CN103270379B

CN103270379B - 喷射器

Info

Publication number: CN103270379B
Application number: CN201180064145.2A
Authority: CN
Inventors: 刘洪胜; 邹江; F.J.考格斯威尔; 王金亮; P.费尔马
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2031-01-04
Also published as: US9696069B2; WO2012092685A1; US20160195316A1; EP2661594A1; CN103270379A; US20130277448A1; US9285146B2; EP2661594A4; EP2661594B1

Abstract

喷射器（200；300；320；340；400；430；460；480）具有主进口（40），次进口（42）以及出口（44）。主流路从所述主进口（40）延伸到所述出口（44），以及次流路从所述次进口（42）延伸到所述出口（44），与所述主流路汇合。活动喷嘴（100）在与所述次流路的结合处的上游包围所述主流路。所述活动喷嘴（100）具有喉部（106）和退出口（110）。喷射器（200；300；320；340；400；430；460；480）还具有机构（204，210；304；322；342；402；432；462；482），用于改变所述退出口（110）的有效面积，或者同时改变所述退出口（110）的有效面积和所述喉部（106）的有效面积。

Description

喷射器

技术领域

本公开内容涉及制冷。更具体地，本公开内容涉及喷射制冷系统。

背景技术

在US1836318和US3277660中可找到对喷射制冷系统的早期提议。图1示出喷射制冷系统20的一个基本示例。所述系统包括具有进口（吸入口）24和出口（排出口）26的压缩机22。该压缩机及其它系统部件沿着制冷剂回路或流动路径27定位并经由各种管道（管线）连接。排出管线28从换热器（在正常系统操作模式中是排热换热器（例如，冷凝器或气体冷却器））30的出口26延伸到进口32。管线36从排热换热器30的出口34延伸到喷射器38的主（primary）进口（液体或超临界或二相进口）40。喷射器38还具有次（secondary）进口（饱和或过热蒸气或二相进口）42和出口44。管线46从喷射器出口44延伸到分离器48的进口50。该分离器具有液体出口52和气体出口54。吸入管线56从气体出口54延伸到压缩机吸入口24。管线28、36、46、56、及其之间的部件限定制冷剂回路27的主环路60。制冷剂回路27的次环路62包括换热器64（在正常操作模式中为吸热换热器（例如，蒸发器））。蒸发器64包括沿着次环路62的进口66和出口68且膨胀装置70定位于在分离器液体出口52与蒸发器进口66之间延伸的管线72中。喷射器次进口管线74从蒸发器出口68延伸到喷射器次进口42。

在正常操作模式下，气态制冷剂通过吸入管线56和进口24被压缩机22吸取且被压缩并从排出口26排放到排出管线28。在排热换热器中，制冷剂向传热流体（例如风扇强制空气或水或其它流体）释放/排出热量。被冷却的制冷剂经由出口34离开排热换热器并经由管线36进入喷射器主进口40。

示例性喷射器38（图2）被形成为嵌套在外构件102内的活动（主）喷嘴100的组合。主进口40是到活动喷嘴100的进口。出口44是外构件102的出口。主制冷剂流103进入进口40并随后进入活动喷嘴100的收敛段104。其随后穿过喉部段106和膨胀（发散）段108通过活动喷嘴100的出口110。活动喷嘴100加速流103并减小该流的压力。次进口42形成外构件102的进口。由活动喷嘴对主流造成的降压帮助将次流112吸入到外构件中。该外构件包括具有收敛段114和细长喉部或混合段116的混合器。该外构件还具有在细长喉部或混合段116下游的发散段或扩散器118。活动喷嘴出口110位于收敛段114内。随着流103离开出口110，其开始与流112混合，通过提供混合区的混合段116发生进一步的混合。在操作中，主流103通常可以在进入喷射器时是超临界的且在离开活动喷嘴时是亚临界的。次流112在进入次进口42时是气态的（或气体与少量液体的混合物）。结果得到的组合流120是液体/蒸气混合物并在保持混合物的同时在发散器118中减速和恢复压力。在进入分离器时，流120被分离回流103和112。流103如上文所讨论的那样作为气体通过压缩机吸入管线。流112作为液体通到膨胀阀70。阀70可以使流112膨胀（例如成为低质量（具有少量蒸气的二相））并将其通到蒸发器64。在蒸发器64内，制冷剂从传热流体（例如从风扇强制气流或水或其它液体）吸收热量并作为上述气体从出口68排出到管线74。

