[논문]초임계 이산화탄소 Brayton 에너지 전환계통 예비설계

차재은; 어재혁; 이태호; 성승환; 김성오; 김태우; 김동억; 김무환

문제 정의

본 논문에서는 현재 한국원자력연구소에서 미국의 ANL 등과 국제공동연구를 통하여 연구개발 중인 SFR과 연계된 초임계 CO₂ Brayton 사이클 에너지전환계통의 예비 설계와 관련하여, 에너지 전환계통의 열평형 설정, 주요기기인 압축기 및 터빈, 그리고 열교환기의 개념설계에 대하여 간략하게 기술하였다.

가설 설정

터빈의 개념 설계를 위해 개발한 1차원 해석코드를 이용하여 터빈의 단수, 블레이드의 직경, 터빈 효율 등의 효과를 분석하였다. 본 코드에는 터빈의 반동도를 0.5로 가정하였고, 손실모델로서는 Soderberg의 손실모형을 고려하였다. 이 코드를 이용하여 3차원 유동해석에 필요한 형상 구현에 필요한 인자들을 Table 3과 같이 설정하였다.
전체적인 계통 열평형은 에너지전환계통이 Rankine 사이클인 KALIMER-600 증기발생기를 통한 전열량 (1528.9 MWt)이 그대로 Na-CO₂ 열교환기를 통해 IHTS로부터 Brayton 사이클 계통으로 전달된다는 가정하에 설정되었다. 초임계 CO₂ Brayton 사이클의 열평형을 설정하기 위해서는 Na-CO₂ 열교환기의 Brayton 사이클 계통 측출구 온도, 열교환기의 효용도 (effectiveness), 압축기 및 터빈의 효율 그리고 저온 재생열교환기(Low Temperature Recuperator) 후단에서의 유량 분배율(flow split ratio)에 대한 입력자료가 요구된다.

