KR101646731B1 - 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치에 관한 것이다. 본 발명은 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기발생기; 내부에 일정량의 공기가 주입된 상태에서 상기 증기가 내부로 유입되는 모의격납용기; 상기 모의격납용기의 내부에 복수개의 응축관이 소정의 간격을 두고 수직하게 설치되고, 상기 응축관의 내부에는 냉각수가 유입됨으로써 증기가 응축되도록 하는 응축관 다발; 및 상기 증기발생기와 모의격납용기의 사이에 설치되어 상기 응축관으로 냉각수를 공급하는 물탱크를 포함할 수 있다.

Description

수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치{experiment apparatus for design of a condensation heat exchanger with vertical tube bundles}

본 발명은 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직배열 응축열교환기 에서 발생하는 응축열전달 현상에 대한 실험 시 응축관을 다발 형태로 형성함으로써 응축관 사이의 간격, 배치, 기울기에 따라 수직배열 응축열교환기의 응축열전달에 미치는 영향을 파악할 수 있는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치에 관한 것이다.

일본 동북부 대지진과 지진해일로부터 유발된 외부 전원공급의 차단으로 인해 원자로의 냉각기능이 장시간 상실되고 대량의 방사성 물질이 외부로 방출된 후쿠시마 원전사고 이후, 격납피동안전에 의한 원자로 사고 완화의 중요성이 중요한 이슈로 떠오르게 되었다.

피동격납용기냉각계통은 냉각재 상실사고나 주증기관 파단사고 등의 사고 발생 시 응축열전달을 통해 격납용기로 방출되는 에너지를 제거하고 원전의 건전성을 유지하기 위한 피동안전계통이다. 콘크리트 격납용기를 채택하고 있는 한국형 원전에서는 격납용기 내부에 별도의 수직 튜브다발로 구성된 열교환기를 설치하고 격납건물 외부에 냉각수 탱크를 설치함으로써, 자연순환을 이용해 격납용기를 냉각하는 방식을 채택할 예정이다.

격납용기 내부에는 대기압의 공기가 존재하고 있어, 원자로 사고 시 원자로 냉각재계통에서 방출된 증기는 격납용기의 공기와 혼합되어 기체혼합물을 형성한다. 또한, 노심냉각에 실패할 경우 핵연료를 둘러싸고 있는 피복재가 고온의 증기와 반응하면 가연성 기체인 수소가 생성되어 격납용기 상부에 축적된다.

격납용기 내부에서는 하부에서 증기가 방출되고 상부의 피동격납용기냉각계통 응축관 외벽에서 응축·냉각되면서 기체혼합물의 자연순환 유동이 형성된다. 공기나 수소와 같은 비응축성 기체가 증기와 혼합될 경우, 이들이 응축관 주변에 높은 분율로 축적되면서 큰 열저항으로 작용하여 응축 열전달을 감소시킨다.

기존의 응축 열전달에 대한 실험연구는 대부분 수직관 내벽에서 발생하는 응축이나 수평관의 내·외벽에서 발생하는 응축 현상에 집중되어 있다. 반면 피동격납용기 냉각계통 응축관과 같이 증기-공기 혼합물이 수직 또는 각도에 따른 응축관 표면에서 응축되는 실험장치는 매우 제한적으로 발견된다.

기존의 실험장치들에서는 긴 원통형의 압력용기 하부에서 전열기를 이용해 물을 증발시켜 증기를 생성하였고, 압력용기 내 수직 냉각튜브 내부로 냉각수를 주입하여 차가운 외벽온도 조건을 형성하였다. 압력용기 하부에서 생성된 증기는 상부에 존재하고 있는, 혹은 외부에서 주입해 준 비응축성 기체와 혼합되어 기체혼합물을 형성하고, 압력용기 내부를 자연순환 한다. 기체혼합물의 증기는 차가운 응축관 외벽에서 응축되면서 액막을 형성하고, 이는 중력에 의해 응축관을 타고 흘러내려 압력용기 하부에 수집된다. 압력용기에서 생성된 증기의 양과 응축관 외벽에서 응축되어 상변화하는 증기의 양이 균형을 이루면서 압력용기 내부 조건이 정상상태를 형성하게 된다.

