CN103620322A - 具有主动流漩涡的喷射器 - Google Patents

Abstract

一种喷射器(200；300；400)，具有主入口(40)、次入口(42)和出口(44)。主流路从主入口延伸到出口。次流路从次入口延伸到出口。混合器收敛部段(114)在次入口的下游。主动喷嘴(100)在与次流路交叉点的上游围绕主流路以使主动流通过。主动喷嘴具有退出口(110)。喷射器具有表面(258，260)，其定位成向主动流引入漩涡。

Description

具有主动流漩涡的喷射器

相关申请的交叉引用

要求于2011年6月10日提交的、并且名称为“具有主动流漩涡的喷射器”的美国专利申请No.61/495,577的益处，该申请的公开内容通过引用全文结合到本文中，就如其在本文中被详细阐述一样。

美国政府权利

本发明是根据美国陆军授予的合同W909MY-10-C-0005利用美国政府的支持做出的。美国政府在本发明中享有一定的权利。

背景技术

本发明涉及制冷。更具体地，本发明涉及喷射器制冷系统。

在US1836318和US3277660中发现了用于喷射器制冷系统的早期提议。图1示出了喷射器制冷系统20的一个基础示例。该系统包括具有入口(吸入端口)24和出口(排出端口)26的压缩机22。压缩机和其它系统组件沿着制冷剂回路或流路27设置，并通过各种管道(管线)连接。排出管线28从出口26延伸到热交换器(在系统操作的正常模式下的排热热交换器(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延伸到喷射器38的主入口(液体或超临界相或两相入口)40。喷射器38还具有次入口(饱和或过热蒸汽或两相入口)42和出口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。吸入管线56从气体出口54延伸到压缩机吸入端口24。管线28、36、46、56和其之间的组件限定了制冷剂回路27的主环路60。制冷剂回路27的次环路62包括热交换器64(在正常操作模式下为吸热热交换器(例如，蒸发器))。蒸发器64包括沿着次环路62的入口66和出口68，并且膨胀装置70定位在管线72上，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。

在正常操作模式下，气态制冷剂通过吸入管线56和入口24由压缩机22吸入，并且被压缩并从排出端口26排入到排出管线28中。在排热热交换器中，制冷剂向传热流体(例如，风扇强制的空气或水或其它液体)丢出/排出热量。被冷却的制冷剂通过出口34离开排热热交换器，并通过管线36进入喷射器主入口40。

示例性的喷射器38(图2)由嵌套在外部构件102内的主动(主)喷嘴100组合形成。主入口40是主动喷嘴100的入口。出口44是外部构件102的出口。主制冷剂流(主动流)103进入入口40，并且然后流入主动喷嘴100的收敛部段104。它随后通过喉部段106和膨胀(发散)部段108流动通过主动喷嘴100的出口(退出口)110。主动喷嘴100使流103加速，并且降低该流的压力。次入口42形成外部构件102的入口。通过主动喷嘴造成主流的压力降低有助于将次流(吸入流)112吸入到外部构件中。外部构件包括具有收敛部段114和细长喉部或混合部段116的混合器。外部构件还具有位于细长喉部或混合部段116下游的发散部段或扩散器118。主动喷嘴出口110位于收敛部段114内。当流103离开出口110时，它开始与流112混合，并通过提供混合区的混合部段116发生进一步的混合。因此，相应的主流路和次流路从主入口和次入口延伸到出口，在退出口处合并。在操作中，主流103在进入喷射器时通常可以是超临界，并且离开主动喷嘴时通常可以是次临界。次流112在进入次入口端口42时是气态(或气体与较小量液体的混合物)。所产生的合并流120是液体/蒸汽混合物，并且在扩散器118中减速并恢复压力同时保持为混合物。在进入分离器时，流120被分离回到流103和流112中。流103作为气体通过如上文所述的压缩机吸入管线。流112作为液体流到膨胀阀70。流112可通过阀70膨胀(例如，膨胀到低质量(具有少量蒸汽的两相))，并进入蒸发器64。在蒸发器64内，制冷剂从传热流体(例如，从风扇强制的空气流或水或其它液体)吸收热量，并作为前述气体从出口68排到管线74。

