CN103229007B

CN103229007B - 喷射器循环

Info

Publication number: CN103229007B
Application number: CN201180057591.0A
Authority: CN
Inventors: 王金亮; P.费尔马; F.J.科斯威尔
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: EP2646761A2; US9523364B2; US20220113065A1; WO2012074578A8; US20170102170A1; WO2012074578A3; US20130251505A1; EP2646761B1; CN103229007A; US11209191B2; EP3543628B1; WO2012074578A2; EP3543628A1

Abstract

系统（20）具有第一压缩机（22）和第二压缩机（52）。排热热交换器（30）联接到第一和第二压缩机以接收由这些压缩机压缩的制冷剂。该系统包括经济器，用于从排热热交换器接收制冷剂并降低被接收制冷剂的第一部分的焓，同时增加第二部分的焓。第二部分返回到压缩机。喷射器（66）具有主入口（70），联接到所述机构以接收被降低焓的制冷剂的第一流。喷射器具有次入口（72）和出口（74）。出口联接到第一压缩机以将制冷剂返回到第一压缩机。第一吸热热交换器（80）联接到经济器以接收被降低焓的制冷剂的第二流，并且第一吸热热交换器位于喷射器的次入口的上游。第二吸热热交换器（90）位于喷射器的出口与第一压缩机之间。

Description

喷射器循环

相关申请的交叉引用

要求于2011年11月30日提交的并且主题为“EjectorCycle”的美国专利申请No.61/418,110的权益，该文献的内容以引用的方式全部并入本文中，就像被全文阐述的那样。

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早期方案见于US1836318和US3277660。较近期的方案见于US7178359。

发明内容

本发明的一方面涉及一种具有第一压缩机和第二压缩机的系统。排热热交换器联接到所述第一和第二压缩机以接收由这些压缩机压缩的制冷剂。所述系统包括用于从所述排热热交换器接收制冷剂并降低被接收制冷剂的第一部分的焓同时增加第二部分的焓的机构。所述第二部分返回到所述压缩机。喷射器具有主入口，所述主入口联接到所述机构以接收被降低焓的制冷剂的第一流。所述喷射器具有次入口和出口。所述出口联接到所述第一压缩机以将制冷剂返回到所述第一压缩机。第一吸热热交换器联接到所述机构以接收被降低焓的制冷剂的第二流，并且所述第一吸热热交换器位于所述喷射器的次入口的上游。第二吸热热交换器位于所述喷射器的所述出口与所述第一压缩机之间。

本发明的其他方面包括用于操作该系统的方法。所述方法可包括以第一模式运行所述第一和第二压缩机，其中：所述制冷剂在所述第一和第二压缩机中被压缩；由所述排热热交换器从所述第一和第二压缩机接收的制冷剂在所述排热热交换器中排热以产生被初始冷却的制冷剂；由所述机构从所述排热热交换器接收的所述制冷剂分流为所述第一部分和所述第二部分；所述第一部分进一步分流为由所述喷射器的主入口接收的所述第一流以及流动通过所述第一吸热热交换器至所述喷射器的次入口的所述第二流；以及所述第一流和第二流在所述喷射器中汇合并且从所述喷射器出口排出并流动通过所述第二吸热热交换器至所述第一压缩机。

在各种实施方式中，来自所述排热热交换器的流是超临界的，所述第一分流的第二部分流大部分是亚临界蒸汽，并且所述第一分流的第一部分流大部分是亚临界液体。在所述第一模式中的操作可由控制器来控制，所述控制器被编程以控制所述喷射器的操作、所述第一和第二压缩机的操作、位于所述液体出口与所述第一吸热热交换器之间的可控膨胀装置的操作、以及位于所述排热热交换器和所述机构的闪蒸罐之间的可控膨胀装置的操作，以便优化系统效率。在示例性实施方式中，一个膨胀装置控制在所述第一吸热热交换器的出口处的制冷剂的过热；所述喷射器控制在所述第二吸热热交换器的出口处的制冷剂的过热；并且另一膨胀装置控制在所述排热热交换器的出口处的状态。

