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소형 PCHE 에 대한 거시적 고온 구조 해석 모델링 (I)
Macroscopic High-Temperature Structural Analysis Model for a Small-Scale PCHE Prototype (I) 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.11, 2011년, pp.1499 - 1506  

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

초록
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초고온가스로로부터 생성된 $950^{\circ}C$ 정도의 초고온 열을 이용하여 수소를 경제적이며 또한 대량으로 생산하려는 원자력수소생산시스템에서 중간열교환기는 원자로에서 생산된 초고온 열을 수소생산 공장으로 전달하는 핵심 기기중의 하나이다. 한국원자력연구원에서는 초고온가스로에 사용될 핵심 기기에 대한 성능시험을 위해 소형가스루프를 구축하였고 중간열교환기의 유력한 형태로 고려되고 있는 인쇄기판형 열교환기의 소형 시제품을 제작하였다. 본 연구는 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품을 소형가스루프에서 시험하기 전에 루프 시험조건하에서 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품의 고온 구조건전성을 미리 평가하기 위한 작업의 일환으로 수행한 결과, 즉 고온 구조해석 모델링, 거시적 열 해석 및 구조 해석 결과 등을 정리한 것이다. 해석 결과는 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품 성능시험결과외 비교하고 향후 제작될 중형 시제품 설계/제작에 반영할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The IHX (intermediate heat exchanger) is a key component of nuclear hydrogen systems for the production of massive amounts hydrogen. The IHX transfers the $950^{\circ}C$ heat generated by the VHTR (very high temperature reactor) to a hydrogen production plant. The Korea Atomic Energy Rese...

주제어

#인쇄기판형 열교환기   #고온 구조해석   #초고온가스로   #중간열교환기  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 에 대한 거시적인 고온 구조 특성 및 거동을 파악할 필요가 대두되었다. 따라서 본 연구에서는 소형 PCHE 시제품에 대한 고온 구조해석을 위한 유한요소 모델링과 거시적인 열 및 구조 해석을 수행하고 그 결과를 정리하여 요약한 것이다. 해석결과는 소형 PCHE 시제품에 대한 시험결과와 비교/ 분석한 뒤 향후에 제작될 중형 PCHE 시제품 설계/제작에 반영할 예정이다.
  • 본 논문은 교육과학기술부의 원자력연구개발프 로그램의 지원하에 수행되고 있는 원자력수소 핵심기술 개발(대과제) 초고온가스로 요소기술개발(세부과제)의 일환으로 수행되었다.
  • 9-1(20) 을 이용하여 소형 PCHE 시제품에 대한 탄성구조해석을 수행하였다. 본 연구에서는 PCHE 시제품에 대한 거시적인 고온 구조건전성을 파악 하기 위해 탄성구조해석 등을 수행하였다. 해석 결과 소형 PCHE 시제품의 전반적인 탄성 구조해석 결과는 Fig.

가설 설정

  • 구조해석을 위한 변위 경계조건으로는 Fig. 16 과같이 Gas inlet pipe 끝단에서 완전구속조건을 적용하 였으며, 그 외의 Flange 들은 매우 유연한 (flexible) 파이프로 연결되어 있어서 모든 변위를 구속하지 않는 자유단으로 가정하였다. 소형 PCHE 시제품의 유체 압력으로는 Gas flow 영역에서 4.
  • 한편 소형 PCHE 시제품 표면에 대해서는 직경 5.0 m 의 구(sphere)형 공간을 가정하였고 중력을 고려한 자연대류 열전달 조건을 적용하였다. (15)
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
한국원자력 연구원(KAERI)에서 연구하고 있는 원자력수소 생산시 스템에서 필수적인 중간루프는 어떻게 구성되어 있는가? (5~7) 이시스템에서는 Fig. 1 에서 보듯이 고온가스덕트(Hot Gas Duct; HGD), (8,9) 중간열교환기 (Intermediate Heat Exchanger; IHX) 및 공정 열교환기(Process Heat Exchanger; PHE) 등으로 구성된 중간루프가 반드시 필요하다. 특히 IHX 는 원자로에서 생산된 초고온 열을 수소생산 공장으로 전달하는 핵심 기기로서 약 900℃ 정도의 초고온하에서 작동되고 있다.
한국원자력 연구원(KAERI)에서 연구하고 있는 원자력수소 생산시 스템은 어떻게 수소를 대량 생산 하는가? 초고온가스로(Very High Temperature Reactor; VHTR)에서 생산된 초고온 열을 이용하여 청정 에너지 원(source)인 수소를 대량 및 경제적으로 생산하려는 연구가 우리 나라를 비롯하여 세계 여러 나라에서 수행되고 있다. (1~5) 한국원자력 연구원(KAERI)에서 연구하고 있는 원자력수소 생산시 스템에서는 VHTR 에서 얻어진 초고온(약 950℃) 의 헬륨 기체와 요오드-황산(Iodine-Sulfur) Cycle 을이용하여 물을 분해함으로써 수소를 대량으로 생산하는 개념(Fig. 1 참조)을 고려하고 있다.
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참고문헌 (20)

  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 Pre-conceptual Design Report, INL/EXT-07-12967. 

  4. Westinghouse, 2007, NGNP and Hydrogen Production Preconceptual Design Report, NGNP-ESP-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. Hong, S. D., 2006, "Basic Design of the Small-scale High-temperature High-pressure Gas Loop," Calculation note No. NHDD-KA06-TL-001, Rev.00. 

  11. Song, K. N. et al., 2010, "High-Temperature Structural-Analysis Model of Process Heat Exchanger for Helium Gas Loop(I)," Trans. A of KSME, Vol. 34, No. 9, pp. 1241-1248. 

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  12. Song, K. N. et al., 2010, "High-Temperature Structural-Analysis Model of Process Heat Exchanger for Helium Gas Loop(II)," Trans. A of KSME, Vol. 34, No. 10, pp. 1455-1462. 

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  13. Song, K. N. et al., 2011, "High-Temperature Structural-Analysis Model of Process Heat Exchanger for Small-scale Gas Loop(III)," Trans. A of KSME, Vol. 35, No. 2, pp. 191-200. 

  14. Hong, S. D., 2009, "Design of the Small-scale PCHE," Calculation note No. NHDD-KA07-TL-002, Rev.00. 

  15. 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. 

  16. 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. 

  17. ASME Sec. II Part D Material Edition 2001. 

  18. Private communication with Dr. Kim, C. S. 

  19. I-DEAS/TMG ver.6.1, 2009. 

  20. ABAQUS ver.6.9-1, 2009. 

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