기존의 실험장치에서는 내부 유동 및 전열관 외벽의 액막 관찰을 위한 가시창이 설치되지 않았고, 별도의 가시화 기법을 적용할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 증기와 비응축성 기체의 밀도가 다르기 때문에 긴 원통형의 압력용기 내부에서 성층화가 발생할 수 있다. 이러한 이유로 기존의 실험장치에서는 기체혼합물의 자연대류가 발생하는 압력용기의 내부 조건을 균일하게 유지하지 못한 상태에서 데이터가 수집된 것으로 보이며, 대부분의 실험에서 내부 기체혼합물의 분포에 대한 실험 조건을 정확하게 파악·명시하지 않았다. 이러한 조건에서 수집된 데이터는 평균 열전달계수를 도출하는 과정에서 기체의 국부적인 분포에 의한 영향을 무시하게 된다는 단점이 있다.

수직 응축관 외벽의 응축 열전달에 중요한 영향을 미치는 변수가 응축관 벽면과 모의격납용기의 온도차 인데, 이의 영향에 대한 일반적이고 통합적인 결론이 도출되지 못하였다. 기존의 실험장치에서는 응축관 외벽 온도를 효과적으로 제어하지 못하였을 뿐만 아니라, 높이에 따라 외벽 온도의 차이가 매우 커 등온조건을 유지하지 못했다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0137083호(2011.12.22)

본 발명은 수직배열 응축열교환기에서 발생하는 응축열전달 현상에 대한 실험 시 응축관을 다발 형태로 형성함으로써 응축관 사이의 간격, 배치, 기울기에 따라 수직배열 응축열교환기의 응축열전달에 미치는 영향을 파악할 수 있는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 수직배열 응축열교환기의 열수력 해석과 성능평가에 필요한 열전달 데이터를 생산함에 있어 균일한 벽면온도 조건을 형성하고, 압력용기 내부 기체혼합물의 국소적인 분포를 파악함으로써 정확한 응축 열전달계수를 얻을 수 있는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 모의격납용기 외부에 별도의 증기발생기를 설치함으로써 증기의 생성량을 제어하고, 기체혼합물의 유동조건이 응축 열전달에 미치는 영향과 응축관 다발의 간격과 각도 등과 같은 형상 조건에 따른 영향을 파악할 수 있는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 기체혼합물의 유동 및 응축관 표면 액막의 가시화가 가능한 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 실험장치를 구성하는 구성부품을 폐유로로 최적화하여 조밀하게 구성하여 시설 공간과 제작에 소요되는 재료를 효과적으로 저감할 수 있는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치는 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기발생기; 내부에 일정량의 공기가 주입된 상태에서 상기 증기가 내부로 유입되는 모의격납용기; 상기 모의격납용기의 내부에 복수개의 응축관이 소정의 간격을 두고 수직하게 설치되고, 상기 응축관의 내부에는 냉각수가 유입됨으로써 증기가 응축되도록 하는 응축관 다발; 및 상기 증기발생기와 모의격납용기의 사이에 설치되어 상기 응축관으로 냉각수를 공급하는 물탱크를 포함할 수 있다.

상기 증기발생기와 모의격납용기의 사이에 설치되어 상기 응축관 다발의 표면에 생성된 응축액을 상기 증기발생기로 재순환시키는 재순환 펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 응축관 다발의 상부와 하부는 상기 모의격납용기의 내부에 설치된 응축관 지지 플레이트를 관통하여 지지될 수 있다.

상기 모의격납용기의 내부에는 상기 응축관 다발의 일단을 회전시켜 각도를 조절하기 위한 각도조절 프레임이 설치되는데, 상기 각도조절 프레임은, 상기 응축관 지지 플레이트의 가장자리가 결합되는 플레이트 결합부; 및 상기 플레이트 결합부의 양측에서 연장되고, 곡선형의 가이드 슬롯이 형성되는 가이드부를 포함할 수 있다.