使用喷射器用于恢复压力/功（work）。从膨胀过程恢复的功用来在气态制冷剂进入压缩机之前将其压缩。因此，可以针对给定的期望蒸发器压力而降低压缩机的压力比（并因此降低功耗）。还可以减少进入蒸发器的制冷剂的质量。因此，可以增加每单位质量流的制冷效果（相对于非喷射器系统而言）。进入蒸发器的流体的分布得到改善（从而改善蒸发器性能）。由于蒸发器不直接对压缩机进行馈送，所以蒸发器不需要产生被过热制冷剂流出流。因此，喷射器循环的使用可以允许减小或消除蒸发器的过热区。这可以允许蒸发器在提供较高传热性能的二相状态下操作（例如，促进对于给定容量的蒸发器尺寸的减小）。

示例性喷射器可以是固定几何结构的喷射器或者可以是可控喷射器。图2示出由具有针132和致动器134的针阀130提供的可控性。致动器134使针的尖端部分136移入和移出活动喷嘴100的喉部段106以调节通过活动喷嘴的流量，并且继而总体地调节通过喷射器的流量。示例性致动器134是电的（例如，螺线管等）。致动器134可以被联接到控制器140并受控制器140控制，控制器140可以从输入设备142（例如，开关、键盘等）和传感器（未示出）接收用户输入。控制器140可以经由控制线144（例如，硬线连接或无线通信路径）联接到致动器及其它可控制系统部件（例如，阀、压缩机马达等）。控制器可包括下述中一个或多个：处理器；存储器（例如用于存储由处理器完成的程序信息以执行操作方法，以及用于存储由所述程序使用或产生的数据）；以及硬件接口装置（例如端口），用于与输入/输出装置和可控制系统部件连接。

发明内容

本公开内容的一方面涉及喷射器，所述喷射器具有主进口、次进口和出口。主流路从主进口延伸到出口，以及次流路从次进口延伸到出口，并与主流路汇合。活动喷嘴在与次流路的结合处的上游包围主流路。活动喷嘴具有喉部和退出口。退出口和/或混合器的有效面积是可变的。

本公开内容的其它方面包括用于操作所述系统的方法。

在附图和以下说明中阐述一个或多个实施方式的细节。通过说明书和附图、以及通过权利要求，其它特征、目的和优点将是明显的。

附图说明

图1是现有技术喷射制冷系统的示意图。

图2是现有技术喷射器的轴向剖视图。

图3是喷射器的示意轴向剖视图。

图3A是图3的喷射器的一部分的放大图。

图4是第二喷射器的示意轴向剖视图。

图4A是图3的喷射器的放大局部视图。

图5是第三喷射器的示意轴向剖视图。

图6是第四喷射器的示意轴向剖视图。

图7是第五喷射器的部分示意轴向剖视图。

图8是第六喷射器的部分示意轴向剖视图。

图9是第七喷射器的部分示意轴向剖视图。

图10是第八喷射器的示意轴向剖视图。

相同的参考标号和符号在各种图中指示相同的元件。

具体实施方式

如下面进一步讨论的，除了控制喉部的有效面积之外或与控制喉部的有效面积分开，活动喷嘴退出口的有效面积可以被改变/控制。喷嘴的面积比（例如喷射器的面积比）是退出口面积与喉部面积的比。对于常规可控制喷射器，使用针来减少喉部面积引起面积比的相关增加。喉部面积减少百分之五十将使面积比加倍。如果面积比太大，那么超音速流将过度膨胀。这导致能够在20%的范围内的效率损失。因此，对于具有可控制喉部面积的喷射器，增加退出口面积控制允许至少部分的补偿。

