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문제 정의
- 본 연구는 400 ~ 1000℃까지의 고온 영역의 원자력용 공정열교환기 및 컴팩트 중간열교환기에 적용할 수 있는 탄화규소계 세라믹스 모재 및 접합소재에 대한 기계, 화학 및 열적특성을 분석하고, 탄화규소의 제조성 평가를 위하여 100 ×100 mm2의 열전판을 이용하여 적층 및 접합에 대한 타당성 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 이상의 7개의 SiC 판으로 구성된 열교환기의 열전달 해석 및 응력해석을 수행하여 유한요소 모델을 구성하고 온도 분포와 응력 해석을 수행하였다. SiC 판의 건전성을 평가하기 위하여 보수적인 해석을 수행하여 열교환기 mock-up의 응력을 평가하였다. 열교환기 mock-up의 중간 부분의 SiC 판으로부터 대표적인 온도 분포와 응력을 평가할 수 있음을 확인하였다.
- SiC 판의 표준 유한요소 모델과 온도, 변형량 및 응력 분포에 대한 상세한 검토가 필요한 판(집합체 중간 부분에 위치한 판)의 경우에는 열교환이 이루어지는 홈을 중심으로 조금 더 세밀한 체눈(mesh)으로 구성된 유한요소 모델을 적용하였다. 열전달 해석 및 응력해석은 600℃(고온부)/240℃(저온부)와 850℃(고온부)/524℃(저온부)의 두 가지 시스템에 대하여 수행하였다.
- 완전 구속 조건을 부여한 집합체의 바닥에서 900 MPa의 응력이 국부적인 응력집중 현상으로 인하여 발생하지만, 전체적으로는 300 MPa 이내의 응력이 중간 부분을 중심으로 나타난다. 각 층을 구성하는 SiC 판의 응력을 평가하기 위하여 중간 부분에 적층한 고온판과 저온판의 응력을 개별적으로 평가하였다.
- 고온가스 냉각로의 공정열을 이용한 원자력 수소 생산용 황산-요오드 공정에서 적용할 탄화규소 열교환기의 제 작성을 평가하기 위하여, 반응소결 탄화규소를 접합하고 파괴거동, 열전도도, 비등황산분위기 부식특성을 평가하였다. 또한 유체가 흐를 유로를 지닌 단위 열전판을 설계및 제작하고, 적층 접합하여 mock-up을 제작하여 건전성을 평가하였으며, 유한요소법을 이용한 mock-up은 온도 및 응력분포 특성을 모사하였다.
- 열전달 해석 및 응력해석은 600℃(고온부)/240℃(저온부)와 850℃(고온부)/524℃(저온부)의 두 가지 시스템에 대하여 수행하였다. 고온판과 저온판의 온도는 SiC 판의 홈을 구성하는 표면에 적용하여 열전달 해석을 수행하였다.
- 컴팩트형 열교환기 모듈 및 각각의 열전판은 반응소결 탄화규소로 제조하였다. 금속 몰드에서 유체 흐름양과 방향을 결정하는 유로가 설계된 열전판을 제조하고, 각각의 열전판을 접합소재로 열간 접합하여 Fig. 5와 같은 단위 열 전판 및 이를 적층 접합한 적층형 열교환기 mock-up을 제작하였다. Fig.
- 따라서 반응소결 탄화규소의 부식거동 및 접합체의 기계구조 및 열물성을 종합하면, SI 공정에 적용할 공정 열교환기로 반응소결 탄화규소가 가능함을 알 수 있다. 따라서 단위 열전판 및 열전판을 적층 접합한 모듈 시작품을 제작하였다.
- 고온가스 냉각로의 공정열을 이용한 원자력 수소 생산용 황산-요오드 공정에서 적용할 탄화규소 열교환기의 제 작성을 평가하기 위하여, 반응소결 탄화규소를 접합하고 파괴거동, 열전도도, 비등황산분위기 부식특성을 평가하였다. 또한 유체가 흐를 유로를 지닌 단위 열전판을 설계및 제작하고, 적층 접합하여 mock-up을 제작하여 건전성을 평가하였으며, 유한요소법을 이용한 mock-up은 온도 및 응력분포 특성을 모사하였다.
