CN102252446B - 一种基于喷射器的涡流管制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于喷射器的涡流管制冷系统，包括压缩机、第一冷凝器、涡流管、第二冷凝器、第一蒸发器、第一喷射器、第一节流阀、第二蒸发器、气液分离器，压缩机与第一冷凝器、涡流管依次串联，涡流管热端出口与第二冷凝器、第一喷射器、气液分离器、第一节流阀、第一蒸发器、压缩机依次串联；涡流管冷端出口与液体出口与第一喷射器、气液分离器、压缩机依次串联。该系统利用喷射器来回收涡流管冷端出口的制冷剂能量，提高涡流管制冷效率，在涡流管热端出口设置有冷凝器，使得系统节流效率更高，而且可实现单温位、两温位或者多温位的制冷效果。

Description

一种基于喷射器的涡流管制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷系统，尤其是涉及一种带喷射器和涡流管的多功能制冷系统。

背景技术

近些年来，随着人们生活水平的提高，在全球变暖的环境下，人们对制冷系统的需求量越来越大。对制冷设备需求增多的同时，制冷系统能源消耗占整个社会能源消耗的比例就会增加，这对制冷系统的应用范围、工作效率提出了更宽、更高的要求。

传统的制冷系统中，被加压的制冷工质经过冷凝器后通过节流阀进行膨胀，在蒸发器中吸热产生制冷效果。节流阀对于液体节流具有较优性能，但是，对于气体节流，其工作效率较低，造成制冷工质为气体的制冷设备的性能下降。法国工程师兰克发现了旋风分离器中的涡流冷却效应，并于1933年，在法国工程热物理会议上进行了关于涡流管装置及其涡旋温度分离效应的报告，报告中指出，高压气体流入涡流管后，会分离成冷热不同的两股流体。控制涡流管热端阀门的开度，调节冷端出来流体的流量，可使从涡流管冷端出来的流体温度比进口温度降低80℃左右，也可使热端流出的流体温度相比进口温度升高100℃左右。此后通过关于涡流管特性很多研究表明，通过涡流管的气体膨胀过程，气体节流效率高于节流阀。

传统的涡流管制冷系统，利用压缩机将制冷工质加压再经冷凝器冷却后送往涡流管，利用涡流管的能量分离效应，在涡流管冷端产生低温气体，实现制冷，但是通常由于冷流比受到限制，整个系统的效率较低。喷射器是一种应用非常广泛的流体机械装置。高压流体通过这种装置后，与另一股低压流体混合，发生能量交换，形成一股居中压力的混合流体。进入装置以前，压力较高的那种介质称为工作流体，压力较低的那种介质称为引射流体。喷射器利用工作流体的射流作用实现能量转换，可将处于饱和或过热气态的流体工质引射为两相状态或气态，其不需额外消耗机械能便可提高引射流体的压力。但是，直接利用喷射器来达到制冷效果，损失较大，其效率较低。

2007年8月15日公开的中国专利申请号200710037894.1公开了“采用涡流喷射器的制冷系统”，包括压缩机、冷凝器、蒸发器、涡流喷射器，压缩机出口与冷凝器入口连接，冷凝器出口与涡流喷射器的喷嘴连接，涡流喷射器的涡流管高温端出口与压缩机入口连接，涡流喷射器的涡流管低温端出口与蒸发器入口连接，蒸发器出口与涡流喷射器的引射流体入口连接，该发明将喷射器的出口与涡流管的进口相连，虽然回收了制冷剂的膨胀能，但是，制冷剂气体从涡流管高温端流出后，没有将热量放出，直接进入压缩机，使得压缩机耗功较大，该系统完全是用涡流管冷端出口的流体进行制冷，涡流管冷流比对系统影响较大，并且，该系统中涡流管没有单独设置冷凝物出口，只有高温端和低温端两个出口，涡流管中管壁冷凝物由于外围层的高温会汽化进入中心层的冷气体组分中，影响总体的分离效果(丁永钢，候予，熊联友.涡流管的应用.低温工程，2007年第1期，P56-59)，不利于整个系统高效工作。

