High-Temperature Structural Analysis on the Small-Scale PHE Prototype under the Test Condition of Small-Scale Gas Loop

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(1)한국압력기기공학회 논문집 제8권 제1호 2012년 3월 pp. 1 󰡈 7. 소형가스루프 시험조건에서 소형 공정열교환기 시제품의 고온구조해석 송기남† ․ 홍성덕* ․ 박홍윤**. High-Temperature Structural Analysis on the Small-Scale PHE Prototype under the Test Condition of Small-Scale Gas Loop †. *. **. Kee-nam Song , S-D Hong and H-Y Park. (Received 15 November 2011, Revised 25 January 2012, Accepted 28 January 2012). ABSTRACT A PHE (Process Heat Exchanger) is a key component required to transfer heat energy of 950°C generated in a VHTR (Very High Temperature Reactor) to the chemical reaction that yields a large quantity of hydrogen. A small-scale PHE prototype made of Hastelloy-X is being tested in a small-scale gas loop at Korea Atomic Energy Research Institute. In order to properly evaluate the high-temperature structural integrity of the small-scale PHE prototype, it is very important to impose a proper constraint condition on its structural analysis model. For this effort, we tried to impose several constraint conditions on the structural analysis model and consequently fixed a proper and effective displacement constraints. Key Words : High-Temperature Structural Analysis(고온구조해석), Nuclear Hydrogen System(원자력 수소 시스템), Process Heat Exchanger(PHE; 공정열교환기), Very High Temperature Reactor(VHTR; 초고온 가스로). 1. 서 론 초고온가스로(Very High Temperature gas cooled Reactor; VHTR)에서 생산된 초고온 열을 이용하여 수 소를 대량 및 경제적으로 생산하려는 연구가 우리나 라를 비롯하여 세계 여러 나라에서 수행되고 있는데 1-7) 우리나라의 원자력수소생산 시스템에서는 VHTR 에서 얻어진 초고온(약 950℃) 헬륨기체의 열에너지 와 열화학적 황산-요오드 공정을 이용하여 물을 분해 함으로써 청정에너지인 수소를 대량으로 생산하는 개 념을 고려하고 있다. 그런데 이 시스템에서는 Fig. 1 † 책임저자, 회원, 한국원자력연구원 E-mail : [email protected] TEL : (042)868-2254 FAX : (042)868-2066 * 한국원자력연구원 ** AD Solution. Fig. 1 Nuclear hydrogen system.

(2) 2. 송기남 ․ 홍성덕 ․ 박홍윤. 에서 보듯이 초고온가스의 이동 통로인 고온가스덕트 (Hot Gas Duct; HGD), 초고온열을 전달하는 중간 열. 의 그루브(groove)가 기계가공으로 형성되어 있으며, 2차 측 저온 냉각재(SO3 기체)가 흐르는 유로 채널은. 교환기(Intermediate Heat Exchanger; IHX) 및 물을 분. 물결 모양의 유로가 굽힘 가공에 의해 형성되어 있다. 해하기 위한 열교환기로서 공정열 교환기(Process Heat Exchanger; PHE) 등으로 구성된 중간루프가 반드시 필요하다. 한국원자력연구원에 구축된 소형가스루프에서 PHE 소형 시제품과 Hastelloy-X로 제작된 소형 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 시제품 그리고 HGD 시제품 등과 같은 원자력수소생산 시스템의 핵심기기들에 대 8-10). 한 성능시험을 수행하여 관련 시험기술과 해석기술 을 축적하려 하고 있다.. 소형 PHE 시제품의 거시적 고온구조건전성에 관 8,9,11,12). 련된 일련의 연구가 수행되었고. 연구수행결과. 에 의하면 소형가스루프에 설치된 소형 PHE 시제품 의 고온구조건전성 평가에서 시제품과 연결된 배관. Fig. 3 Inside of PHE. 특성과 변위 구속조건의 적절한 적용이 매우 중요함 이 알려졌다. 본 연구에서는 소형가스루프에 설치된 소형 PHE 시제품의 고온구조특성을 파악하기 위한 구조해석 모델링 정립의 일환으로 구조해석 경계조 건을 설정하는 연구를 수행하고 구조해석에 소요되 는 시간을 효과적으로 줄이며 실제 경계조건을 적용 한 경우와 유사한 결과를 낼 수 있는 경제적이며 효과 적인 변위 구속조건을 제시하였다.. 2. 소형 공정열교환기 시제품의 구조 제작된 소형 PHE 시제품에서 1차 측 초고온 열매체. Fig. 4 Parts of inside of PHE prototype. (He 기체)가 흐르는 유로판의 표면에는 직경 1.0 mm. a) primary flow plate. b) secondary flow plate. Fig. 2 Flow plates. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 1. Fig. 5 Small-scale PHE prototype.

