plurality of
즉, 3개의 제1열교환기(130), 제2열교환기(140), 제3열교환기(150)가 순차적으로 배치되어 상호 직렬로 연결된다.That is, three
이와 같은 3개의 열교환기(130,140,150)는 고온가스로(100)에서 배출되는 약 950℃ 정도의 고온상태의 냉각재를 순차적으로 냉각하여, 상용 순환기(170)의 운전가능 온도인 약 350℃ 정도의 저온상태로 냉각시킨다.The three
반면, 상기 제1, 제2, 제3열교환기(150)를 거쳐 순차적으로 냉각된 냉각재의 온도는 350℃ 정도의 저온상태이기 때문에, 고온가스로(100) 내부로 다시 유입시키기 위해서는 고온가스로(100)의 적정 입구온도(490℃)까지 온도를 높여주어야만 한다.On the other hand, since the temperature of the coolant sequentially cooled through the first, second, and third heat exchangers 150 is a low temperature state of about 350 ° C., the high temperature gas The temperature must be increased to the proper inlet temperature (490 DEG C) of the heat exchanger (100).
이를 위해 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에는 3개의 열교환기(130,140,150)를 거쳐 열교환된 후 순환기(170)를 거쳐 토출되는 저온상태(350℃)의 냉각재를 다시 제1열교환기(130)와 제2열교환기(140) 내부로 리턴시켜 열교환에 의해 고온가스로(100)의 입구온도(490℃)까지 상승시켜 줄 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 제1리턴유로(172)가 추가적으로 설치된다.To this end, the low-temperature (350 ° C) coolant, which is heat-exchanged through the three heat exchangers (130, 140, 150) and then discharged through the circulator (170), is supplied to the first heat exchanger The first
이 경우 제1열교환기(130) 내에서 상기 제1리턴유로(172)를 통해 제1열교환기(130) 내부로 유입되는 저온의 냉각재와 고온가스로(100)에서 유입되는 고온의 냉각재가 서로 합류되지 않고 효율적으로 열교환될 수 있도록 각 냉각재의 입,출구와 이동통로가 열교환기의 서로 다른 위치상에 배치될 수 있다.In this case, the low-temperature coolant flowing into the
제1리턴유로(172) 및 열교환기(130,140)에 의한 냉각재의 재가열 과정을 설명하면, 먼저, 상기 제1리턴유로(172)를 통해 제1열교환기(130) 내부로 유입된 저온상태(350℃)의 냉각재는 제1열교환기(130) 내부를 통과하면서 고온환경에서 가열되어 일정온도(420℃)로 승온된 후 배출된다.The low temperature state 350 (350) flowing into the first heat exchanger (130) through the first return flow path (172) will be described with reference to the reheating process of the coolant by the first return flow path (172) and the heat exchangers ° C.) is passed through the first heat exchanger (130), heated in a high temperature environment, heated to a predetermined temperature (420 ° C.), and then discharged.
이와 같이 제1열교환기(130)를 거쳐 일정온도까지 승온된 냉각재는 다시 제2열교환기(140) 내부로 유입되어 재가열된 후 고온가스로(100)의 적정 입구온도에 해당되는 약 490℃의 온도까지 승온된 상태에서 상기 고온가스로(100) 내부로 공급된다.The coolant that has been heated to a predetermined temperature through the
이처럼 순환기(170)를 거친 저온상태(350℃)의 냉각재를 제1리턴유로(172)를 통해 다시 제1열교환기(130) 및 제2열교환기(140)에 순차적으로 통과시켜 고온가스로의 입구온도에 적합한 490℃까지 온도를 순차적으로 상승시킨 후 고온가스로(100)에 제공되도록 함으로써, 기존의 저온환경에서 사용되던 안전성이 검증된 상용 순환기(170)를 사용하고서도 950℃ 정도의 높은 출구온도를 갖는 고출력의 고온가스로(100) 운전이 가능해지는 이점이 있다. The coolant in the low temperature state (350 DEG C) through the
