KR20020077851A - Insulation Expansion Method for Scroll Motors and Cooling, Heating, and Power Generation Systems - Google Patents

Abstract

PURPOSE: A method of adiabatic expansion of scroll motor(expander) and heating and cooling and power generating system using the same are provided to optimize efficiency of a scroll expander and a generator. CONSTITUTION: A scroll motor is rotated in reverse direction or has an input part and output part thereof exchanged to be used as an expander. A generator(4) is installed on a scroll expander(2) to generate power using surplus power and maximize expansion using ideal fluid. Power generated by the generator is re-input to a motor rotating a compressor(1) to reduce power consumption and a storage battery is installed to charge electricity.

Description

스크롤모터(팽창기)의 단열팽창방식과 이를 적용한 냉 ·난방 및 발전시스템{omitted}Insulation Expansion Method for Scroll Motors and Cooling, Heating, and Power Generation Systems

본기술의 목적은 스크롤모터(팽창기) 및 발전기를 이용하여 버려지는 에너지를 회수하고 이 열 에너지를 잉여 전기로 생산함을 목적으로 한다.The purpose of the present technology is to recover the energy discarded by using a scroll motor (expander) and a generator and to produce this thermal energy as surplus electricity.

먼저 본 발명에서 사용되는 스크롤팽창기(Scroll Expander)의 정의는 기존의 압축기 용도로 쓰여지는 스크롤형상(Scroll Type)의 유체기계를 역회전하여 증발기로 유입되는 유체온도를 낮추고 발전시스템과 연동하여 발전하는 기계장치이다.First, the definition of the scroll expander used in the present invention is to reverse the rotation of the scroll machine (scroll type) used for the conventional compressor to reduce the temperature of the fluid flowing into the evaporator and generate power in conjunction with the power generation system It is a mechanism.

일반적인 냉동싸이클의 구조는 증발기에서 증발한 저온저압의 기체냉매를 흡입하여 다음의 응축기에서 응축 액화할 수 있도록 응축온도에 해당되는 포화압력까지 압력을 증대시켜 주는 장치인 압축기(Compressor), 압축기에서 토출(Exhaust)된 고온고압의 기체냉매를 주위의 공기나 냉각수에 열 교환시켜 기체냉매의 열을 방출하여 응축액화하는 장치로써 일반 냉방기에서 뜨거운 바람이 나오는 곳으로 응축기(Condenser), 응축액화된 냉매는 좁은 곳을 통해서 급히 넓은 곳으로 방출되면(교축작용) 냉매는 압력으로부터 해방되어 증발하기 시작한다. 아울러 증발기에서 충분한 열을 흡수할 수 있도록 적정량을 조절해주는 팽창변(Expansion Valve), 팽창변을 통과한 저온저압의 냉매를 유입하여 피냉각 물체와 열 교환시키는기기 즉 냉매의 증발열을 이용해 냉동의 목적을 이루는 기기인 증발기(Evaporator)로 크게 4개의 싸이클로 구성되어 있다.The general structure of the refrigeration cycle is a device that increases the pressure up to the saturation pressure corresponding to the condensation temperature so as to inhale the low temperature and low pressure gas refrigerant evaporated from the evaporator and condense it in the next condenser. (Exhaust) It is a device that condenses liquid gas by exchanging heat of high temperature and high pressure gas with surrounding air or cooling water to release heat of gas refrigerant. Condenser and condensed refrigerant When released quickly through a narrow place (throttling), the refrigerant is released from pressure and begins to evaporate. In addition, the expansion valve (Expansion Valve) to adjust the appropriate amount to absorb sufficient heat from the evaporator, the device to heat the low-temperature and low-pressure refrigerant through the expansion valve to exchange the object to be cooled, that is to achieve the purpose of refrigeration using the evaporation heat of the refrigerant Evaporator, which is a device, is composed of four cycles.

냉방장치의 기본싸이클의 그림에서 보면 선도상에서 중방기 출구의 가스(상태#6)는 과열된 후 압축기 입구에서는 상태 #1로 로 되며, 압축기를 통과하면서 상태 #2의 고온고압가스의 가스가 되고 응축기를 거친 후에는 저온고압의 액상으로 상태 #3에 이른다. 응축기 출구에서 액상의 냉매는 과냉각된 후(상태 #4) 팽창밸브를 지나 증발기에 도달한다(상태 #5). 따라서 압축기의 운전조건은 증발온도 및 과열도 그리고 응축온도에 의해 결정되어지며 압축기의 용량은 증발기에서의 요구냉동능력에 따라 결정된다. 아래의 그림의 운전조건은 증발온도 및 과열도 그리고 응축온도에 의해 결정되어지며 압축기의 용량은 증발기에서의 요구냉동능력에 따라 결정된다. 아래의 그림은 냉동싸이클의 기본적인 구조 흐름도와 시스템에서의 엔탈피와 압력과의 관계를 그래프로 표현한 것이다.In the diagram of the basic cycle of the air conditioner, the gas at the outlet of the air conditioner (state # 6) in the diagram is overheated and becomes state # 1 at the compressor inlet. After passing through the condenser, state # 3 is obtained in a liquid phase at low temperature and high pressure. At the outlet of the condenser, the liquid refrigerant is supercooled (state # 4) and passes through the expansion valve to reach the evaporator (state # 5). Therefore, the operating condition of the compressor is determined by the evaporation temperature, superheat degree and condensation temperature, and the capacity of the compressor is determined by the required freezing capacity of the evaporator. The operating conditions in the figure below are determined by the evaporation temperature, superheat degree and condensation temperature, and the compressor capacity is determined by the required freezing capacity of the evaporator. The figure below shows the basic structural flow chart of the refrigeration cycle and the relationship between enthalpy and pressure in the system.

이러한 기본 냉동싸이클에 대해서 냉방장치의 성능을 결정하는 압축기의 형상과 작동원리에 따라서 크게 터보형(Turbo Type), 왕복동형(Reciprocating Type), 로터리형(Rotary Screw Type), 스크류형(Screw Type)으로 4가지로 나눠지고, 냉매가스를 압축기에 의한 기계적인 에너지를 이용하여 보일러로부터의 증기 또는 고온수, 또는 연소가스라는 열에너지를 사용하는 냉동기가 있다.These basic refrigeration cycles are largely divided into turbo type, reciprocating type, rotary screw type, and screw type depending on the shape and principle of operation of the compressor, which determines the performance of the cooling system. There are four types and there is a refrigerator using refrigerant energy as heat or hot gas, or combustion gas from a boiler using mechanical energy by a compressor.

먼저 터보형(Turbo Type) 냉동기는 일반적으로 대형건물의 공기조화용으로 사용되나 최근에는 산업용으로 전자제품, 반도체제조실비, 완전설비, 화학식품, 섬유산업 설비용으로 사용범위가 확대되어 있다. 냉동량은 최소130USRT[1USRT(미국냉동톤)=3024kcal/h ; 0℃의 물 1톤을 24시간에 0℃의 얼음으로 만드는 능력]에서 최대 1510USRT로 넓다. 터보냉동기는 냉수측에 일반공조기기, 냉각수축에 냉각탑, 전기배선 측에는 스타터 및 수전시설을 갖추어야만 가동이 가능한 공조시스템의 한 부분기기이다. 2단압축기에서 토출된 냉매는 응축기내의 동판내부를 흐르는 물에 의해 냉각되어 액화된 후 이코노마이저를 거쳐서 증발기에 도달한다. 증발기에 도달한 냉매는 동판내부를 흐르는 물에서 열을 빼앗아 물을 냉각한 후 증발되어 1단압축기에 흡입된 후 크로스오버파이프를 거쳐 2단압축기에 도달하는 사이클로 구성된다.First, turbo type refrigerators are generally used for air conditioning of large buildings, but recently, the scope of use for electronics, semiconductor manufacturing room cost, complete equipment, chemical products, and textile industry equipment has been expanded. Freezing volume is at least 130 USRT [1 USRT (US frozen ton) = 3024 kcal / h; Ability to make 1 ton of 0 ° C water into 0 ° C ice in 24 hours], up to 1510USRT. A turbo chiller is a part of an air conditioning system that can be operated only with a general air conditioner on the cold water side, a cooling tower on the cooling contraction, and a starter and a faucet on the electric wiring side. The refrigerant discharged from the two-stage compressor is cooled and liquefied by water flowing inside the copper plate in the condenser, and then reaches an evaporator through an economizer. The refrigerant that reaches the evaporator consists of a cycle that takes heat from the water flowing inside the copper plate, cools the water, evaporates, inhales the first stage compressor, and crosses the crossover pipe to reach the second stage compressor.

터보형 압축기의 장점은 토출 가스나 맥동이 없고 안정적, 윤활유가 혼입되지 않아 깨끗한 가스를 얻을 수 있고, 고속 회전형으로 같은 마력의 다른 압축기보다 소형 경량이다.The advantages of the turbo compressor are that there is no discharge gas or pulsation, it is stable, and no lubricating oil is mixed to obtain a clean gas.

왕복동형(Reciprocating Type)은 실린더에서 피슨톤들이 위상차를 가지고 순차적으로 왕복운동을 함으로써 흡입, 압축, 토출 그리고 팽창과정을 수행한다. 왕복동 압축기의 특징은 쉽게 높은 압력을 얻을 수 있고, 압축효율이 좋으며 압력-유량 특성이 비교적 안정되어 있다.Reciprocating type performs the suction, compression, discharge and expansion processes by sequentially reciprocating the Python tones in phase with the phase difference in the cylinder. The characteristics of the reciprocating compressor can be easily obtained high pressure, good compression efficiency and relatively stable pressure-flow characteristics.

로터리형(Rotary Screw Type)은 스크류 압축기 로터리 용적식 압축기의 가장 일반적인 형태는 스크류 압축기이고, 스크류 압축기는 케이싱 내에 맞물려 회전하는 로터(Rotor)라고 불리는 숫나사(Male Rotor)와 암나사(Female Rotor)를 갖는다. 암수 로터가 회전하면서 공기를 흡입, 압축하여 토출구를 통하여 압축 공기가 배출된다.Rotary Screw Type is the most common type of screw compressor rotary volume compressor, which is a screw compressor, which has a male and female rotor, called a rotor, which rotates in a casing. . As the male and female rotors rotate, the air is sucked in and compressed, and compressed air is discharged through the discharge port.

스크류형tScrew Type)는 압축공기 중에 유분을 포함하지 않는 무급유식과 윤활유를 주입하여, 말봉, 윤활, 압축열을 제거하는 급유식으로 나눠진다. 급유식 스크류 압축기는 급유식 스크류 압축기는 적당량의 윤활유를 분사하여 압축과정에서 발생하는 열을 제거하고, 압축공간의 밀폐, 윤활작용을 동시에 하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다. 다음으로 무급유식스크류 압축기는 압축공기 중에 유분이 포함되지 않은 압축기로, 다음과 같은 특징이 있습니다.로터와 케이싱 사이, 로터와 로터가 접촉하지 않고 내부윤왈을 필요로 하지 않으므로 압축가스 중에 유분이 포함되지 않는 깨끗한 가스와 공기를 얻을 수 있다.Screw type (tScrew Type) is divided into oil-free type that does not contain oil in compressed air and oiled type that removes horse rod, lubrication, and compressed heat by injecting lubricant. Oiled screw compressor oiled screw compressor sprays an appropriate amount of lubricant to remove heat generated in the compression process, and the compression space is sealed and lubricated at the same time has the following advantages. The oilless screw compressor is a compressor that does not contain oil in the compressed air and has the following characteristics: oil is contained in the compressed gas because the rotor and the casing do not come into contact with the rotor and the rotor do not need internal rubbing. You can get clean gas and air.

일반적으로 압축기에서 발생하는 가장 큰 문제점은 아래와 같다.In general, the biggest problem occurring in the compressor is as follows.

· 압축기의 흡입계통의 문제나 외부 환경의 온도변화에 따른 유량저하Flow rate drop due to problems with compressor suction system or temperature changes in external environment

· 냉각계통의 오염이나 냉각매질(공기, 냉각수)의 부족으로 인한 온도상승Temperature rise due to contamination of cooling system or lack of cooling medium (air, cooling water)

· 압축기의 전동기에 과전류 발생.Overcurrent occurs in the motor of the compressor.