(3) 소형가스루프 시험조건에서 소형 공정열교환기 시제품의 고온구조해석. 3. 13,14). (Fig. 2 및 3 참조) . 이 소형 PHE 시제품의 내부 는 1차 측 고온 열매체용 유로판 10개와 2차 측 저온 냉각재용 유로판 10개가 교대로 적층되고 적층된 유 로판들의 모서리는 확산접합(diffusion bonding)되며 적층 및 확산접합된 유로판 외부는 두께 3.0 mm의 Hastelloy-X 판으로 감싸여서 압력경계를 이루고 있 다. 논문의 이해를 돕기 위해 Fig. 4는 소형 PHE 시제 품의 전반적인 치수와 소형 PHE 시제품을 구성하는 각 부품들의 형상과 조립내역을 3차원 CAD로 나타낸 것이며 Fig. 5는 소형 PHE 시제품의 3차원 CAD 형상 과 실제 시제품 사진 및 조립된 소형 PHE 시제품 형. Fig. 6 Thermal boundary condition of PHE prototype. 상에서 1차 및 2차 유체의 유입/유출 경로 등을 나타 낸 것이다.. 3. 열해석 소형 PHE 시제품에 대한 구조해석용 FE 모델링, 1차 및 2차 유체의 유입/유출구 모델링 및 열 해석 및 고온 구조해석을 위한 경계조건과 고온 탄성/탄소성 11). 구조해석결과 등에 대한 상세한 사항은 예전 연구. Fig. 7 Temperature distribution of PHE outside. 에 기술되어 있지만 본 논문의 이해를 돕기 위해 아 래의 3.1, 3.2에 간략히 요약하여 기술하였다.. 석 결과는 PHE 시제품의 탄성 고온구조해석에 이용 된다.. 3.1 유한요소(FE) 모델링 FE 모델링 및 열 해석은 I-DEAS/TMG Ver. 6.115) 16) 을 사용하였으며 구조해석은 ABAQUS Ver. 6.9-1 을 사용하였다. 1차 및 2차 측 유동의 열적 접촉조건 을 부여하기 위해 FE 모델에서는 546,764개의 2차원 선형 사각형 쉘 요소와 911,012개의 3차원 선형 체적 요소로 구성되어 있으며 총 절점 수는 1,102,822이다. 3차원 선형 체적요소로는 육면체 요소 830,304개가 사 용되었고, 해석의 정확도는 떨어지나 복잡한 형상을 용 이하게 구현하기 위해 부분적으로 오면체 요소 80,348 개 및 사면체 요소 360개가 사용되었다. 3.2 열 해석 경계조건 및 해석결과 소형가스루프에서 소형 PHE 시제품의 성능시험조 건(1차 열매체의 유입 온도가 850℃)을 고려한 열 해 석 경계조건은 Fig. 6에 나타나 있고 이를 이용한 소형 PHE 시제품 전체 구조에 대한 열 해석 결과는 Fig. 7 에 나타나 있다. Fig. 7의 온도분포에서 소형 PHE 시 제품 외표면의 최대온도는 837.15℃ 정도이다. 이 해. 4. 고온구조해석 4.1 물성치 및 경계조건 열 해석 결과를 이용하여 소형 PHE 시제품 전체 구 조에 대한 고온구조해석을 수행하였다. Hastelloy-X의 물성치는 참고문헌 17의 값을 사용하였다. Fig. 8은 소 형가스루프에 설치된 소형 PHE 시제품과 관련 배관 을 나타낸 것으로 열팽창을 수용하기 위해 소형 PHE 시제품은 U-tube 및 엘보우 곡관, 직관(straight tube) 등과 연결되어 있다. 또한 2차 유체 유출관이 부착되어 있는 소형 PHE 시제품 밑면은 고정된 받침대(fixed stand) 위에 놓여 있다. 소형가스루프에 설치된 소형 PHE 시제품의 고온구 조건전성을 적절하게 평가하기 위해서는 다음의 2가 지 사항을 필히 고려해야 한다. 첫째, 소형 PHE 시제 품과 연결된 배관들의 특성을 적절하게 모사한 구속 조건을 적용하는 것과 둘째, Fig. 8에서와 같이 고정 된 받침대위에 놓여있는 소형 PHE 시제품 밑면에 적. 한국압력기기공학회 논문집 제8권 제1호 2012년 3월.