아울러, 안전성이 검증된 기존의 상용 순환기(170)를 활용하여 높은 출구온도를 갖는 고온가스로 열전달 시스템의 구현이 가능해지기 때문에 대량의 수소를 효율적으로 생산할 수 있고, 고온환경(490℃)에서 운전 가능한 신규 순환기 개발에 대한 필요성이 없어지기 때문에 새로운 순환기 개발에 따르는 막대한 연구개발 비용 및 설계 비용을 절감할 수 있는 이점도 있다.In addition, since the heat transfer system can be realized with the high-temperature gas having a high outlet temperature by utilizing the conventional
상술한 본 발명의 실시 예에서는 순환기(170)를 거친 저온의 냉각재를 제1리턴유로(172)를 통해 2개의 열교환기(130,140)에 순차적으로 통과시켜 고온가스로의 입구온도까지 재가열한 후 고온가스로(100)로 공급되도록 하였으나, 제1열교환기(130)의 크기 규모 및 열교환 성능에 따라 하나의 열교환기(130)에만 냉각재가 통과되도록 하여 적정온도까지 상승시킬 수 있도록 구성할 수도 있다.In the embodiment of the present invention, the low-temperature coolant passing through the
또한, 전술한 실시 예에서는 고온가스로(100)에서 배출되는 고온의 냉각재를 3개의 열교환기(130,140,150)를 이용하여 일정온도까지 순차적으로 냉각시키도록 구성하였지만, 열교환기의 설치 개수는 시스템의 요구성능에 맞게 다양하게 변경 적용할 수 있다.In the above-described embodiment, the high-temperature coolant discharged from the high-
한편, 기존부터 운용되고 있는 고온가스로에서는 내부의 압력용기 재질을 상용 가압경수로에서 검증된 저크롬강(SA-508/533) 재질로 사용하고 있다. 이와 같은 저크롬강 재질로 구성된 기존의 상용 압력용기는 저크롬강(SA-508/533)의 허용온도인 371℃ 이하로 유지되어야만 한다.On the other hand, in the existing high-temperature gas furnace, the inner pressure vessel material is used as a low chrome steel (SA-508/533) material which is proven in commercial pressurized light-water reactor. Conventional commercial pressure vessels made of such low-chromium steel should be kept below 371 ° C, the allowable temperature of low-chrome steel (SA-508/533).
그러나, 본 발명과 같이 입구온도 490℃, 출구온도 950℃를 갖는 고출력 고온가스로(100)에서는 냉각재가 유입되는 입구온도가 490℃에 달해 압력용기(110)가 490℃의 고온의 입구 냉각재에 직접적으로 노출되기 때문에 허용온도가 371℃ 이하인 저크롬강 재질의 압력용기를 사용할 수 없는 문제가 발생한다.However, in the high-output high-
이 때문에, 490℃ 정도의 높은 냉각재 온도에도 내구성을 발휘할 수 있는 고크롬강(High-Cr Steel) 재질의 압력용기가 필요하다.For this reason, a pressure vessel made of a high-Cr steel material capable of exhibiting durability even at a high coolant temperature of about 490 ° C. is required.
그러나, 허용온도가 590℃인 고크롬강(SA-336/9Cr-1Mo-V)은 현재까지 원자로의 압력용기로서 사용된 적이 없기 때문에 인허가 상의 새로운 현안으로 대두될 수 있는 문제가 있다. However, the high chrome steel (SA-336 / 9Cr-1Mo-V) with an allowable temperature of 590 ° C has never been used as a pressure vessel for nuclear reactors until now, which poses a problem that can become a new issue in licensing.
이와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에서는 순환기(170)를 지나 토출되는 저온상태의 냉각재 일부 유량을 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100) 내부로 유입시켜 압력용기(110)를 저크롬강(SA-508/533)의 허용온도인 371℃ 이하로 냉각시킬 수 있도록 하였다.In order to solve such a problem, in the high temperature gas furnace heat transfer system of the present invention, a part of the flow rate of coolant discharged through the circulator (170) at a low temperature is introduced into the high temperature gas furnace (100) (110) can be cooled to 371 ° C or less, which is the allowable temperature of the low-Cr steel (SA-508/533).