제안 방법

경계조건으로 KALIMER-600 초임계 CO2 Brayton 사이클 에너지 변환계통을 적용하였다.
또한 상용 코드를 이용한 3차원 유동해석으로 초임계-CO₂에서의 터보기기의 성능과 설계 가능성(feasibility)을 분석하였다. 고집적 열교환기 또한 1차원 설계코드를 개발하여 초임계 Brayton 사이클 구성에 필요한 열교환기 크기를 결정하였으며, 상용코드로써 유동해석을 실시하여 고집적도에서 열전달 특성을 유지하면서 압력손실을 기존 제품에 비하여 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 형상의 열교환기를 개발하였다.
열교환기(LTR 및 HTR)의 효용도, 압축기 및 터빈의 효율은 이용 가능한 문헌에서 제시한 수치를 고려하여 설정하였다. 또한 LTR 후단에서의 유량 분배율은 LTR의 전열면적(UA) 크기와 계통 효율의 상관 관계의 민감도 분석을 통해 냉각기 (Cooler) 쪽으로 71 %, 압축기 쪽으로 29 %의 유량이 흐르도록 결정하였다(Figure 4). 전체적인 KALIMER-600계통 열평형에 사용된 입력 자료는 Table 1에 나타내었다.
터빈 및 압축기는 서로 유사한 설계과정을 통하여 기초적인 설계 인자를 결정하였는데, 비속도-비직경(specific speed-specific diameter)으로 표현되는 특성도(characteristic diagram)를 이용하여 크기(size) 및 단수(stage number), 축류형(axial) 또는 원심형(centrifugal) 등의 큰 인자를 결정한 후, 1차원 설계 및 성능해석 전산코드를 개발하여 보다 상세한 설계를 하였다. 또한 상용 코드를 이용한 3차원 유동해석으로 초임계-CO₂에서의 터보기기의 성능과 설계 가능성(feasibility)을 분석하였다. 고집적 열교환기 또한 1차원 설계코드를 개발하여 초임계 Brayton 사이클 구성에 필요한 열교환기 크기를 결정하였으며, 상용코드로써 유동해석을 실시하여 고집적도에서 열전달 특성을 유지하면서 압력손실을 기존 제품에 비하여 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 형상의 열교환기를 개발하였다.
본 연구에서는 에너지전환계통에 대한 4종류의 열교환기에 대하여, 1차원 설계코드를 개발하고 전열면적 및 크기를 Table 9와 같이 설정하였다. 또한 상용유동해석코드인 Fluent를 이용하여 Heatric사의 zigzag채널에 비하여 비슷한 열전달 특성을 보이면서 압력손실을 1/14 정도로 대폭 줄일 수 있는 air-foil형의 fin을 가진 새로운 형상의 고집적열교환기를 개발하였다. Figure 11은 본 연구를 통하여 개발한 열교환기와 기존의 열교환기의 성능을 비교하여 나타낸 것이다.
Brayton 사이클의 계통을 구성하고, 정상운전시의 열평형을 설정하였다. 또한 주요기기의 크기 및 형태 등을 설정하고, 성능 분석 및 설계를 위한 1차원코드를 개발하고, 3차원유동해석을 통하여 비교분석하여 초임계 CO₂ 기기의 적용 가능성을 분석하였다.
이렇게 결정된 설계인자를 입력으로 압축기 성능곡선을 생산하기 위해, 넓은 범위의 압축기 운전조건에서 1차원코드를 이용하여 압축기 성능을 계산하였다. 먼저, 압축기 1의 운전조건인 5734.41[kg/s] 유량의 50%~130%에 대해, 회전수인 3600[rpm]에 대해 40~120%에 대해 조건을 바꿔가면서 단열효율 및 압축비를 계산하였다. 압축기 2에 대해서도 역시 운전조건인 2342.
본 연구에서는 에너지전환계통에 대한 4종류의 열교환기에 대하여, 1차원 설계코드를 개발하고 전열면적 및 크기를 Table 9와 같이 설정하였다. 또한 상용유동해석코드인 Fluent를 이용하여 Heatric사의 zigzag채널에 비하여 비슷한 열전달 특성을 보이면서 압력손실을 1/14 정도로 대폭 줄일 수 있는 air-foil형의 fin을 가진 새로운 형상의 고집적열교환기를 개발하였다.
본 연구에서는 한국원자력연구원의 소듐냉각고 속로인 KALIMER-600과 연계하여 에너지전환계통으로 초임계 CO₂ Brayton 사이클의 계통을 구성하고, 정상운전시의 열평형을 설정하였다. 또한 주요기기의 크기 및 형태 등을 설정하고, 성능 분석 및 설계를 위한 1차원코드를 개발하고, 3차원유동해석을 통하여 비교분석하여 초임계 CO₂ 기기의 적용 가능성을 분석하였다.
초임계 CO₂ Brayton 사이클의 열평형을 설정하기 위해서는 Na-CO₂ 열교환기의 Brayton 사이클 계통 측출구 온도, 열교환기의 효용도 (effectiveness), 압축기 및 터빈의 효율 그리고 저온 재생열교환기(Low Temperature Recuperator) 후단에서의 유량 분배율(flow split ratio)에 대한 입력자료가 요구된다. 본 해석에서는 Na-CO₂열교환기의 Brayton 사이클 계통 측 출구 온도는 Shell and Tube 형식의 열교환기를 대상으로 최대 전열관 길이가 11 m를 넘지 않도록 하는 범위에서 508℃로 설정하였다. 열교환기(LTR 및 HTR)의 효용도, 압축기 및 터빈의 효율은 이용 가능한 문헌에서 제시한 수치를 고려하여 설정하였다.
