KR101815392B1 - 열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템 - Google Patents

열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉매와 내외측 튜브의 접촉율을 향상시켜 열 교환 성능이 향상되는 열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템을 제공하기 위하여, 건물을 피동으로 냉각시키는 열교환기에 있어서, 냉매 저장부에 연결되는 유출입부 및 상기 유출입부 사이에 배치되며, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 건물을 냉각시키는 복수 개의 제1 튜브 및 상기 복수 개의 제1 튜브에 감싸지도록 상기 복수 개의 제1 튜브 내측에 배치되어, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 건물을 냉각시키는 적어도 하나의 제2 튜브 및 상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되어 상기 건물 내부의 공기 흐름을 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 가이드부를 포함한다.

Description

열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템{HEAT EXCHANGER AND NUCLEAR REACTOR BUILDING PASSIVE COOLING SYSTEM INCLUDING THE SAME}
열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템에 관한 것으로, 보다 상세하세는 원자로건물이 냉각되도록 하는 열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템에 관한 것이다.
일반적으로 원자력발전소에서 중대사고 발생 시 원자로건물 내로 증기와 함께 방사성 물질이 배출되고, 이로 인해 원자로건물 내의 온도와 압력이 급격하게 상승하게 된다. 이때, 상승하는 온도와 압력을 조절하지 못하면 원자로건물이 파괴될 수 있다. 이에, 원자로건물에는 원자로건물 냉각계통이 마련되어 중대사고 발생 시 상승하는 온도와 압력이 조절되도록 한다.
특히, 원자력발전소에 적용되는 열교환기로는 원자로시설의 주전력 차단에서도 원자로건물 내의 온도와 압력을 안정화시키기 위하여, 전력을 요구로 하지 않는 열교환기가 사용되고 있다. 이러한 열교환기는 원자로건물 내부에 배치되어 수조와 같은 냉매 저장조로부터 유입되는 냉각수를 기반으로 원자로건물을 냉각시킨다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 열교환기(10)는 외부 냉매의 흐름이 다수의 튜브를 가로질러 흐르도록 설치되거나 외부 냉매를 강제로 순환시켜 열교환기(10)의 열 전달효율이 증가되도록 할 수 있다. 다만, 원자로건물 냉각에 사용되는 열교환기(10)는 외부 냉매인 공기의 흐름 방향으로 설치되어 외부 냉매가 외측튜브(11)만을 스치고 지나가게 됨에 따라 내측튜브(13)의 열 전달효율이 저하되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1552511호(원자로 건물 피동 냉각 시스템)
본 발명의 목적은 냉매와 내외측 튜브의 접촉율을 향상시켜 열 교환 성능이 향상되는 열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 열교환기는 건물을 피동으로 냉각시키는 열교환기에 있어서, 냉매 저장부에 연결되는 유출입부 및 상기 유출입부 사이에 배치되며, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 건물을 냉각시키는 복수 개의 제1 튜브 및 상기 복수 개의 제1 튜브에 감싸지도록 상기 복수 개의 제1 튜브 내측에 배치되어, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 건물을 냉각시키는 적어도 하나의 제2 튜브 및 상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되어 상기 건물 내부의 공기 흐름을 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 가이드부를 포함한다.
상기 가이드부는 상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되는 복수 개의 베플(Baffle)을 포함할 수 있다.
상기 베플은 상기 공기의 흐름을 상기 제1 튜브 외측으로부터 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 유입베플과, 상기 제2 튜브를 거친 상기 공기 흐름이 상기 제1 튜브 외측을 향해 가이드되도록 하는 유출베플을 포함할 수 있다.
상기 유입베플은 상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브의 상측으로부터 상기 제2 튜브의 중앙영역을 향하도록 기울기를 가질 수 있다.
상기 유출베플은 상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐림이 상기 제2 튜브 중앙영역으로부터 상기 제1 튜브 하측을 향하도록 기울기를 가질 수 있다.
상기 복수 개의 베플은 상기 공기 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브 일측 상부로부터 상기 제1 튜브 타측 하부를 향하도록 기울기를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템은 원자로건물을 피동으로 냉각시키는 원자로건물 피동 냉각시스템에 있어서, 냉매가 저장되는 냉매 저장부 및 상기 원자로건물 내부에 배치되고, 상기 냉매 저장부에 연결되어 상기 냉매를 기반으로 상기 원자로건물이 냉각되도록 하는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는 상기 냉매 저장부에 연결되는 유출입부 및 상기 유출입부 사이에 배치되며, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 원자로건물을 냉각시키는 복수 개의 제1 튜브 및 상기 복수 개의 제1 튜브에 감싸지도록 상기 복수 개의 제1 튜브 내측에 배치되어, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 원자로건물을 냉각시키는 적어도 하나의 제2 튜브 및 상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되어 상기 원자로건물 내부의 공기 흐름을 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 가이드부를 포함한다.