图3示出喷射器200，其可以形成为喷射器38的变体（实际变体或设计变体）并可取代其使用。用于改变退出口的有效面积的示例性机构包括阀元件（针），阀元件沿着其运动范围的至少一部分延伸通过退出口。第一示例性的这样的针（退出口针）204被示出与沿着喷射器的中心线1000的针132（喉部针）同轴。针204具有尖端部206，其与针132的尖端部136相对，并面向尖端部136。针204具有从尖端向下游延伸的杆208。为了移动针204以改变退出口的有效面积（例如在退出口处或足够接近该退出口以产生相同或相似效果的位置处该针与活动喷嘴的内表面之间的环形面积），致动器210联接到该针。示例性致动器210是旋转致动器（例如步进马达）。示例性致动器210经由齿轮系联接到针阀。示例性齿轮系包括安装到致动器210的轴222上的主动锥齿轮220以由此被驱动。主动锥齿轮220的齿与从动锥齿轮224的齿啮合。示例性轴222及其旋转轴线垂直于针杆和喷射器的中心线，并且与针杆和喷射器的中心线相交。致动器210带来的前后往复旋转驱动针204的前后往复平移。虽然为了容易图示被示出为圆锥形尖端隆起，但是这些尖端可以是圆锥形之外的形状，并且可以具有与杆的相邻部分类似的最大直径，并且可具有已知的或尚在开发的轮廓。

示例性针204具有下游发散渐细部分240（图3A）。示例性的运动范围从最大插入/延伸状况/位置204′延伸至最大撤回/缩回状况/位置204〞。示例性运动范围是活动喷嘴的发散长度L_D的至少25%，更窄地，75-95%。沿着该运动范围的至少一部分，渐细部分与退出口轴向对齐，使得针的插入降低有效退出口面积（例如，由退出口和部分240之间的环形空间/间隙的横截面积约计的面积）。类似地，缩回增加有效退出口面积。示例性膨胀（发散）段108被显示具有特征半角θ₂。示例性部分240被显示具有示例性半角θ₁。在该示例中，θ₂是固定的，使得膨胀段108是圆锥形。类似地，至少在渐细部分240的一些部分上，θ₁是固定的，以便限定平截头圆锥体。如果基于现有的喷射器或其活动喷嘴，喷射器和/或喷嘴的角度和尺寸可被保留。用于这种构造的示例性θ₁是0-30°，更窄地，0-10°，或2-10°，或5-10°。类似地，示例性θ₂是0-30°，更窄地，0-10°，或2-10°，或5-10°。其它喷嘴轮廓，包括非均匀角度θ₁和θ₂，是可能的。

以举例的方式，有效退出口横截面积在最小和最大状况之间的减小可以是最大状况的至少5%，更窄地，至少10%或10-40%。这些可以小于相关喉部面积的减小。

图4和4A示出单个针的喷射器300，其在其它方面可以类似于喷射器200，但缺少针132和相关致动器等。相反，针304和活动喷嘴的比例是这样的，即至少沿着针的运动范围的一部分，该针延伸进入喉部并跨过从喉部到退出口的距离。沿着运动范围的至少该部分，该针控制有效喉部面积和有效退出口面积。

图5显示了喷射器320，其在其它方面可以类似，但是具有的针322沿着其运动范围的至少一部分只控制喉部的有效面积，而不控制退出口的有效面积（例如，通过在退出口前面具有渐细部分）。这可以通过更窄的和/或相对短的渐细部分324来实现。对喉部面积的示例性控制可具有与前面所提及的对退出口面积的控制相类似的范围。例如，在最小喉部和最大喉部状况之间的面积的差可以是最大喉部状况面积的至少10%，更窄地，至少20%或35-100%。图6显示了喷射器340，其中，仅退出口面积被针342控制，该针342具有更短、更宽的渐细部分334被定位成只控制退出口面积，而不控制喉部面积。

