CN103003644B - 喷射器循环 - Google Patents

Abstract

系统（170）具有压缩机（22）。排热热交换器（30）被联接到所述压缩机，以接收由所述压缩机压缩的制冷剂。非受控的喷射器（38）具有：主入口，所述主入口被联接到所述排热热交换器以接收制冷剂；次入口；以及出口。所述系统包括用于在所述喷射器上游产生超临界至亚临界过渡的机构（172，例如，喷嘴）。

Description

喷射器循环

相关申请的交叉引用

要求于2010年7月23日提交的主题为“EjectorCycle”的美国专利申请No.61/367,140的权益，该文献以引用的方式全文结合到本文，就像该文献被完整地阐述地那样。

技术领域

本发明涉及制冷。更具体地，本发明涉及喷射器制冷系统。

背景技术

用于喷射器制冷系统的较早方案见于US1836318和US3277660中。图1示出了喷射器制冷系统20的一个基本示例。该系统包括压缩机22，该压缩机具有入口（抽吸端口）24和出口（排出端口）26。压缩机和其他系统部件沿制冷剂回路或流路27布置并且借助各种管道（管线）被连接。排出管线28从出口26延伸到热交换器（在系统的正常操作模式中是排热热交换器（例如，冷凝器或气体冷却器））30的入口32。管线36从排热热交换器30的出口34延伸到喷射器38的主入口（液相或超临界或两相入口）40。喷射器38还具有次入口（饱和的或过热的蒸气或两相入口）42，以及出口44。管线46从喷射器出口44延伸到分离器48的入口50。分离器具有液体出口52和气体出口54。抽吸管线56从气体出口54延伸到压缩机抽吸端口24。管线28、36、46、56以及它们之间的部件限定制冷剂回路27的主环60。制冷剂回路27的次环62包括热交换器64（在正常操作模式中是吸热热交换器（例如，蒸发器））。蒸发器64包括沿次环62的入口66和出口68，并且膨胀装置70定位在管线72中，该管线72在分离器液体出口52和蒸发器入口66之间延伸。喷射器次入口管线74从蒸发器出口68延伸到喷射器次入口42。

在正常操作模式中，气态制冷剂由压缩机22抽吸通过抽吸管线56和入口24、被压缩并且从排出端口26被排出到排出管线28中。在排热热交换器中，制冷剂向热传递流体（例如，风扇促动的空气或水或其他流体）释放/排出热量。冷却的制冷剂借助出口34离开排热热交换器，并且借助管线36进入喷射器主入口40。

示例性喷射器38（图2）形成为被嵌套在外部构件102内的活动（主）喷嘴100的组合。主入口40是活动喷嘴100的入口。出口44是外部构件102的出口。主制冷剂流103进入入口40并且接着传送到活动喷嘴100的会聚部104中。该主制冷剂流接着经过喉部106和膨胀（发散）部108，从而通过活动喷嘴100的出口110。活动喷嘴100加速了流103并且降低了该流的压力。次入口42形成为外部构件102的入口。由活动喷嘴引起的主流的压力降低有助于将次流112抽吸到外部构件中。该外部构件包括混合器，该混合器具有会聚部114和细长喉部或混合部116。外部构件还具有位于该细长喉部或混合部116下游的发散部或扩散器118。活动喷嘴出口110定位在会聚部114内。当流103离开出口110时，该流开始与流112混合，而进一步的混合通过提供混合区域的混合部116发生。在操作中，主流103典型地可以在进入喷射器时是超临界的，并且在离开活动喷嘴时是亚临界的。次流112在进入次入口端口42时是气态的（或气体与较少量液体的混合物）。形成的结合流120是液体/蒸气混合物，并且在扩散器118中减速和恢复压力，同时保持混合物。

在进入分离器时，流120被分离回到流103和112。流103作为气体流经压缩机抽吸管线，如上所述。流112作为液体流经膨胀阀70。流112可由阀70膨胀（例如，至较低质量（具有少量蒸气的两相））并且被传送到蒸发器64。在蒸发器64内，制冷剂从热传递流体（例如，来自风扇促动的空气流或水或其他液体）吸热并且作为前述气体从出口68被排出到管线74。