상기 가이드부는 상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되는 복수 개의 베플(Baffle)을 포함할 수 있다.
상기 베플은 상기 공기의 흐름을 상기 제1 튜브 외측으로부터 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 유입베플과, 상기 제2 튜브를 거친 상기 공기 흐름이 상기 제1 튜브 외측을 향해 가이드되도록 하는 유출베플을 포함할 수 있다.
상기 유입베플은 상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브의 상측으로부터 상기 제2 튜브의 중앙영역을 향하도록 기울기를 가질 수 있다.
상기 유출베플은 상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐림이 상기 제2 튜브 중앙영역으로부터 상기 제1 튜브 하측을 향하도록 기울기를 가질 수 있다.
상기 복수 개의 베플은 상기 공기 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브 일측 상부로부터 상기 제1 튜브 타측 하부를 향하도록 기울기를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템은 열 교환 성능을 향상시켜 중대사고 발생 시 원자로건물을 신속히 안정화시킬 수 있는 효과가 있다.
이상과 같은 본 발명의 기술적 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템을 간략하게 나타낸 도면이고,
도 2는 본 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템의 열교환기를 간략하게 나타낸 도면이고,
도 3은 다른 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템의 열교환기를 간략하게 나타낸 도면이고,
도 4는 종래의 열교환기를 간략하게 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면 상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다.
도 1은 본 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템을 간략하게 나타낸 도면이고, 도 2는 본 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템의 열교환기를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템(100)은 냉매 저장부(200)를 포함한다.
냉매 저장부(200)는 원자로건물(30) 외측에 배치될 수 있다. 이러한 냉매 저장부(200)는 대략 상부가 개방된 함체로 마련될 수 있으나, 냉매 저장부(200)의 형태는 한정하지 않는다. 그리고 냉매 저장부(200)는 내부에 냉각수와 같은 냉매가 수용될 수 있으나, 냉매의 종류는 한정하지 않는다. 또한, 본 실시예서는 냉매 저장부(200)가 원자로건물(30) 외측에 배치되는 실시예를 설명하고 있으나, 냉매 저장부(200)의 위치는 한정하지 않는다.
한편, 냉매 저장부(200) 내부에는 열교환기(300)가 연결된다.
열교환기(300)는 피동으로 원자로건물(30)의 냉각을 수행할 수 있다. 열교환기(300)는 원자로건물(30) 내부에 배치될 수 있다. 여기서, 열교환기(300)는 원자로건물(30) 내부로부터 냉매 저장부(200)로 연장되어 냉매를 기반으로 원자로건물(30)이 냉각되도록 한다.
이러한 열교환기(300)는 냉매 저장부(200)로부터 냉매가 유입되는 경로를 형성하는 유입부(310)와, 열교환된 냉매를 다시 냉매 저장부(200)로 복귀시키는 경로를 형성하는 유출부(330)를 포함할 수 있다. 그리고 유입부(310)와 유출부(330) 사이에는 복수 개의 튜브(350)가 배치될 수 있다.
복수 개의 튜브(350)는 일단과 타단이 유입부(310)와 유출부(300)에 각각에 연결된다. 여기서, 복수 개의 튜브(350)는 유입부(310)에서 분리된 상태로 유입되는 각각의 냉매를 원자로건물(30) 내부의 공기와 열 교환시킨다. 여기서, 복수 개의 튜브(350) 내부에서 유동되는 냉매는 튜브(350) 외면의 공기에 의해 가열되며 냉매 저장부(200)로 복귀될 수 있다.
그리고 복수 개의 튜브(350)는 각각 절곡 영역을 가질 수 있다. 여기서, 절곡 영역은 직선 형태로 마련되는 종래의 열교환기의 튜브와 비교하여 본 실시예에 따른 튜브(350)의 길이가 보다 증가되도록 할 수 있다. 이에, 절곡영역은 튜브(350)의 열 교환 면적을 증가시켜 종래의 열교환기와 비교하여 본 실시예에 따른 열교환기(300)의 성능이 향상되도록 할 수 있다.
