[논문]하나로 기체시료채취계통에서 생성된 응축수 억제를 위한 CFD 해석

조성환; 이종현; 김대영

doi:10.7733/jnfcwt.2020.18.2(e).327

하나로 기체시료채취계통에서 생성된 응축수 억제를 위한 CFD 해석
CFD Analysis to Suppress Condensate Water Generated in Gas Sampling System of HANARO 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.18 no.2, 2020년, pp.327 - 336

조성환 (충남대학교) , 이종현 (충남대학교) , 김대영 (한국원자력연구원)

초록
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HANARO (High-flux Advanced Neutron Application Reactor)는 우라늄의 핵분열 연쇄반응에서 생성된 중성자를 이용하여 다양한 연구개발을 수행하는 열출력 30 MW 규모의 연구용 원자로이다. 탈기탱크는 HANARO의 부속시설에 설치되어 있다. 탈기탱크는 내부환경요인으로 인해 기체오염물질을 발생시킨다. 탈기탱크는 기체오염물질을 허용 가능한 수준 이하로 유지하기위해 필요하며 기체시료채취판넬의 분석기에 의해 모니터링 된다. 응축수가 발생하여 기체시료채취판넬의 분석기 내부로 유입된다면, 분석기의 측정 챔버 내부에 부식이 발생하여 고장을 야기한다. 응축수의 생성 원인은 탈기탱크에 존재하는 기체가 분석기로 유입되는 과정에서 탈기탱크와 분석기사이 온도 차이다. 응축수 생성을 억제하고 계통 내부에 생성된 응축수를 효율적으로 제거하기 위해 탈기탱크와 기체시료채취판넬 사이에 히팅시스템이 설치되었다. 이 연구에서 우리는 히팅시스템의 효율성을 알고자 한다. 또한 Wall Condensation Model을 이용하여 유체 입구온도, 외부온도 및 히팅 케이블 설정온도 변화에 따른 파이프 온도와 평균응축량의 변화를 모델링하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high-flux advanced neutron application reactor (HANARO) is a research reactor with thermal power of 30 MW applied in various research and development using neutrons generated from uranium fission chain reaction. A degasifier tank is installed in the ancillary facility of HANARO. This facility generates gas pollutants produced owing to internal environmental factors. The degasifier tank is designed to maintain the gas contaminants below acceptable levels and is monitored using an analyzer in the gas sampling panel. If condensate water is generated and flows into the analyzer of the gas sampling panel, corrosion occurs inside the analyzer's measurement chamber, which causes failure. Condensate water is generated because of the temperature difference between the degasifier tank and analyzer when the gas flows into the analyzer. A heating system is installed between the degasifier tank and gas sampling panel to suppress condensate water generation and effectively remove the condensate water inside the system. In this study, we investigated the efficiency of the heating system. In addition, the variations in the pipe temperature and the amount of average condensate water were modeled using a wall condensation model based on the changes in the fluid inlet temperature, outside air temperature, and heating cable-setting temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

히팅케이블의 사용량과 전력 소모량을 감소시키기 위해서 Pipe에 일정한 간격을 두고 히팅케이블을 포설한 것으로 해석하였다. 또한, Fluid inlet temperature, Outside air temperature 및 히팅케이블의 온도변화에 따라 Pipe 온도와 평균응축량의 변화를 예측하고자 한다. 온도변화 값은 펌프와 각종 장비들에서 발생하는 방출열을 고려하였다.
본 연구에서는 시료채취계통의 파이프에서 발생하는 응축수 생성 억제를 위해 모델링을 수행하였다. 히팅케이블 온도를 최소한 Inlet temperature 보다 높게 유지할 경우 응축수가 생성되지 않는 것을 알 수 있다.
액체막의 Flow는 모델링 되지 않는다[6]. 유체 영역에서 액체막으로 들어가는 질량을 제거하여 질량소멸로 응축을 모델링하는 것이다.
이 연구를 통하여, 응축수가 생성되는 것을 억제시킴으로써 부식으로 인한 분석기 오류와 고장을 방지하고 정확한 기체농도를 계측할 수 있게 하는지 알고, 히팅시스템이 응축수의 생성 억제에 어느 정도 영향을 끼치는지 알고자 한다.