- 반응소결 탄화규소 열교환기 평판형 모듈의 정상상태에서의 열전달 및 열응력 해석을 하였다. 열교환기를 구성하는 개별 탄화규소판을 고온용과 저온용으로 구분하고 모두 7개(저온-고온-저온-고온-저온-고온-저온)를 적층하여, 열교환기 집합체 모델은 탄화규소 각 판을 90도로 엇갈리게 결합하여 작성하였으며, 각각의 유한요소 모델을 예시하였다.
- 반응소결 탄화규소 열전판은 탄화규소 분말과 탄소분말을 포함한 원료 및 첨가물과 규소분말을 혼합하여 유로가 설계된 몰드에서 열간가압 성형법으로 성형체를 제조하였다. 성형체는 반응소결에 필요한 탄소원 확보를 위하여 Ar 가스 분위기 하에서 탄화하였고, 탄화체는 실리콘의 용융 온도이상으로 진공 열처리하여 반응 소결체를 제조하였다.
- 반응소결 탄화규소로 제조된 접합체의 열특성 분석을 위하여 지름 12 mm, 두께 2 mm의 접합시편을 성형체접합 공정으로 제조한 후, Laser Flash법으로 열확산도 상온에서부터 1100℃까지 100℃ 단위로 각 측정온도에서 3번씩 측정하여 열전도도를 평가하여 Fig. 3에 나타내었다. 접합체의 열전도도는 단미 반응소결 탄화규소(모재)의 열전도도와는 큰 차이를 보이지 않았으며, 소결조제를 첨가하여 상업소결로 제조된 시편 (Hexoloy-SiC)보다는 높은 열전도도 값을 나타내었다.
- 반응소결 탄화규소 열전판은 탄화규소 분말과 탄소분말을 포함한 원료 및 첨가물과 규소분말을 혼합하여 유로가 설계된 몰드에서 열간가압 성형법으로 성형체를 제조하였다. 성형체는 반응소결에 필요한 탄소원 확보를 위하여 Ar 가스 분위기 하에서 탄화하였고, 탄화체는 실리콘의 용융 온도이상으로 진공 열처리하여 반응 소결체를 제조하였다.
- 의 열전판을 이용하여 적층 및 접합에 대한 타당성 평가를 수행하였다. 아울러 유한요소법을 이용하여 7층의 열전판을 적층한 모의 시작품의 온도분포 및 응력분포를 전산모사하여 안전성을 평가하였다.
- 반응소결 탄화규소 열교환기 평판형 모듈의 정상상태에서의 열전달 및 열응력 해석을 하였다. 열교환기를 구성하는 개별 탄화규소판을 고온용과 저온용으로 구분하고 모두 7개(저온-고온-저온-고온-저온-고온-저온)를 적층하여, 열교환기 집합체 모델은 탄화규소 각 판을 90도로 엇갈리게 결합하여 작성하였으며, 각각의 유한요소 모델을 예시하였다. 유한요소 모델은 사면체 요소를 기준으로 작성하였으며, 집합체 기준으로 총 431,834개의 유한요소로 구성되었다.
- SiC 판의 표준 유한요소 모델과 온도, 변형량 및 응력 분포에 대한 상세한 검토가 필요한 판(집합체 중간 부분에 위치한 판)의 경우에는 열교환이 이루어지는 홈을 중심으로 조금 더 세밀한 체눈(mesh)으로 구성된 유한요소 모델을 적용하였다. 열전달 해석 및 응력해석은 600℃(고온부)/240℃(저온부)와 850℃(고온부)/524℃(저온부)의 두 가지 시스템에 대하여 수행하였다. 고온판과 저온판의 온도는 SiC 판의 홈을 구성하는 표면에 적용하여 열전달 해석을 수행하였다.
- 이상의 7개의 SiC 판으로 구성된 열교환기의 열전달 해석 및 응력해석을 수행하여 유한요소 모델을 구성하고 온도 분포와 응력 해석을 수행하였다. SiC 판의 건전성을 평가하기 위하여 보수적인 해석을 수행하여 열교환기 mock-up의 응력을 평가하였다.