作为进一步的替代，单个针可以被从上游致动，但延伸通过活动喷嘴喉部，以便控制发散段108和退出口110的有效特性。图7显示了喷射器400的活动喷嘴，喷射器400在其它方面可以类似于喷射器38，但具有不同的针。示例性针402具有相对窄的上游部分404，其形成针的主体。在上游部分404的下游是发散（下游发散）部分406。在发散部分406的下游是收敛（下游收敛）部分408，收敛部分408延伸到下游尖端410。图7还显示了最上游最大缩回位置402′与最下游最大延伸位置402〞之间的运动范围。能够看到的是，在该运动范围的一些部分上，针402控制有效喉部面积（例如，在喉部106和针之间的环形空间的面积）和有效退出口面积。示例性发散部分406具有半角，其可以具有与θ₁相同的量值。在渐细部分的上游端412处的针的窄部分（其形成与直部分的结合处）可具有的直径小于最大针直径（例如，在408与406之间的结合处414处的直径）的75%（更窄地，小于50%），下边界受到材料力量（例如用在针中的不锈钢的力量）的限制。这也可以比喉部直径的50%小，更窄地，比喉部直径的25%小。示例性的这种构造估计消除了与喉部控制相关的损失的四分之一到四分之三。

图8显示了喷射器430的活动喷嘴，该喷射器430在其它方面可以类似于喷射器38或喷射器400。例如，相对于喷射器38，喷射器430可以对其针432分别增加类似的发散和收敛部分406和408，如同喷射器400所做的一样，但仍保持相对更宽的近侧主杆部分438。该针（被显示带有缩回状况和延伸状况的虚线图示）具有收敛的下游渐细部分（下游收敛）440从与杆部分438的结合处442向下游延伸到与部分406的结合处446。该结合处446建立针的局部腰部。该局部腰部在运动范围的至少部分中可以靠近喉部106。对于该示例性布置，从实线位置的缩回可以与图7的针的缩回在有效喉部和退出口面积二者上具有类似的效果。该缩回降低有效喉部面积，同时增加有效退出口面积。因此，在运动范围的该部分上，这两种有效面积受到相反地影响。然而，从实线位置的进一步的插入在退出口面积上与图7中的具有相同的效果，但是趋于减少有效喉部面积，因为喉部的更大比例被部分440占据。在对常规针的示例性再设计中，渐细部分440可以被保持不靠近原始针的尖端。示例性的半锥角是大约5°，更宽地2-15°。在部分440和406之间的颈部/结合处446处的最小直径可以对应图7的端部412的直径。

图9显示了喷射器456的活动喷嘴中的另一变体，其中，图8中的隆起在针462（被显示缩回，但是虚线图示延伸状况）中被相对窄的对应部取代，该对应部包括近侧部分464从渐细部分440延伸以产生阶梯式轴向横截面。远侧渐细部分466延伸到尖端468。在其运动范围的很大部分上，并且部分464处于退出口，对有效退出口面积将具有极少影响。然而，缩回时，渐细部分466将通过退出口，占据退出口的越来越小的部分，并且因此增加有效退出口面积。部分466的直径可以类似于结合处412，446的直径。部分464的长度可以沿着其运动范围的至少部分有效地提供喉部和退出口面积的同时控制。

图10显示了喷射器480，在其它方面类似于喷射器460，但是具有针482的相对更长的中间部分484。针的远侧/下游渐细部分490，从中间部分484到尖端492渐细，被定位成在针的运动范围的至少一部分期间控制混合器的有效面积。该混合器可以是超大尺寸，这时喷嘴面积被减小。当针尖端492刺入混合器固定面积部分中时，该混合器的流面积也被减小以至少部分地补偿被减小的总流量。该针中间部分484和尖端492可以在混合器中引起震动，以及避免在扩散器中发生震动。