가설 설정

얇은 액체막(Liquid film)으로 응축될 수 있도록 충분히 차가워진 벽 또는 유체 경계면에서 응축이 발생된다. 열전달에 대한 1차 저항은 응축성분 농도의 경계구배(Boundary gradient)에 의해 야기되고, 액체막은 열전달 저항에 대한 기여가 무시할 정도로 충분히 얇다고 가정한다. 응축은 응축 성분의 경계질량소멸(Boundary mass sink) 로 모델링되어 유체 도메인으로부터 응축수의 응축 질량을 효과적으로 제거한다.
이 모델은 액체벽 막에 의해 유도된 열전달 저항의 변화는 무시하는 것으로 가정한다. 응축 가스의 농도 구배는 열전달 저항의 주 원인으로 가정한다. 층류 및 난류 경계층은 표면 Condensation mass flux 측면에서 다르게 처리된다[6,7].
Wall Condensation Model은 하나의 응축 가능한 구성 성분만 허용한다. 이 모델은 액체벽 막에 의해 유도된 열전달 저항의 변화는 무시하는 것으로 가정한다. 응축 가스의 농도 구배는 열전달 저항의 주 원인으로 가정한다.

제안 방법

CFD (Computational Fluid Dynamics)를 이용하여 Pipe의 응축량을 해석하였다. 해석은 유한체적법(FVM, Finite Volume Method) 기반의 상용 CFD 소프트웨어인 Ansys CFX를 사용하였다.
온도차를 감소시켜 응축수 생성을 억제하고 계통 내부에 생성된 응축수를 효율적으로 제거하기 위하여 탈기탱크와 기체샘플링판넬 사이의 연결 Pipe 및 기체샘플링판넬 내부에 히팅시스템을 제작 및 설치하였다¹. 또한, 히팅시스템에 의해 제거되지 않는 경우를 대비하여 기체샘플링판넬 내부에 응축수를 수집하여 배수시킬수 있는 Drain-port를 제작 및 설치하였다[4].
응축수의 생성 원인은 탈기탱크에 존재하는 기체가 분석기로 유입되는 과정에서 탈기탱크와 분석기사이 온도차이다[3]. 온도차를 감소시켜 응축수 생성을 억제하고 계통 내부에 생성된 응축수를 효율적으로 제거하기 위하여 탈기탱크와 기체샘플링판넬 사이의 연결 Pipe 및 기체샘플링판넬 내부에 히팅시스템을 제작 및 설치하였다¹. 또한, 히팅시스템에 의해 제거되지 않는 경우를 대비하여 기체샘플링판넬 내부에 응축수를 수집하여 배수시킬수 있는 Drain-port를 제작 및 설치하였다[4].
모델은 Wall Condensation Model을 이용하여 응축수의 생성량을 정량화하였다. 응축수를 억제하기 위하여 Pipe에 설치한 히팅케이블의 설정온도 변화와 위치에 따라 열전달이 응축에 주는 영향을 평가하였다.
히팅케이블은 20 cm 간격을 두어 구현하였다. 히팅게이블의 온도를 40, 50, 60, 70, 100℃로 각각 설정하여 열전달이 이루어지게 하였다. 열전달계수가 1 W·m^-2·K^-1 일때, 0 kg·m^-2·d^-1로 응축수가 생성되지 않았고, 열전달계수가 5 W·m^-2·K^-1 일 때, 약 0.
본 해석을 위해 선정된 Pipe의 길이는 1 m 이고, 5 등분 하였다. 히팅케이블은 20 cm 간격을 두어 구현하였다. 히팅게이블의 온도를 40, 50, 60, 70, 100℃로 각각 설정하여 열전달이 이루어지게 하였다.
히팅케이블의 사용량과 전력 소모량을 감소시키기 위해서 Pipe에 일정한 간격을 두고 히팅케이블을 포설한 것으로 해석하였다. 또한, Fluid inlet temperature, Outside air temperature 및 히팅케이블의 온도변화에 따라 Pipe 온도와 평균응축량의 변화를 예측하고자 한다.