상기 가이드 슬롯에는 상기 모의격납용기의 내벽에 설치되는 프레임 지지부재가 삽입됨으로써, 상기 응축관 지지 플레이트가 상기 가이드 슬롯을 따라 곡선 왕복운동이 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직배열 응축열교환기에서 발생하는 응축열전달 현상에 대한 실험 시 응축관을 다발 형태로 형성함으로써 응축관 사이의 간격, 배치, 기울기에 따라 수직배열 응축열교환기의 응축열전달에 미치는 영향을 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 응축관 벽면온도 조건을 형성하고, 시험부 내부 기체혼합물의 국부적인 분포를 파악함으로써 기존의 실험장치들보다 내부 조건을 명확히 규명한 상태에서 정확한 응축 열전달계수를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 장치들과는 달리 응축관 다발을 사용하여 응축관 사이의 간격과 기울기가 응축 열전달에 미치는 영향을 추가적으로 파악하고, 내부 증기-공기 기체혼합물의 자연순환 조건에서 응축 열전달계수를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모의격납용기 내부에서 증기를 생성할 수도 있고 외부에서도 증기를 공급할 수 있으며, 실험목적에 따라 각 전열기의 출력을 제어하여 모의격납용기에 고온고압의 증기유량을 제어하고 증기 유입방향을 선택할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 응축관 내부의 냉각수 유량을 개별 밸브로 제어할 수 있어 각 응축관 별 온도 상승량을 조절할 수 있다. 따라서, 응축관 외벽의 축방향 온도 분포를 최대한 균일하게 유지하여 과냉상태 조건을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실험장치를 구성하는 구성부품을 최적화하여 콤팩트하게 구성함으로써, 시설 공간과 제작에 소요되는 재료를 효과적으로 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치의 사시도이다.
도 2는 모의격납용기의 내부를 보인 사시도이다.
도 3은 각도조절 프레임의 평면도이다.
도 4는 각도조절 프레임의 정면도이다.
도 5는 응축관 다발이 응축관 지지 플레이트에 지지된 것을 보인 정면도이다.
도 6은 응축관 지지 플레이트를 보인 평면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만,상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.

이하, 본 발명에 의한 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치의 사시도이고, 도 2는 모의격납용기의 내부를 보인 사시도.

이에 도시된 바에 따르면, 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기발생기(10); 내부에 일정량의 공기가 주입된 상태에서 상기 증기가 내부로 유입되는 모의격납용기(20); 상기 모의격납용기(20)의 내부에 복수개의 응축관이 소정의 간격을 두고 수직하게 설치되고, 상기 응축관의 내부에는 냉각수가 유입됨으로써 증기가 응축되도록 하는 응축관 다발(23); 및 상기 증기발생기(10)와 모의격납용기(20)의 사이에 상기 응축관(24)으로 냉각수를 공급하는 물탱크(50)를 포함할 수 있다.

증기발생기(10)는 내부의 물을 가열하여 증기를 생산하고 모의격납용기(20)로 공급하는 역할을 한다. 증기발생기(10)의 하부에는 복수개의 전열기(12)가 설치되어 증기 생산 및 가압을 수행할 수 있다. 전열기(12)의 용량은 모의격납용기(20)에서 달성하고자 하는 열속의 최대값을 기준으로 결정된다. 전열기(12)는 본격적인 응축열전달 시험 전, 증기발생기(10) 내부의 물에 녹아있는 용존 기체를 탈기하는 기능도 수행한다.

증기발생기(10)의 상단에는 안전밸브(미도시)가 설치되어, 증기발생기(10)의 압력이 설정치 이상으로 상승하였을 경우 자동으로 개방되어 내부의 증기를 방출함으로써 계통을 감압할 수 있도록 한다. 또한, 증기발생기(10)의 상단에는 릴리프밸브(14)를 설치하여, 가압 후 내부의 공기를 제거하거나, 내부의 증기를 방출하여 증기발생기(10)를 감압하는 데에 사용한다.

전열기(12)로 물을 가열하여 생산된 증기는 일부 액적을 포함하고 있으므로, 이를 제거하고 포화증기만을 모의격납용기(20)로 공급해주기 위해 증기발생기(10)의 내부에는 기수분리기(미도시)와 증기건조기(미도시)가 설치되어 있다. 기수 분리기는 원심력을 이용하여 액적을 이탈시키며 증기건조기는 지그재그형의 유로를 만들어주는 베인(vane)으로 구성되어 있어, 증기보다 상대적으로 밀도가 큰 액적은 벽에 충돌하여 다시 아래쪽으로 수집될 수 있다.

증기발생기(10)의 하부에는 물을 공급하거나 내부의 물을 제거하기 위한 배관이 설치된다. 급수 시에는 급수밸브를 개방하여 외부의 수원으로부터 물을 공급하며, 배수 시에는 배수밸브를 개방하여 증기발생기(10) 내부의 물을 방출한다.

