CN103528261B - 一种非能动式有机物喷射制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非能动式有机物喷射制冷装置，包括蒸发器、喷射器、冷凝器、储液罐、制冷蒸发器以及设置在连接管道上的自力式压控阀和自力式温控阀，储液罐与蒸发器通过第三自力式压控阀相连接，蒸发器与喷射器入口通过第一自力式压控阀连接，喷射器出口通过管路与冷凝器相连接，冷凝器出口分为两路，一路通过第二自力式压控阀进入储液罐，另一路通过自力式温控阀连接制冷蒸发器，制冷蒸发器出口通过管路和喷射器引射流体入口相联。与现有技术相比，本发明利用重力传输液体工质，依靠工质在密闭空间受热蒸发实现压力的升高；通过自力式压控阀和温控阀对制冷工作过程进行控制从而实现制冷，整个装置结构简单，性能可靠。

Description

一种非能动式有机物喷射制冷装置

技术领域

本发明涉及一种制冷工程技术领域的喷射制冷装置，尤其是涉及一种非能动式有机物喷射制冷装置。

背景技术

低温热源通常指温度在200℃以下的热源，其种类丰富，总量巨大，主要包括太阳能、地热能及工业余热等。据统计，我国有三分之二的国土年太阳辐射总量大于每平米5000MJ，全国可采地热资源量约为33亿吨标准煤。由于低温热能具有种类多、分布广、品质低等特点，因而难以通过常规的能量转化设备进行回收，导致绝大多数此类能源被白白排放至环境之中，造成极大的浪费及环境污染。因此，探索合理利用此类能源的技术成为目前能源技术领域的一个研究热点。有机物工质发电及喷射式制冷系统采用有机物工质，选择范围广，针对性强，且在热源温度低于270℃时较水蒸气相比有更高的能源利用效率，因此被认为是最具潜力的低温热能利用技术之一。

喷射式制冷系统早在20世纪初就已经出现并得到了一定的应用，但由于其自身效率较低，且体积庞大等原因，逐渐被结构紧凑、效率更高的压缩式制冷系统所取代。然而近些年，喷射式制冷系统由于不包含活动部件而具有结构简单，性能可靠，维护方便等优点，且其采用的制冷剂工作参数较为适合于太阳能、地热能及工业余热等低温余热的利用，因而重新成为了该领域的一个研究重点，得到了人们的广泛关注。

经过对现有技术文献检索，Huang B.J.等在《太阳能》杂志1998年第64卷223-226页上发表了一篇题为“采用R141b的太阳能喷射式制冷系统”的文章，(B.J.Huang,J.M.Chang.“A solar ejector cooling system using refrigerant R141b.”SolarEnergy,1998(64):223-226.)文中提出了一种新的喷射制冷系统方案，该方案采用了带有回热装置的高性能喷射制冷系统，该系统能够更为合理的利用太阳能。ZhengBin等在《太阳能》杂志2010年第84卷784-791页上发表了一篇题为“低温热源发电及喷射制冷复合循环”的文章，(Zheng Bin,Y.W.Weng.“A combined power andejector refrigeration cycle for low temperature heat sources.”Solar Energy,2010(84):784-791.)该复合循环将膨胀机与喷射器串联，在能量梯级利用的原则上更为合理的利用低温余热资源，并利用工质汽化潜热进行制冷，提高冷电联供系统的性能。目前，与之类似的低温热源喷射式制冷系统得到了广泛的研究，研究的重点主要集中在喷射器的数学模拟和优化，以及喷射性能实验等方面。

传统的制冷装置是在外部动力作用下工作,对外部条件依赖度大，需要由工质泵加压后才能工作，而工质泵本身需要消耗大量的电能，此外控制过程也需要外部提供电力，导致系统总体效率降低,建设和维护成本增加。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用重力传输液体工质，依靠工质在密闭空间受热蒸发实现压力的升高；通过自力式压控阀和温控阀对制冷工作过程进行控制从而实现制冷的非能动式有机物喷射制冷装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非能动式有机物喷射制冷装置，包括蒸发器、喷射器、冷凝器、储液罐、制冷蒸发器以及设置在连接管道上的若干自力式压控阀和自力式温控阀，

所述的储液罐与蒸发器通过第三自力式压控阀相连接，蒸发器与喷射器入口通过第一自力式压控阀连接，喷射器出口通过管路与冷凝器相连接，冷凝器出口分为两路，一路通过第二自力式压控阀进入储液罐，另一路通过自力式温控阀连接制冷蒸发器，制冷蒸发器出口通过管路和喷射器引射流体入口相联。

