공기조절식 산화장치의 열전달 특성

신현규, 강권호*, 김  철, 김길정*

아주대학교 에너지학과, 한국원자력연구소*

Heat Transfer Characteristics of Air Controlled Oxidizer

Hyun Kyoo Shin, Kweon Ho Kang*, Chul Kim, Kil Jeong Kim*

Department of Energy, Ajou University,

Korea Atomic Energy Research Institute(NEMAC)*

서    론

감손우라늄은 천연우라늄으로부터 U235를 추출하는 과정에서 얻어지는 부산물로서 U235의 농도는 0.2-0.3%이다. 이렇게 얻어진 감손우라늄은 미사일의 투과체, 비행기의 무게중심제 등으로 사용될 뿐만 아니라 연구용 원자로 및 차세대 원자로의 신형핵연료를 개발과정의 모의 핵연료로서 이용되고 있다. 이러한 제조과정에서 칩과 스크랩 형태의 폐기물이 발생하게 되며, 칩 형태의 감손우라늄은 반응면적이 넓어 열적으로 매우 불안정하여 자연발화하는 성질이 있으므로 개방형 드럼을 이용하여 물속에 저장하고 있는 실정이다. 따라서 감손우라늄칩 폐기물은 가장 안정된 우라늄화합물인 U3O8의 형태로 안정화하여 최종처분되어야 한다. 그러나 안정화하기 위하여 감손우라늄칩을 산화처리할 때 발생되는 높은 산화열로 용기가 파손되는 등으로 인하여 용기의 적절한 냉각이 필요하다.

공기조절식 산화장치는 감손우라늄 폐기물칩을 산화처리하여 안정화하기 위한 장치로서 주입되는 공기의 량을 조절하여 산화시 발생열량을 제어할 수 있도록 설계되었다 [1,2]. 감손우라늄 폐기물칩을 처리하기 위한 산화장치와 같이 내부에 발열체가 있는 밀폐용기의 열전달 현상은 원자로의 설계 및 반응기내의 온도분포등 공학적으로 매우 중요한 연구대상이 되고 있다. Miyamoto 등[3]은 윗벽과 아랫벽 그리고 한쪽 수직벽이 고온의 등온이고 나머지 한쪽벽을 부분적으로 또는 전체적으로 열린 사각형 공간에서의 2차원 정상 층류 자연대류를 유한차분법을 이용하여 수치해석 하였으며, Myrum[4]은 Prandtl수가 약 5인 물속에서 vent의 크기, 내부 밀폐공간의 높이, Rayleigh수 등을 변화시키면서 내부 열원으로부터 top-vented 밀폐공간에서의 자연대류에 대한 실험적 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 감손우라늄칩의 산화시 발생열을 모사할 수 있는 용량의 전기히터를 용기 내부에 설치하여, 히터의 발생열량을 달리하면서 수정된 Rayleigh수에 따른 평균 Rayleigh수와 Nusselt수 등을 구하여 열전달 특성을 파악하였다.

실    험

실험장치 그림 1은 강 등[1]이 개발한Fig. 1.  Schematic diagram of air 공기조절식 산화장치이다. 이 산화장치에서 Oxidation chamber는 스텐레스 스틸 316을 이용하여 직경 450mm, 높이 670mm, 두께 5mm의 원통형 용기로 제작되었다. 그림 2는 공기조절식 산화장치의 일부분인 용기, 히터의 치수 및 측정계통의 개략도이다. 감손우라늄의 산화시 산화열을 모사할 수 있는 직경 150mm, 높이 50mm인 2kW(220V×24.6□)용량의 전기히터를 장치내부의 밑면에서 30mm 높이에 설치하였으며, 장치 내외벽의 온도측정을 위하여 장치의 밑면으로부터 95mm, 295mm, 495mm의 위치에 내외면에 각각 열전대를 설치하였다. 열전대는    Fig.1. Schematic diagram of

0.25mm의 copper-constantan(T-type)을    air controlled oxidizer.

이용하였다.

열전대는 data acquisition system인 HR 2500E(Yokogawa, Japan)과 RS-232-C를 이용하여 386 DX PC에 연결하였다. 이렇게 측정된 온도는 컴퓨터에 2분 간격으로 자동기록 되도록 하였다.

실험방법 실험은 공기중(Pr = 0.7)에서 수행되었으며 히터에 공급되는 전압을 50V(101.6W)에서 196V(1561.6W)의 범위에서 10V 간격으로 조절하여 발생열을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 본 실험은 용기내부의 수정된 Rayleigh수(Ra*)가 4.53[eqn: TIMES]1011[eqn: <=] Ra* [eqn: <=] 6.97[eqn: TIMES]1012의 범위에서 수행되었다. 용기 및 내외부의 초기온도가 주위온도와 같은 상    Fig. 2. Schematic diagram of

온의 조건에서 실험을 시작하여 약 300분   experimental apparatus.