도 1에는 구체적으로 도시되지 않았지만, 증기발생기(10)의 적절한 운전을 위해 여러 종류의 계측기가 설치될 수 있다. 전열기(12)는 절대 물 밖으로 노출되어서는 안되므로, 차압계를 설치하여 수위를 측정할 수 있다. 또한, 증기발생기(10)의 압력을 계측하기 위한 압력계, 증기발생기(10) 내부의 증기 온도를 계측하기 위한 열전대가 설치될 수 있다. 차압계의 신호는 전열기(12) 전원공급장치와 연동되어, 증기발생기(10)의 수위가 설정치 아래로 감소할 경우 자동으로 전원공급을 차단할 수 있도록 한다.

증기발생기(10)에서 모의격납용기(20)로 이어지는 배관에는 증기발생기(10)에서 생산된 증기의 유량을 정밀하게 계측하기 위해 질량유량계(16)가 설치된다. 모의격납용기(20)로 공급되기 전 증기의 상태를 확인하기 위해, 질량유량계(16)와 모의격납용기(20) 사이에는 열전대(미도시)가 설치될 수 있다. 또한, 계측기들의 후단에는 게이트밸브(미도시)가 설치되어 있어 공급되는 증기 유량을 제어할 수 있다.

모의격납용기(20)는 원자력발전소의 격납용기 및 피동격납용기냉각계통(PCCS)의 조건(수직배열 응축열교환기)을 모의하기 위한 대형 실험장치로서, 모의격납용기(20)의 내부에 일정량의 공기를 주입해 둔 상태에서 증기를 지속적으로 공급함으로써 응축열전달 데이터를 생산한다. 즉, 모의격납용기(20) 내부 공기와 증기가 혼합되어 기체혼합물이 만들어지고, 온도차에 의해 발생하는 부력에 의한 자연순환 유동이 형성되면서 기체혼합물이 모의격납용기(20) 내의 응축관 다발(23)에 열을 전달한다. 모의격납용기(20)로 공급되는 증기의 유량은 전열기(12)의 출력을 조절함으로써 제어할 수 있다.

본 실시예에서는 모의격납용기(20)의 벽면에 내부 기체혼합물의 유동 및 전열관 외벽 액막의 가시화를 위해 축방향, 원주방향으로 총 여섯 개의 가시창(22)이 설치된다. 시험부 내부는 고온, 고압의 증기가 채우게 되므로 가시창(22)은 강화유리로 제작한다.

도 2를 참조하면, 모의격납용기(20)의 내부에는 복수개의 응축관(24)으로 구성된 응축관 다발(23)이 중앙부에 설치되고, 각각의 응축관(24) 내부로는 차가운 냉각수를 흘려주어 응축관(24)의 외벽 온도를 증기의 온도보다 낮게 유지하여 응축현상을 모의할 수 있다. 본 실시예에서는 이와 같이 응축관(24)을 다발 형태로 구성하여 응축관(24) 각각의 간격, 배치 및 기울기 조절 등을 통해 다양한 조건에서의 실험이 가능하다.

응축관 다발(23)은 모의격납용기(20)의 내부에 수직하게 설치되고, 응축관(24)은 복수개가 전체적으로 원형을 이루도록 소정의 간격을 가지고 배치된다. 도면에 구체적으로 도시되지는 않았지만, 응축관(24)의 상단과 하단은 모의격납용기(20)의 측면 쪽으로 연장되어 배관과 연결되도록 구성된다.

여기에서 모의격납용기(20)의 내벽에는 프레임 지지부재(26)가 설치된다. 프레임 지지부재(26)는 총 4개로 구성되며 한 쌍이 상부 및 하부에 설치되어 각도조절 프레임(30)을 지지하게 된다. 프레임 지지부재(26)는 모의격납용기(20)의 내벽으로 한 쌍이 서로 마주보는 방향으로 연장되도록 설치되며, 한 쌍의 프레임 지지부재(26)의 사이에는 각도조절 프레임(30)이 결합된다.

도 3은 각도조절 프레임의 평면도이고, 도 4는 각도조절 프레임의 정면도이다.

이를 참조하면, 각도조절 프레임(30)은 응축관 지지 플레이트(40)를 지지함과 동시에 다양한 실험조건을 위해 응축관 다발(23)의 일단을 회전시켜 각도(기울기)를 조절하는 역할을 한다. 이를 위해 각도조절 프레임(30)은, 상기 응축관 지지 플레이트(40)의 가장자리가 결합되는 플레이트 결합부(32); 상기 플레이트 결합부(32)의 양측에서 연장되고, 곡선형의 가이드 슬롯(36)이 형성되는 가이드부(34)를 포함할 수 있다.

