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소형 PCHE 시제품에 대한 거시적 고온 구조 해석 모델링 (II)
Macroscopic High-Temperature Structural Analysis Model of Small-Scale PCHE Prototype (II) 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.9, 2011년, pp.1137 - 1143  

송기남 (한국원자력연구원) ,  이형연 (한국원자력연구원) ,  홍성덕 (한국원자력연구원) ,  박홍윤 (에이디솔류션)

초록
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초고온가스로의 중간열교환기는 원자로에서 생산된 $950^{circ}C$ 정도의 초고온 열을 수소생산 공장으로 전달하는 핵심 기기이다. 한국원자력연구원에서는 중간열교환기의 후보 형태로 고려되고 있는 인쇄기판형 열교환기의 소형 시제품을 제작하였다. 본 연구는 소형가스루프 시험조건하에서 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품의 고온 구조건전성을 시험수행 전에 미리 평가하기 위한 작업의 일환으로 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품에 대한 고온 구조해석 모델링, 거시적 열 해석 및 구조 해석을 수행하고 그 결과들을 정리한 것이다. 해석 결과는 곧 수행될 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품 성능시험결과와 비교하고 또한 향후 제작될 중형 시제품 설계/제작에 반영할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The IHX (intermediate heat exchanger) of a VHTR (very high-temperature reactor) is a core component that transfers the high heat generated by the VHTR at $950^{\circ}C$ to a hydrogen production plant. Korea Atomic Energy Research Institute manufactured a small-scale prototype of a PCHE (p...

주제어

#인쇄기판형 열교환기   #고온 구조해석   #초고온가스로   #중간열교환기  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 고온 상태의 열응력 해석에서 온도와 응력의 상호 연관성을 고려하는 것이 바람직한 방법이나 본 연구에서는 변형의 정도가 열전달양상을 변화시킬 정도가 아닌 것으로 판단하고 또한 flow path 를 모두 고려한 mesh 의 양이 일반workstation 에서 해석 가능한 수준을 벗어나고 있어서 부득이 de-coupled 방법을 사용하였다. 따라서 소형가스루프에서 PCHE 시제품을 시험하기 전의 선행 연구로서 가스루프 시험조건 하에서 소형 PCHE 시제품의 거시적 거동을 파악하기 위함이 본 연구의 주된 목적이다.
  • 본 논문은 교육과학기술부의 원자력연구개발프로그램의 지원 하에 수행되고 있는 원자력수소 핵심기술 개발(대과제) 초고온가스로 요소기술개발(세부과제)의 일환으로 수행되었다.
  • 본 연구는 KAERI 의 소형가스루프에서 소형 PCHE 시제품에 대한 본격적인 성능시험을 수행하기 전에 소형 PCHE 시제품의 고온 구조 건전성을 미리 파악하기 위한 선행 연구의 일환으로 소형 PCHE 시제품에 대한 유한요소 모델링과 거시적인 열 및 탄성구조 해석을 수행하고 그 결과를 정리하여 요약한 것이다. 해석결과는 곧 수행될 소형 PCHE 시제품에 대한 시험결과와 비교/분석한 뒤 향후에 제작될 중형 PCHE 시제품 설계/제작에 반영할 예정이다.