41[kg/s] 유량의 50%~130%에 대해, 회전수인 3600[rpm]에 대해 40~120%에 대해 조건을 바꿔가면서 단열효율 및 압축비를 계산하였다. 압축기 2에 대해서도 역시 운전조건인 2342.22[kg/s]의 유량과 3600[rpm]의 회전수, 2.68의 압축비에 대해 운전 조건을 바꾸어 가며 단열효율, 압축비를 계산하였다(Figure 8, 9). Figure 10은 압축기 2의 1st stage에 대하여 3차원유동해석으로부터 구한 성능 곡선으로서 압축기 2에 대한 1차원해석 결과와는 약간의 차이가 있음을 볼 수 있다.
열교환기(LTR 및 HTR)의 효용도, 압축기 및 터빈의 효율은 이용 가능한 문헌에서 제시한 수치를 고려하여 설정하였다.
위의 특성도에서 등효율을 나타내는 등고선에서 최대 90% 이상의 효율의 터빈을 설계할 수 있도록 3단 또는 4단의 축류형으로 결정하여, 비직경을 결정하였다. 이로부터 KALIMER-600에 연계된 S-CO₂ Brayton 사이클(Figure 3)에 적용되는 터빈의 개념설계를 위한 주요설계 인자는 Table 2와 같이 설정하였다.
평균유선 해석 방법은 원심압축기 평균유선을 따라가면서 1차원적으로 유동과 에너지 관계식을 해석하는 방법이다. 이 과정에서 임펠러 형상과 유로 형상에 따른 여러 가지 인자의 효과를 잘 반영해 주는 정밀한 손실모형을 필요로 하기 때문에, 오형우^[6]등이 개발한 여러 가지 손실모형(Table 6)에 대한 평가를 기초로 1차원 설계 코드를 개발하였다. 여기서, 미끄러짐 계수(slip coefficient)는 윤성호 등^[7]이 여러 가지 모형을 비교 검토하여 제안한 바와 같이 넓은 작동영역에서 타당한 결과를 보여주어, 적용 가능한 Wiesner 의 모형을 사용하였다.
1차원코드로부터 구한 압축기 1 및 2에 대한 설계인자를 Table 7과 8에 나타내었다. 이렇게 결정된 설계인자를 입력으로 압축기 성능곡선을 생산하기 위해, 넓은 범위의 압축기 운전조건에서 1차원코드를 이용하여 압축기 성능을 계산하였다. 먼저, 압축기 1의 운전조건인 5734.
초임계 CO₂ Brayton 사이클의 에너지 변환 계통에 적용할 터보기기(터빈, 압축기) 및 고집적 열교환기의 개념설계에 대하여 간략히 기술하였다. 터빈 및 압축기는 서로 유사한 설계과정을 통하여 기초적인 설계 인자를 결정하였는데, 비속도-비직경(specific speed-specific diameter)으로 표현되는 특성도(characteristic diagram)를 이용하여 크기(size) 및 단수(stage number), 축류형(axial) 또는 원심형(centrifugal) 등의 큰 인자를 결정한 후, 1차원 설계 및 성능해석 전산코드를 개발하여 보다 상세한 설계를 하였다.
초임계 CO2 Brayton 사이클의 터빈은 개념 설계를 통하여 4단 축류 터빈으로 설정하였고, 두 대의 압축기는 성능을 고려하여 개념설계를 통하여 각각 2단ㆍ3단의 원심 압축기로 설정하였 다.
그림에서 볼 수 있듯이 사이클의 효율을 증가시키기 위해 두 개의 Recuperator를 통해 터빈을 통과한 초임계 CO₂의 에너지를 압축기에서 나온 초임계 CO₂에 전달한다. 초임계 CO₂는 임계점(30.97℃, 7.38MPa) 근처에서 압력에 따른 비열의 변화가 급격한데, 이 때문에 발생하는 역온도 구배를 방지하기 위해 유동을 둘로 나누고 두 대의 압축기를 사용하여 각기 압축하는 Recompression 사이클을 채택하였다.
Brayton 사이클의 에너지 변환 계통에 적용할 터보기기(터빈, 압축기) 및 고집적 열교환기의 개념설계에 대하여 간략히 기술하였다. 터빈 및 압축기는 서로 유사한 설계과정을 통하여 기초적인 설계 인자를 결정하였는데, 비속도-비직경(specific speed-specific diameter)으로 표현되는 특성도(characteristic diagram)를 이용하여 크기(size) 및 단수(stage number), 축류형(axial) 또는 원심형(centrifugal) 등의 큰 인자를 결정한 후, 1차원 설계 및 성능해석 전산코드를 개발하여 보다 상세한 설계를 하였다. 또한 상용 코드를 이용한 3차원 유동해석으로 초임계-CO₂에서의 터보기기의 성능과 설계 가능성(feasibility)을 분석하였다.
이로부터 KALIMER-600에 연계된 S-CO₂ Brayton 사이클(Figure 3)에 적용되는 터빈의 개념설계를 위한 주요설계 인자는 Table 2와 같이 설정하였다. 터빈의 개념 설계를 위해 개발한 1차원 해석코드를 이용하여 터빈의 단수, 블레이드의 직경, 터빈 효율 등의 효과를 분석하였다. 본 코드에는 터빈의 반동도를 0.
평균유선해석(meanline analysis) 방법을 이용하여 초임계 CO2 압축기를 1차원적으로 설계 및 해석하는 코드를 개발하였다.

