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문제 정의
- 본 논문에서는 중수로 기기냉각수계통 열교환기 세관 손상의 원인을 파악하기 위하여, 동체의 내부에서 기기냉각수의 흐름을 수치해석 방법으로 분석하였다.
- 앞에서 살펴본 바와 같이 열교환기의 내부 형상이 매우 복잡하여 냉각수 유동 패턴을 파악하기가 쉽지 않지만, 본 해석에서는 입구노즐로 유입된 기기냉각수가 동체 창을 통해 열교환기 내부로 들어갈 때 유동과 세관과 관지지봉 사이 좁은 공간을 통과할 때 유동을 분석하는 것이 주요 목적이다. 그러므로 열교환기 전체 형상에 대해 모델링하지 않고 형상을 단순화 하거나 해석영역을 나누어서 3가지로 모델링하였다.
제안 방법
- 3차원 CFD 코드인 FLUENT를 이용하여 열교환기의 유동 특성 변화를 알아보고자 3가지 경우에 대해서 해석을 수행하였으며 결과는 다음과 같다.
- Fig. 10과 같이 열교환기 내부에서 튜브의 길이방향으로 기기냉각수의 유동 영역을 5개로 나누어 구성하였다. 세관과 관지지봉 사이의 간격이 너무 좁기 때문에 그 부분을 따로 볼륨(2번과 4번 영역)을 나누어 구성하였으며, 해당 영역을 자세히 분석하기 위하여 영역 크기를 줄이고 계산 격자를 많이 생성하여 좁은 틈새를 통과하는 기기냉각수의 유동을 표현하였다.
- 앞에서 살펴본 바와 같이 열교환기의 내부 형상이 매우 복잡하여 냉각수 유동 패턴을 파악하기가 쉽지 않지만, 본 해석에서는 입구노즐로 유입된 기기냉각수가 동체 창을 통해 열교환기 내부로 들어갈 때 유동과 세관과 관지지봉 사이 좁은 공간을 통과할 때 유동을 분석하는 것이 주요 목적이다. 그러므로 열교환기 전체 형상에 대해 모델링하지 않고 형상을 단순화 하거나 해석영역을 나누어서 3가지로 모델링하였다.
- 본 해석에서는 유동 구간은 전체의 유로가 아닌 입구노즐에서 외부동체와 내부동체 사이의 공간을 기기냉각수가 흘러 동체 창으로 들어가는 부분만을 고려하기 때문에 압력차를 다르게 적용해야 한다. 그리하여 본 해석을 수행하기 전 inlet과 outlet의 압력차를 바꾸어 가면서 유량 데이터에 맞는 조건을 찾는 선행 해석을 수행하였다. Case 1의 경우 inlet에서 outlet까지의 압력차는 대략적으로 413,368 Pa 정도 압력 강하가 발생하는 것으로 해석되었다.
- 13에서는 단위 해석 방법을 이용한 경우에 대한 해석 경계 조건을 나타내었다. 기기냉각수 열교환기에서는 내부의 압력변화는 많이 일어나지 않기 때문에 입구조건을 Velocity inlet, 출구조건은 Pressure outlet으로 적용하여 해석을 위한 경계 조건으로 사용하였다.
- 12는 FLUENT 해석 시 유동 구간 각 부위의 설정 상태를 나타낸 것이다. 기본적인 경계 조건은 Case 1에서 적용한 것과 유사하며 열교환기 내부를 흐르는 기기냉각수의 유동을 해석하기 위해 세관과 관지지봉을 생략한 형상에 대해 해석을 수행하였다.
- 동체 내부에 있는 세관과 관지지봉 전체를 해석하여 타당성 있는 결과를 도출하기에는 격자 생성에 한계가 있기 때문에 Fig. 9과 같이 9개 튜브만을 고려하여 단위 모델 해석을 수행하였다. 세관의 직경은 22.
- 9에서와 같이 임의의 튜브 9개만을 단위 해석 방법으로 수행한 경우에는 Table 2의 Case 3 경계 조건을 적용하였다. 동체 내부의 압력의 변화가 크지 않음을 감안하여 본 해석에서는 속도 변화에 주안을 두고 입구 조건을 velocity inlet으로 하였고 그에 맞는 일반적인 출구 조건 pressure outlet를 적용하였다.
- 7 Pa이고 내부 유동 구간을 거쳐 출구노즐로 빠져나갈 때의 압력은 592,949 Pa이다. 본 해석에서는 유동 구간은 전체의 유로가 아닌 입구노즐에서 외부동체와 내부동체 사이의 공간을 기기냉각수가 흘러 동체 창으로 들어가는 부분만을 고려하기 때문에 압력차를 다르게 적용해야 한다. 그리하여 본 해석을 수행하기 전 inlet과 outlet의 압력차를 바꾸어 가면서 유량 데이터에 맞는 조건을 찾는 선행 해석을 수행하였다.