使用喷射器用于恢复压力/功。从膨胀过程中回收的功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，对于一个给定的期望蒸发器压力，压缩机的压力比(以及因此功耗)可减小。进入蒸发器的制冷剂质量也会降低。因此，单位质量流量的制冷效果可以增加(相对于非喷射器系统)。进入蒸发器的流体的分布得到改善(从而提高蒸发器性能)。由于蒸发器不直接向压缩机供给，因此不需要蒸发器产生过热的制冷剂流出流。因此，使用喷射器循环可允许减少或消除蒸发器的过热区。这可允许蒸发器在两相状态下操作，其提供了更高的传热性能(例如，在给定的容量下，便于蒸发器尺寸的减小)。

示例性的喷射器可以是固定几何形状的喷射器，或者可以是可控制的喷射器。图2示出了由具有针132和致动器134的针阀130提供的可控生。致动器134将针的尖端部136移入和移出主动喷嘴100的喉部段106，以调制通过主动喷嘴的流，并且进而调节经过整个喷射器的流。示例性的致动器134是电的(例如，螺线管或类似的)。致动器134可与控制器140联接，并由控制器140控制，控制器140可接收来自输入设备142(例如，开关、键盘或类似的)和传感器(未示出)的用户输入。控制器140可通过控制线144(例如，有线或无线通信路径)与致动器和其它可控制的系统组件(例如，阀、压缩机电机等)联接。控制器可包括下述中的一个或多个：处理器、存储器(例如，用于存储由处理器实施的程序信息以执行操作方法，并且用于存储由程序使用或生成的数据)、以及用于与输入/输出设备和可控制的系统组件对接的硬件接口设备(例如，端口)。美国专利N0.4378681公开了另一种形式的喷射装置，其中，使用次流的切向引入和合并流的撤回，以提供流体的更长停留时间。

发明内容

本公开内容的一个方面涉及喷射器，其具有主入口、次入口和出口。主流路从主入口延伸到出口。次流路从次入口延伸到出口。混合器收敛部段在次入口的下游。主动喷嘴在与次流路交叉点的上游围绕主流路。主动喷嘴具有退出口。喷嘴包括用于向主动流引入漩涡的装置。

在各种实施方式中，可以只有单个主动喷嘴。主动喷嘴可与喷射器的中心纵向轴线同轴。该装置可在交叉点的上游引入漩涡。该装置可在主动喷嘴的内部。该装置可包括导叶。针可被安装成用于沿主流路在第一位置和第二位置之间往复运动。针致动器可与针联接，以驱动针相对于主动喷嘴运动。

本公开内容的其他方面涉及制冷系统，该制冷系统具有压缩机、联接到压缩机以接收由压缩机压缩的制冷剂的排热热交换器、吸热热交换器、分离器和这样的喷射器。分离器的入口可与喷射器的出口联接，以接收来自喷射器的制冷剂。

在附图和下面的描述中阐述了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、目的和优点将是很明显的。

附图说明

图1是现有技术的喷射器制冷系统的示意图。

图2是现有技术的喷射器的轴向剖视图。

图3是第一喷射器的轴向剖视图。

图4是图3的喷射器的主动喷嘴的导叶单元的第一放大视图

图5是图4的导叶单元的第二视图。

图6是第二喷射器的轴向剖视图。

图7是第三个喷射器的轴向剖视图。

图8是图7的喷射器沿线8-8截取的横向剖视图。

图9是用于基准较少漩涡的喷射器和具有漩涡主动流的喷射器的液体份额的比较流模拟曲线。

图10是用于示例性的喷射器结构的喷射器效率相对主动喷嘴入口漩涡的计算曲线图。

各图中相同的标号和标记表示相同的元件。

具体实施方式

图3示出了喷射器200。喷射器200(和后面所述的300)形成作为喷射器38的变体，并可用在蒸汽压缩系统(例如，图1)中，该蒸汽压缩系统目前使用的是传统的喷射器，或者可在将来使用。示例性的喷射器是使用CO₂制冷剂(例如，按重量计至少50％的CO₂)的两相喷射器。为了便于说明，示例性的喷射器200作为图2中的基准喷射器38的变体示出。因此，示例性的喷射器可具有类似的特征，并且为了便于说明，许多的参考标号不再重复。然而，喷射器也可以形成作为喷射器其他构造的的变体。