所述的喷射器包括喷嘴、引射流体入口、接受室、混合腔体和扩压腔体，所述的喷嘴和引射流体入口均在接受室内，接受室、混合腔体、扩压腔体依次相联。

该制冷装置利用重力传输液体工质，利用自力式压控阀和温控阀控制整个喷射制冷过程。

所述的储液罐比蒸发器的相对位置高100-1000mm，利用重力传输液体工质。

所述的液体工质为R245fa、R600、R600a、R141b或R142b有机物工质。

所述的喷射器的喷射系数为0.1-0.5，喷射器内工作蒸汽的质量流量为0.01-2.0Kg/s、工作压力为0.8-2.5MPa。

所述的冷凝器的工作压力为冷却水或冷却空气温度在10℃～38℃时液体工质的冷凝压力。

所述的制冷蒸发器工作压力为液体工质蒸发温度为5℃～15℃时所对应的蒸发压力。

该制冷装置的制冷系数为0.2-0.5。

与现有技术相比，本发明的蒸发器内的有机物工质受热蒸发，使蒸发器内压力和温度不断增加。当工质压力达到喷射器的设计工作压力时，蒸发器出口的第一自力式压控阀打开，工作蒸汽进入喷射器产生引射作用，使制冷蒸发器的压力下降，在制冷蒸发器内的工质相变气化,将制冷蒸发器出口的蒸汽引射至喷射器中，并与工作蒸汽在混合腔体内混合，经过扩压腔体后进入冷凝器冷凝。冷凝后的液态工质部分流入储液罐中，另一部分经自力式温控阀降压后，进入制冷蒸发器蒸发吸热，随后被引射至喷射器中，同时在制冷蒸发器中把冷媒水的温度降低到10-12℃,完成制冷循环。随着蒸发器中工作蒸汽的消耗，蒸发器中的压力逐渐下降到自力式压控阀的设定值，第一自力式压控阀和第二自力式压控阀自动关闭，第三自力式压控阀自动开启，在重力的作用下，储液罐中的液体工质重新流入蒸发器中，然后第三自力式压控阀再次关闭，第二自力式压控阀开启,并开始下一次的循环，采用的喷射制冷装置利用重力传输液体工质；系统无工质泵，依靠工质在密闭空间受热蒸发实现压力的升高；通过自力式压控阀和温控阀对制冷工作过程进行控制，从而实现制冷。整个制冷装置结构简单、性能可靠且成本较低，易于实现小型化、实用化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为喷射器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种非能动式有机物喷射制冷装置，其结构如图1所示，包括：蒸发器1、第一自力式压控阀2、喷射器3、冷凝器4、第二自力式压控阀5、储液罐6、第三自力式压控阀7、制冷蒸发器8和自力式温控阀9。其中：储液罐6与蒸发器1通过第三自力式压控阀7相连接，蒸发器1与喷射器3入口通过第一自力式压控阀2相连接，喷射器3出口通过管路与冷凝器4相连接，冷凝器4出口分为两路，一路进入储液罐6，另一路通过自力式温控阀9连接制冷蒸发器8，制冷蒸发器8出口通过管路和引射流体入口接头连至喷射器3主体。如图2所示，系统采用的喷射器3由喷嘴11、引射流体入口12、接受室13、混合腔体14、扩压腔体15组成，其中:喷嘴11和引射流体入口12均在接受室13内,接受室13和混合腔体14相联，混合腔体14和扩压腔体15相联。

下面对各部件进行进一步说明：在位置设置上，储液罐6比蒸发器1的相对位置高100-1000mm，从而可以利用重力传输液体工质，所输送的液体工质为R245fa、R600、R600a、R141b或R142b有机物工质。喷射器3的喷射系数为0.1-0.5，喷射器3内工作蒸汽的质量流量为0.01-2.0Kg/s、工作压力为0.8-2.5MPa。冷凝器4的工作压力为冷却水或冷却空气温度在10℃～38℃时液体工质的冷凝压力。制冷蒸发器8的工作压力为液体工质蒸发温度为5℃～15℃时所对应的蒸发压力。

本发明喷射器3的喷射系数(引射流体流量/工作流体流量)为0.1-0.5，喷射器3的结构如图2所示喷射器3由喷嘴11、引射流体入口12、接受室13、混合腔体14和扩压腔体15等组成。其中，喷嘴11和引射流体入口12均在接受室13内,接受室13和混合腔体14相联，混合腔体14和扩压腔体15相联。

使用时，蒸发器1内的有机物工质受热蒸发，使蒸发器1内压力和温度不断增加。当工质压力达到喷射器3的设计工作压力时，蒸发器1出口的第一自力式压控阀2打开，工作蒸汽进入喷射器3产生引射作用，使制冷蒸发器8的压力下降，在制冷蒸发器8内的工质相变气化,将制冷蒸发器8出口的蒸汽引射至喷射器3中，并与工作蒸汽在混合腔体内13混合，经过扩压腔体14后进入冷凝器4冷凝。冷凝后的液态工质部分流入储液罐6中，另一部分经自力式温控阀9降压后，进入制冷蒸发器8蒸发吸热，随后被引射至喷射器3中，完成制冷循环。随着蒸发器1中工作蒸汽的消耗，蒸发器1中的压力逐渐下降到自力式压控阀的设定值，第一自力式压控阀2和第二自力式压控阀5自动关闭，第三自力式压控阀7自动开启，在重力的作用下，储液罐6中的液体工质重新流入蒸发器1中，然后第二自力式压控阀5和第三自力式压控阀7再次关闭，并开始下一次的循环。

