수열탄화 반응기의 두께 및 종횡비 최적화 설계를 통한 반응기 승온 시간 단축

Abstract

본 연구에서는 실험실 규모 수열탄화 반응기 유한 요소 모델에 대한 다양한 열 및 유체 해석 시뮬레이션을 진행하여, 실험실 규모 수열탄화 반응기의 설계 기준 및 최적 형상에 대하여 연구하였다. 연구에 사용된 수열탄화 반응기는 반응기에 부착된 세라믹밴드히터로부터 하우징으로 열전달이 먼저 진행되고, 그 열로 인하여 내부 유동이 생기게 되는 구조이다. 또한 내부로 전달된 열은 상변화를 일으켜 반응기 내부의 압력을 상승하게 한다. 결과적으로 이 압력과 반응기의 벽면 온도가 반응기의 변형을 유발한다. 본 연구의 시뮬레이션은 이러한 과정을 모사하기 위해 기존의 FSI (Fluid-Structure Interaction) 연구와는 다르게, 유동 해석을 먼저 진행한 것이 아닌 수열탄화 반응기 하우징에 대한 열전달 구조 해석을 선행하였다. 반응기 하우징 해석을 통해 얻을 수 있는 벽면의 온도 데이터는, 실제 반응기 벽면의 온도 데이터와 검증하여 세라믹밴드히터의 열원 모델링을 진행하였다. 그 후 모델링된 열원을 반응기 유동장에 맵핑시킴으로써 반응기의 변형 여부와 안정성을 확인할 수 있었다. 결과적으로 위 과정을 통하여 실험실 규모 수열탄화 반응기의 여러 가지 데이터를 얻을 수 있었고, 기존에 사용되었던 반응기 두께 10mm, 종횡비 1.35 모델 대비 승온 시간을 314초 단축시킨 두께 7mm, 종횡비 1.5 Model을 최적 형상으로 제안하였다. 또한 실험실 규모 수열탄화 반응기를 설계하는데 있어 최소한으로 보장되어야 하는 반응기의 두께가, ASME 압력용기 설계 기준보다 58.6% 두께를 두껍게 설계되어야 한다는 새로운 설계기준을 제안하였다.