동안 계속되었으며, 열전대 1개를 용기

에서 1m 떨어진 HR2500E에 설치하여 시간에 따른 주위의 온도로 활용하였다. 본 연구에서는 장치외부로의 열전달qx를 이용하여 각 위치의 국소 열전달계수hx를 계산하였으며, Nusselt수, Rayleigh수와 Prandtl수, 내부발열체의 발생열량에 따른 용기 내부의 수정된 Rayleigh수, 평균 Nusselt수 및 평균Rayleigh수와 같은 주요 무차원수를 도입하여 열전달 특성을 규명하였다.

결과 및 고찰

본 실험에서는 시간에 따른 장치에서의 온도상승 및 외부로의 자연대류 열전달 특성을 파악하였다. 그림 3은 내부발열체에 의한 용기 내부의 수정된 Rayleigh수가 [eqn: 4.53`×`10 sup 11], [eqn: 2.20`×`10 sup 12], [eqn: 4.64`×`10 sup 12] 및 [eqn: 6.97`×`10 sup 12]일 때의 시간에 따른 평균 Rayleigh수의 변화를 나타낸다. 시간에 따른 평균 Rayleigh수는 실험 초기에는 빠르게 증가하다가 서서히 증가하여 약 100분이 지나면 정상상태에 도달하는 것을 보여준다.  또한 용기 내부의 수정된 Rayleigh수가 증가할수록 Rayleigh수 역시 증가하였으며, 정상상태에도 빠르게 도달하였다. 이는 내부발열체의 발생열량의 증가가 Rayleigh수의 정상상태 도달하는 시간에 영향을 미치다는 것을 보여준다. 그림 4는 내부발열체에 의한 용기 내부의 수정된 Rayleigh수가 [eqn: 4.53`×`10 sup 11], [eqn: 2.20`×`10 sup 12], [eqn: 4.64`×`10 sup 12] 및 6.97[eqn: TIMES]1012인 경우의 위치에 따른 Nusselt수의 변화를 나타낸다. 실험의 초기에 Nusselt수가 급격히 증가한후 시간이 흐름에 따라 떨어져 정상상태에 도달한다. 실험 초기에는 내부발열체에 의해 용기벽으로 전달된 열이 용기의 열용량에 의해 외벽으로 열이 전달되지 않아 외벽의 온도상승에 영향을 미치지 않으므로 외벽의 온도와 주위의 온도차가 내벽과 외벽의 온도차에 비해 상대적으로 적게 나타나므로[eqn: { h}]가 상대적으로 커지므로 초기의 [eqn: N`u]가 급격히 증가하는 것으로 나타났다. Nusselt수가 급격히 증가되나 벽면의 온도가 올라가고 난 후인 40∼50분 후에는 위치에 따라서 일정한 값을 나타냄을 확인할 수 있다. 그림 5는 정상상태에서 내부발열체에 의한 용기 내부의 Rayleigh수에 따른 평균 Nusselt수의 변화를 나타낸 것이다. 평균 Nusselt의 범위는 313.30에서 460.40까지 변화하였으며, 용기 내부의 수정된 Rayleigh수가 증가할수록 평균 Nusselt수도 비례하여 증가하는 것을 보여주며 다음 식과 같이 표현된다. [eqn: N u ~=~ 1.53 TIMES 10 sup -11` Ra sup *`+`337.49]

결    론

평균 Rayleigh수는 내부발열체에 의한 용기 내부의 수정된 Rayleigh수가 증가할수록 증가하는 경향을 보이며, 시간에 따라 실험 초기에는 빠르게 증가하다가 약 100분 후에는 정상상태에 도달하였으며, 수정된 Rayleigh수가 증가할수록 정상상태에도 빨리 도달하였다. 평균 Nusselt수도 실험 초기에는 급작스럽게 증가되었다가 감소하여 약 40-50분 후에는 정상상태에 도달하며, 정상상태에서 내부발열체에 의한 용기 내부의 수정된 Rayleigh수에 무관하게 거의 일정한 값을 나타내었다. 정상상태에서의 Nusselt수는 수정된 Rayleigh수에 비례하여 약간 증가하는 경향을 보인다.

참고문헌

1. 강권호, 김길정, 박영무 : 96 춘계학술발표회 논문집, 한국원자력학회, 5월 31     일-6월 1일, 제주대학교(1996).

2. Kang, K.H., Kim, K.J., Shin, H.K., Kim, C. and Park, Y.M. : "A preliminary     study for the disign of Air-Controlled Oxidizer for treatment of depleted      uranium chip waste", Nuclear Science and Engineering(submitted)(1996).

3. Miyamoto, M., Keuhn, T. H., Goldstein, R. J.  and Katoh, Y. : Numerical      Heat Transfer, Part A, 15, 411-430(1989).

4. Myrum, T. A. : Transactions of the ASME, 112, 632-639(1990).

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4×1011      2×1012         4×1012         6×1012         8×1012

Fig.3.Variation of average Rayleigh  Fig.5.Variation of average Nusselt

Number with time.                  Number versus modified Rayleigh

Number at steady state.

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Fig.4. Variation of average Nusselt

Number with time.