发明内容

本发明提供了一种基于喷射器的涡流管制冷系统，利用喷射器来回收涡流管冷端出口的制冷剂能量，提高涡流管制冷效率。涡流管热端出口设置有冷凝器，使得系统节流效率更高，采用带液体出口的涡流管，提高了涡流管的分离效果，从而提高系统制冷效果。

本发明的一种方式，一种基于喷射器的涡流管制冷系统，包括压缩机、第一冷凝器、涡流管、第二冷凝器、第一蒸发器、第一喷射器、第一节流阀、第二蒸发器、气液分离器，所述压缩机的出口与所述第一冷凝器的进口相连，第一冷凝器的出口分成两路，一路与所述涡流管的进口相连，另一路与所述第一喷射器的工作流体进口相连，涡流管冷端气体出口与涡流管液体出口连成一路后，连接所述第二蒸发器进口，涡流管热端出口与所述第二冷凝器进口相连，第二冷凝器的出口与第二蒸发器出口连成一路后，与第一喷射器的引射流体进口相连，第一喷射器的出口与气液分离器的进口相连，气液分离器的底部液体出口与所述第一节流阀、所述第一蒸发器、压缩机进口依次串联，气液分离器顶部气体出口与压缩机中间进气口相连。通过第一蒸发器和第二蒸发器，可实现两温位的制冷效果。

本发明的另一种方式，一种基于喷射器的涡流管制冷系统，包括压缩机、第一冷凝器、涡流管、第二冷凝器、第一蒸发器、第一喷射器、第一节流阀、第二蒸发器、气液分离器、第二节流阀、第三蒸发器、第二喷射器，所述压缩机的出口与所述第一冷凝器的进口相连，第一冷凝器的出口分成两路，一路与所述涡流管的进口相连，另一路与所述第一喷射器的工作流体进口相连，涡流管冷端气体出口与涡流管液体出口连成一路后，连接所述第二蒸发器进口，涡流管热端出口与所述第二冷凝器进口相连，第二冷凝器的出口与第二蒸发器出口连成一路后，与第一喷射器的引射流体进口相连，第一喷射器的出口与气液分离器的进口相连，气液分离器的顶部气体出口连接压缩机的中间进气口；气液分离器的底部液体出口分成两路，一路依次串联第一节流阀、第一蒸发器，第一蒸发器的出口与第二喷射器的工作流体进口相连；另一路依次串联第二节流阀、第三蒸发器，第三蒸发器的出口与第二喷射器的引射流体进口相连，第二喷射器的出口与压缩机的进口相连。在气液分离器底部液体出口与压缩机进口之间设置了第三蒸发器，可实现三温位的制冷要求。

本发明基于喷射器的涡流管制冷系统中填充的流体工质为CO₂、氨、卤代烃、水或醇类等，优选为R744，其为无氟自然工质，市场前景较大。

本发明中，所述的单温位是指系统中的一个或多个蒸发器具有一个或相同蒸发温度。

本发明中，所述的两温位是指系统中的两个或多个蒸发器具有两个不同的蒸发温度。

本发明中，所述的多温位是指系统中的多个蒸发器具有多个不同的蒸发温度。

本发明中，所述的涡流管工作原理如下：气体从涡流管进口进入后，通过膨胀，在一端产生热气体，另一端产生冷气体，管壁的冷凝物从涡流管下方液体出口流出。采用这种带液体出口的涡流管，提高了涡流管的分离效果，可提高系统制冷效果。

本发明基于喷射器的涡流管制冷系统，在原有涡流管制冷系统的基础上引入喷射器，将喷射器引入涡流管制冷系统后，将进入涡流管的部分气体进行分流作为喷射器的工作流体，可将从涡流管出来处于饱和气态或者过热气态的流体工质引射为两相状态，并对其中的液体进行再次节流，实现再次制冷。