使用喷射器用于恢复压力/回收功。从膨胀过程回收的功被用于在气态制冷剂进入压缩机之前压缩该气态制冷剂。因此，对于给定的期望蒸发器压力来说，压缩机的压力比（且因此功耗）可以减少。还可以降低进入蒸发器的制冷剂的质量。因此，每单位质量流量的制冷效应可以增加（相对于无喷射器系统）。改善了进入蒸发器的流体的分布（且因此改善了蒸发器性能）。由于蒸发器并不直接给压缩机供料，因此蒸发器不需要产生过热制冷剂流出流。使用喷射器循环因此可允许减少或消除蒸发器的过热区域。这可允许蒸发器操作在两相状态，所述两相状态提供较高的热传递性能（例如，对于给定容量，有利于减少蒸发器尺寸）。

示例性喷射器可以是定几何尺寸的喷射器（图3），或者可以是可控喷射器（图2）。图2示出了由针阀130提供的可控能力，所述针阀具有针132和致动器134。致动器134将针的针尖部136移入以及移出所述活动喷嘴100的喉部106，以调节通过活动喷嘴的流，并且继而总体地调节喷射器。示例性致动器134是电气的（例如，螺线管等）。致动器134可联接到控制器140并由该控制器控制，该控制器可接收来自输入装置142（例如，开关、键盘等）和传感器（未示出）的用户输入。控制器140可借助控制线路144（例如，硬线或无线通信路径）被联接到致动器和其他可控系统部件（例如，阀、压缩机马达等）。控制器可包括下述的一个或多个：处理器；存储器（例如，用于存储用于由处理器执行以执行操作方法的程序信息，以及用于存储由程序使用或由程序产生的数据）；以及硬件接口装置（例如，端口），所述硬件接口装置用于与输入/输出装置和可控系统部件交界。

已经提出了这种喷射器系统的各种变型。在US20070028630中的一个示例包括沿管线46布置第二蒸发器。US20040123624公开了一种具有两对喷射器/蒸发器的系统。在US20080196446中示出了另外的两个蒸发器、单个喷射器的系统。用于控制喷射器所提出的另一方法是使用热气旁通。在该方法中，小量的蒸气绕过气体冷却器并且正好在活动喷嘴的上游被喷射或者在活动喷嘴的会聚部内喷射。由此引入到活动流中的气泡减少了有效喉部面积并且减少了主流。为了减少该流，引入更多的旁过流。

发明内容

本发明的一个方面包括一种具有压缩机的系统。排热热交换器被联接到所述压缩机，以接收由所述压缩机压缩的制冷剂。非受控的喷射器具有：主入口，所述主入口被联接到所述排热热交换器以接收制冷剂；次入口；以及出口。所述系统包括用于在所述喷射器上游实现超临界至亚临界过渡的机构（例如，喷嘴）。

在各种实施方式中，该机构可主要包括喷嘴和控制阀。所述喷嘴可以是会聚喷嘴或会聚/发散喷嘴。所述机构可以是无分支的并且内嵌在所述排热热交换器和所述喷射器之间。所述系统还可包括分离器，所述分离器包括入口，所述入口被联接到所述喷射器的所述出口以从所述喷射器接收制冷剂。所述分离器具有气体出口，所述气体出口被联接到所述压缩机，以将制冷剂返回到所述压缩机。所述分离器具有液体出口，所述液体出口被联接到所述喷射器的所述次入口，以将制冷剂传送到所述喷射器。吸热热交换器可被联接到所述分离器的液体出口，以接收由所述压缩机压缩的制冷剂。