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

附图说明

图1是第一制冷系统的示意图。

图2是喷射器的轴向截面图。

图3是图1的系统的简化压-焓图。

图4是第二制冷系统的示意图。

图5是用于图4的系统的简化压-焓图。

图6是第三制冷系统的示意图。

图7是用于图6的系统的简化压-焓图。

图8是第四制冷系统的示意图。

图9是用于图8的系统的简化压-焓图。

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1示出了喷射器制冷（蒸汽压缩）系统20。该系统包括压缩机22，所述压缩机具有入口（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定位并且经由各种管道（管线）被连接。排出管线28从该出口26延伸到热交换器（在系统的正常操作模式中的排热热交换器（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延伸到闪蒸罐42的入口40。在闪蒸罐的上游，第一膨胀装置38（例如，电子膨胀阀）定位在管线36中。闪蒸罐具有液体出口44和气体出口46。管线50从气体出口46延伸到第二压缩机52的抽吸端口54。第二压缩机52具有连接到排出管线58的排出端口56，所述排出管线58在气体冷却器入口32之前与排出管线28汇合。

如在下文进一步讨论的，示例性膨胀装置38和闪蒸罐42提供第一经济器，所述第一经济器用作用于接收制冷剂（例如，来自气体冷却器30）以及减少被接收制冷剂的第一部分的焓同时增加第二部分的焓的机构。第二部分返回到第二压缩机，而第一部分被进一步用于冷却。该示例性第一部分以分流为第一流和第二流结束。为了分开并且携带第一流和第二流，相应支路60和62在液体出口44的下游分支并且分别延伸到喷射器66的入口。第一支路60延伸到喷射器66的主入口（液体或超临界或两相入口）70。第二支路62延伸到次入口（饱和或过热蒸汽或两相入口）72。喷射器具有出口74。

第二支路62包括热交换器80，所述热交换器具有入口82和出口84。在入口82上游，第二支路包括第二膨胀装置86（例如，诸如电子膨胀阀的膨胀阀）。在喷射器出口74的下游，该系统包括具有入口92和出口94的热交换器90。管道96从喷射器出口74延伸到热交换器入口92。第一压缩机的抽吸管线98从出口94延伸到抽吸端口24。在该系统的正常操作模式中，热交换器80和90是吸热热交换器（蒸发器）。

示例性喷射器66（图2）形成为嵌套在外部构件102内的活动（主）喷嘴100的组合。主入口70是至活动喷嘴100的入口。出口74是外部构件102的出口。主制冷剂流103（上述的“第一流”）进入入口70，接着流到活动喷嘴100的会聚部段104中。该主制冷剂流然后流动通过喉部部段106和膨胀（扩散）部段108以及通过活动喷嘴100的出口110。活动喷嘴100加速流103，并降低该流的压力。次入口72形成外部构件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（如上所述的“第二流”）抽吸到外部构件中。该外部构件具有混合器，所述混合器具有会聚部段114以及细长喉部或混合部段116。外部构件还具有位于所述细长喉部或混合部段116下游的扩散部段或扩散器118。活动喷嘴出口110定位在会聚部段114内。当流103离开出口110时，该流开始与流112混合，并且通过提供混合区域的混合部段116发生进一步的混合。操作中，主流103可典型地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72时是气态的（或气体与少量液体的混合物）。形成的结合流120是液体/蒸汽混合物，并且在扩散器118中减速和恢复压力，同时保持混合物。

在正常操作模式中（图3），气态制冷剂由第一压缩机22抽吸通过抽吸管线56和入口24，并且被压缩并从排出端口26被排出到排出管线28中。类似地，气态制冷剂由第二压缩机52抽吸通过管线50，并且被压缩并从其排出端口56被排出到管线58，以与来自第一压缩机排出管线28的制冷剂汇合。在示例性实施方式中，第一压缩机抽吸端口24处于第一压力P₁并且第二压缩机抽吸端口54处于第二压力P₂。二者都排放到高侧压力P₃。示例性第一压缩机22以比第二压缩机52更高的焓排放。因此，在气体冷却器30的入口32处的状况代表这两种流的平均状况。在排热热交换器30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）散热/排热。被冷却的制冷剂经由出口34离开排热热交换器。

然后，被冷却的制冷剂在第一膨胀装置38中膨胀（例如，处于大致恒定的焓），并且被传送到处于较低压力（在示例性实施方式中，大致是第二压缩机抽吸压力P₂）的闪蒸罐42。因此该流具有其第一分流，其中一部分离开闪蒸罐蒸汽出口46至第二压缩机抽吸端口54以用于压缩，如上所述。

另一部分离开闪蒸罐出口44，并且在正常操作中进一步分流，其中第一部分流动通过支路60至喷射器主入口70，并且第二部分在第二膨胀装置86中膨胀。在膨胀装置86中膨胀的那部分以大致恒定的焓膨胀至第一蒸发器80的低侧压力P₄。该制冷剂流动通过第一蒸发器80并且汲取热量。然后，该流进入喷射器次入口并且与来自第一支路60的流汇合。重新结合的流进入处于大致第一压缩机抽吸压力P₁的第二蒸发器90。

示例性喷射器可以是固定几何尺寸喷射器或者可以是可控喷射器。图2示出了由针阀130提供可控能力，所述针阀具有阀针132和致动器134。致动器134将该阀针的尖端部136移入以及移出活动喷嘴100的喉部部段106，以调节通过活动喷嘴的流，并且继而总体上调节所述喷射器。示例性致动器134是电气的（例如，电磁阀等）。致动器134可联接到控制器140并由该控制器来控制，所述控制器140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可经由控制线路144（例如，硬线或无线通信路径）联接到致动器和其他可控系统部件（例如，阀、压缩机马达等）。所述控制器可包括下述的一种或多种：处理器；存储器（例如，用于存储由处理器执行以执行操作方法的程序信息以及用于存储该程序使用或由该程序产生的数据）；以及硬件接口装置（例如，端口），其用于与输入/输出装置和可控系统部件交接。

如在下文中进一步讨论的，在示例性实施方式中，喷射器66是可控喷射器，例如如上所述的。在示例性系统中，压缩机速度也是可控的，阀38和86也是可控的。这提供了用于控制器140的示例性五个受控参数。控制器140接收来自一个或多个温度传感器T和压力传感器P的传感器输入。图1还示出了风扇150（例如，电扇），所述风扇驱动空气流152穿过所述气体冷却器30。一个或多个空气流可被类似地驱动穿过蒸发器80和90。在示例性实施方式中，蒸发器80和90是单个蒸发器单元的一部分（例如，管的单个连续阵列，具有由该阵列的单独集管部段形成的分离蒸发器）。示例性第二风扇162驱动空气流160穿过蒸发器80和90。在示例性实施方式中，蒸发器90沿空气流路径位于蒸发器的上游。

在示例性实施方式中，闪蒸罐从相应出口46和44输出纯（或大致纯（单相））气体和液体。在替代实施方式中，气体出口可排出夹带少量（例如，按质量计少于50%或更少）的液体的流，和/或所述液体出口可类似地排出少量的气体。

在示例性控制方法中，控制器140可改变控制阀38以便控制高侧压力P₃。对于诸如CO2的跨临界循环，升高高侧压力会降低离开气体冷却器的焓，并且增加可用于给定压缩机质量流率的冷却。然而，增加高侧压力还增加压缩机功率。存在优化压力值，所述优化压力值最大化在给定操作状况下的系统效率。通常，该目标值随着离开气体冷却器的制冷剂温度而变化。目标高侧压力温度曲线可在控制器中被编程。