在本发明中，压缩机出来的气体分两路进入涡流管和喷射器，所以涡流管可以在较大的压比范围内工作，效率高，并且，喷射器出口压力不会对涡流管造成影响，所以其效率也很高。本发明将涡流管和喷射器整体用来制冷，不仅利用涡流管冷端制冷，还利用喷射器出来的部分流体进行制冷，制冷效率高；而且涡流管的冷流比对该系统COP影响不大，因为如果涡流管冷端出口和液体出口端的流体流量减小，那么从喷射器出来，经气液分离器分离后进入压缩机中间进气口的制冷剂流量就会增大，压缩机耗功减小。而背景技术中提到的采用涡流喷射器的制冷系统，完全是用涡流管冷端出口的流体进行制冷，冷流比减小对系统COP减小影响显著，因为在这个制冷系统中，冷流比的减小会造成进入蒸发器的制冷剂流量减小和进入压缩机制冷剂流量的增加，从而使制冷量减小和压缩机耗功增加。另外，本发明从气液分离器顶部气体出口流出的气态工质进入压缩机中间口(即补气口)，可以冷却压缩机制冷工质，减少压缩机能耗。

总而言之，本发明不仅可以提高涡流管制冷的效率，而且可实现单温位、两温位或者多温位的制冷效果。不仅如此，该系统还具有结构简单、运行可靠、持续性强、适应范围广的优点。

附图说明

图1是本发明系统的一种实施方式的流程示意图。

图2是现有的采用涡流管的普通制冷系统的流程示意图。

图3是现有的采用喷射器的普通制冷系统的流程示意图。

图4是本发明系统的另一种实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。应当明白，以下仅为示例性，并不限制本发明的范围。

实施例1

参见图1，图1是本发明系统的一种实施方式的流程示意图，所述的制冷系统包括压缩机1，第一冷凝器2、涡流管3、第二冷凝器4、第一蒸发器5、第一节流阀6、第二蒸发器7、第一喷射器8、气液分离器9。压缩机1的出口与第一冷凝器2的进口相连，第一冷凝器2的出口分成两路，一路与涡流管3的进口相连，另一路与第一喷射器8的工作流体进口相连，涡流管3冷端气体出口与涡流管3液体出口汇成一路后，连接第二蒸发器7的进口，涡流管3热端出口与第二冷凝器4进口相连，第二冷凝器4的出口与第二蒸发器7出口汇成一路后，连接第一喷射器8的引射流体进口，第一喷射器8的出口与气液分离器9的进口相连，气液分离器9的底部液体出口与第一节流阀6进口相连，第一节流阀6出口与第一蒸发器5进口相连，第一蒸发器5出口与压缩机1进口相连，气液分离器9顶部气体出口与压缩机1中间进气口相连。

在本实施例中，流体工质采用R744或R23，当第一蒸发器5和第二蒸发器7的蒸发温度不同时，该系统便实现两温位的制冷要求。制冷工质经过压缩机1加压后达到高压状态，经过第一冷凝器2放热，温度降低，分两路分别进入涡流管3和第一喷射器8。第一路制冷工质进入第一喷射器8作为工作流体。第二路制冷工质进入涡流管3后在热端产生中压高温气体，然后进入第二冷凝器4放热，涡流管3冷端产生的中压低温饱和气体与涡流管3液体出口端产生的中压低温液体混合后进入第二蒸发器7吸热，从第二蒸发器7出来的温度升高的流体工质与从第二冷凝器4出口流出的气体混合后进入第一喷射器8，作为引射流体。从第一喷射器8工作流体进口进来的高压工作流体将从第一喷射器8引射流体进口进入的中压引射流体引射，成为两相状态进入气液分离器9，气液分离器9中的气体进入压缩机1中间进气口，气液分离器9中的液体经第一节流阀6节流后进入第一蒸发器5吸热，随后回流入压缩机1，完成循环。

对本实施例进行模拟计算，得到表1。

表1制冷工质R744与R23在不同工况下的理论制冷性能

其中，第一喷射器8的升压比f1为1.02，涡流管3中的冷流比μ为0.6，从上表中可以看到，在第二蒸发器7的蒸发温度一定时，第一蒸发器5蒸发温度升高，喷射系数u₁不变，其系统的COP会增加。在第一蒸发器5的蒸发温度一定时，第二蒸发器7的蒸发温度升高，其系统的喷射系数u₁会降低，其COP会增加。对比R744与R23这两种制冷工质可以得到，在相同工况下，以R744作为制冷工质的制冷系统的理论COP较以R23为制冷工质的制冷系统的理论COP高，并且R744作为无氟自然工质，其市场前景较大。