- 본 해석에서는 입구노즐로 들어온 기기냉각수가 외부동체와 내부동체 사이의 공간을 흘러 동체 창을 통해 열교환기 내부로 빠져 나갈 때의 속도 성분의 변화를 알아보기 위한 것이므로, Fig. 6과 같이 유동 영역을 단일 블록으로 구성하여 해석 모델 격자를 생성 하였다. 격자수는 153만개이며, 곡면 형상에서 비교적 수렴성이 우수한 사면체 격자를 적용하였다.
- 10과 같이 열교환기 내부에서 튜브의 길이방향으로 기기냉각수의 유동 영역을 5개로 나누어 구성하였다. 세관과 관지지봉 사이의 간격이 너무 좁기 때문에 그 부분을 따로 볼륨(2번과 4번 영역)을 나누어 구성하였으며, 해당 영역을 자세히 분석하기 위하여 영역 크기를 줄이고 계산 격자를 많이 생성하여 좁은 틈새를 통과하는 기기냉각수의 유동을 표현하였다.
대상 데이터
- 1) Case 1 : 외부동체와 내부동체 사이의 유동 입구노즐을 통해서 공급된 유체가 동체 창을 통해서 내부로 유입될 때의 유동을 관찰하기 위하여 Fig. 5와 같이 외부동체 하부의 입구노즐 입구에서 동체 창까지의 유동 구간을 해석 영역으로 선정하였다. 동체 창은 4개가 있으며, 동체 중심으로부터 36°의 각을 이루며 1,167.
- Fig. 8는 유동 영역을 단일 블록으로 구성하여 해석 모델 격자를 생성한 것으로써, 격자수는 123만개이며 사면체 격자를 적용하였다.
- 6과 같이 유동 영역을 단일 블록으로 구성하여 해석 모델 격자를 생성 하였다. 격자수는 153만개이며, 곡면 형상에서 비교적 수렴성이 우수한 사면체 격자를 적용하였다.
- 따라서 좁은 틈새에 최소 5개 이상의 계산격자를 생성하여 각각의 볼륨에 생성한 격자수는 총 530만개이며, 계산 격자는 기존의 모델링과 동일하게 사면체격자를 사용하였다.
- 해석 시 경계 조건은 기기냉각수 열교환기의 정상 운전(normal operation) 상태의 설계 자료를 이용하였으며, 특정 영역의 해석은 선행 해석의 결과를 이용하여 경계조건을 선정하였다. 본 해석에 사용된 기기 냉각수의 물성치는 제작사 설계 자료 및 발전소 운전 자료를 기초로 산정한 것이며 Table 1과 같다3,4).
- 입구노즐의 내경은 722 mm이다. 외부동체의 유동 구간의 폭은 200 mm이고, 길이는 고정관판까지 2,747 mm이다.
- 해석 시 경계 조건은 기기냉각수 열교환기의 정상 운전(normal operation) 상태의 설계 자료를 이용하였으며, 특정 영역의 해석은 선행 해석의 결과를 이용하여 경계조건을 선정하였다. 본 해석에 사용된 기기 냉각수의 물성치는 제작사 설계 자료 및 발전소 운전 자료를 기초로 산정한 것이며 Table 1과 같다3,4).
성능/효과
- 2. 열교환기 내부로 유입되는 기기냉각수의 동체 중심방향과 길이방향의 유속도 성분은 각각 6 m/s, 8 m/s이다. 튜브 외면에 수직으로 부딪치는 속도성분에 의해서 튜브의 진동이 발생되어 손상이 발생된 것으로 판단된다.
- 3. 입구에서 전단 관지지봉까지는 균일한 속도분포를 보이지만 세관과 관지지봉 사이의 좁은 구간을 통과하면서 8.11 m/s까지 속도가 증가한다.
- 4. 관지지봉을 통과한 바로 뒷면에서 와류가 발생하며 길이방향 유속이 감소한다. 따라서 관지지봉을 지나면서 와류가 형성되고 이것이 세관의 진동을 유발하는 것으로 판단된다.
- 제작사에서 설계된 자료 분석 결과 입구노즐을 통하여 유입된 물의 압력은 689,475.7 Pa이고 내부 유동 구간을 거쳐 출구노즐로 빠져나갈 때의 압력은 592,949 Pa이다. 본 해석에서는 유동 구간은 전체의 유로가 아닌 입구노즐에서 외부동체와 내부동체 사이의 공간을 기기냉각수가 흘러 동체 창으로 들어가는 부분만을 고려하기 때문에 압력차를 다르게 적용해야 한다.
후속연구
- 열교환기의 튜브 감육은 지속적으로 진행되는 추세로서 관막음 여유도의 감소와 열교환기의 성능 저하가 예상 되며, 다른 열교환기도 유사한 실정이다2) . 그러므로 세관 손상 원인을 밝히고, 앞으로 세관 손상을 예측 하기 위해 열교환기 내부에서 기기냉각수의 유동을 분석하는 것이 필요하다.
- 이와 같이 기기냉각수 열교환기 내부에서 기기냉각수 유동을 살펴봄으로서 튜브의 손상 원인을 분석하는데 유용한 자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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