(4) 4. 송기남 ․ 홍성덕 ․ 박홍윤. 절한 구속조건을 적용하는 것이다. 첫째 고려사항을 적절하게 모사하기 위해서는 소형 PHE 시제품과 연결된 배관들을 관찰할 필요가 있다. 즉, 연결된 U-tube 및 엘보우 곡관, 직관 등의 배관에 서 길이 방향으로 열팽창을 수용하는 부분과 굽힘 변 형으로 열팽창을 수용하는 부분으로 나누어서 열팽 창을 수용하는 스프링 강성을 구한 뒤에 궁극적으로 열팽창을 수용할 수 있는 등가 스프링 강성을 구하여 적용한다. 등가 스프링 강성을 구하는 방법은 참고문 헌 18에 상세히 기술되어 있다. 둘째 고려사항과 관련하여, 접촉조건을 적용하는 것 이 가장 현실적이나 해석시간이 많이 소요되어서 Fig.. Fig. 8 Set-up of PHE prototype in the gas loop. Fig. 9 Various boundary conditions. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 1. 9에서와 같은 3가지 변위 구속조건을 대안으로 제시 하여 구조해석을 수행하였고 접촉조건을 적용한 해석 결과와 비교하였다. Fig. 9에서 Case I은 소형 PHE 시 제품 밑면의 수직 변위를 구속하는 것이고 Case II는 소형 PHE 시제품 밑면에 연결된 파이프라인의 수직 변위를 구속하는 것이며, Case III은 소형 PHE 시제 품 밑면에 윗면과 동일한 스프링 강성을 부과한 것 이다.. 4.2 해석 결과 Fig. 10은 Case I 구속조건을 적용한 고온 탄성구조 해석의 응력분포를 나타낸 것이다. 소형 PHE 시제품 압력경계에서 최대 응력은 상부판의 모서리 부위에서 발생(272.60 MPa)하였고 2차측 유출구 주변의 압력 경계(소형 PHE 시제품 밑면 및 밑면의 상/하부 모서 리)에서도 비교적 높은 응력이 발생하였다. 2차측 유 출구 주변의 소형 PHE 시제품 밑면과 모서리에서 비 교적 높은 응력이 발생한 것은 소형 PHE 시제품 밑면 의 변위가 실제보다 과도하게 구속됨(실제는 시제품 이 받침대위에 놓여있는 상태인데 반해 Case I에서는 수직변위를 구속함)으로서 기인된 것으로 추정된다. Fig. 11은 Case II 구속조건을 적용한 고온 탄성구조 해석의 응력분포를 나타낸 것이다. 소형 PHE 시제품 압력경계에서 최대 응력은 상부판의 모서리 부위에서 발생(272.26 MPa)하였고 2차측 유출구와 소형 PHE 시제품 밑면이 접하는 부위 근처에서도 비교적 높은 응력이 발생하였다(Case I에서 발생하였던 소형 PHE 시제품 밑면의 상/하부 모서리에서의 높은 응력은 완 화됨). 2차측 유출구와 소형 PHE 시제품 밑면이 접하 는 부위 근처에서 비교적 높은 응력이 발생한 것은. Fig. 10 Stress distribution for Case I.