膨胀装置可直接位于所述吸热热交换器的入口的上游。所述制冷剂可包括按重量计至少50%的二氧化碳。

本发明的其他方面包括用于操作该系统的方法。

一个或多个实施方式的细节在附图和下文的说明中被阐述。其他特征、目的和优势通过说明书和附图以及权利要求书将是显而易见的。

附图说明

图1是现有技术喷射器制冷系统的示意图。

图2是喷射器的轴向截面图。

图3是第二喷射器的轴向截面图。

图4是第一制冷系统的示意图。

图5是第一制冷剂过渡机构的视图。

图6是图4的系统的压力-焓（莫里尔（Mollier））图。

图7是第二过渡机构的视图。

图8是第三过渡机构的视图。

图9是第四过渡机构的视图。

图10是第五过渡机构的视图。

图11是第六过渡机构的视图。

在各个附图中，相同的附图标记和符号指代相同的元件。

具体实施方式

图4示出了喷射器循环蒸气压缩（制冷）系统170。该系统170可以被制造为系统20或另一系统的变型，或制造为原始制造/构造。在示例性实施方式中，可以从系统20保留的相同部件以相同的附图标记示出。操作也可与系统20的操作类似，不同之处将在下文被讨论，其中控制器响应于来自各个温度传感器和压力传感器的输入控制操作。

所述喷射器是不可控喷射器。直接在喷射器主入口的上游的是机构172，所述机构用于在制冷剂进入主入口之前提供超临界至亚临界过渡。第一示例性机构包括会聚喷嘴180（图5）和控制阀182。会聚喷嘴180具有入口184和出口186。出口的流动截面（内表面）面积小于入口的流动截面面积（例如，是10-95%、更确切地20-80%或40-60%）。出口截面面积与喷射器主入口和任何介于其中的管道/管线的截面面积名义上可以相同。入口截面面积可以与来自排热热交换器的管道/管线的截面面积相同。示例性阀（例如，针阀或球阀）可直接位于入口184的上游或出口的下游（图7）。

图6是具有图5的机构的图4的系统的莫里尔图。示例性蒸发器压力是P3并且排出侧或高侧气体冷却器压力是P1。机构172将喷射器入口压力降低为P4。活动喷嘴的流率和入口状况能够由机构172控制，以将喷射器活动喷嘴入口压力保持低于临界值。

在操作中，膨胀装置70被控制以保持离开蒸发器的制冷剂的期望过热。离开蒸发器的目标过热可以被保持。通过来自蒸发器下游的压力转换器P和温度传感器T的输入，可确定该过热。替找地，能够从沿蒸发器的饱和区域的温度传感器估计该压力。为了增加过热，膨胀装置被关闭，以增加开度。

第三示例性机构包括取代会聚喷嘴180的会聚-发散喷嘴220（图8）。会聚-发散喷嘴220具有入口224、出口226以及位于该入口和出口之间的喉部228。喉部的流动截面（内表面）面积小于该入口和出口之中较小者的截面面积（例如，是10-95%、更确切地20-80%或40-60%）。出口的示例性流动截面（内表面）面积大于或小于入口的截面面积（这取决于出口制冷剂速度需求；速度要求越高，则出口面积越大，在较低速度下出口面积较小）（例如，是20-175%、更确切地50-150%）。出口截面面积与喷射器主入口以及任何介于其中的管道/管线的截面面积名义上可以相同。入口截面面积可以与来自排热热交换器的管道/管线的截面面积相同。

该机构的进一步变形包括省掉控制阀182（图9，用于喷嘴220）。在这种情况下，喷嘴180或220的尺寸被预先选择，以在预期操作状况范围内将喷射器入口压力保持低于临界压力。

该机构的又一变形将喷嘴220修改为具有可控流动截面。对于会聚-发散喷嘴240（图10），这可包括可控喉部截面（例如，借助具有针242和致动器（未示出）的针阀实现）。该针可被控制，以控制喷嘴出口压力或诸如流率和温度等的系统参数。

图11还示出了所述机构的另一变形，所述机构包括具有节流孔252的节流孔板250。示例性节流孔252是节流孔板或文丘里管。该机构的又一变形包括一系列会聚和/或会聚-发散喷嘴，其具有或不具有控制阀。例如，在喷射器之前可以仅存在会聚喷嘴。

该系统可以通过使用适合具体旨在用途的常规技术用常规部件制造。

虽然已经详细地描述了实施方式，但是这种描述并不旨在限制本发明的范围。将理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种修改。例如，当在现有系统的再制造或现有系统构造的重构中实施时，现有构造的细节可能影响或规定任何具体实施方式的细节。因此，其他实施方式也落入下述权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种系统（170），所述系统包括：