플레이트 결합부(32)는 대략 링 형상으로 만들어지고, 그 내측에는 응축관 지지 플레이트(40)가 결합된다. 이를 위해, 플레이트 결합부(32)의 네 부분에는 각각 응축관 지지 플레이트(40)와의 결합을 위한 제1 결합편(38)이 구비된다. 제1 결합편(38)에는 체결을 위한 구멍이 형성되어 있어 응축관 지지 플레이트(40)가 체결구에 의해 결합될 수 있도록 한다.

그리고, 가이드부(34)는 플레이트 결합부(32)의 양측에 일방으로 긴 플레이트 형상으로 형성되고, 곡선형의 가이드 슬롯(36)이 형성된다. 가이드 슬롯(36)은 완만한 곡선을 그리도록 형성되며, 가이드 슬롯(36)에는 프레임 지지부재(26)의 선단이 삽입되어 응축관 지지 플레이트(40)가 곡선왕복운동을 하도록 가이드한다. 이와 같이 응축관 다발(23)은 가이드 슬롯(36)을 따라 각도가 조절될 수 있기 때문에 작업자는 원하는 각도로 응축관 다발(23)을 기울인 상태에서 응축열전달 실험을 수행할 수 있다. 한편, 응축관 다발(23)의 각도는 수직축에 대하여 최대 20° 만큼 기울어지도록 설정될 수 있다.

도 5는 응축관 다발이 응축관 지지 플레이트에 지지된 것을 보인 정면도이고, 도 6은 응축관 지지 플레이트를 보인 평면도이다.

이를 참조하면, 응축관 다발(23)의 상단 및 하단은 응축관 지지 플레이트(40)에 의해 지지된다. 응축관 지지 플레이트(40)는 플레이트 결합부(32)에 대응되는 링 형상으로 만들어지고, 응축관(24)이 관통하는 복수개의 응축관 관통부(42)가 배치되는 형상을 가진다. 응축관 관통부(42)는 복수개가 연결된 연결부(44)에 의해 일체로 연결되며, 응축관 지지 플레이트(40)의 가장자리 내측에는 제1 결합편(38)과 결합되는 제2 결합편(46)이 구비된다.

또한, 모의격납용기(20)의 내벽에는 사용하지 않는 응축관(24)을 거치하기 위한 응축관 거치대(48)가 설치될 수 있다.

이와 같이 응축관 다발(23)은 응축관 지지 플레이트(40)에 의해 상단 및 하단이 고정되는데, 응축관 지지 플레이트(40)는 응축관(24)의 간격, 배치에 따라 다양한 형태로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 응축관(24)의 간격이나 배치가 도 6에 도시된 것과 다르게 설정된다면 그에 대응되는 응축관 지지 플레이트(40)를 제작하여 실험을 진행할 수 있는 것이다. 결국, 응축관 지지 플레이트(40)는 응축관(24)의 간격, 육각형 또는 사각형 등으로의 응축관 배열 형상, 응축관 직경의 크기 등을 자유롭게 변경하여 다양한 형태로 제작될 수 있고, 응축관(24)의 간격이나 배치가 변경되더라도 실험장비 전체를 교체하는 것이 아니라 응축관 지지 플레이트(40)만 교체하면 되기 때문에 비용절감이 가능하고 교체 작업이 용이한 장점이 있다.

다시 도 1을 참조하면, 모의격납용기(20)는 공급된 증기와, 응축관(24) 표면에서 응축된 증기 및 재순환계통을 통해 빠져나가는 응축액의 열 및 물질 평형이 이루어짐으로써 정상상태를 유지할 수 있다. 응축관(24)에서 증기가 응축되어 형성된 응축액은 모의격납용기(20)의 하부에 설치된 배관을 통해 증기발생기(10)로 이동한다. 응축수의 재순환 배관에는 글로브밸브와 게이트밸브(미도시)가 설치될 수 있다.

모의격납용기(20)에 증기를 공급하는 배관은 모의격납용기(20)의 상부와 중앙(도 1에서 복수개의 다발로 연결된 부분)에 연결되어 두 방향에서 증기를 공급할 수 있다. 또한, 모의격납용기(20) 하부에 설치되어 있는 전열기(18)를 통해 증기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 실험장치는 증기를 세 방향으로 주입할 수 있으며 증기 주입 방향이 응축 열전달에 미치는 영향을 알아볼 수 있다.

도 1에는 구체적으로 도시되지 않았지만, 모의격납용기(20)의 적절한 운전과 응축열전달 데이터 생산을 위해 각종 계측기가 설치될 수 있다. 모의격납용기(20)에는 압력계가 설치되어 모의격납용기(20) 내부의 압력을 계측할 수 있다. 모의격납용기(20)에서 증기-공기 혼합물이 존재하는 영역에는 축방향으로 복수개의 열전대를 설치하여 기체혼합물의 온도와 그에 따른 공기의 질량분율을 계측할 수 있다. 또한, 응축관(24) 벽면에서의 열속을 계산하기 위해 온도를 측정할 수 있는데, 온도 측정을 위해 응축관(24)의 외벽과 내벽, 그리고 응축관(24) 내부에 열전대가 축방향으로 다수 설치될 수 있다.

응축관(24)의 설치, 보수 및 교체를 용이하게 하도록 모의격납용기(20)의 양쪽에 회전축(21)이 구비될 수 있다. 응축관(24)의 간격 및 각도를 조절하는 등 응축관(24)의 기하학적 형상 조건이 변경될 경우 모의격납용기(20)를 기울여서 작업함으로써 좁은 작업공간으로 인한 제약을 해결할 수 있다.

응축관(24)의 내부로 차가운 냉각수를 공급해주는 냉각계통은 물탱크(50), 메인펌프(52), 그리고 열교환기(54)로 구성되어 있다.

물탱크(50)는 모의격납용기(20)로 공급해주는 냉각수를 저장하는 용기이다. 물탱크(50)의 후단에 설치된 메인펌프(52)는 물탱크(50)로부터 응축관(24)으로 냉각수를 공급하는 역할을 한다. 메인펌프(52)의 작동을 위해서는 물탱크(50)에서 적정 수두가 유지되어야 한다. 메인펌프(52)에는 인버터(미도시)를 설치하여 냉각수 공급 유량의 미세 조절이 가능하게 한다. 메인펌프(52)의 후단에는 각 응축관(24)으로 공급되는 냉각수 유량을 조절하기 위해 게이트밸브(미도시)와 유량을 계측하기 위한 유량계(미도시)가 설치된다. 냉각계통의 유체는 단상액체로 유지되므로 와류 유량계 또는 전자 유량계를 사용한다. 상기 유량계들은 유동의 체적유량을 측정하므로 질량유량으로의 환산을 위해서는 유체의 밀도가 필요하며, 이의 측정을 위해 냉각계통에 압력계가 설치될 수 있다.

응축관(24)에서 발생하는 열전달에 의한 냉각수 온도 변화를 측정하기 위해, 입구와 출구에 열전대(미도시)가 설치될 수 있다. 응축관(24) 출구 쪽의 열전대 후단에 설치된 밸브의 개폐를 조절하면 냉각계통의 폐회로가 형성된다.

모의격납용기(20)에서의 열전달로 인해 온도가 상승한 냉각수를 다시 냉각시키기 위해 물탱크(50)의 전단에 응축기(60)가 설치된다. 열교환기(54)의 용량은 시험부에서 발생하는 최대 열전달율을 산출하여, 충분한 여유도를 가지고 결정한다. 냉각계통 내 냉각수의 열제거를 위해 열교환기(54)는 냉각탑에서 공급되는 차가운 물을 사용하며, 공급 유량의 조절을 통해 열교환기(54)의 출구 온도를 제어할 수 있다. 냉각수의 온도 계측을 위해 열교환기(54)의 전단과 후단에는 입구 온도를 계측하기 위한 열전대(미도시)와 출구 온도를 계측하기 위한 열전대(미도시)가 설치될 수 있다.

재순환계통은 응축관(24) 표면에서 생성된 응축액을 증기발생기(10)로 재순환함으로써 실험장치의 물 재고량을 보존하기 위해 설치된다. 재순환계통은 모의격납용기(20)와 증기발생기(10) 사이에 설치되며, 재순환 펌프(70)와 밸브 등으로 구성된다.