控制器140还可改变膨胀阀86以控制进入第一蒸发器80的液体的量。典型地，阀86被用于控制在84处离开蒸发器80的制冷剂的过热。实际过热可响应于接收自相关传感器的控制器输入（例如，响应于位于出口84和喷射器次入口72之间的温度传感器T和压力传感器P的输出）被确定。为了增加过热，阀86被关闭；为了减少过热，阀86被打开（例如，以逐步的方式或连续的方式）。在替代实施方式中，可从沿蒸发器的饱和区域的温度传感器（未示出）来估计压力。提供合适水平的过热的控制确保了良好的系统性能和效率。过高的过热值导致制冷剂和空气之间的高温差，且因此导致较低的蒸发器压力。如果阀86被过度打开，那么过热可能变为零并且离开蒸发器的制冷剂将饱和。太低的过热表明液态制冷剂正离开蒸发器。这种液态制冷剂并不提供冷却，并且必须由喷射器来再次泵送。目标过热值取决于操作模式而可能不同。由于喷射器耐受吸收的制冷剂，因此该目标可以是小的（典型地，大约2K）。

如果喷射器66是可控的，那么控制器140还可改变喷射器66，以控制进入第二蒸发器90的制冷剂的数量和质量。增加该流降低了在94处离开蒸发器的制冷剂的过热。用于在94处控制制冷剂状态的喷射器66调节等同于如上所述在84处控制制冷剂状态的膨胀阀86调节，不同之处在于，目标过热值更高（典型地，5K或更高）。该差异的原因在于，第二蒸发器90被连接到压缩机抽吸端口24。压缩机可能不太耐受吸收的液态制冷剂。

可改变压缩机22的速度以控制总系统容量。增加压缩机速度将增加至蒸发器的流率。至蒸发器的增加流直接提高系统容量。期望容量以及因此压缩机速度可由蒸发器进入空气温度与设定点温度之间的差来确定。可使用标准PI（比例-积分）逻辑来确定压缩机速度。

可改变压缩机52的速度以控制中间压力P2。增加该速度会降低P2，同时减少速度升高P2。P2的目标值可被选择以优化系统效率。降低P2会降低在端口44处离开闪蒸罐的液体温度并且增加可用的制冷的量，但这以压缩机52需要更多功率作为代价。

该系统可利用适合于具体旨在用途的常规技术由常规部件制造成。

图4示出了在其他方面可能类似于系统20的替代系统200。然而，系统200将压缩机部分串联（而不是并联）地设置，并且在压缩机之间添加有中间冷却器202。该中间冷却器定位在第一压缩机22的排出管线204中，所述排出管线204取代管线28并且在第二压缩机52的抽吸状况下与管线50汇合。第二压缩机的排出管线56被替换为供养气体冷却器入口32的管线206。示例性中间冷却器是空气-空气热交换器，其具有沿管线204的入口208和出口210。示例性中间冷却器与气体冷却器30在空气流上串联（例如，使得流152首先流过气体冷却器30并接着流过中间冷却器202）。

图5是用于系统200的P-H图。第一压缩机以排出压力P5排放，所述排出压力P5与第二压缩机抽吸压力P2以及闪蒸罐的压力大致相同。

图6示出了替代系统300，所述系统300与系统200共享示例性部分串联压缩机操作和中间冷却器。因此，相同的部件被标以相同的附图标记。然而，闪蒸罐经济器由具有经济器热交换器304和膨胀装置310（例如，电子膨胀阀）的经济器系统302替换。示例性经济器热交换器是具有第一腿部306的制冷剂-制冷剂热交换器，所述第一腿部306与第二腿部308处于热交换关系。气体冷却器排出管线36分支成为第一支路312和第二支路314，腿部306沿第一支路312定位，膨胀装置306和腿部308沿第二支路314定位。第一支路302供养支路60和62，如液体出口44的输出那样。支路314供养第二压缩机，如管线50那样。腿部306和308具有相应入口320和322以及相应出口324和326。