대상 데이터

. 설계 코드에 사용된 초임계 CO₂ 물성치는 NIST사의 REPROP V.7을 이용하였다. 1차원 개념설계에 필요한 기본적인 설계인자인 크기 및 단수, 그리고 터빈의 형태는 Figure 5의 비속도(specfic speed)-비직경(specfic diameter) 선도를 바탕으로 설정하였다^[4].

데이터처리

이 코드를 이용하여 3차원 유동해석에 필요한 형상 구현에 필요한 인자들을 Table 3과 같이 설정하였다. 3차원 유동해석은 상용코드인 ANSYS CFX-11의 TurboGrid를 이용하여 수행하였다. 초임계 CO₂의 물성은, CFX에서 제공하는 Redlich Kwong의 경우 임계점 부근에서 급격히 변하는 물성을 잘 반영하기에 부족한 점이 있어서, 유동해석을 위하여 NIST 물성을 이용하여 만든 RGP(Real Gas Property) 파일을 계산에 활용하였다.

이론/모형

회전체 속도는 3600 rpm이며, 높은 난류 영역으로 부력 효과는 무시하였다. 벽면에서 노슬립(no slip) 조건을 주었고, shear stress transport (SST) 난류모델을 선택하였다. 유동해석에 필요한 격자 생성은 Table 4와 같이 설정하였다.
이 과정에서 임펠러 형상과 유로 형상에 따른 여러 가지 인자의 효과를 잘 반영해 주는 정밀한 손실모형을 필요로 하기 때문에, 오형우^[6]등이 개발한 여러 가지 손실모형(Table 6)에 대한 평가를 기초로 1차원 설계 코드를 개발하였다. 여기서, 미끄러짐 계수(slip coefficient)는 윤성호 등^[7]이 여러 가지 모형을 비교 검토하여 제안한 바와 같이 넓은 작동영역에서 타당한 결과를 보여주어, 적용 가능한 Wiesner 의 모형을 사용하였다.
압축기의 기본적인 설계인자를 결정하기 위해서는 설계인자 설정 경험식과 더불어, 개략적인 성능해석 모형(model)이 제시되어야 한다. 이를 위해서, 윤의수 등^[5]이 제시한 원심 압축기 설계 방법론을 채택하여 설계를 시작하였다.
3차원 유동해석은 상용코드인 ANSYS CFX-11의 TurboGrid를 이용하여 수행하였다. 초임계 CO₂의 물성은, CFX에서 제공하는 Redlich Kwong의 경우 임계점 부근에서 급격히 변하는 물성을 잘 반영하기에 부족한 점이 있어서, 유동해석을 위하여 NIST 물성을 이용하여 만든 RGP(Real Gas Property) 파일을 계산에 활용하였다. 경계조건으로 KALIMER-600 초임계 CO₂Brayton 사이클 에너지 변환계통을 적용하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초임계 CO 2 Brayton 사이클의 에너지 변환 계통에 적용할 터보기기(터빈, 압축기) 및 고집적 열교환기의 개념설계는 어떠한가?	초임계 CO 2 Brayton 사이클의 에너지 변환 계통에 적용할 터보기기(터빈, 압축기) 및 고집적 열교환기의 개념설계에 대하여 간략히 기술하였다. 터빈 및 압축기는 서로 유사한 설계과정을 통하여 기초적인 설계 인자를 결정하였는데, 비속도-비직경(specific speed-specific diameter)으로 표현되는 특성도(characteristic diagram)를 이용하여 크기(size) 및 단수(stage number), 축류형(axial) 또는 원심형(centrifugal) 등의 큰 인자를 결정한후, 1차원 설계 및 성능해석 전산코드를 개발하여 보다 상세한 설계를 하였다. 또한 상용 코드를 이용한 3차원 유동해석으로 초임계-CO 2에서의 터보기기의 성능과 설계 가능성(feasibility)을 분석하였다.
	소듐냉각고속로는 무엇인가?	소듐냉각고속로(Sodium cooled Fast Reactor)는우라늄 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 미래의 원자로이다. 지금까지 소듐냉각 고속로의 에너지전환계통에는 물/증기를 작동유체로 사용하는 Rankine 사이클이 사용되어 왔으나, 최근 차세대 원자로 연구의 일환으로 고효율을 달성할 수있는 에너지전환계통에 대한 연구가 진행되고 있으며, 초임계 CO 2 를 작동유체로 사용하는 가스터빈 Brayton 사이클이 Rankine 증기사이클을 대체할 대안으로 제시되고 있다 [1][2] .
	소듐냉각 고속로의 에너지전환계통에 지금까지 무엇이 사용되어 왔는가?	소듐냉각고속로(Sodium cooled Fast Reactor)는우라늄 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 미래의 원자로이다. 지금까지 소듐냉각 고속로의 에너지전환계통에는 물/증기를 작동유체로 사용하는 Rankine 사이클이 사용되어 왔으나, 최근 차세대 원자로 연구의 일환으로 고효율을 달성할 수있는 에너지전환계통에 대한 연구가 진행되고 있으며, 초임계 CO 2 를 작동유체로 사용하는 가스터빈 Brayton 사이클이 Rankine 증기사이클을 대체할 대안으로 제시되고 있다 [1][2] . Brayton 사이클에서 초임계 CO 2 를 작동유체로 사용하는 경우, 헬륨을 작동유체로 사용하는 사이클보다 압축일이 감소되어 더 높은 효율을 얻을 수 있으며, Rankine 사이클의 소듐-물 반응(Sodium-Water Reaction) 문제를 극복할 수 있는 대안이 되고 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초임계 이산화탄소 Brayton 에너지 전환계통 예비설계
Preliminary Design of the Supercritical $CO_2$ Brayton Cycle Energy Conversion System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초임계 이산화탄소 Brayton 에너지 전환계통 예비설계 Preliminary Design of the Supercritical $CO_2$ Brayton Cycle Energy Conversion System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초임계 이산화탄소 Brayton 에너지 전환계통 예비설계
Preliminary Design of the Supercritical $CO_2$ Brayton Cycle Energy Conversion System 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper