KR200382400Y1 - 냉동사이클을 적용한 발전기·전동기 프레임 냉각장치 - Google Patents

냉동사이클을 적용한 발전기·전동기 프레임 냉각장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 발전기 또는 전동기의 프레임을 냉각시키는 시스템에 냉동사이클을 적용하여 냉각의 효과를 높이고, 발전기 프레임에서 발생하는 열을 제거하는 과정에서 냉동사이클 증발기(41)에서 냉매가 기화할 때 지닌 물리적 에너지를 이용하여 터빈을 돌려 발전하는 기능이 추가된 발전기 또는 전동기의 프레임 냉각장치에 관한 것이다.
발전기 또는 전동기는 회전축의 회전운동에 의해 전력을 생산 또는 물리적 에너지를 생산하는 기기이다. 발전기 또는 전동기 프레임 내부에는 고정자(13)와 회전자(15)가 존재한다. 고정자(13)와 회전자는 감겨진 권선을 통하여 흐르는 전류와 권선저항에 의해 열을 발생한다. 도2와 도3에서 도시한 바와 같이 현재 사용 중인 발전기 프레임 냉각방법은 다음과 같다. 발전기 프레임을 밀폐시키고 그 내부 수소공간(21)에 열전달 기능이 우수한 수소를 높은 압력으로 주입하고 프레임 안쪽에 프레임냉각수통로(22)를 설치하여 냉각수를 강제순환시킴으로써 발전기 프레임 내부를 냉각시킨다.
본 고안에서는 발전기·전동기 프레임내부에서 발생한 열이 상당함에 착안하여 냉각시스템의 구조를 변경하여 냉동사이클을 적용하여 냉각효과를 높이고, 발전기 프레임 내부에서 발생하는 열을 제거하는 과정에서 냉동사이클 증발기(41)에서 냉매가 기화할 때 지닌 물리적 에너지를 이용하여 별도로 설치한 터빈(47)을 돌려 발전기·전동기 프레임 내부와 외부 냉각수 사이의 열 낙차를 이용하여 발전하는 기능을 추가하였다. 또한 현재와 같이 발전기 프레임 내부의 프레임냉각수통로(22)에 냉각수를 순환시키지 않고, 냉동 사이클의 냉매를 바로 순환시켜 냉각효과를 극대화시키는 방안도 제시하였다.

Description

냉동사이클을 적용한 발전기·전동기 프레임 냉각장치{omitted}
발전기 또는 전동기는 전력의 생산 및 사용에 있어서 중심이 되는 설비들이라고 할 수 있다. 그러나 이러한 기기에서 발생하는 열은 축적되면 발전기 또는 전동기의 권선절연을 파괴시킬 수 있으므로 용량을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 그러나 냉각시스템이 복잡하고, 운영함에 있어서 냉각비용이 추가되므로 대용량 발전기 또는 전동기만 냉각시스템을 채택하고 있고 그 외의 것은 자연냉각을 시키고 부족한 부분은 절연보강을 통하여 열문제를 해결하고 있다. 냉동사이클이 냉각에 있어서는 매우 효과적임에도 불구하고 냉각비용이 과다한 관계로 현재까지 사용되지 않고 있다. 발전기 또는 전동기 프레임 내부에서 많은 열이 발생하는데 이제까지는 이것을 제거해야 할 폐열로 보아 냉각하였고 이 열을 이용하는 방안은 강구되지 않고 있는 실정이다.
본 고안에서는 발전기 또는 전동기 프레임 내부에서 많은 열이 발생함에 착안하여 이 열을 폐열이 아닌 활용 가능한 열로 개념을 바꾸도록 한다. 발전기 또는 전동기 냉각에는 냉동사이클이 냉각효과가 크므로 냉각시스템에 냉동사이클이 적용되도록 한다. 특히 현재 발전기 프레임 내부를 수소냉각시키기 위하여 프레임 내부에 링 형태의 프레임냉각수통로(22)에 냉동사이클의 냉매를 직접 순환시켜 냉각효과를 극대화시키고, 냉각시스템을 단순화시킨다. 또한 불시에 냉각시스템이 작동하지 않는 비상시에 대한 대비도 하고자 한다.
도1은 발전기·전동기의 단면 설명도이다.
도2는 기존의 발전기 프레임 냉각장치 설명도이다. 발전기 프레임 내부를 밀폐시키고 내부공간에 수소를 높은 압력으로 주입한다. 그리고 프레임 내부에 설치된 프레임냉각수통로(22)를 통하여 냉각수를 강제순환 시킴으로써 발전기 프레임 내부에서 발생한 열을 외부로 이동시킨다.
도3은 기존 발전기 프레임 냉각시스템구성 설명도이다. 프레임냉각수통로(22)를 통해 유입된 냉각수는 수소공간(21)의 수소에 의해 발전기 내부에서 발생한 열을 흡수하면서 발전기 프레임 내부를 냉각시키고 자신은 데워진다. 열을 흡수한 냉각수는 프레임냉각수통로(22)에 연장된 관을 통하여 발전기 외부로 유출되고, 외부냉각기(31)에 도달하여 열교환에 의해 외부냉각수통로(32)을 통해 들어온 외부 냉각수에게 열을 전달하여 발전기 프레임 내부는 냉각된다.
도4는 본 고안에 따른 냉동사이클을 적용한 발전기·전동기 프레임 냉각시스템 설명도이다. 다른 설비는 현재 발전기에서 채택하고 있는 프레임 냉각시스템과 동일하나, 발전기·전동기 프레임과 냉각기 사이에 냉동사이클을 추가한 것이 다른 점이다. 이 때의 냉동사이클은 압축기(45), 응축기(44), 냉매저장탱크(43), 팽창밸브(또는 모세관)(42), 증발기(41), 터빈(47), 다시 압축기(45)로 폐회로를 구성한다. 압축기(45)는 기체상태의 냉매를 압축하고, 외부냉각기(31) 내부에 설치된 응축기(44)에서는 압축된 냉매가 외부냉각수통로(32)를 흐르는 외부냉각수에게 열을 발산하면서 액체가 되고, 액체가 된 냉매는 냉각시스템의 관성을 높이고자 설치된 냉매저장탱크(43)에 모이게 되고, 액체상태의 냉매는 팽창밸브(또는 모세관)(42)를 통과하며 기체상태로 변화를 일으키며 부피가 팽창하기 시작한다. 팽창밸브(또는 모세관)(42)를 빠져나온 냉매는 팽창밸브(또는 모세관)(42)와 연결된 내부냉각기(49) 내부에 설치된 증발기(41)에서 프레임냉각수통로(22)를 통하여 전달된 프레임내부의 열을 흡수하면서 기체가 된다. 증발기(41)를 지나온 기체는 터빈(47)을 회전시키고 압축기(45)로 들어가 압축되면서 냉동사이클의 한 사이클을 종료한다. 터빈(47)축에는 발전기(또는 기계장치)(48)가 설치되어 있으므로 터빈(47)이 회전하면 전력 또는 물리적 에너지를 생산한다. 팽창밸브(또는 모세관)(42)와 응축기(44) 사이에 설치된 냉매저장탱크(43)를 제거하는 것도 본 고안의 범위에 포함된다. 또한 발전기·전동기 고정자권선 또는 냉각수 온도를 감지하여 냉동사이클을 사용자의 의지에 따라 원활히 작동시키는 제어장치를 추가하는 것도 본 고안의 범위에 포함된다.
도5는 본 고안에 의한 발전기·전동기 프레임 냉각시스템을 도시한 것으로 도3에서 외부냉각수통로(32) 이하 계통을 없애고 방열기(51)를 추가한 것이 특징이다. 방열기 에는 물 또는 절연유와 같은 냉매가 냉매순환펌프(52)에 의해 강제순환되며, 방열기(51)는 자연냉각, 냉각팬(53)을 통한 강제냉각을 선택할 수 있다.
도6은 본 고안에 의한 도5에서 도시한 방열기의 구조를 변경하여 방열기와 열교환이 잘 일어나도록 냉동사이클을 설치한 냉동사이클에 의한 방열기 냉각시스템 설명도이다. 냉동사이클은 도4에서 설명한 바와 동일하다.
도7은 본고안에 의한 프레임냉각수통로(22)에 냉동사이클의 냉매가 직접 흐르도록 한 발전기·전동기 프레임 냉각시스템 설명도이다. 프레임냉각수통로(22)는 냉동사이클의 증발기(41) 역할을 대신한다. 냉동사이클 원리는 도4에서 설명한 바와 같다.
도8은 도7에서 도시한 발전기·전동기 프레임 냉각시스템에 있어서 냉동사이클이 불시에 작동되지 않을 비상시를 대비하여 개방형냉동사이클이 추가된 냉각시스템 설명도이다. 냉동사이클이 불시에 작동을 멈추면 비상팽창밸브(82)가 열리고 비상용냉매저장탱크(83)에서 냉매가 프레임냉각수통로(22)로 주입되며 기화열을 흡수한 기체상태의 냉매는 대기방출밸브(81)를 통하여 방출되면서 냉각시스템 기능을 유지한다. 냉동사이클 2개를 병렬설치하는 것도 본 고안의 범위에 포함된다.
발전기·전동기는 전력을 생산하고 사용하는 주된 설비이다. 발전기와 전동기가 운전됨에 있어서 고정자와 회전자에는 전류가 흐르고 이 전류는 고정자권선 및 회전자권선의 저항에 의해 열을 발생시킨다. 이렇게 발생한 열을 냉각효과가 큰 냉동사이클로 냉각시킴으로써 발전기·전동기 고정자권선의 절연상태를 유지하게 하고, 발전기 프레임 내부에서 발생하는 열을 이용하여 냉동사이클의 냉매를 기화시켜 기체상태의 냉매가 가진 운동에너지를 이용하여 터빈(47)을 돌려 발전 또는 물리적 에너지를 얻어 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 발전기·전동기의 단면 설명도이다.
도 2는 기존 발전기 프레임 수소냉각 개념 설명도이다.
도 3은 기존 발전기 프레임 냉각시스템구성 설명도이다.
도 4는 냉동사이클 적용 발전기·전동기 프레임 냉각시스템 설명도이다.
도 5는 방열기에 의한 발전기·전동기 프레임 냉각시스템 설명도이다.
도 6은 냉동사이클에 의한 방열기 냉각시스템 설명도이다.
도 7은 냉동사이클에 의한 발전기·전동기 프레임 냉각시스템 설명도이다.
도 8은 비상용 개방냉동사이클이 추가된 냉각시스템 설명도이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
11 : 프레임 12 : 공극
13 : 고정자 14 : 고정자권선
15 : 회전자 16 : 여자권선
21 : 수소공간 22 : 프레임냉각수통로
31 : 외부냉각기 32 : 외부냉각수통로
41 : 증발기 42 : 팽창밸브(또는 모세관)
43 : 냉매저장탱크 44 : 응축기
45 : 압축기 46 : 모터(또는 엔진)
47 : 터빈 48 : 발전기(또는 모세관)
49 : 내부냉각기 51 : 방열기
52 : 냉매순환펌프 53 : 냉각팬
81 : 대기방출밸브 82 : 비상팽창밸브
83 : 비상용냉매저장탱크