재순환 펌프(70)는 모의격납용기(20) 하부와 증기발생기(10) 사이에 설치되며, 응축관(24) 표면에서 발생한 응축액을 증기발생기(10)로 재순환하여 실험장치의 물 재고량을 보존하는 역할을 수행한다. 재순환 펌프(70)에는 인버터(미도시)를 설치하여 냉각수 공급 유량의 미세 조절이 가능하게 한다. 또한, 증기발생기(10)의 입구에는 열전대(미도시)를 설치하여 물이 증기발생기(10)로 재순환될 때의 입구온도를 계측할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 실험장치를 구성하는 구성부품은 최적화 배치되어 설비 구축에 필요한 공간을 최소화한다. 이를 위해 본 실험장치의 주요 구성인 증기발생기(10), 모의격납용기(20), 재순환 펌프(70) 등은 폐유로를 구성하도록 배관으로 연결 배치되고, 물탱크(50), 메인펌프(52) 및 열교환기(54)로 구성된 냉각계통은 두 시험부가 공유한다. 증기발생기(10)는 모의격납용기(20) 바깥쪽에 위치시키고, 공간을 효율적으로 활용할 수 있도록 냉각계통을 다른 실험 장치들과 공유한다. 모의격납용기(20)의 측면에는 냉각계통과 재순환계통의 주요기기들과 배관이 각각 배치된다.

이와 같이 실험장치를 한정된 공간 내에 다수의 장치를 효율적으로 배치함으로써 콤팩트하게 구성할 수 있다. 이에 따라 설비의 구축에 소요되는 공간이 줄어들고, 실험장치의 제작에 사용되는 재료 역시 보다 작게 소요된다. 또한, 실험장치의 운전 시 주요 장치가 인접하게 위치하므로 각종 장치의 상태를 관찰하거나 계측기를 감시하기에 매우 용이하며, 실험장치의 안전한 운전과 적절한 성능 유지에도 매우 효과적이다.

이하에서는 본 발명에 의한 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치에 의한 실험과정을 상세하게 설명한다.

수직배열 응축열교환기 응축열전달 실험을 위해, 주요 장치 및 배관 내부의 정화가 완료된 상태에서 전기설비, 계측설비, 공기공급설비 등을 운전 가능한 상태로 만든다.

증기를 생산하기 위한 증기발생기(10)와 모의격납용기(20)의 응축관(24) 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각계통에 물을 충수한다. 증기발생기(10)에 물을 충수하기 위해서 상단의 릴리프밸브(14)를 개방한 다음 소정의 수위까지 외부의 수원으로부터 물을 공급한다. 이때, 장시간 동안 증기를 생산해도 전열기(12)가 노출되지 않도록 충분히 충수해야 하며, 수위는 증기건조기보다 낮아야 한다.

증기발생기(10)에 충수된 물을 전열기(12)로 가열하여 증기를 발생시킨다. 발생한 증기는 증기발생기(10)의 상부와 모의격납용기(20)를 채우면서 가압된다. 증기가 축압되면서 증기발생기(10)와 모의격납용기(20)의 압력과 온도가 증가하며, 증기발생기(10)에 설치되어 있는 압력계와 열전대, 모의격납용기(20)에 설치되어 있는 압력계와 열전대를 통해 각 부분의 압력과 온도를 실시간으로 확인한다. 이때, 증기발생기(10)와 모의격납용기(20) 및 연결배관의 열응력을 최소화하기 위해 소정의 온도증가율 범위 내에서 가열한다. 온도증가율은 전열기(12)의 출력을 조절함으로써 제어한다.

계통의 압력을 대기압보다 높게(약 5기압까지) 가압한 후 모의격납용기(20)의 릴리프밸브(19)를 개방함으로써 증기발생기(10)와 모의격납용기(20) 내부에 존재하고 있던 공기, 그리고 물에 용존한 비응축성 기체를 외부로 방출한다. 가압시작 직후부터 릴리프밸브(19)를 지속적으로 개방하는 방법보다, 증기발생기(10)와 모의격납용기(20)를 일정 압력까지 가압한 후 탈기하는 방법이 훨씬 효과적이고 빠르게 내부 기체를 제거할 수 있다. 충분한 시간 동안 탈기 후, 실험장치 내부에 기체가 잔존하고 있는지의 여부는 증기의 온도가 증기발생기(10)와 모의격납용기(20)의 압력에 해당하는 포화온도가 일치하는 지를 점검함으로써 판단할 수 있다. 실험장치 내부에 기체가 잔존하고 있을 경우 증기의 온도는 압력에 해당하는 포화온도보다 낮다.

증기발생기(10)의 전열기(12)를 이용한 가압 중 생성된 응축액은 재순환펌프(9)를 작동시켜 증기발생기(10)로 재순환 시켜준다.

증기발생기(10)의 전열기(12)의 출력, 그리고 냉각계통에서 모의격납용기(20)의 응축관(24) 내부로 공급해주는 냉각수의 입구온도와 유량을 제어함으로써 미리 설정된 소정의 벽면온도 조건을 형성한다. 높이에 따른 응축관 외벽 온도 변화를 최소화할 수 있도록(즉, 등온 벽면조건을 만들 수 있도록) 냉각수의 유량을 제어하여, 냉각수의 입·출구 온도차를 10℃ 이내로 유지한다.