(5) 소형가스루프 시험조건에서 소형 공정열교환기 시제품의 고온구조해석. 소형 PHE 시제품 밑면에 연결된 파이프라인의 수직 변위를 구속함으로서 소형 PHE 시제품의 밑면을 파 이프라인이 밀어주는 구속을 함으로서 기인된 것으 로 보여진다. Fig. 12는 Case III 구속조건을 적용한 고온 탄성구 조해석의 응력분포를 나타낸 것이다. 소형 PHE 시제 품 압력경계에서 최대 응력은 상부판의 모서리 부위 에서 발생(272.33 MPa)하였는데 2차측 유출구와 소형 PHE 시제품 밑면이 접하는 부위 근처에서의 응력분 포가 Case I 및 Case II에 비해 높은 응력이 발생한 영 역의 크기 및 응력 크기가 줄어들었다. 또한 Case I에 서 발생하였던 소형 PHE 시제품 밑면의 상/하부 모서 리에서는 높은 응력도 완화되었다. 소형 PHE 시제품이 Fig. 8과 같이 설치되어 있는 경 우에 대하여 소형 PHE 시제품 밑면에 Fig. 13과 같 은 접촉조건을 부과한 해석을 수행하였다. 부연하여 설명하면 실제 설치조건에서와 같이 고정된 40×40 mm (t＝2 mm) 사각 파이프 2개가 소형 PHE 시제품 밑면. 5. 과 접촉되어 있고 접촉면에서의 과도한 미끄러짐을 방지하기 위해 0.1의 마찰계수를 사용하였다. Figs. 14 및 15는 접촉조건을 적용한 고온 탄성구조 해석에서 응력 분포와 변형률 분포를 나타낸 것이다. Fig. 14에서 보면 최대 응력(310.00 MPa)은 소형 PHE 시제품 밑면의 받침대 모서리 접촉부위 모서리에서 발생하였으나 Fig. 14에서 보듯이 이는 매우 국부적 인 영역에서 발생한 응력으로 고온구조건전성 평가 에서 유의할 부분은 아니라고 판단된다. Fig. 15는 접 촉조건을 적용한 고온 탄성구조해석의 변형률 분포 를 나타낸 것으로 최대 변형률(0.0135)이 1차 유체 유 출구 주변에서 발생하였다. 접촉조건을 사용한 해석의 응력분포(Fig. 14)에서 보면 Case I, II 및 III에서 최대응력이 발생한 부위에 서와 같은 부위에서는 약 270.07 MPa정도의 응력이 발생하였고 이는 Case I, II 및 III에서의 응력과 유의 할 정도의 차이는 없는 것으로 사료된다. 그리고 소형 PHE 시제품 밑면의 응력분포와 외부면의 응력분포를. Fig. 11 Stress distribution for Case II. Fig. 13 Contact condition. Fig. 12 Stress distribution for Case III. Fig. 14 Stress distribution for contact condition. 한국압력기기공학회 논문집 제8권 제1호 2012년 3월.

(6) 6. 송기남 ․ 홍성덕 ․ 박홍윤. 수행하면 신속히 그리고 효율적으로 고온 구조해석을 수행할 수 있을 것으로 보인다.. 5. 결 론. Fig. 15 Strain distribution for contact condition. 소형가스루프에 설치된 소형 PHE 시제품에 대한 거 시적인 고온 구조건전성을 파악하기 위한 구조해석 모델링 정립의 일환으로 여러 구조해석 경계조건에 대한 해석을 수행하고 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 접촉조건을 비롯한 여러 경계조건을 구조해석에 적용한 해석에서 유의한 최대응력은 모두 상부판의 모서리 부위에서 발생하였다. 이 부위는 유로판들이 적층되고 확산접합/용접된 부위이어서 실제 시제품 제조시에는 구조적으로 취약한 부위/주변이 될 수 있 으므로 양호한 접합품질 및 접합기술을 확보하는 것이 필요하다 하겠다. 2. 접촉조건을 적용한 해석이 실제 경계조건을 실질 적으로 모사하는 조건이나 해석에 소요되는 시간이 많이 소요되어서 소형 PHE 시제품 밑면에 윗면과 동 일한 스프링 강성을 부과하는 경계조건을 적용하는 것이 경제적이며 효율적인 것으로 판단된다.. 후 기 Fig. 16 Strain distribution for Case III. 살펴보면 접촉조건을 사용한 경우의 응력분포와 제 일 유사한 경우는 Case III인 것으로 보인다. Fig. 16 은 Case III 구속조건을 적용한 고온 탄성구조해석의 변형률 분포를 나타낸 것으로 최대 변형률(0.0136)이 1차 유체 유출구 주변에서 발생하였는데 Figs. 15 및 16의 변형률 분포를 살펴보면 매우 유사함을 알 수 있다. 따라서 세 가지 제시된 변위 경계조건 중에서 Case III의 변위 경계조건을 적용하는 것이 접촉조건 을 적용한 경우와 가장 유사한 해석 결과를 나타내고 있는 것으로 보인다. 접촉조건을 사용한 해석은 workstation에서 작동되 지 않아서 부득이 Supercom에서 해석을 수행하였는 데 해석에는 약 5일 정도가 소요되는 반면 Case I, II 및 III에서는 workstation에서 4시간 정도 소요되고 있 다. 따라서 향후 해석에서는 접촉조건과 유사한 결과 를 나타낼 수 있는 Case III 경계조건하에서 해석을. Transaction of the KPVP, Vol. 8, No. 1. 본 연구는 교육과학기술부의 원자력연구개발사업 인 원자력수소 핵심기술개발(대과제) 초고온가스로 요소기술개발(세부과제)의 일환으로 수행되었음.. 참고문헌 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 Preconceptual Design Report, INL/EXT-07-12967. 4. Westinghouse, 2007, NGNP and Hydrogen Production Pre-conceptual Design Report, NGNPESP-RPT-001, Rev.01. 5. Chang, J-H, Kim, Y-W, Lee, K-Y, Lee, Y-W, Lee, W-J, Noh, J-M, Kim, M-H, Lim, H-S, Shin, Y-J, Bae, K-K, and Jung, K-D, 2007, “A study of a nuclear hydrogen production demonstration plant,”.