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 압력용기 냉각용 우회유로가 구비된 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 것이다.FIG. 3 is a schematic view of a high-temperature gas-phase heat transfer system having a bypass passage for cooling a pressure vessel, according to another embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고온가스로 열전달 시스템에는 고온가스로(100)의 내부에 구비된 압력용기(110)를 상용 저크롬강 재질의 허용온도인 371℃ 이하의 온도로 냉각시킬 수 있도록 냉각재의 우회이동 통로를 제공하는 우회유로(180)가 마련된다.3, in the high-temperature gas-phase heat transfer system according to the present invention, the
상기 우회유로(180)는 순환기(170)와 제1열교환기(130) 사이를 연결하는 제1리턴유로(172)의 일측으로부터 분기되어 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116) 상부측 부분과 상호 연결되도록 구비된다.The
이에 따라, 순환기(170)를 지나 제1리턴유로(172)를 따라 이동되는 저온상태(350℃)의 냉각재는 그 일부 유량이 상기 제1리턴유로(172)에서 분기된 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100)의 냉각유로(116) 내부로 공급되어 압력용기(110)를 371℃ 이하의 온도 냉각시키게 된다.The coolant in the low temperature state (350 ° C), which is moved along the first
이 경우 우회유로(180) 상의 적정 위치에는 상기 우회유로(180)릍 통해 고온가스로(100) 내부로 공급되는 냉각재 유량과 제1열교환기(130)로 공급되는 냉각재 유량의 비를 적절히 조절할 수 있도록 유량조절밸브(미도시)가 설치될 수 있다.The ratio of the coolant flow rate supplied to the
그리고, 상기 우회유로(180)를 통해 냉각유로(116) 내부로 유입되어 압력용기(110)를 냉각시킨 후 배출되는 냉각재를 제1열교환기(130)로 유입되는 유로 상으로 다시 리턴시켜 주기 위한 제2리턴유로(182)가 구비된다.In order to return the coolant, which is introduced into the cooling
상기 제2리턴유로(182)는 고온가스로(100)의 냉각유로(116) 하부측과 순환기(170)의 입구측 유로 사이를 상호 연결하도록 구성된다.The
이에 따라, 고온가스로(100) 내부의 압력용기(110)를 냉각시킨 후 배출되는 냉각재는 제2리턴유로(182)를 통해 다시 순환기(170)의 입구측 유로로 유입하게 되며, 상기 순환기(170)의 토출압력에 의해 제1열교환기(130) 내부로 제공된다.Accordingly, the coolant discharged after cooling the
이때, 상기 제2리턴유로(182)가 연결되는 순환기(170)의 입구측은 상기 순환기(170)의 토출압력에 의해 순환기(170)의 출구측보다 압력이 낮은 상태로 유지되기 때문에, 우회유로(180) 및 제2리턴유로(182)를 경유하여 고온가스로(100) 내,외부로 이동되는 냉각재는 자발적인 순환이 가능하다. At this time, since the inlet side of the
그리고, 기존의 고온가스로 시스템에서는 고온가스로 내부의 압력용기를 허용온도 이하로 냉각시키기 위하여 고온가스로 내부의 냉각유로로 냉각재를 공급하여 순환시킬 수 있도록 고온가스로의 내측 하단부에 별도의 냉각재 공급순환장치를 설치하여 구성하였다.In the conventional hot gas furnace system, in order to cool the pressure vessel inside the furnace by the high temperature gas to a temperature below the allowable temperature, a coolant is supplied to the inner lower end of the furnace so that the coolant can be circulated through the cooling channel inside the furnace A circulation device was installed and configured.
그러나, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에서는 순환기(170)를 통과한 저온의 냉각재를 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116)로 공급하여 압력용기(110)를 허용온도(371℃) 이하로 냉각시킬 수 있도록 구성되어 있기 때문에 종래와 같이 고온가스로 하단부에 별도의 냉각재 공급순환장치를 설치하지 않고서도 압력용기(110)의 효율적인 냉각이 가능하다. However, in the heat transfer system of the present invention, the low-temperature coolant that has passed through the
아울러, 압력용기(110)를 냉각시키고 배출되는 냉각재를 제2리턴유로(182)를 통해 다시 순환기(170) 입구 측으로 리턴시켜 순환기(170) 전,후방의 압력 차를 이용하여 고온가스로(100) 내,외부로 효과적으로 순환시킬 수 있다.In addition, the coolant that is cooled by the
또한, 상기 실시 예에서 언급된 바와 같이 우회유로(180)를 통해 냉각재를 고온가스로(100)의 상단부로 유입하여 압력용기(110)를 냉각시킨 후 고온가스로(100)의 하단부에서 추출할 수 있도록 구성할 수 있으나, 그 반대의 경우도 가능하다.As described in the above embodiment, the coolant may be introduced into the upper end of the
상술한 바와 같이, 고온가스로(100)에서 배출되는 고온(950℃)의 냉각재를 복수의 열교환기(130,140,150)에 순차적으로 통과시켜 상용 순환기(170)의 운전이 가능한 350℃ 정도의 저온상태로 냉각시키고, 상기 냉각된 냉각재를 제1리턴유로(172)를 통해 다시 고온 측 열교환기(130,140)로 리턴시켜 순차적으로 가열되도록 하여 고온가스로(100)의 적정 입구온도인 490℃까지 상승시킨 다음 고온가스로(100)의 노심(120) 측으로 공급되도록 함으로써, 고온환경에서 운전 가능한 새로운 순환기의 개발 없이도 기존의 저온환경에서 운전 경험이 있는 안전성이 검증된 상용 순환기를 활용하여 고출력의 고온가스로 열전달 시스템을 구현할 수 있고, 새로운 순환기의 개발에 따른 막대한 연구개발 및 설계비용을 절감시킬 수 있다.As described above, the high-temperature (950 ° C) coolant discharged from the high-
또한, 저온 순환기(170)의 출구측 유로상에 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116)로 저온의 냉각재를 공급할 수 있는 별도의 우회유로(180)를 마련하여 압력용기(110)를 저크롬강의 허용온도인 371℃ 이하로 냉각할 수 있도록 구성함으로써, 기존의 검증된 상용 경수로 재질을 압력용기로 사용할 수 있는 장점을 얻을 수 있다.A
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Will be possible.