대상 데이터
- 열교환기를 구성하는 개별 탄화규소판을 고온용과 저온용으로 구분하고 모두 7개(저온-고온-저온-고온-저온-고온-저온)를 적층하여, 열교환기 집합체 모델은 탄화규소 각 판을 90도로 엇갈리게 결합하여 작성하였으며, 각각의 유한요소 모델을 예시하였다. 유한요소 모델은 사면체 요소를 기준으로 작성하였으며, 집합체 기준으로 총 431,834개의 유한요소로 구성되었다.
- 최적 접합공정을 선택하기 위하여 접합층이 가운데 위치토록 제조한 각각의 공정별로 4×3×40 mm3의 곡강도 측정용 반응소결 탄화규소 접합시편을 준비하였다.
- 컴팩트형 열교환기 모듈 및 각각의 열전판은 반응소결 탄화규소로 제조하였다. 금속 몰드에서 유체 흐름양과 방향을 결정하는 유로가 설계된 열전판을 제조하고, 각각의 열전판을 접합소재로 열간 접합하여 Fig.
성능/효과
- 이 방법의 핵심기술들 중 하나가 950℃ 이상의 고온과 황산 분위기와 같은 혹독한 부식 환경에서도 열전달 성능이 우수하고 고온의 기계, 화학적 특성이 뛰어난 열교환기용 소재 개발이다.2) 컴팩트한 열교환기 소재로는 탄화규소가 우수한 화학안정성, 내식성, 고온특성, 열전도성 등으로 인하여, 금속으로는 만족시킬 수 없는 우수한 고온 기계 기계적 특성뿐만 아니라 특히 내부식성이 우수하여, 비중 높은 후보소재로 고려되고 있다. 미국의 UNLV에서 HTHX Program을 통해 GA, UCB, Ceramatec 등과 함께 SiC, C/SiC 등의 세라믹 재료를 공정열교환기(Process Heat Exchanber : PHE)로 적용하기 위한 연구를 수행하고 있으며, 일본은 Toshiba Ceramics 등의 회사에서는 JAEA와 함께 고강도 Si/SiC 소재에 대한 제조기술 개발 및 SI 공정 반응 열교환기 개발을 진행하고 있다.
- 7개의 SiC 열전판으로 구성된 열교환기는 일부 유로가 과량의 접합재로 막힘 현상이 관찰되었으나, 접합면이 고르게 접합된 건전성을 유지하고 있었으며, 열전달 해석 및 응력해석을 유한요소 모델로 모사한 결과 안전성을 유지할 수 있음을 확인하였다.
- 접합체의 열전도도는 단미 반응소결 탄화규소(모재) 의 열전도도와는 큰 차이를 보이지 않았고, 상업소결로 제조된 시편보다 높은 열전도도 값을 나타내었다. 고온 황산 분위기에서의 부식거동은 초기 100일 동안의 부식은 증가하였으나, 100일 이후에는 증가현상이 일어나지 않았으며, 시편 표면 산화막 형성이 부식 억제층으로 작용하였음을 알 수 있었다.
- 두 가지 온도 조건에 따른 열교환기 mock-up의 변형량은 최대 0.2 mm (고온관 850℃ 기준)를 초과하지 않는 것으로 평가되었으며, 고온부와 저온부를 중심으로 미세한 비틀림 현상이 수반된 변형 형상을 나타내었으나 전반적으로 최대값이 0.2 mm를 넘지 않는다. Fig.
- 열교환기 mock-up을 고온판과 저온판을 연결하는 직선 (45°)을 단면을 기준으로 온도 분포를 표시하여 보면, 저온판과 고온판의 통로를 기준으로 각 단면사이의 온도 구배가 발생하며 mock-up의 중간 부분의 온도 분포가 안정적인 것으로 평가된다. 따라서 mock-up을 구성하는 SiC 판의 온도 구배 및 이에 따른 응력을 평가하기 위하여 mock-up의 중간부분을 구성하는 고온판과 저온판의 결과를 검토하는 것이 전체적인 경향을 대표할 수 있을 것도 평가되었다.