压缩机（22）；

排热热交换器（30），所述排热热交换器被联接到所述压缩机，以接收由所述压缩机压缩的制冷剂；以及

喷射器（38），所述喷射器包括：

主入口（40），所述主入口被联接到所述排热热交换器以接收制冷剂；

次入口（42）；以及

出口（44），

其中：

所述喷射器是非受控的喷射器；以及

所述系统还包括用于在所述喷射器上游实现超临界至亚临界过渡的机构；所述机构包括喷嘴。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述机构主要包括所述喷嘴和控制阀。

3.根据权利要求2所述的系统，其中：

所述喷嘴是会聚喷嘴。

4.根据权利要求2所述的系统，其中：

所述喷嘴是会聚/发散喷嘴。

5.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述喷嘴是会聚/发散喷嘴。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机构包括：

所述喷嘴是会聚喷嘴或会聚-发散喷嘴；以及

控制阀。

7.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述机构是无分支的并且内嵌在所述排热热交换器和所述喷射器之间。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括：

分离器（48），所述分离器包括：

入口（50），所述入口被联接到所述喷射器的所述出口以从所述喷射器接收制冷剂；

气体出口（54），所述气体出口被联接到所述压缩机，以将制冷剂返回到所述压缩机；以及

液体出口（52），所述液体出口被联接到所述喷射器的所述次入口，以将制冷剂传送到所述喷射器；以及

吸热热交换器（64），所述吸热热交换器位于所述分离器和所述喷射器的次入口之间。

9.根据权利要求8所述的系统，其中：

所述系统不具有其他分离器。

10.根据权利要求8所述的系统，还包括：

膨胀装置（70），所述膨胀装置直接位于所述吸热热交换器（64）的入口（66）的上游。

11.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述制冷剂包括按重量计至少50%的二氧化碳。

12.一种用于操作权利要求1的系统的方法，所述方法包括将所述压缩机运行在第一模式中，其中：

所述制冷剂在所述压缩机中被压缩；

由所述排热热交换器从所述压缩机接收的制冷剂在所述排热热交换器中排出热量以产生最初冷却的制冷剂；以及

所述最初冷却的制冷剂流经所述机构并且在所述机构中从所述超临界过渡为亚临界并且进入所述喷射器的主入口亚临界。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

控制系统借助从一个或多个传感器接收输入来控制所述机构；以及

响应于所述输入，控制所述机构以便将喷射器活动喷嘴入口压力保持低于超临界。

14.一种系统（170），所述系统包括：

压缩机（22）；

排热热交换器（30），所述排热热交换器被联接到所述压缩机，以接收由所述压缩机压缩的制冷剂；

喷射器（38），所述喷射器包括：

主入口（40），所述主入口被联接到所述排热热交换器以接收制冷剂；

次入口（42）；以及

出口（44），

吸热热交换器（64），所述吸热热交换器被联接到所述喷射器（38）的出口，以接收制冷剂；以及

至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴内嵌在所述排热热交换器和所述喷射器的主入口之间；

所述系统还包括机构，其包括所述至少一个喷嘴，所述机构用于在所述喷射器上游实现超临界至亚临界过渡。

15.根据权利要求14所述的系统，其中：

所述至少一个喷嘴包括会聚喷嘴或会聚-分散喷嘴。

16.根据权利要求14所述的系统，其中：

所述至少一个喷嘴包括单个喷嘴，所述单个喷嘴是会聚喷嘴或会聚-分散喷嘴。

17.根据权利要求16所述的系统，还包括：

控制阀，所述控制阀位于所述单个喷嘴的入口的上游或所述单个喷嘴的出口的下游。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，制冷剂包括按重量计至少50%的二氧化碳。

19.根据权利要求14所述的系统，其中，制冷剂包括按重量计至少50%的二氧化碳。

20.根据权利要求14所述的系统，还包括：

分离器（48），所述分离器具有：

入口（50），所述入口被联接到所述喷射器的出口以从所述喷射器接收制冷剂；

气体出口（54），所述气体出口被联接到所述压缩机，以将制冷剂返回到所述压缩机；以及

液体出口（52），所述液体出口被联接到所述喷射器的次入口，以将制冷剂传送到所述喷射器，

其中，所述吸热热交换器（64）位于所述分离器和所述喷射器的次入口之间。