以下将对本实施例的基于喷射器的涡流管制冷系统分别与现有的采用涡流管的普通制冷系统和采用喷射器的普通制冷系统作对比。

参见图2，现有的采用涡流管的普通制冷系统包括压缩机1、第一冷凝器2、涡流管3、第二冷凝器4、第二蒸发器7。压缩机1的出口与第一冷凝器2的进口相连，第一冷凝器2的出口与涡流管3的进口相连，涡流管3的冷端气体出口与涡流管3的液体出口连成一路后，连接第二蒸发器7的进口，涡流管3的热端气体出口与第二冷凝器4的进口相连，第二冷凝器4的出口与第二蒸发器7的出口连成一路后，连接压缩机1的进口。制冷工质由压缩机1压缩后达到高压状态，然后进入第一冷凝器2放热后，进入涡流管3。涡流管3热端产生的高温气体进入第二冷凝器4放热，涡流管3冷端产生的低温饱和气体和涡流管3液体出口端产生的低温液体混合后进入第二蒸发器7吸热，从第二蒸发器7出来的温度升高的流体工质与从第二冷凝器4出口流出的气体混合后流入压缩机1，完成循环。

参见图3，现有的采用喷射器的普通制冷系统包括压缩机1、第一冷凝器2、第一喷射器8、第一蒸发器5、第一节流阀6、气液分离器9。压缩机1出口与第一冷凝器2进口相连，第一冷凝器2出口与第一喷射器8的工作流体进口相连，第一喷射器8出口与气液分离器9进口相连，气液分离器9的顶部气体出口与压缩机1进口相连，气液分离器9的底部液体出口与第一节流阀6进口相连，第一节流阀6出口与第一蒸发器5进口相连，第一蒸发器5出口与第一喷射器8引射流体进口相连。制冷工质由压缩机1加压后进入第一冷凝器2，放热后作为工作流体从第一喷射器8的工作流体进口进入，引射从第一喷射器8引射流体进口进入的流体，随后制冷工质以两相状态进入气液分离器9，气液分离器9中的气态工质进入压缩机1，气液分离器9中的液态工质经第一节流阀6节流后进入第一蒸发器5吸热，随后作为引射流体进入第一喷射器8引射流体进口，完成循环。

为方便起见，以下称基于喷射器的涡流管制冷系统为系统1，现有的采用涡流管的普通制冷系统为系统2，现有的采用喷射器的普通制冷系统为系统3。对系统1在单温位(即系统中的第一蒸发器5和第二蒸发器7的蒸发温度相同)不同蒸发温度下进行模拟计算，得到表2。

表2系统1在单温位不同蒸发温度下的理论制冷性能

表2中，蒸发温度是指第一蒸发器和第二蒸发器的蒸发温度相同时的温度，冷凝温度为第一冷凝器和第二冷凝器的冷凝温度均为30℃的温度。从表2中可以看出，在冷凝温度保持不变时，蒸发温度降低，系统的COP会降低。

以下对上面所述三个系统进行模拟计算，分析得到表3。其中，三个系统采用的流体工质均为R744，系统1是在单温位下。

表3不同制冷系统在单温位不同蒸发温度下的理论制冷性能对比

在表3中，蒸发温度是指三个系统中的蒸发器的蒸发温度相同时的蒸发温度。压缩机1出口压力均为9.5MPa，三个系统中的所有冷凝器的冷凝温度均为30℃。从表3中可以看出，相比于系统2和系统3，在相同工况，蒸发温度低于15℃的情况下，系统1的COP更高。随着蒸发温度的降低，系统1分别相对系统2和系统3的COP提高幅度增大，这表明，系统1在较低蒸发温度下具有较大的制冷优势。