- 그림에서 보면 초기 100일까지 시편의 무게변화는 서서히 증가하였으나, 100일 이후에는 증가현상이 없는 것으로 보아 시편 표면의 산화막 형성이 부식 억제층으로 작용하고 있다고 파악된다. 따라서 반응소결 탄화규소의 부식거동 및 접합체의 기계구조 및 열물성을 종합하면, SI 공정에 적용할 공정 열교환기로 반응소결 탄화규소가 가능함을 알 수 있다. 따라서 단위 열전판 및 열전판을 적층 접합한 모듈 시작품을 제작하였다.
- 6 (b)에 850℃/524℃인 시스템에 대하여 나타내었다. 모사된 결과에서 볼 수 있듯이, 고온부분과 저온부분이 구분되어 온도 구배가 나타났으며, mock-up의 중간 부분에서는 고온부로부터 저온부까지 온도 구배의 간격이 넓게 분포되었다. Mock-up 표면의 경우에는 고온판과 저온판의 중심으로 국부적인 온도 구배가 나타났다.
- 1은 각 접합공정에 따른 반응소결 탄화규소 접합체의 3점 곡강도 결과이다. 성형체 접합과 소결체 접합공정으로 접합한 경우는 평균 200 MPa 이상의 강도를 나타내었으며, 탄화물 접합의 경우는 파괴강도가 상대적으로 낮아 140 MPa 정도이었다. Fig.
- 열교환기 mock-up을 고온판과 저온판을 연결하는 직선 (45°)을 단면을 기준으로 온도 분포를 표시하여 보면, 저온판과 고온판의 통로를 기준으로 각 단면사이의 온도 구배가 발생하며 mock-up의 중간 부분의 온도 분포가 안정적인 것으로 평가된다.
- SiC 판의 건전성을 평가하기 위하여 보수적인 해석을 수행하여 열교환기 mock-up의 응력을 평가하였다. 열교환기 mock-up의 중간 부분의 SiC 판으로부터 대표적인 온도 분포와 응력을 평가할 수 있음을 확인하였다.
- 탄화규소 접합체의 파괴강도측정결과 성형체 접합과 소결체 접합공정으로 접합한 경우가 평균 200 MPa 이상의 강도를 나타내었으며, 접합층의 두께와 파단면 및 제조공정 등을 고려하면 성형체 접합과 소결체 접합에 의한 방법이 공정적, 기계 구조적 특성에서 유리하다고 판단되었다. 접합체의 열전도도는 단미 반응소결 탄화규소(모재) 의 열전도도와는 큰 차이를 보이지 않았고, 상업소결로 제조된 시편보다 높은 열전도도 값을 나타내었다. 고온 황산 분위기에서의 부식거동은 초기 100일 동안의 부식은 증가하였으나, 100일 이후에는 증가현상이 일어나지 않았으며, 시편 표면 산화막 형성이 부식 억제층으로 작용하였음을 알 수 있었다.
- 3에 나타내었다. 접합체의 열전도도는 단미 반응소결 탄화규소(모재)의 열전도도와는 큰 차이를 보이지 않았으며, 소결조제를 첨가하여 상업소결로 제조된 시편 (Hexoloy-SiC)보다는 높은 열전도도 값을 나타내었다.
- 탄화규소 접합체의 파괴강도측정결과 성형체 접합과 소결체 접합공정으로 접합한 경우가 평균 200 MPa 이상의 강도를 나타내었으며, 접합층의 두께와 파단면 및 제조공정 등을 고려하면 성형체 접합과 소결체 접합에 의한 방법이 공정적, 기계 구조적 특성에서 유리하다고 판단되었다. 접합체의 열전도도는 단미 반응소결 탄화규소(모재) 의 열전도도와는 큰 차이를 보이지 않았고, 상업소결로 제조된 시편보다 높은 열전도도 값을 나타내었다.
- 평가된 곡강도와 미세구조를 고려하면 접합층은 모재와 동일한 파괴강도를 보이며, 접합층의 두께와 파단면 및 제조공정 등을 고려하면 성형체접합과 소결체 접합에 의한 방법이 공정적, 기계 구조적 특성에서 유리하다고 판단된다.
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