한편, 종래의 열교환기(300)는 공기의 유동이 외측 튜브(351)의 표면, 즉 열교환기(300)의 외측 표면에서만 흐르며 내측 튜브(353)로는 원활하게 공급되지 못하였다. 따라서 종래의 열교환기는 내측 튜브의 열교환 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
이에, 본 실시예에 따른 열교환기(300)는 외측 튜브(351)와 내측 튜브(353) 사이에 배치되어 공기의 흐름이 열교환기(300)를 관통하도록 하는 가이드부(370)를 적용하였다. 여기서, 외측 튜브(351)는 유입부(310)와 유출부(330) 사이에 배치되는 복수 개의 튜브(350) 중 외측, 즉 가장자리 영역에 배치되는 복수 개의 튜브를 명칭한다. 그리고 내측 튜브(353)는 복수 개의 외측 튜브(351) 내측에서 복수 개의 외측 튜브(351)에 의해 감싸지는 적어도 하나의 튜브를 명칭한다.
한편, 공기의 흐름을 가이드하는 가이드부(370)는 외측 튜브(351)와 내측 튜브(353) 사이, 즉 공극에 복수 개로 배치될 수 있다.
예컨대, 이러한 가이드부(370)는 베플(Baffle) 형태로 마련될 수 있다. 여기서, 가이드부(370)는 공기의 흐름이 열교환기(300) 외부로부터 내부로 가이드되도록 한다. 그리고 내측 튜브(353)를 거친 공기의 흐름은 가이드부(370)에 의해 외측 튜브(351)를 거쳐 열교환기(300) 외부로 다시 가이드된다.
보다 구체적으로, 가이드부(370)는 냉매 유입 방향에 교차하는 방향으로 공기의 흐름을 유도하는 유입 베플(371)과, 유출 베플(373)을 포함할 수 있다.
먼저, 유입 베플(371)은 열교환기(300) 상부 영역에 배치될 수 있다. 여기서, 유입 베플(371)은 열교환기(300) 상부로부터 열교환기(300) 중심 영역을 향해 경사지게 배치된다. 이러한 유입 베플(371)은 한 쌍으로 마련될 수 있으며, 한 쌍의 유입 베플(371)은 열교환기(300) 전체 상부 영역에 복수로 마련될 수 있다.
그리고 유출 베플(373)은 열교환기(300) 하부 영역에 배치될 수 있다. 여기서, 유출 베플(373)은 열교환기(300) 중심 영역으로부터 열교환기(300) 하부를 향해 경사지게 배치된다. 이러한 유출 베플(373)은 한 쌍으로 마련될 수 있으며, 한 쌍의 유출 베플(373)은 열교환기(300) 전체 하부 영역에 복수로 마련될 수 있다.
이러한 가이드부(370)는 원자로건물(30) 내부의 공기 흐름을 외측 튜브(351)뿐만 아니라 내측 튜브(353)로 가이드하여 종래의 내측 튜브의 열 교환 성능이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.
또한, 가이드부(370)는 단순히 공기의 흐름을 열교환기(300) 외부로부터 열교환기(300) 내부로 유도하는 것뿐만 아니라 내측 튜브(353)로 공급되는 공기의 흐름을 다시 열교환기(300) 외부로 유도시켜 열교환기(300)의 전체 성능이 향상되도록 할 수 있다.
한편, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다른 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템의 열교환기에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 다만, 상술된 구성요소에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템의 열교환기를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 원자로건물 피동 냉각시스템(100)은 열교환기(300)를 포함한다.
열교환기(300)는 원자로건물(30) 내부에서 냉매 저장부(200) 내부로 연장될 수 있으며, 냉매 저장부로(200)부터 유입되는 냉매를 기반으로 원자로건물(30)이 냉각되도록 할 수 있다.
이러한 열교환기(300)는 냉매가 유입되는 유입부(310)와, 열 교환된 냉매를 냉매 저장부(200)로 복귀시키는 유출부(330)를 포함한다. 그리고 유입부(310)와 유출부(330) 사이에는 복수 개의 튜브(350)가 마련될 수 있다. 여기서, 복수 개의 튜브(350)는 각각 절곡 영역을 가질 수 있다.
한편, 가이드부(390)는 외측 튜브(351)와 내측 튜브(353) 사이, 즉 공극에 복수 개로 배치될 수 있다. 예컨대, 이러한 가이드부(390)는 베플 형태로 마련된다. 여기서, 가이드부(390)는 원자로건물(30) 내부의 공기의 흐름이 열교환기(300) 외부로부터 내부로 가이드되도록 하고, 내측 튜브(353)를 거친 공기의 흐림이 다기 열교환기(300) 외부로 가이드되도록 한다.