(7) 소형가스루프 시험조건에서 소형 공정열교환기 시제품의 고온구조해석. 6.. 7.. 8.. 9.. 10.. Nuclear Engineering and Technology, Vol. 39, No. 2, pp. 111-122. Lee, W-J, Kim, Y-W, and Chang, J-H, 2009, “Perspectives of nuclear heat and hydrogen,” Nuclear Engineering and Technology, Vol. 41, No. 4, pp. 413-426. Shin, Y-J, Chang, K-W, Kim, J-H, Park, B-H, Lee, K-Y, Lee, W-J, and Chang, J-H, 2009, “A dynamic simulation of the sulfuric acid decomposition process in a sulfur-iodine nuclear hydrogen production plant,” Nuclear Engineering and Technology, Vol. 41, No. 6, pp. 831-840. Song, K-N, Lee, H-Y, Hong, S-D, and Park, H-Y, 2010, “High-temperature structural analysis on the small-scale PHE prototype,” Transactions of KPVP, Vol. 6, No. 1, pp. 57-64. Song, K-N, Lee, H-Y, Hong, S-D, and Park, H-Y, 2011, “Elastic/Plastic High-temperature structural analysis on the small-scale PHE prototype,” Transactions of KPVP, Vol. 7, No. 2, pp. 1-6. Song, K-N, Lee, H-Y, Hong, S-D, and Park, H-Y, 2011, “Macroscopic high-temperature structural analysis model of the small-scale PCHE prototype (II),” Transactions of KSME, Vol. 35, No. 9, pp. 1137-1143.. 7. 11. Song, K-N, Hong, S-D, and Park, H-Y, 2011, “High-temperature structural analysis of a small-scale PHE prototype(IV)-Macroscopic high-temperature elastic-plastic anslysis,” Transactions of KSME, Vol. 35, No. 10, pp. 1249-1255. 12. Song, K-N, Hong, S-D, and Park, H-Y, 2011, “Designing a PHE and evaluation of high-temperature structural integrity on its small-acale prototype,” Proceedings of the KSME 2011 Fall Annual Meeting. 13. Kim, Y-W et al., 2009, “Development of essential technology,” KAERR/RR-2992/2008. 14. Kim, Y. W. et al., 2008, “High temperature and high pressure corrosion resistant process heat exchanger for a nuclear hydrogen production system,” R.O.K Patent # 10-0877574. 15. I-DEAS/TMG ver.6.1, 2009. 16. ABAQUS ver.6.9-1, 2009. 17. Hastelloy-X Alloy website, www.haynesintl.com. 18. Song, K-N, Kang, J-H, Hong, S-D, and Park, H-Y, 2011, “Elastic High-temperature structural analysis on the small-scale PHE prototype considering the pipeline stiffness,” Transactions of KPVP, Vol. 7, No. 3, pp. 48-53.. 한국압력기기공학회 논문집 제8권 제1호 2012년 3월.

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