实施例2

参见图4，图4是本发明系统的另一种实施方式流程示意图，所述的制冷系统包括压缩机1，第一冷凝器2、涡流管3、第二冷凝器4、第一蒸发器5、第一节流阀6、第二蒸发器7、第一喷射器8、气液分离器9、第二喷射器10、第三蒸发器11、第二节流阀12。压缩机1的出口与第一冷凝器2的进口相连，第一冷凝器2的出口分成两路，一路与涡流管3的进口相连，另一路与第一喷射器8的工作流体进口相连，涡流管3冷端气体出口与涡流管3液体出口连成一路后，连接第二蒸发器7进口，涡流管3热端出口与第二冷凝器4进口相连，第二冷凝器4的出口与第二蒸发器7出口连成一路后，连接第一喷射器8的引射流体进口，第一喷射器8的出口与气液分离器9的进口相连，气液分离器9的底部液体出口分成两路，一路与第一节流阀6的进口相连，另一路与第二节流阀12的进口相连；第一节流阀6的出口与第一蒸发器5的进口相连，第一蒸发器5的出口与第二喷射器10的工作流体进口相连；第二节流阀12的出口与第三蒸发器11的进口相连，第三蒸发器11的出口与第二喷射器10的引射流体进口相连；第二喷射器10的出口与压缩机1的进口相连，气液分离器9的顶部气体出口与压缩机1的中间进气口相连。

在本实施例中，流体工质采用R744，当第一蒸发器7、第二蒸发器5、第三蒸发器11的蒸发温度不同时，该制冷系统可以实现三温位的制冷要求。制冷工质经过压缩机1加压后达到高压状态，经过第一冷凝器2放热，温度降低，分两路分别进入涡流管3和第一喷射器8。第一路制冷工质进入第一喷射器8的工作流体进口，作为工作流体。第二路制冷工质进入涡流管3，涡流管3热端产生的中压高温气体，进入第二冷凝器4放热；涡流管3冷端产生的中压低温饱和气体和涡流管3液体出口端产生的中压低温液体混合后进入第二蒸发器7吸热，从第二蒸发器7出来的温度升高后的流体工质与从第二冷凝器4出口流出的气体混合后从第一喷射器8的引射流体进口进入第一喷射器8，作为引射流体。第一喷射器8中，第一喷射器8的工作流体进口进来的高压工作流体将从引射流体进口进来的中压引射流体引射，成为两相状态进入气液分离器9，气液分离器9中的气体进入压缩机1中间进气口，气液分离器9中的液体分两路，第一路经第一节流阀6节流后进入第一蒸发器5吸热，作为工作流体进入第二喷射器10，第二路经第二节流阀12节流后进入第三蒸发器11吸热，作为引射流体进入第二喷射器10。在第二喷射器10中，从第二喷射器10的工作流体进口进来的高压工作流体将从第二喷射器10的引射流体进口进来的低压引射流体引射后进入压缩机1，完成循环。

对本实施例进行模拟计算，得到表4。

表4三温位蒸发温度下该系统的理论制冷性能

表4可以看出，在三温位蒸发温度(-18℃、0℃、5℃)，第一冷凝器和第二冷凝器的冷凝温度均为30℃时，系统可以具有较高的COP，达到3.01。

以上两个实施例仅是作为本发明的示例，通过在气液分离器9液体出口与压缩机1进口之间设置多个蒸发器，可实现多温位的制冷效果。

Claims (2)

1.一种基于喷射器的涡流管制冷系统，包括压缩机、第一冷凝器、涡流管、第二冷凝器、第二蒸发器、第一喷射器，其特征在于：还包括第一节流阀、第一蒸发器、气液分离器，所述压缩机的出口与所述第一冷凝器的进口相连，第一冷凝器的出口分成两路，一路与所述涡流管的进口相连，另一路与所述第一喷射器的工作流体进口相连，涡流管冷端气体出口与涡流管液体出口连成一路后，连接所述第二蒸发器进口，涡流管热端出口与所述第二冷凝器进口相连，第二冷凝器的出口与第二蒸发器出口连成一路后，与第一喷射器的引射流体进口相连，第一喷射器的出口与气液分离器的进口相连，气液分离器的底部液体出口与所述第一节流阀、所述第一蒸发器、压缩机依次串联，气液分离器顶部气体出口与压缩机中间进气口相连。

2.根据权利要求1所述的基于喷射器的涡流管制冷系统，其特征在于：还包括第二节流阀、第三蒸发器、第二喷射器，所述气液分离器的底部液体出口分成两路，一路依次串联第一节流阀、第一蒸发器，第一蒸发器的出口与第二喷射器的工作流体进口相连；另一路依次串联第二节流阀、第三蒸发器，第三蒸发器的出口与第二喷射器的引射流体进口相连，第二喷射器的出口与压缩机的进口相连。

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