CN103528262A - 一种非能动式有机物工质喷射制冷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非能动式有机物工质喷射制冷方法，利用重力把储液罐中的液体有机物工质加入蒸发器；蒸发器中工质受热蒸发，当工质温度和压力到一定值时自力式压控阀自动打开，喷射器工作；工质冷凝后，分为两路，一路流入储液罐，另一路进入制冷蒸发器进行制冷循环，产生约12℃的冷媒水；当蒸发器中的液体工质完全蒸发时，压控阀组工作，储液罐工质流入蒸发器，将一定质量的工质密闭于蒸发器中，在再一次进行上述工作。本发明该系统以60～200℃的低温热能为热源，以地下水、河(海)水或空气为冷源，选取有机物作为工质，利用重力传输液体工质即可。

Description

一种非能动式有机物工质喷射制冷方法
技术领域
本发明涉及制冷工程技术领域的喷射制冷方法，尤其是涉及一种非能动式有机物工质喷射制冷方法。
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。文中对之前研究人员提出的喷射器一维数学模型进行了改进，并对系统的喷射制冷性能进行了计算，得到了良好的制冷效果。Zheng Bin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 and ejector refrigeration cycle for lowtemperature 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。
传统的制冷方法是在外部动力作用下才能工作，需要工质泵加压，而工质泵本身要消耗大量的电能，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。
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工质喷射制冷方法，采用以下步骤：
(1)判断蒸发器内低压力，第一自力式压控阀、第二自力式压控阀关闭，第三自力式压控阀打开，储液罐中的液体有机物工质在重力的作用下流入蒸发器，液位平衡后关闭第三自力式压控阀、第二自力式压控阀将液体工质密闭在蒸发器中；
(2)在蒸发器中液体工质受热蒸发，工质温度和压力不断增加，达到101℃和2MPa时第一自力式压控阀打开，喷射器工作；
(3)液体工质经喷射器进入冷凝器中冷凝为液态后，分为两路，一路流入储液罐，另一路进入制冷蒸发器进行制冷循环，通过引射效应，产生12℃的冷媒水；
(4)在工作过程中，蒸发器中的液体工质不断加热蒸发，直到完全蒸发，压力下降到第一自力式压控阀的设定压力，压控阀组工作，储液罐工质流入蒸发器；
(5)注液体入工质过程结束后，第三自力式压控阀及第二自力式压控阀关闭，将液体工质再次密闭于蒸发器中，然后重复上述步骤即可。
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。
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。
该方法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。
本发明所利用的低温热能，温度范围60℃-200℃，可以是工业低温余热、太阳能热水、地热等，这部分低温热源种类繁多、总量巨大，由于利用起来难度大，很大一部分被直接丢弃，造成很大能源浪费。
与现有技术相比，本发明将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，因此能够以地下水、河(海)水或空气作为冷源，以有机物为工质，利用重力传输液体工质即可。
附图说明
图1为本发明使用装置的结构示意图；
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1
本实施例采用工质R600a，热源温度120℃，制冷输出冷媒水温度12℃，具体实施步骤如下：
第一步、第三自力式压控阀打开，储液罐中有机物液体工质在重力的作用下流入蒸发器中，液位平衡后第三自力式压控阀关闭，将约100Kg的工质密闭在蒸发器中。
第二步、蒸发器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。
第三步、位于蒸发器出口的自力式第一自力式压控阀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，产生引射作用，将制冷蒸发器出口侧气体引射至喷射器中。
第四步、工作流体与引射流体在喷射器混合腔体中混合后进入扩压腔体室，由喷射器出口排出，进入冷凝器，喷射器出口的工质压力和温度分别为0.438MPa和64.2℃。
第五步、汽态工质在冷凝器中冷凝为液态，之后分为两路，其中一路流入储液罐，而另一路则经自力式温控阀节流后，进入制冷蒸发器中蒸发吸热，同时在制冷蒸发器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，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。
第六步、制冷蒸发器经换热后输出12℃的冷媒水，输出制冷量为12KW，制冷蒸发器出口的蒸汽由喷射器引射流体入口进入喷射器中与工作蒸汽混合。
第七步、在工作过程中，蒸发器中的液体工质不断加热蒸发，约570秒后蒸发完全，此后蒸发器中工质压力迅速下降。
第八步、当工质压力下降到自力式第一自力式压控阀的设定压力，第一自力式压控阀和第二自力式压控阀关闭，第三自力式压控阀开启，储罐中的饱和液态工质在重力作用下流入蒸发器中。
第九步、当注入工质过程结束后，第三自力式压控阀关闭，第二自力式压控阀关闭，将一定质量的工质密闭于蒸发器中。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。
实施例2
本实施例采用工质R245fa，热源温度120℃，制冷输出冷媒水温度12℃，具体实施步骤如下：
第一步、第三自力式压控阀打开，储液罐中液体有机物工质在重力的作用下流入蒸发器中，液位平衡后第三自力式压控阀关闭，将约100Kg的工质密闭在蒸发器中。
第二步、工质在密闭的蒸发器中受热蒸发，工质温度和压力不断增加，最终达到100℃和1.26MPa，这一参数为喷射器设计工作参数。
第三步、位于蒸发器出口的自力式第一自力式压控阀打开，蒸汽作为工作流体，以0.175Kg/s的质量流速进入喷射器，产生引射作用，将制冷蒸发器出口侧气体引射至喷射器中。
第四步、工作流体与引射流体在喷射器混合腔体中混合后进入扩压腔体，由喷射器出口排出，进入冷凝器，喷射器出口的工质压力和温度分别为0.197MPa和64.9℃。
第五步、工质在冷凝器中冷凝为液态，之后分为两路，其中一路流入储液罐，而另一路则经自力式温控阀节流后，进入制冷蒸发器中蒸发吸热。该制冷回路的工质流量0.0525Kg/s，对应的蒸发压力和蒸发温度分别为0.08MPa和10℃，由自力式温控阀进行调节。
第六步、制冷蒸发器经换热后输出12℃的冷媒水，输出制冷量13KW，制冷蒸发器出口的蒸汽由喷射器引射流体入口进入喷射器中与工作蒸汽混合。
第七步、在工作过程中，蒸发器中的工质不断加热蒸发，约570秒后完全蒸发，此时工质压力迅速下降。
第八步、当工质压力下降到自力式压控阀的设定压力时，第一自力式压控阀和第二自力式压控阀关闭，第三自力式压控阀开启，储罐中的液态工质在重力作用下流入蒸发器。
第九步、当注入工质过程结束后，第二自力式压控阀关闭，第三自力式压控阀关闭，将一定质量的工质密闭于蒸发器中。开始新一轮的循环。
该案例下，制冷COP约为0.35，工作时的制冷量可达13KW。
实施例3
本实施例采用工质R141b，热源温度120(，制冷输出冷媒水温度12℃，具体实施步骤如下：
第一步、第三自力式压控阀打开，使储罐中液体工质在重力的作用下流入蒸发器中，液位平衡后第三自力式压控阀关闭，将约1000Kg的工质密闭在蒸发器中。
第二步、约100Kg的工质在密闭的蒸发器中受热蒸发，工质温度和压力不断增加，最终达到100℃和0.68MPa，这一参数为喷射器设计工作参数。
第三步、蒸发器出口的自力式第一自力式压控阀打开，蒸汽作为工作流体，以1.75Kg/s的质量流速进入喷射器，产生引射作用，将制冷蒸发器出口侧气体引射至喷射器中。
第四步、工作流体与引射流体在喷射器混合腔体中混合后进入扩压腔体室，速度下降，同时压力上升至冷凝压力后由喷射器出口排出，进入冷凝器，喷射器出口的工质压力和温度分别为0.104MPa和70.4℃。
第五步、工质在冷凝器中冷凝为饱和液态，之后分为两路，其中一路流入储液罐，而另一路则经自力式温控阀节流后，进入制冷蒸发器中蒸发吸热。该制冷回路的工质流量0.525Kg/s，对应的蒸发压力和蒸发温度分别为0.043MPa和10℃，由自力式温控阀进行调节。
第六步、制冷蒸发器经换热后输出12℃的冷媒水，制冷量130KW，制冷蒸发器出口的蒸汽由喷射器引射流体入口进入喷射器中与工作蒸汽混合。
第七步、在工作过程中，蒸发器中的工质不断加热蒸发，约560秒完全蒸发，此后工质压力迅速下降。
第八步、当工质压力下降到自力式压控阀的设定压力，第一自力式压控阀和第二自力式压控阀关闭，第三自力式压控阀开启，储罐中的液态工质在重力作用下流入蒸发器。
第九步、当注入工质过程结束后，第二自力式压控阀关闭，第三自力式压控阀关闭，将一定质量的工质密闭于蒸发器中。开始新一轮的循环。
该案例下，系统COP约为0.35，工作时的制冷量可达130KW。
该方法采用非能动式有机物喷射制冷装置的结构如图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5，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。