설정된 압력에서 모의격납용기(20)의 압력과 온도 조건을 정상상태로 유지하여 열전달 데이터를 수집한다. 또한, 실험장치를 정상상태로 유지하기 위해 증기발생기(10)의 전열기(12)의 출력, 그리고 시험부의 응축관(24) 내부로 공급해주는 냉각수의 입구온도와 유량을 제어함으로써 전체적인 열평형을 형성한다. 다음으로, 충분한 시간 동안 압력과 온도 변동이 설정폭 이하로 유지될 때 데이터취득계통으로부터 데이터를 저장한다.

모의격납용기(20)에 대한 실험이 완료되면 증기발생기(10)의 전열기(12)의 운전을 중지하고, 냉각계통의 냉각수를 지속적으로 순환시켜 실험장치를 냉각한다. 실험장치 내부의 증기양이 감소하면서 증기발생기(10)와 시험부의 압력과 온도가 감소한다. 증기발생기(10)는 별도의 냉각 시설이 없으므로 충분한 시간 동안 자연 냉각을 통해 온도를 낮춘다.

전술한 본 발명의 응축열전달 실험장치를 이용한 실험 중 배관 및 밸브의 손상 또는 누설이 발생하면 인명 및 기기의 보호를 위해 증기발생기(10)의 전열기(12) 출력을 차단하고, 증기발생기(10)와 모의격납용기(20)를 감압시킨다.

이상에서는 본 실험장치의 설명을 위하여 수직배열 응축열교환기의 열수력 해석과 성능평가에 필요한 응축 열전달계수 데이터를 획득하는 실험에 대하여 예로 들어 설명하였지만, 이에 제한되는 것은 아니고 증기환경 조건에서 수직하게 설치된 열교환기(응축관(24))의 성능 분석을 위한 다양한 실험에도 본 발명이 적용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 증기발생기 12 : 전열기
14 : 릴리프밸브 16 : 질량유량계
18 : 전열기 20 : 모의격납용기
22 : 가시창 23 : 응축관 다발
24 : 응축관 26 : 프레임 지지부재
30 : 각도조절 프레임 32 : 플레이트 결합부
34 : 가이드부 36 : 가이드 슬롯
38 : 제1 결합편 40 : 응축관 지지 플레이트
42 : 응축관 관통부 44 : 연결부
46 : 제2 결합편 48 : 응축관 거치대
50 : 물탱크 52 : 메인펌프
54 : 열교환기 60 : 응축기
70 : 재순환 펌프

Claims (5)

1. 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기발생기;
   내부에 일정량의 공기가 주입된 상태에서 상기 증기가 내부로 유입되는 모의격납용기;
   상기 모의격납용기의 내부에 복수개의 응축관이 소정의 간격을 두고 수직하게 설치되고, 상기 응축관의 내부에는 냉각수가 유입됨으로써 증기가 응축되도록 하는 응축관 다발; 및
   상기 증기발생기와 모의격납용기의 사이에 설치되어 상기 응축관으로 냉각수를 공급하는 물탱크를 포함하고,
   상기 응축관 다발의 상부와 하부는 상기 모의격납용기의 내부에 설치된 응축관 지지 플레이트를 관통하여 지지되는 것을 특징으로 하는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 증기발생기와 모의격납용기의 사이에 설치되어 상기 응축관 다발의 표면에 생성된 응축액을 상기 증기발생기로 재순환시키는 재순환 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 모의격납용기의 내부에는 상기 응축관 다발의 일단을 회전시켜 각도를 조절하기 위한 각도조절 프레임이 설치되는데,
   상기 각도조절 프레임은,
   상기 응축관 지지 플레이트의 가장자리가 결합되는 플레이트 결합부; 및
   상기 플레이트 결합부의 양측에서 연장되고, 곡선형의 가이드 슬롯이 형성되는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 가이드 슬롯에는 상기 모의격납용기의 내벽에 설치되는 프레임 지지부재가 삽입됨으로써, 상기 응축관 지지 플레이트가 상기 가이드 슬롯을 따라 곡선 왕복운동이 가능한 것을 특징으로 하는 수직배열 전열관 형태의 응축열교환기 설계를 위한 응축열전달 실험장치.
   

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