초록 ▼

제4세대 원자로(Gen-IV) 개발 대상의 하나인 수소생산용 초고온가스로(VHTR)의 운전 조건은 수소 생산 공정 중에서 가장 경제성을 보이고 있는 Iodine-Sulfer 공정에 필요한 원자로 출력 온도를 60기압 이상에서 $950^{\circ}C$ 정도 수준을 요구한다. 본 연구에서는 수치해석 및 실험적 접근을 통해 VHTR 중간열교환기 설계를 위한 컴팩 열교환기에 적합한 세관에서 헬륨의 단상 유동 열전달 및 물의 대류비등 열전달 설계 자료를 구축하였다. 컴팩 열교환기를 구성하는 세관에서의 헬륨 열유동 특성을

제4세대 원자로(Gen-IV) 개발 대상의 하나인 수소생산용 초고온가스로(VHTR)의 운전 조건은 수소 생산 공정 중에서 가장 경제성을 보이고 있는 Iodine-Sulfer 공정에 필요한 원자로 출력 온도를 60기압 이상에서 $950^{\circ}C$ 정도 수준을 요구한다. 본 연구에서는 수치해석 및 실험적 접근을 통해 VHTR 중간열교환기 설계를 위한 컴팩 열교환기에 적합한 세관에서 헬륨의 단상 유동 열전달 및 물의 대류비등 열전달 설계 자료를 구축하였다. 컴팩 열교환기를 구성하는 세관에서의 헬륨 열유동 특성을 Fluent 코드를 이용하여 해석한 결과 일정한 물성치를 가정한 조건에서 Fluent에서 제공되는 모델들의 Nusselt수 예측결과는 레이놀즈수가 10,000이하인 유동 조건에서 실험 데이터와 비교해 30%이상의 오차를 보였다. 한편 지그재그(zigzag) 챈널에서의 유동 및 열전달 예측 능력을 3차원 해석을 통해 비교하였다. 엇갈림 각이 $100^{\circ}$ 일 때 다른 경우보다 20% 이상 열전달을 높게 예측하였다. 세관에서 고온 고압 헬륨가스의 열유동 특성 실험 결과는 가스 압력 10-60 bar, 열유속 $20-110kW/m^2$, 헬륨 가스의 입구온도 $100-400^{\circ}C$ 범위에서 유량, 입구온도, 입구압력, 열유속의 영향을 받지 않고 Nu수가 약 7정도로 일정하였다. 이러한 결과는 열전달 측면에서 재충류화 현상으로 인하여 입구 Re 수가 난류영역이라 하더라도 관내유동이 층류유동 현상을 나타내는 것으로 판단된다. 수평 세관에서 물의 물의 대류비등 열전달계수 실험은 내경 1.73mm인 미니채널에서 대류비등 열전달계수가 질량유속 $100kg/m^2s$, 열유속 $30-70kW/m^2$, 작동압력 1-18 bar 범위에서 $3-25kW/m^2K$ 정도로 나타났다. 본 연구의 1단계에서 구축한 헬륨의 열유동 특성 자료는 2단계 연구에서 수행될 molten salt에 대한 열수력 실험 자료와 함께 고온 고압의 VHTR 중간열교환기 개발에 활용될 예정이다.

Abstract ▼

In the present work, numerical analyses and experiments have been carried out to obtain the compact heat exchanger design data of single phase helium flow and flow boiling of water in minichannels.
- Thermal fluid analysis of helium flow in minichannels
- Experiment of high temperature high pr

In the present work, numerical analyses and experiments have been carried out to obtain the compact heat exchanger design data of single phase helium flow and flow boiling of water in minichannels.
- Thermal fluid analysis of helium flow in minichannels
- Experiment of high temperature high pressure helium flow in minichannels

목차 Contents

• 제 1 장 서론...28
• 제 1 절 연구개발의 필요성...28
• 제 2 절 국내외 기술개발 현황...30
• 제 3 절 연구개발 목표 및 연구 내용...33
• 제 2 장 세관에서 고온 고압 헬륨의 열유동 해석...34
• 제 1 절 서론...34
• 1. 연구 배경...34
• 2. 연구 목적...36
• 제 2 절 선행연구 고찰...36
• 1. 서론...36
• 2. 유동 특성에 관한 연구...37
• 3. 지배 방정식...39
• 4. 난류 모델...40
• 5. 물성치 변화에 대한 영향...41
• 제 3 절 수평관내 물성치 변화를 고려한 난류유동...46
• 1. 물성치가 일정한 강제대류 유동해석...46
• 2. 물성치 변화를 고려한 강제대류 유동해석...48
• 제 4 절 PCHE 관내 유동의 열전달 예측...65
• 1. 서론...65
• 2. 격자 구성과 경계조건...65
• 3. 수치 기법...66
• 4. 계산 결과...66
• 제 5 절 결론...71
• 제 3 장 세관에서 고온 고압 헬륨의 열유동에 관한 실험적 연구...72
• 제 1 절 서론...72
• 1. 연구 배경...72
• 2. 연구 목적...73
• 제 2 절 선행연구 고찰...75
• 1. 서론...75
• 2. 관내에서의 유동...75
• 3. 관내에서의 대류 열전달...78
• 4. 재층류화...80
• 5. 물성치 변화에 대한 영향...81
• 6. 선행연구 고찰 요약...82
• 제 3 절 실험장치 및 실험방법...96
• 1. 실험장치...96
• 2. 실험방법...99
• 3. 데이터 처리...100
• 4. 실험오차 분석...101
• 제 4 절 실험결과 및 고찰...114
• 1. 실험조건...114
• 2. 열전달계수...114
• 3. 압력강화...116
• 제 5 절 결론...122
• 제 4 장 세관 내 물의 대류비등 시 압력의 영향에 관한 실험적 연구...124
• 제 1 절 서론...124
• 1. 연구 배경...124
• 2. 연구 목적...124
• 제 2 절 선행연구 고찰...125
• 1. 서론...125
• 2. 대류비등 열전달...126
• 3. 미니채널에서의 대류비등 열전달...129
• 제 3 절 실험장치 및 실험방법...148
• 1. 실험장치...148
• 2. 실험방법...152
• 3. 데이터 처리...153
• 4. 실험오차 분석...155
• 제 4 절 실험결과 및 고찰...169
• 1. 단상유동 실험...169
• 2. 대류비등 실험...169
• 3. 대류비등 실험 결과...170
• 제 5 절 결론...177
• 제 5 장 결론 및 향후계획...178
• 참고문헌...182