Claims (2)

  1. 발전기·전동기 프레임 내부에 설치되는 프레임냉각수통로(22)와; 냉각기 안에서 프레임냉각수통로(22)와 열교환을 하는 증발기(41)와; 냉각기 안에서 외부냉각수통로(32)와 열교환을 하는 응축기(44)와; 증발기(41), 터빈(47), 압축기(45), 응축기(44), 냉매저장탱크(43), 팽창밸브(또는 모세관)(42), 다시 증발기(41)로 순환되도록 순서를 이루며 관으로 연결되는 냉동사이클과; 터빈(47) 축에 연결된 발전기(또는 기계장치)(48)와; 냉각장치 전반을 제어하는 제어장치를 특징으로 하는 냉동사이클을 적용한 발전기·전동기 프레임 냉각장치.
  2. 발전기·전동기 프레임 내부에 설치되며 증발기(41) 역할을 하는 프레임 냉각수통로(22)와; 냉각기 안에서 외부냉각수통로(32)와 열교환을 하는 응축기(44)와; 프레임냉각수통로(22), 터빈(47), 압축기(45), 응축기(44), 냉매저장탱크(43), 팽창밸브(또는 모세관)(42), 다시 프레임냉각수통로(22)로 순환 되도록 순서를 이루며 관으로 연결되는 냉동사이클과; 터빈(47) 축에 연결된 발전기(또는 기계장치)(48)와; 냉각장치 전반을 제어하는 제어장치를 특징으로 하는 냉동사이클을 적용한 발전기·전동기 프레임 냉각장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200067332A (ko) * 2018-12-04 2020-06-12 박창진 고온의 열악한 작업환경에서 작동이 가능한 터보모터의 냉각 구조

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200067332A (ko) * 2018-12-04 2020-06-12 박창진 고온의 열악한 작업환경에서 작동이 가능한 터보모터의 냉각 구조
KR102182658B1 (ko) * 2018-12-04 2020-11-24 박창진 고온의 열악한 작업환경에서 작동이 가능한 터보모터의 냉각 구조

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