가설 설정

  • 구조해석을 위한 변위 경계조건으로는 Fig. 14 와같이 Gas inlet pipe 끝단에서 완전구속조건을 적용하였으며, 그 외의 Flange 들은 매우 유연한(flexible) 파이프로 연결되어 있어서 모든 변위를 구속하지 않는 자유단으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우리나라의 원자력수소생산 시스템에서 수소 생산 시 어떠한 개념을 고려하는가? 초고온가스로(VHTR)에서 생산된 초고온 열을 이용하여 수소를 대량으로 생산하려는 연구가 우리나라를 비롯하여 세계 여러 나라에서 수행되고 있다.(1~5) 우리나라의 원자력수소생산 시스템에서는 VHTR에서 얻어진 초고온(약 950℃)의 헬륨 기체와 요오드-황산공정(Iodine-Sulfur Process; I-S Cycle)을 이용하여 물을 분해함으로써 수소를 대량으로 생산하는 개념을 고려하고 있다.(5~7) 이 시스템에서는 Fig.
소형 PCHE 시제품의 고온 구조 건전성 파악을 위한 연구의 결과는? (1) 열 해석 결과 소형 PCHE 시제품의 고온 가스 유입 챔버에서 높은 온도분포를 나타내고 있고 고온 가스 유입 파이프와 소형 PCHE 시제품이 접하는 압력경계 주변에서 최대온도 발생 및 비대칭적인 온도 분포를 보임으로서 주의를 요하고 있다. (2) 탄성구조 해석 결과 소형 PCHE 시제품의 고온 가스 유입 챔버부위, 고온가스 유입 파이프와 소형 PCHE 시제품이 접하는 부위에서689.7MPa 정도의 높은 응력이 발생하고 있어서 소형 PCHE 시제품의 고온 구조건전성이 유지되지 않을 가능성이 높을 뿐만 아니라 고온에서의 크립-피로 손상 가능성도 매우 높을 것으로 보인다. 크립-피로 평가는 차후에 수행할 예정이다. (3) 소형 PCHE 시제품의 고온 구조건전성에 영향을 주는 하중조건은 온도조건이다.
PCHE란 무엇인가? PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)는 유체가 통과하는 미세한 유로를 화학적 etching 방법으로 형성하고, 유로들이 형성된 유로판을 확산 접합 공정(diffusion bonding process)을 이용하여 적층 및 금속 결합한 열교환기의 한 형태로서 열교환 용량대비 열교환기의 용적(부피)이 작고 열교환 효율이 매우 우수한(∼98%) 콤팩트형 열교환기의 형태로 알려져 있다.(10) Fig.
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참고문헌 (19)

  1. US DOE, 2009, Financial Assistance Funding Opportunity Announcement, NGNP Program. 

  2. AREVA, 2007, NGNP with Hydrogen Production Pre-conceptual Design Studies Report, Doc. No. 1209052076-000. 

  3. Idaho National Laboratory, 2007, NGNP Preconceptual Design Report, INL/EXT-07-12967. 

  4. Westinghouse, 2007, NGNP and Hydrogen Production Pre-conceptual Design Report, NGNPESP- RPT-001, Rev 1. 

  5. Chang, J. H, et al., 2007, "A Study of a Nuclear Hydrogen Production Demonstration Plant," Nuclear Engineering and Technology, Vol. 39, No. 2, pp. 111-122. 

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  6. Lee, W. J. et al., 2009, "Perspectives of Nuclear Heat and Hydrogen," Nuclear Engineering and Technology, Vol. 41, No. 4, pp. 413-426. 

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  7. Shin, Y. J. et al., 2009, "A Dynamic Simulation of the Sulfuric Acid Decomposition Process in a Sulfuriodine Nuclear Hydrogen Production Plant," Nuclear Engineering and Technology, Vol. 41, No. 6, pp. 831-840. 

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  8. Song, K. N. et al., 2009, "Investigation of FIV Characteristics on a Coaxial Double-tube Structure," Trans. A of KSME, Vol. 33, No. 10, pp. 1108-1118. 

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  9. Lee, H. Y. et al., 2008, "Preliminary Application of the Draft Code Case for Alloy 617 for a High Temperature Component," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 22, pp. 856-863. 

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  10. Dewson, S. J. and Thonon, B., 2003, "The Development of High Efficiency Heat Exchangers for Helium Gas Cooled Reactors," ICAPP 2003, Paper No. 3213. 

  11. Heatric broacher on PCHEs. 

  12. Kim, Y. W. et al., 2009, "Development of Key Technologies for Nuclear Hydrogen," Final Report KAERI/RR-2992/2008. 

  13. Song, K. N. et al., 2011, "Macroscopic Hightemperature Structural Analysis Model on the Small- Scale PCHE Prototype (I)," to be appeared in Trans. A of KSME, Vol. 35, No. 11. 

  14. Kim, C. S., 2010, "Temperature Distribution of Small-scale PCHE Prototype for Thermal Stress Analysis," Calculation note No. NHDD-KT-CA-10- 006 Rev.00. 

  15. ASME Material Edition 2001. 

  16. http://www.sandmeyerstreet.com/A800-A800H-800 AT.html. 

  17. Song, K. N., 2010, "3D FE Modeling for Thermal/Structural Analysis on Small-scale PCHE," Calculation note No. NHDD-KT-CA-10-005 Rev.00. 

  18. I-DEAS/TMG ver.6.1, 2009. 

  19. ABAQUS ver.6.9-1, 2009. 

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