喷射器200包括向主动流输入漩涡的装置。因此，示例性的装置沿主流路定位，位于主动喷嘴退出口的上游。更具体地说，在图3的实施方式中，该示例性的装置包括固定旋流器240，其不是单单定位在主动喷嘴退出口的上游，而是也定位在主动喷嘴喉部和主动喷嘴收敛部段的上游。示例性的旋流器240位于主动喷嘴的直线部段220中，直接在主动喷嘴入口40和收敛部段104的上游端之间。该示例性的旋流器240包括多个节距导叶242，其从中心体244径向向外延伸。该中心体244沿从上游端246至下游端248的轴线500定中心。每个导叶从中心体的内侧端250向外径向延伸到直部段220的内表面处的外侧端252。每个示例性的导叶具有前缘254和后缘256，各自的上游表面258和下游表面260在它们之间延伸。示例性的上游和下游表面是大致平坦的，使得在圆周方向的横截面上，它们显示是直的并由示例性的半圆形过渡段在前缘254和后缘256处连结。具有相对的翼型部段的其它结构是可能的。示例性的实施方式中有四个这样的导叶，但是更多或更少的数量是可能的(例如，2-8个这样的导叶)。

主动(液体)流漩涡增强了渗透性和吸入(气体)相流的渗透和混合。如果液体核心在气体核心(其可以是旋转的或不旋转的)内旋转得足够快，那么液体具有被离心力向外移动的倾向，因为初始情况在流体动力学上是不稳定的。通过这样的混合，能够提高喷射器的效率，其测量相对于夹带比的压力升高。

图6示出了类似的喷射器300，但其中将旋流器340安装在针上。旋流器可以跟着针移动(外侧端25因此靠着直部段220的内表面滑动)。替代地，旋流器可以是固定的，并且针可以通过中心体中的孔简单地滑动。

图7还示出了喷射器400的替代构造，其中，主流不是单纯轴向进入，而是具有切向分量。在这个示例性的实施方式中，盘420关闭主动喷嘴(该示例性盘420有孔，针通过该孔延伸)的轴向上游端。流沿着直部段220的侧壁440，在入口导管442的末端进入入口440。该示例性的入口流424具有围绕中心线500的切向分量(例如，它不是直接对准中心线)。

图8的特征在于该切向分量相对于轴线500具有入口流矢量的径向偏移R_OFFSET。

图9和10公开了喷射器的流动参数和性能，在这里在主动喷嘴收敛部段104的上游(例如，直接上游)引入漩涡。该示例有利于漩涡作为入口漩涡(在收敛部段的开始处测量)的简单特征。漩涡尽管可以进一步地引入下游，但这将使出于说明目的的量化更复杂。

对于给定的入口漩涡角度(其切线是周向与轴向速度分量之比)，漩涡角度从入口增加到喉部，并且然后减小到喷嘴退出口。如果入口与喉部的直径比大于退出口与喉部的直径比，那么在喷嘴退出口处将有更多的漩涡。在喷嘴的超音速流部分(例如，喉部下游的主动喷嘴部分，或最小面积位置)放置旋流器可能是不切实际的，因为旋流器将产生冲击并可能阻塞流，在任何一种情况下都会增加退出口压力。通常希望具有喷嘴流过分膨胀；那么喷嘴退出口压力小于吸入流的局部静态压力。

图9示出了用于基准较少漩涡的喷射器与具有处于示例性的45°的漩涡主动流的喷射器的液体份额的比较流模拟曲线。从该图看出，具有主动喷嘴入口漩涡的流在扩散混合器中得到更好的混合，其由指示较低液体体积份额的等高线颜色标示。引入到主动流中的漩涡导致在与高密度漩涡流混合处的流体动力学上的不稳定流，该高密度漩涡流包含在低密度、非漩涡流中。离心力迫使主动流向外移位，吸引吸入流向内，提高混合和相变，从而导致提高的效率。

图10示出了用于示例性的喷射器构造的喷射器效率对主动喷嘴入口漩涡。在20°入口漩涡角度之上(到约45°或稍高)，性能有显著提高(效率或压力升高)。在给定喷射器构造和给定操作条件下，与性能提高相关联的特定角度将取决于喷射器的操作条件(例如，入口压力、温度和夹带比)和几何结构。因此，广义地说，在主动喷嘴的收敛部段的开始处的示例性漩涡角度大于20°，更窄地大于30°，示例性的范围为20-50°或30-50°。对于进一步向下游引入的漩涡，引起漩涡的表面可选择为在混合器出口/退出口处产生漩涡，其数量同与那些入口漩涡范围相关的混合器出口/退出口漩涡。