대상 데이터

본 해석을 위해 선정된 Pipe의 길이는 1 m 이고, 5 등분 하였다. 히팅케이블은 20 cm 간격을 두어 구현하였다.
탈기탱크는 원통형 밀폐구조의 압력용기이며, 외경은 482.6 mm이며, 높이는 1.83 m이며, 설계압력은 1.138 kPa이며, 설계온도는 66℃이며, 용량은 0.35 m³이다. 탈기탱크에서 기체시료채취판넬의 분석기까지 파이프 길이는 약 16.
탈기탱크와 연결되어 있는 Pipe의 설계사양은 ASTM S-40S이며, DN15이며, 반지름(r)은 8.05 mm이며, 원면적(S)은 203.58 mm2이며, 기체유량은 3 SCFH(2.0388 m3·d-1)이다.

이론/모형

해석은 유한체적법(FVM, Finite Volume Method) 기반의 상용 CFD 소프트웨어인 Ansys CFX를 사용하였다. 모델은 Wall Condensation Model을 이용하여 응축수의 생성량을 정량화하였다. 응축수를 억제하기 위하여 Pipe에 설치한 히팅케이블의 설정온도 변화와 위치에 따라 열전달이 응축에 주는 영향을 평가하였다.
또한, SST Turbulence Model은 자동으로 근접 벽 처리를 실행하기위해 사용되며 층류 및 난류에 대한 응축 해석이 복합적으로 가능하다[6,8]. 본 연구에서도 이런 점들이 고려되어 SST Turbulence Model을 사용하였다.
Wall Condensation Model은 파이프나 탱크 같은 공간 내에서 공기 중 수증기가 벽면으로 응축해서 제거되는 양으로 응축량을 계산하는 해석 모델이며 단상 해석에 사용된다[8]. 이 연구는 유체가 파이프의 Inlet에서 Outlet으로 흐를때 벽면에서 제거되는 응축수량을 해석하는 것이므로 Wall Condensation Model을 선정하여 본 연구의 해석에 적용하였다.
하지만, 실제 파이프가 곡관 형태를 포함하기 때문에 낮은 Reynolds number로 예측 되더라도 난류가 발생할 수 있다. 이러한 영향을 확신할 수 없어 층류 및 난류 모델에서의 응축 해석이 가능한 SST (Shear Stress Transport) Turbulence Model을 적용하였다. Option은 Automatic wall function이 사용되었다[6].
CFD (Computational Fluid Dynamics)를 이용하여 Pipe의 응축량을 해석하였다. 해석은 유한체적법(FVM, Finite Volume Method) 기반의 상용 CFD 소프트웨어인 Ansys CFX를 사용하였다. 모델은 Wall Condensation Model을 이용하여 응축수의 생성량을 정량화하였다.

성능/효과

Inlet temperature 60℃, 히팅케이블 온도 60℃ 및 Outside air temperature 30℃ 조건에서 60%의 히팅케이블 적용만으로 효율적으로 응축수 생성을 억제하여 경제성이 입증되었다. 히팅시스템에 의한 응축수 억제로 분석기의 사용수명을 충분히 연장시켜 줄 것으로 판단된다.
7에 그래프로 나타내었다. 파이프 Inlet 온도가 증가함에 따라 평균응축량은 증가하였고 Outside air temperature가 증가할 때는 Inlet 온도와의 차이가 줄어들어 평균응축량은 감소하였다. 따라서, 히팅케이블을 미적용한 것으로 해석했을 경우, Outside air temperature의 변화가 응축량에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 확인할 수 있다.
히팅케이블 온도를 Inlet temperature 60℃ 보다 낮게 설정할 경우, 온도차에 의해 응축이 발생하기 시작하였고 Pipe의 최소 온도는 각각 히팅케이블의 적용온도 값에 가깝거나 같았다. 히팅케이블이 미적용되었을 경우와 달리 Outside air temperature가 응축에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. Inlet 온도가 60℃일 경우, 히팅케이블의 설정온도 60℃ 이상에서는 응축수가 발생하지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HANARO란 무엇인가?	HANARO (High-flux Advanced Neutron Application Reactor)는 우라늄의 핵분열 연쇄반응에서 생성된 중성자를 이용하여 다양한 연구개발을 수행하는 열출력 30 MW 규모의 연구용 원자로이다. 탈기탱크는 HANARO의 부속시설에 설치되어 있다.
	응축수의 생성 원인은 무엇인가?	응축수가 발생하여 기체시료채취판넬의 분석기 내부로 유입된다면, 분석기의 측정 챔버 내부에 부식이 발생하여 고장을 야기한다. 응축수의 생성 원인은 탈기탱크에 존재하는 기체가 분석기로 유입되는 과정에서 탈기탱크와 분석기사이 온도 차이다. 응축수 생성을 억제하고 계통 내부에 생성된 응축수를 효율적으로 제거하기 위해 탈기탱크와 기체시료채취판넬 사이에 히팅시스템이 설치되었다.
	HANARO에 설치되어 있는 탈기탱크가 필요한 이유는 무엇인가?	탈기탱크는 내부환경요인으로 인해 기체오염물질을 발생시킨다. 탈기탱크는 기체오염물질을 허용 가능한 수준 이하로 유지하기위해 필요하며 기체시료채취판넬의 분석기에 의해 모니터링 된다. 응축수가 발생하여 기체시료채취판넬의 분석기 내부로 유입된다면, 분석기의 측정 챔버 내부에 부식이 발생하여 고장을 야기한다.

참고문헌 (11)

Korea Atomic Energy Research Institute, "HANARO SAR", KAERI Technical Report, KAERI/TR-710/1996 (2020).
Korea Atomic Energy Research Institute, "HANARO SAR Chapter 11.7 FTL", KAERI Technical Report, KAERI/TR-3898/2009 (2009).
Korea Atomic Energy Research Institute, "FTL: The High Temperature Function Test Procedures before Loading the Nuclear Fuel (Comprehensive Test Procedures of Letdown, Makeup and Purification System) Rev. 1", KAERI Report, HAN-FL-S-062-DO-K104 (2008).
S.H. Cho, M.S. Kim, H.Y. Choi, and W.H. In, "Research on How to Remove Efficiently the condensate water of Sampling System", Proc. of the Korean Nuclear Society 2015 Autumn Meeting, October 29-30, P08F01, Gyeongju (2015).
Korea Atomic Energy Research Institute, "FTL: The Room Temperature Function Test Procedures (Sampling System Test Procedures)", KAERI Report, HANFL- S-062-DO-K008 (2007).
G. Zschaeck, T. Frank, and A.D. Burns, "CFD modelling and validation of wall condensation in the presence of non-condensable gases", Nucl. Eng. Des., 279, 137-146 (2014).

상세보기
M. Lejon, "Wall Condensation Modelling in Convective Flow", Kungliga Tekniska Hogskolan School of Industrial Engineering and Management, Master of Science Thesis EGI-2013-092MSC EKV970, Stockholm (2013).
ANSYS CFX-Solver Theory Guide, R17, 72-75, 171-176, 183-191, ANSYS, Inc., Canonsburg, PA., Jan. 2016.
CFD Online, Mar. 28, 2014. "Dimensionless wall distance (y plus)", Accessed Jul. 27 2020. Available from: https://www.cfd-online.com/Wiki/Dimensionless_wall_ distance_(y_plus).
Korea Atomic Energy Research Institute, "LMP Ion Exchanger etc. equipment capacity statement - purification filter, resin filter, mixed demineralizer, degasifier tank, chemical additional tank Rev. 3", KAERI Report, HAN-FL-E-240-DC-H003 (2004).
S.Z. Kuhn, V.E. Schrock, and P.F. Peterson, "An investigation of condensation from steam-gas mixtures flowing downward inside a vertical tube", Nucl. Eng. Des., 177(1-3), 53-69 (1997).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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