本实施例所述系统可利用太阳能、地热、低温余热等温度范围在60℃～200℃的低温热能作为热源，并可依靠地下水、河(海)水或空气作为冷源进行工作，向用户提供温度范围在5℃～15℃的冷水，系统可以实现的制冷量可由数千瓦到数百千瓦。以有机物工质R600a，热源温度120℃，制冷输出冷媒水温度12℃为例，本发明可以采取以下实施步骤来实现效果：

(1)第三自力式压控阀7打开，储液罐6中约33℃的液体工质在重力的作用下流入蒸发器1中，液位平衡后关闭第三自力式压控阀7，将约100Kg的工质密闭在蒸发器1中；

(2)蒸发器1中液体工质受热蒸发，工质温度和压力不断增加，最终达到101℃和2MPa，这一参数为喷射器设计工作参数；

(3)位于蒸发器1出口的第一自力式压控阀2在压力作用下自动打开，蒸汽作为工作流体，以0.175Kg/s的质量流速进入喷射器3，产生引射作用，将制冷蒸发器8出口侧气体引射至喷射器3中，工作流体与引射流体在喷射器3的混合腔体14中混合后进入扩压腔体15，由喷射器出口排出，进入冷凝器4，喷射器出口的工质压力和温度分别为0.438MPa和64.2℃；

(4)工质在冷凝器3中冷凝为33℃的饱和液态，之后分为两路，其中一路流入储液罐6，而另一路则经自力式温控阀9节流后，进入制冷蒸发器8中蒸发吸热,同时在制冷蒸发器8中把冷媒水的温度降低到12℃,完成制冷循环。该制冷回路的工质流量0.035Kg/s(喷射系数0.2)，对应的蒸发压力和蒸发温度分别为0.21MPa和10℃，由自力式温控阀进行调节；

(5)制冷蒸发器8经换热后输出12℃的冷媒水，输出制冷量为12KW，制冷蒸发器8出口的蒸汽由喷射器3引射流体入口进入喷射器3中与工作蒸汽混合；

(6)在工作过程中，蒸发器1中的液体工质不断加热蒸发，571s后蒸发完全，此后工质压力迅速下降到第一自力式压控阀2的设定压力，此时第一自力式压控阀2和第二自力式压控阀5关闭，第三自力式压控阀7开启，储液罐6中的饱和液态工质在重力作用下流入蒸发器1中；

(7)当注入工质过程结束后，第三自力式压控阀7关闭，第二自力式压控阀5关闭，将一定质量的工质密闭于蒸发器1中，进而开始新一轮的循环。

该案例下，制冷COP约为0.31，工作时的制冷量可达12KW。

Claims (9)

1.一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，该装置包括蒸发器、喷射器、冷凝器、储液罐、制冷蒸发器以及设置在连接管道上的自力式压控阀和自力式温控阀，

所述的储液罐与蒸发器通过第三自力式压控阀相连接，蒸发器与喷射器入口通过第一自力式压控阀连接，喷射器出口通过管路与冷凝器相连接，冷凝器出口分为两路，一路通过第二自力式压控阀进入储液罐，另一路通过自力式温控阀连接制冷蒸发器，制冷蒸发器出口通过管路和喷射器引射流体入口相联。

2.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，所述的喷射器包括喷嘴、引射流体入口、接受室、混合腔体和扩压腔体，所述的喷嘴和引射流体入口均在接受室内，接受室、混合腔体、扩压腔体依次相联。

3.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，该制冷装置利用重力传输液体工质，利用自力式压控阀和温控阀控制整个喷射制冷过程。

4.根据权利要求3所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，所述的储液罐比蒸发器的相对位置高100-1000mm，利用重力传输液体工质。

5.根据权利要求3或4所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，所述的液体工质为R245fa、R600、R600a、R141b或R142b有机物工质。

6.根据权利要求1或2所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于。所述的喷射器的喷射系数为0.1-0.5，喷射器内工作蒸汽的质量流量为0.01-2.0Kg/s、工作压力为0.8-2.5MPa。

7.根据权利要求3所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，所述的冷凝器的工作压力为冷却水或冷却空气温度在10℃～38℃时液体工质的冷凝压力。

8.根据权利要求3所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，所述的制冷蒸发器工作压力为液体工质蒸发温度为5℃～15℃时所对应的蒸发压力。

9.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物喷射制冷装置，其特征在于，该制冷装置的制冷系数为0.2-0.5。