喷射器和相关联的蒸汽压缩系统可以使用传统技术、由传统材料和部件制成，适于特定目的的用途。也可以通过传统的方法进行控制。虽然所示的示例性的喷射器省略了控制针，但可以添加这样的针和致动器。

在示例性的喷射器中，以典型的方式布置主动流和吸入流，主动流喷嘴由吸入流围绕。主动流密度一般高于吸入流的密度。当例如以上文所述的方式给主动流体加入漩涡，并且然后允许主动和吸入流相互作用(混合)时，离心力趋于将旋转、更高密度主动流向外移位进入低密度吸入流，从而加强混合并提高喷射器性能(压力升高)。该青况被称为流体在动态上，或流体动力学上不稳定，因为来自混合部段中心的漩涡引起的离心力使旋转的更高密度流体向外朝向外部区域移动，向内移位较低密度吸入流，从而产生流体动力学上的稳定构造。在美国专利No.4378681(′681专利)，将漩涡给予吸入流。在′681专利中，性能增强机制明显是两个流之间的更长接触时间，增大了剪切驱动混合。两个流界面处的流体颗粒将沿着螺旋路径，其比从两个流第一次相互作用的点到它们充分混合的点的轴向距离长。

虽然上面详细描述了实施方式，但这样的描述不是意在限制本发明公开的范围。将理解的是，可以做出各种变体而不脱离本公开内容的精神和范围。例如，当执行现有系统的再造和现有系统结构的再建时，现有结构的细节可影响或规定任何特定实施方式的细节。因此，其它实施方式都在下面权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种喷射器(200；300；400)，其包括：

主入口(40)，其用于接纳主动流；

次入口(42)；

出口(44)；

从所述主入口起的主流路；

从所述次入口起的次流路；

混合器收敛部段(114)，其位于所述次入口的下游；以及

主动喷嘴(222)，其在与所述次流路的交叉点的上游围绕所述主流路，并且具有退出口(110)，

其中，所述喷射器还包括：

装置(240；340；440)，用于向主动流引入漩涡。

2.根据权利要求1所述的喷射器，其中：只存在单个主动喷嘴。

3.根据权利要求1所述的喷射器，其中：所述装置(240；340；440)在所述交叉点的上游引入漩涡。

4.根据权利要求1所述的喷射器，其中：所述装置在所述主动喷嘴的内部。

5.根据权利要求4所述的喷射器，其中：所述装置包括多个导叶(242)。

6.根据权利要求5所述的喷射器，其中：所述导叶被携载在控制针(132)上。

7.根据权利要求5所述的喷射器，其中：所述叶片固定在所述主动喷嘴的收敛部分(104)的上游。

8.根据权利要求5所述的喷射器，其中：所述叶片从中心体(244)径向向外延伸。

9.根据权利要求4所述的喷射器，其中：所述装置包括用于主动喷嘴的切向入口通道。

10.根据权利要求1所述的喷射器，其中：在所述混合器的收敛部段的开始处的漩涡角度为至少20°。

11.一种蒸汽压缩系统，其包括：

压缩机(22)；

排热热交换器(30)，其联接到所述压缩机以接收由所述压缩机压缩的制冷剂；

根据权利要求1所述的喷射器(200；300；400)；

吸热热交换器(64)；以及

分离器(48)，其具有：

入口(50)，所述入口联接到所述喷射器的出口以接收来自喷射器的制冷剂；

气体出口(54)；以及

液体出口(52)。

12.一种用于操作权利要求11所述系统的方法，所述方法包括：

在压缩机中压缩制冷剂；

在排热热交换器中从被压缩的制冷剂排出热量；

使所述制冷剂的流通过所述主喷射器入口；以及

使所述制冷剂的次流通过所述次入口以与所述主流合并。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：所述制冷剂包含按重量计至少50％的CO₂。

14.一种用于操作喷射器(200；300；400)的方法，所述方法包括：

使主动流(103)通过主动喷嘴；

使吸入流(112)通过吸入端口；

将主动流和吸入流混合；以及

在所述混合之前向主动流输入漩涡。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：所述向主动流输入漩涡包括使主动流流过所述主动喷嘴中的改向表面(258，260)。

16.根据权利要求15所述的方法，其中：所述改向表面沿着所述导叶(242)形成。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：将所述导叶(242)安装到控制针(132)上，并且所述方法还包括使所述控制针轴向平移。

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