100 : 고온가스로 110 : 압력용기
112 : 노심지지배럴 114 : 상승유로
116 : 냉각유로 120 : 노심
130,140,150 : 제1,2,3열교환기
170 : 순환기 172 : 제1리턴유로
180 : 우회유로 182 : 제2리턴유로100: with hot gas 110: pressure vessel
112: core support barrel 114:
116: cooling channel 120: core
130,140,150: First, second and third heat exchangers
170: circulator 172: first return channel
180: bypass channel 182: second return channel
Claims (6)
상기 가스로(100)에서 방출되는 고온상태의 냉각재를 열교환 작용에 의해 순차적으로 냉각시키는 복수의 열교환기;
상기 복수의 열교환기를 거치면서 순차적으로 냉각된 저온상태의 냉각재를 상기 가스로(100) 내부로 다시 유입시킬 수 있도록 상기 냉각재를 순환시키는 순환기(170);
상기 순환기(170)를 거쳐 나온 저온상태의 냉각재를 상기 열교환기로 다시 리턴시켜 상기 가스로(100)의 입구온도에 요구되는 온도까지 상승시켜 주는 제1리턴유로(172);를 포함하며,
상기 제1리턴유로(172)를 통해 상기 열교환기로 리턴되는 저온상태의 냉각재는 상기 가스로(100)의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로(100) 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 열전달 시스템.
A gas 100 which generates heat at high temperature through fission;
A plurality of heat exchangers sequentially cooling the high-temperature coolant discharged from the gas furnace (100) by a heat exchange action;
A circulator 170 circulating the coolant so that the coolant in a low-temperature state, which is sequentially cooled while passing through the plurality of heat exchangers, can be introduced into the gas furnace 100 again;
And a first return flow path (172) for returning the coolant from the low temperature state, which has passed through the circulator (170), back to the heat exchanger to raise the temperature to the inlet temperature of the gas path (100)
Wherein the low temperature coolant returned to the heat exchanger through the first return channel (172) is supplied into the gas furnace (100) while being heated up to the inlet temperature of the gas furnace (100) Of the heat transfer system.
상호 직렬로 연결되는 제1열교환기(130)를 포함하는 복수의 열교환기를 포함하며,
상기 제1열교환기(130)는 상기 제1리턴유로(172)와 연결되어, 상기 제1리턴유로(172)를 통해 리턴되는 저온상태의 냉각재가 상기 가스로(100)의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로(100)로 공급되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 열전달 시스템.
The heat exchanger according to claim 1,
And a plurality of heat exchangers including a first heat exchanger (130) connected in series,
The first heat exchanger 130 is connected to the first return flow path 172 and the temperature of the coolant returned at the low temperature state returned through the first return flow path 172 is raised to the inlet temperature of the gas path 100 To the gas furnace (100). ≪ Desc / Clms Page number 13 >
The refrigerator as claimed in claim 1, wherein a flow rate of a coolant at a low temperature passing through the circulator (170) is supplied to a cooling channel (116) inside the gas furnace (100) And a bypass passage (180) for providing a bypass passage (180).
The air conditioner according to claim 4, further comprising: a second return flow passage (182) for providing a moving path of the coolant so that the coolant discharged after cooling the pressure vessel (110) inside the gas furnace (100) Further comprising a second heat exchanger for cooling the hot gas path.
6. The heat transfer system according to claim 5, wherein the outlet of the second return flow passage (182) is connected to the inlet flow passage of the circulator (170).
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