고온 안정 초발수 코팅의 응축열전달 효율 향상에 대한 실험적 연구

국문 초록 (Abstract)

원자력발전소 내에 원자로에서 주증기관 판단이나 냉각재 손실과 같은 설계 기준 사고가 일어날 경우 150기압, 320℃의 냉각수가 내부 압력이 1기압 조건인 격납건물 내부로 방출되어 대량의 증기가 생성된다. 이 때 생성된 증기는 격납 건물 내부 압력을 증가시키고 설계 기준 압력보다 높아지게 될 경우 격납건물의 손상이 생기는 문제가 발생한다. 중대사고로 인해 외부 전력이 모두 차단된 상황에서 격납건물의 냉각 기능을 유지할 수 있도록 하는 피동냉각 계통의 중요성이 부각되었다. 피동냉각 계통 중 하나로 PCCS(Passive Containment Cooling System) 열교환기가 방벽 내부에 설치가 되어있으며 열교환기 용량 선정 시 사고 상황 시 방벽 내부의 불응축기체로 인한 응축 열전달 효율 저감을 고려되어 있다.
PCCS 열교환기 용량 측면에서 응축 열전달 효율을 증가시킬 경우 열교환 면적을 줄일 수 있으며 이는 곧 열교환기 설비 생산 비용 감축 효과를 만들어 낼 수 있다. 열교환기 표면에 초발수 코팅을 적용하여 표면에 소수성을 구현할 경우 응축 열전달 효율 향상을 야기할 수 있으나 기존 선행 연구에서는 초발수 코팅 물질의 건전성에 대한 연구가 부족하여 초발수 코팅 박막의 내구성에 대한 구체적인 기술 확보가 어려운 상황이다. 이에 본 연구에서는 고내열 코팅용액을 이용하여 고온 증기 응축 환경에서 건전성이 유지되고 응축 효율 향상을 보이는 초발수 박막을 개발하여 이에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 세부 연구에 대한 내용은 아래와 같다.

■ 열저항 회로 분석을 통한 코팅 박막의 열전도도 및 두께 범위 분석
초발수 코팅 박막 제조 단계 이전에 유효 응축 열전달계수를 정의함으로써 특정 열전도도 및 두께 조건에서의 표면 응축 효율 향상 정도를 예측하였다. 또한 열교환기 단일관 측면 초발수 코팅 용액의 조성과 박막의 열전도도 및 두께 변화에 따른 열저항 변화를 고려하였으며 유효 응축열전달계수와 총괄 열전달계수의 상관관계를 분석하였다.

■ 고온 안정 초발수 박막 제조
PDMS–Silane, TEOS, Triethoxyoctylsilane 과 같은 고내열 초발수 소재로 화합물을 제조하며 이를 ZnO와 같은 무기 나노입자와 복합화 시킨 후 사각 판형 및 단일관 금속 기판 표면에 코팅한다. PDMS가 기반이 되는 알킬기와 TEOS는 발수성을 띄는 상태로 코팅 물질 속 OH기는 금속 표면 위의 OH기와 결합하여 금속 표면에 대한 접촉성을 부여한다. 이로써 응축 환경에서 박막의 건전성을 유지하는 접촉력이 강한 코팅을 제조하였다.
또한 발수성과 내구성이 뛰어나더라도 금속 표면 위에 얇은 코팅이 열전달을 방해하는 열저항이 존재하기 때문에 열저항을 줄임으로써 초발수 박막의 열전달 효율을 개선하는 과정이 필요하다. 코팅 용액 선정 이후 열전도도 및 두께 범위를 산출하여 유효응축열전달계수 향상을 예측하고 유효 응축 열전달계수를 높이기 위해 두께는 낮고 열전도도가 높은 박막을 제작하였다. 열전도도를 높이는 방법으로 알루미나 페이스트를 금속 기판위에 적용하고 그 위에 초발수 용액을 코팅하였다.

■ 수직 판형 기초 응축 실험을 통한 유효 응축열전달계수 향상 평가
표면에서의 응축 열전달 효율 향상을 평가하기 위해 수직 판형 기초 응축 실험장치를 구축하였으며 과냉도 2~10℃ 범위에서 실험을 진행하였다. 샘플의 초발수 박막은 고내열, 고경도 PDMS- Silane과 Al paste 물질을 사용하였으며 알루미나 페이스트 공정 후 동시에 적용되었다. 이 중 PDMS-Silane 기반의 코팅 박막에서 105°부근의 접촉각을 보임에 따라서 유효 응축 열전달계수가 코팅 전 표면 대비 19% 향상되었으며 전반적인 과냉도 범위에서 적응축 구현이 유지되었다. Alumina paste가 추가로 적용된 세 가지 박막에 대해서는 응축 효율 향상을 보이지 않았으며 페이스트 내부 특성이 각각 다를 것으로 예상되었다.

■ 수평 단일관 응축 실험을 통한 총괄 열전달계수 향상 평가
표면 응축 효율 향상을 포함한 총괄 열전달계수 향상 평가를 위해 수평 단일관 응축 실험장치를 구축하였다. 실험 조건으로 증기와 벽멱온도의 차이가 3~10도, 압력은 상압조건에서 실험하였다. 증기발생기에서 발생한 증기가 시험부로 들어와서 단일관 외벽에 응축열전달이 일어나고 냉각수가 heating됨에 따라 생기는 온도차를 이용해 열전달량이 계산된다. 이 열전달량은 LMTD 계산을 통해 총괄 열전달계수를 얻게된다. 초발수 박막이 응축효율향상에 미치는 영향만을 파악하기 위해 시험부 내부에 불응축기체를 제거한 뒤 실험을 진행하였다. PDMS 초발수 관에서의 총괄 열전달계수 향상은 평균 8.6% 이루어졌으며, 실험시간 120분 동안의 효율향상 유지 및 박막의 손상이 없이 적응축 구현 유지를 확인하였다. 이는 유효 응축열전달계수와 총괄 열전달계수의 상관관계 분석 결과에 대응되는 향상 수치임을 확인하였다. Al paste를 추가 적용한 초발수 박막에서는 실험 시간 450분 동안의 적응축 구현이 유지된 상태에서 10%의 총괄 열전달계수 저감이 일어난 것을 확인하였다. 이는 유효 응축열전달 향상이 일어나지 않은 판형 실험 결과에 대응하지 않는 결과이며 이 또한 동일하지 않은 Al paste의 내부 특성이 적용된 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 필요성 및 목적 2
• 제 2 장 문헌조사 3
• 제 1 절 막응축 열전달계수 상관식 3
• 제 2 절 소수성 표면 처리와 코팅 형성 방법 5
• 제 3 절 응축 현상 천이에 따른 응축 열전달 효율 향상 실험 9
• 제 4 절 불응축 기체 존재 상황에서의 응축 열전달 실험 14
• 제 3 장 고온 안정 초발수 박막 제조 17
• 제 1 절 단일관 열저항 회로 분석 17
• 제 2 절 고내열 소수성 실란 화합물 합성 및 박막 제작 22
• 제 4 장 수직 판형 기초 응축 실험 25
• 제 1 절 실험장치 및 실험 범위 25
• 제 2 절 실험과정 및 데이터 분석 방법 27
• 제 3 절 실험 결과 및 분석 30
• 제 5 장 수평 단일 관 응축 실험 37
• 제 1 절 실험장치 및 실험 범위 37
• 제 2 절 실험과정 및 데이터 분석 방법 44
• 제 3 절 실험 결과 및 분석 46
• 제 6 장 결론 및 향후 연구 53
• 제 1 절 결론 53
• 제 2 절 향후 연구 55