Claims (8)

1.一种非能动式有机物工质喷射制冷方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)判断蒸发器内低压力，第一自力式压控阀、第二自力式压控阀关闭，第三自力式压控阀打开，储液罐中的液体有机物工质在重力的作用下流入蒸发器，液位平衡后关闭第三自力式压控阀、第二自力式压控阀将液体工质密闭在蒸发器中；
(2)在蒸发器中液体工质受热蒸发，工质温度和压力不断增加，达到101℃和2MPa时第一自力式压控阀打开，喷射器工作；
(3)液体工质经喷射器进入冷凝器中冷凝为液态后，分为两路，一路流入储液罐，另一路进入制冷蒸发器进行制冷循环，通过引射效应，产生12℃的冷媒水；
(4)在工作过程中，蒸发器中的液体工质不断加热蒸发，直到完全蒸发，压力下降到第一自力式压控阀的设定压力，压控阀组工作，储液罐工质流入蒸发器；
(5)注液体入工质过程结束后，第三自力式压控阀及第二自力式压控阀关闭，将液体工质再次密闭于蒸发器中，然后重复上述步骤即可。
2.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物工质喷射制冷方法，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工质喷射制冷方法，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。
4.根据权利要求3所述的一种非能动式有机物工质喷射制冷方法，其特征在于，该方法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。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种非能动式有机物工质喷射制冷方法，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工质喷射制冷方法，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1所述的一种非能动式有机物工质喷射制冷方法，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1所述的一种非能动式有机物工质喷射制冷方法，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。
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