图7是用于图6的系统的P-H图。

图8示出了替代系统400，该系统400将膨胀装置306更换为经济器系统402中的喷射器404。喷射器404可类似于上述的喷射器，具有主入口406、次入口408以及出口410。主入口和出口沿支路314位于腿部308的上游。次入口接收中间冷却器的输出，然后结合流流动通过出口410和腿部308以进入第二压缩机入口。因此，相对于系统200和300来说保留部分串联操作。

图9是用于系统400的P-H图。

虽然在上文详细地描述了实施方式，但是这种描述并不旨在用于限制本发明的范围。将理解的是，可作出各种修改而不偏离本发明的精神和范围。例如，当在现有系统的重新制造或现有系统构造的重新构建中实施时，现有构造的细节可能影响或指定任何具体实施方式的细节。因此，其他实施方式落入下述权利要求书的范围内。

Claims

1.一种喷射器制冷系统（20;200;300;400），所述喷射器制冷系统包括：

第一压缩机（22）和第二压缩机（52）；

排热热交换器（30），所述排热热交换器联接到所述第一和第二压缩机以接收由所述第一和第二压缩机压缩的制冷剂；

被压缩制冷剂的处理单元（38,42;304,310;304,404），所述被压缩制冷剂的处理单元用于从所述排热热交换器接收制冷剂并降低被接收制冷剂的第一部分的焓，同时增加第二部分的焓，所述第二部分返回到所述第二压缩机；

喷射器（66），所述喷射器具有：

主入口（70），所述主入口联接到所述被压缩制冷剂的处理单元以接收被降低焓的制冷剂的第一流；

次入口（72）；和

出口（74），所述出口联接到所述第一压缩机以将制冷剂返回到所述第一压缩机；

第一吸热热交换器（80），所述第一吸热热交换器联接到所述被压缩制冷剂的处理单元以接收被降低焓的制冷剂的第二流，并且所述第一吸热热交换器位于所述喷射器的次入口的上游；以及