· 압축기의 제어기 계통의 문제로 인한 압력상승Pressure rise due to problems in the controller system of the compressor

· 주로 급유식 압축기에서 오일소모량 과다현상이 발생Excessive oil consumption occurs mainly in lubricated compressors

스크롤 팽창기를 이용한 에너지 회수방법기술Energy recovery method technology using scroll expander

본 발명은 응축기와 증발기 사이에 단열팽창하는 부에 스크롤모터(Scroll Motor)를 이용하여 온도, 압력, 질량, 유량, 체적과 관련하여 열에너지를 회수하는단열팽창하는 장치로써 단열팽창에 의한 에너지를 최대로 회수하기 위하여 이상유체를 사용하며, 이상유체에 가변을 주고 단열압축에 의한 고온의 열에너지를 단열 팽창시 스크롤 모터(Scroll Motor)를 이용하여 단열팽창에의한 운동에너지를 회수(사용)한만큼 저온으로 되며 다시 압축기로 보내지는 Cycle이 된다.The present invention is a device for thermal expansion to recover the thermal energy in terms of temperature, pressure, mass, flow rate, volume using a scroll motor in the thermal expansion between the condenser and the evaporator. The ideal fluid is used to recover the gas, and the low temperature is obtained by varying the ideal fluid and recovering (using) the kinetic energy due to the adiabatic expansion by using a scroll motor during the adiabatic expansion. The cycle is sent to the compressor again.

이와같이 스크롤 모터부에서는 기존냉동 싸이클에서 팽창시 버려지는 에너지를 스크롤 모터를 이용하여 회전운동으로 회수 한다.In this way, the scroll motor unit recovers the energy discarded in the expansion of the existing refrigeration cycle by the rotary motor using the scroll motor.

예) 발생되는 회전운동에너지를 발전기(Generator)부에 적용할 경우 잉여전기 생산Example) When applying the generated kinetic energy to the generator part, it produces surplus electricity

스크롤 압축기의 기본 구조는 고정 스크롤과 선회스크롤로 구성되며, 선회스크롤이 고정 스크롤 주위를 선회하는 구조로 되어있으며 이때 흡입된 유체는 회전에 따라 압축실내에 유입되며 점차 중앙의 토출구로 이동하게 되는데 이 과정동안 압축실의 중앙의 토출구에 노출되어 토출이 이루어진다. 또한 스크롤 압축기는 인버터 적용가변이 적합하며, 가변 용량 제어가 용이하다.The basic structure of the scroll compressor is composed of fixed scroll and swing scroll, and the swing scroll rotates around the fixed scroll. At this time, the sucked fluid flows into the compression chamber as it rotates and gradually moves to the central outlet. During the process, the discharge is performed by exposing to the discharge port in the center of the compression chamber. In addition, the scroll compressor is suitable for variable inverter application, and the variable capacity control is easy.

본기술의 적용범위는 압축기의 기본구조를 구비하되 응축기에서 증바기로 이어지는 냉동 싸이클 구조에 팽창변대신 스크를 팽창기를 장착하는 기술로 응축기에서 나오는 유체는 스크롤 팽창기의 흡입구에 유입되고 토출부를 통해 나온 유체는 증발기로 유입된다.The scope of the present technology is to provide the basic structure of the compressor, but the technology of mounting the expander instead of the expansion valve in the refrigeration cycle structure from the condenser to the evaporator. The fluid from the condenser flows into the inlet of the scroll expander and flows through the discharge part. Flows into the evaporator.

이과정을 통한 유체는 증발기를 통한 열에너지를 흡수(냉동효과)하게된다.Through this process, the fluid absorbs heat energy through the evaporator (frozen effect).

또한, 스크롤 팽창기에 발전기를 연결하면 잉여전기를 생산한다.In addition, connecting a generator to the scroll expander produces surplus electricity.

스크롤모터(Scroll Motor)를 이용하여 냉방 및 발전시스템에 도입하였을 때얻는 장점은 다음과 같이 열거 할 수 있다.The advantages of the introduction of cooling motor and power generation system using scroll motor can be listed as follows.