보다 구체적으로, 복수 개의 가이드부(390)는 냉매 흐름에 교차하도록 배치된다.
여기서, 복수 개의 가이드부(390)은 외측 튜브(351) 일측 상부로부터 외측 튜브(351) 타측 하부를 향해 경사지게 배치된다. 이에, 복수 개의 가이드부(390)은 공기의 흐름이 외측 튜브(351) 외측으로부터 내측 튜브(353)를 거쳐 다시 외측 튜브(351) 외측으로 유동되도록 할 수 있다.
이에, 가이드부(390)는 공기 흐름을 외측 튜브(351)뿐만 아니라 내측 튜브(353)로 가이드하여 종래에 내측 튜브의 열교환 성능이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.
이와 같이, 열교환기 및 이를 포함하는 원자로건물 피동 냉각시스템은 열 교환 성능을 향상시켜 중대사고 발생 시 원자로건물을 신속히 안정화시킬 수 있는 효과가 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100 : 원자로건물 피동 냉각시스템
200 : 냉매 저장부
300 : 열교환기

Claims (12)

  1. 건물을 피동으로 냉각시키는 열교환기에 있어서,
    냉매 저장부에 연결되는 유출입부;
    상기 유출입부 사이에 배치되며, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 건물을 냉각시키는 복수 개의 제1 튜브;
    상기 복수 개의 제1 튜브에 감싸지도록 상기 복수 개의 제1 튜브 내측에 배치되어, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 건물을 냉각시키는 적어도 하나의 제2 튜브; 및
    상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되어 상기 건물 내부의 공기 흐름을 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 가이드부를 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되는 복수 개의 베플(Baffle)을 포함하고,
    상기 베플은 상기 공기의 흐름을 상기 제1 튜브 외측으로부터 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 유입베플과, 상기 제2 튜브를 거친 상기 공기 흐름이 상기 제1 튜브 외측을 향해 가이드되도록 하는 유출베플을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 유입베플은
    상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브의 상측으로부터 상기 제2 튜브의 중앙영역을 향하도록 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 유출베플은
    상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐림이 상기 제2 튜브 중앙영역으로부터 상기 제1 튜브 하측을 향하도록 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 베플은
    상기 공기 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브 일측 상부로부터 상기 제1 튜브 타측 하부를 향하도록 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 원자로건물을 피동으로 냉각시키는 원자로건물 피동 냉각시스템에 있어서,
    냉매가 저장되는 냉매 저장부; 및
    상기 원자로건물 내부에 배치되고, 상기 냉매 저장부에 연결되어 상기 냉매를 기반으로 상기 원자로건물이 냉각되도록 하는 열교환기를 포함하고,
    상기 열교환기는
    상기 냉매 저장부에 연결되는 유출입부;
    상기 유출입부 사이에 배치되며, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 원자로건물을 냉각시키는 복수 개의 제1 튜브;
    상기 복수 개의 제1 튜브에 감싸지도록 상기 복수 개의 제1 튜브 내측에 배치되어, 상기 냉매 저장부로부터 제공되는 냉매를 기반으로 상기 원자로건물을 냉각시키는 적어도 하나의 제2 튜브; 및
    상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되어 상기 원자로건물 내부의 공기 흐름을 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 가이드부를 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 제1 및 제2 튜브 사이에 배치되는 복수 개의 베플(Baffle)을 포함하고,
    상기 베플은 상기 공기의 흐름을 상기 제1 튜브 외측으로부터 상기 제2 튜브를 향해 가이드하는 유입베플과, 상기 제2 튜브를 거친 상기 공기 흐름이 상기 제1 튜브 외측을 향해 가이드되도록 하는 유출베플을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로건물 피동 냉각시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 유입베플은
    상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브의 상측으로부터 상기 제2 튜브의 중앙영역을 향하도록 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로건물 피동 냉각시스템.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 유출베플은
    상기 냉매 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐림이 상기 제2 튜브 중앙영역으로부터 상기 제1 튜브 하측을 향하도록 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로건물 피동 냉각시스템.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 복수 개의 베플은
    상기 공기 흐름에 교차하도록 배치되어, 상기 공기의 흐름이 상기 제1 튜브 일측 상부로부터 상기 제1 튜브 타측 하부를 향하도록 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로건물 피동 냉각시스템.
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