第二吸热热交换器（90），所述第二吸热热交换器位于所述喷射器的所述出口与所述第一压缩机之间。

2.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统（200;300;400），还包括：

位于所述第一压缩机和第二压缩机之间的中间冷却器（202）。

3.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，其中，所述被压缩制冷剂的处理单元包括：

闪蒸罐（42），所述闪蒸罐具有：

入口（40），所述入口联接到所述排热热交换器以从所述排热热交换器接收制冷剂；

气体出口（46），所述气体出口联接到所述第二压缩机以将制冷剂传送到所述第二压缩机；以及

液体出口（44），所述液体出口位于所述喷射器的主入口和所述第一吸热热交换器的上游。

4.根据权利要求3所述的喷射器制冷系统，还包括：

位于所述排热热交换器和所述闪蒸罐入口之间的膨胀装置。

5.根据权利要求3所述的喷射器制冷系统，其中：

单相气流离开所述气体出口；以及

单相液流离开所述液体出口。

6.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，其中，所述被压缩制冷剂的处理单元包括：

经济器膨胀装置（310），所述经济器膨胀装置联接到所述排热热交换器，以从所述排热热交换器接收制冷剂第二部分；

经济器热交换器（304），所述经济器热交换器具有：

第一子部（306），所述第一子部联接到所述排热热交换器以从所述排热热交换器接收所述制冷剂第一部分；以及

第二子部（308），所述第二子部联接到所述经济器膨胀装置（310）以接收所述第二部分。

7.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，其中，所述被压缩制冷剂的处理单元包括：

第二喷射器，所述第二喷射器具有：

主入口，所述主入口联接到所述排热热交换器以从所述排热热交换器接收所述制冷剂第二部分；

次入口，所述次入口联接到所述第一压缩机以从所述第一压缩机接收制冷剂；和

出口；以及

经济器热交换器，所述经济器热交换器具有：

第二子部（308），所述第二子部联接到所述第二喷射器的出口以接收所述第二部分。

8.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，还包括：

膨胀装置，所述膨胀装置位于所述被压缩制冷剂的处理单元与所述第一吸热热交换器的入口之间。

9.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，其中：

所述喷射器制冷系统不具有其他喷射器。

10.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，其中：

所述喷射器制冷系统不具有其他吸热热交换器。

11.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，其中：

所述第一吸热热交换器（80）和所述第二吸热热交换器（90）定位成使得空气流（160）由风扇（162）驱动流过所述第一吸热热交换器以及所述第二吸热热交换器，以提供对受调节空间（166）的湿度控制。

12.根据权利要求1所述的喷射器制冷系统，其中：

所述制冷剂包括按重量计至少50%的二氧化碳。

13.根据权利要求2所述的喷射器制冷系统，其中：

所述中间冷却器是位于所述第一压缩机的排出管线与第二压缩机之间的热交换器。

14.根据权利要求13所述的喷射器制冷系统，其中，所述被压缩制冷剂的处理单元包括：

经济器热交换器（304），所述经济器热交换器具有：

15.根据权利要求2所述的喷射器制冷系统，其中，所述被压缩制冷剂的处理单元包括：

经济器热交换器（304），所述经济器热交换器具有：

16.一种用于操作权利要求3所述的喷射器制冷系统的方法，所述方法包括以冷却模式运行所述第一和第二压缩机，其中：

所述制冷剂在所述第一和第二压缩机中被压缩；

由所述排热热交换器从所述第一和第二压缩机接收的制冷剂在所述排热热交换器中排热以产生被初始冷却的制冷剂；

由所述闪蒸罐从所述排热热交换器接收的所述制冷剂分流为所述第一部分和所述第二部分；

所述第一部分流自所述液体出口并且进一步分流为由所述喷射器的主入口接收的所述第一流以及流动通过所述第一吸热热交换器至所述喷射器的次入口的第二流；以及

所述第一流和第二流在所述喷射器中汇合并且从所述喷射器的出口排出并流动通过所述第二吸热热交换器至所述第一压缩机。

17.一种用于操作权利要求1所述的喷射器制冷系统的方法，所述方法包括以冷却模式运行所述第一和第二压缩机，其中：

所述制冷剂在所述第一和第二压缩机中被压缩；

由所述被压缩制冷剂的处理单元从所述排热热交换器接收的所述制冷剂分流为所述第一部分和所述第二部分；

所述第一部分被进一步分流为由所述喷射器的主入口接收的所述第一流以及流动通过所述第一吸热热交换器至所述喷射器的次入口的所述第二流；以及

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

来自所述排热热交换器的流是超临界的，所述第一流的第二部分大部分是亚临界蒸汽，并且所述第一流的第一部分大部分是亚临界液体。

19.根据权利要求17所述的方法，其中：

在所述冷却模式中的操作由控制器（140）来控制，所述控制器被编程以控制所述喷射器的操作、所述第一和第二压缩机的操作、位于液体出口与所述第一吸热热交换器之间的第一可控膨胀装置（86）的操作、以及位于所述排热热交换器和所述被压缩制冷剂的处理单元的闪蒸罐之间的第二可控膨胀装置（38）的操作，以便优化系统效率；

所述第一可控膨胀装置（86）控制在所述第一吸热热交换器（80）的出口处的制冷剂的过热；

所述喷射器控制在所述第二吸热热交换器（90）的出口处的制冷剂的过热；以及

所述第二可控膨胀装置（38）控制在所述排热热交换器的出口处的状态。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述第二吸热热交换器和第一吸热热交换器定位成使得空气流以串联的方式流过所述第一吸热热交换器和第二吸热热交换器；以及

所述控制器被编程以控制所述空气流的湿度。