·냉각방식에 있어서는 혼합기체 냉각방식을 택한다.· For cooling, choose mixed gas cooling.

·실내외기가 일체형(통합형)이 가능하다.· Indoor and outdoor air can be integrated (integrated).

·저소음으로 쾌적한 환경을 조성함으로써 주위환경에 대한 영향이 없다.· Creates a pleasant environment with low noise and has no influence on the surrounding environment.

·응축수의 조건변화에 영향이 적고, 용도에 따라 열교환기가 필요하고, 팽창변 효율로 대처가 가능하다.Low impact on condensation water condition change, heat exchanger is needed depending on the application, and can be coped with expansion valve efficiency.

·에너지 효율면에 있어서는 자가발전에 의한 피드백으로 전기 소비량이 낮고 발전기에서 생산된 잉여 전기는 다시 축전하여 사용할 수 있어 에너지 효율이 높다.In terms of energy efficiency, the electricity consumption is low due to feedback from self-power generation, and the surplus electricity produced by the generator can be stored and used again for high energy efficiency.

〈발명이 이루고자 하는 기술적 과제〉〈Technical Problems to Invent 』

스크롤팽창기(Scroll Expander)와 발전기(Generator)의 효율을 체적화하고 모든 에너지 발생장치(압축 및 팽창을 이용한 장치)에 적용하는 것이 기술적인 과제이다.The technical challenge is to volumetrically expand the efficiency of scroll expanders and generators and apply them to all energy generators (compression and expansion).

아래의 그림은 기존 냉방시스템에 스크롤모터와 발전시스템을 적용한 전체 시스템 개략도이다.The figure below is a schematic diagram of the entire system applying the scroll motor and power generation system to the existing cooling system.

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스크롤팽창기(Scroll Expander), 압축기(Compressor), 열교환기HeatExchanger), 발전기(Generator), 증발기, 가변기Scroll Expander, Compressor, Heat Exchanger, Generator, Evaporator, Convertor

본 장치는 에너지 소비를 최소화하며 연속적인 압축과 팽창을 통해 발생되는 에너지를 동시에 사용하고 종전의 Motor, 압축기, 팽창기를 하나의 시스템으로 한 장치이다.This device minimizes energy consumption, uses energy generated through continuous compression and expansion at the same time, and combines conventional motor, compressor and expander into one system.

Claims (6)

1. 스크롤 모터를 팽창기로 사용하기위해 역회전시키거나 입력부와 출력부를 바꿔 사용하는 방법1. To use the scroll motor as an inflator, reverse the rotation or switch the input and output. 2. 팽창기로 사용되는 스크롤모터에 발전기를 부착하여 잉여의 에너지를 활용하여 발전시키는 방법 및 이상유체를 사용하여 팽창을 극대화시키는 방법2. Attaching a generator to a scroll motor used as an expander to generate power by using surplus energy and to maximize expansion using an ideal fluid. 3..발전기에서 발전되는 전기를 압력기를 돌리는 모터에 재 입력시켜 전기소모량을 절약하는 방법과 그 사이에 축전기를 설치하여 전기를 축전시키는 방법3..How to save electricity consumption by re-entering electricity generated by generator to motor which operates pressure and how to accumulate electricity by installing capacitor between them 4. 압축기와 팽창기 사이에 유량의 속도와 양을 조절하여 팽창효율을 극대화하는 가변기를 설치하는 방법4. How to install a variable between the compressor and the expander to maximize the expansion efficiency by adjusting the speed and amount of flow 5. 압축기를 통해서 나오는 고온, 고압의 유체를 난방용으로 이용하는 방법5. How to use the high temperature and high pressure fluid from the compressor for heating 6. 팽창기에서 나오는 저온, 저압의 유체를 냉방용으로 이용하거나 스크롤모터를 이용한 압축기와 팽창기를 연결하여 난방과 냉방을 겸용할 수 있도록 하는 시스템과 방법6. System and method for cooling and cooling by using low temperature and low pressure fluid from the expander for cooling or by connecting the compressor and expander using scroll motor.