喷射器可以通过使用适用于特定目的用途的常规技术由常规部件制成。

可控制的喷射器，例如如图2中所示的，通常用于控制高侧压力（例如，在原始系统中或在本文的变体中）。高侧压力是从压缩机退出口26离开到喷射器进口40的制冷剂压力。对于跨临界循环，例如CO₂，升高高侧压力降低离开气体冷却器的焓，并且增加对于给定压缩机质量流率可得到的冷却。然而，增加高侧压力也增加压缩机功率。存在最佳压力值，其最大化在给定操作条件下的系统效率。一般来说，该目标值随离开气体冷却器的制冷剂温度而变化。高侧压力-温度曲线可以在控制器中被编程。为了提高高侧压力，喉部面积106被减小。控制器通过移动针132进入喉部（至图2中的右边）来实现这一点。

对于图3的实施方式，存在两个独立的致动器，其可以由控制器140改变。上游针132将以与图2中的传统喷射器针一样的方式被控制，即，它将被用于控制高侧压力。下游针204被改变以控制活动喷嘴的面积膨胀比。该膨胀比可以限定为活动喷嘴的退出口面积（在110处）除以活动喷嘴的喉部（或其它最小的）面积（在106处）的比。对于给定系统操作条件，存在最佳膨胀比。增加膨胀比就增加活动喷嘴中发生的制冷剂的降压。一般来说，对于最佳喷射器效率，可以期待使运动流降压到类似于在吸入口42处的压力的值。当针132被插入喉部（移动到右边）以提高高侧压力时，面积比增加。为了维持相同的面积比，针204被移向喉部（到左边）。

还可以期待的是，如果系统操作条件改变，就改变膨胀比，而保持针132不变。例如，如果系统20是集装箱制冷系统，那么可以有数个不同的冷空气设定点。如果冷空气设定点被降低，那么蒸发器64的压力将降低。为了使喷射器的性能最佳化，可以期待的是增加面积比以便降低离开活动喷嘴的制冷剂的压力。为了实现这个，控制器140可以进一步将针204插入活动喷嘴。

图4-6具有单个下游针304，以及图7-10具有单个上游针。这样针的主功能是改变喉部尺寸以控制高侧压力。通过这样做，它也改变退出口面积。根据喉部尺寸变化的面积比通过针和活动喷嘴的几何结构预先设计。图8的针可以通过移动到右边（下游）或移动到左边（上游）从最大喉部面积位置减小喉部尺寸。这样，面积比随喉部尺寸的变化将取决于针移动路径而不同。因此，对于给定喉部面积，控制器可以在两种不同的面积比之间选择。例如，如果喉部由于减小的负载正从最大喉部状况被减小，当存在大的总压力比（在气体冷却器和蒸发器之间）时，两个可用面积比中的较大者可以被选择，以及当存在较小的总压力比时，较小的面积比可被选择。

控制器可以基于模型和活动喷嘴进口状况（沿着线36的被测量压力和温度）来估计活动喷嘴退出口处的压力。吸入口压力（沿着线74）也可被测量。控制器可以使用该信息来确定期望的面积比。

虽然上文详细地描述了实施方式，但这样的描述并不意图限制本公开内容的范围。应理解的是在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下可以作出各种修改。例如，当在现有系统的改制或现有系统构造的再设计中实施时，现有构造的细节可以影响或支配任何特定实施方式的细节。因此，其它实施方式在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种喷射器，其包括：

主进口；

次进口；

出口；

从所述主进口到所述出口的主流路；

从所述次进口到所述出口的次流路；

活动喷嘴，其在与所述次流路的结合处的上游包围所述主流路，并且所述活动喷嘴具有：

喉部；以及

退出口；以及

机构，其用于彼此相反地改变所述退出口的有效面积和所述喉部的有效面积。

2.根据权利要求1所述的喷射器，其中，所述机构是用于同时改变所述退出口的有效面积和所述喉部的有效面积的机构。

3.根据权利要求1所述的喷射器，其中，

所述机构包括针，所述针安装成用于沿着所述主流路在第一位置和第二位置之间往复运动，并且在至少一个位置中，所述针至少从所述喉部跨到所述退出口。

4.一种喷射器，其包括：

主进口；

次进口；

出口；

从所述主进口到所述出口的主流路；

从所述次进口到所述出口的次流路；

针，其安装成用于沿着所述主流路在第一位置和第二位置之间往复运动，并且包括：

流控制部分；以及

杆，其从所述流控制部分延伸；以及

致动器，其联接到所述杆以将所述针在所述第一位置和第二位置之间移动；

其中，所述针的杆从所述流控制部分沿着所述主流路向下游延伸；以及

在至少一种状况下，所述流控制部分是在活动喷嘴的退出口处。

5.根据权利要求4所述的喷射器，其中，

所述针是第二针，并且所述致动器是第二致动器；以及

所述喷射器包括：

第一针，其安装成用于沿着所述主流路在第一位置和第二位置之间往复运动，并且包括：

流控制部分；以及

杆，其从所述流控制部分延伸；以及

第一致动器，其联接到所述第一针的所述杆以将所述第一针在其第一位置和第二位置之间移动，其中，所述第一针的杆从所述第一针的流控制部分沿着所述主流路向上游延伸。

6.根据权利要求4所述的喷射器，其中，所述针的流控制部分是至少沿着第一区向上游收敛。

7.一种喷射器，其包括：

主进口；

次进口；

出口；

从所述主进口到所述出口的主流路；

从所述次进口到所述出口的次流路；

流控制部分，其用于控制活动喷嘴的面积；以及

杆，其从所述流控制部分延伸；以及

其中，所述针的流控制部分是至少沿着第一区（204；406）向上游收敛；以及

所述针的杆从所述流控制部分沿着所述主流路向下游延伸。

8.根据权利要求7所述的喷射器，其中，所述针的杆从所述流控制部分向下游延伸到所述致动器。

9.根据权利要求7所述的喷射器，其中，

所述针是第二针，并且所述致动器是第二致动器，以及

所述喷射器包括：

流控制部分；以及

杆，其从所述流控制部分延伸；以及

10.一种喷射器，其包括：

主进口；

次进口；

出口；

从所述主进口到所述出口的主流路；

从所述次进口到所述出口的次流路；

流控制部分；以及

杆，其从所述流控制部分延伸；以及

其中，所述针的流控制部分具有：

上游区域；

下游区域，其比所述上游区域具有更小的横截面；以及

在所述上游区域与所述下游区域之间的渐细过渡部；

所述上游区域具有固定横截面；以及

所述下游区域包括固定横截面部分和延伸到尖端的远侧渐细部分。

11.根据权利要求10所述的喷射器，其中，

在至少一种状况下，所述渐细过渡部处于喷嘴的喉部处，而所述渐细部分处于喷嘴的退出口处或处于混合器处。

12.一种用于操作喷射器的方法，所述喷射器包括：

主进口；

次进口；

出口；

从所述主进口到所述出口的主流路；

从所述次进口到所述出口的次流路；

喉部；以及

退出口；

所述方法包括：

使主流通过所述主进口；

使次流通过所述次进口以与所述主流汇合并离开所述出口；以及

改变所述退出口的有效面积，同时相反地改变所述喉部的有效面积。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，

改变所述退出口的有效面积和改变所述喉部的有效面积由独立致动的对应下游针和上游针来执行。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，

所述改变包括轴向移位针，所述针安装成用于沿着所述主流路在第一位置和第二位置之间往复运动，并且在至少一个位置中，所述针至少从所述喉部跨到所述退出口。

15.一种喷射器，其包括：

主进口；

次进口；

出口；

从所述主进口到所述出口的主流路；

从所述次进口到所述出口的次流路；

混合器；

喉部；以及

退出口；以及

机构，其用于改变所述喉部的有效面积和所述混合器的有效面积。

16.根据权利要求15所述的喷射器，其中，

所述机构是用于同时改变所述喉部的有效面积和所述混合器的有效面积的机构。

17.根据权利要求15所述的喷射器，其中，

所述机构包括针，所述针安装成用于沿着所述主流路在第一位置和第二位置之间往复运动，并且在至少一个位置中，所述针至少从所述喉部跨到所述混合器。