CN103620323B - 喷射器混合器 - Google Patents

Abstract

喷射器（200；300；400；600）具有主入口（40）、次入口（42）、和出口（44）。主流动路径从主入口延伸到该出口。次流动路径从次入口延伸到该出口。混合器收缩段（114）在次入口的下游。动力喷嘴（100）围绕在与次流动路径的连接处的上游的主流动路径。动力喷嘴具有出口（110）。混合器具有在收缩段下游并具有在混合器的最小直径的至少3.0倍的第一跨度上的0.1‑2.0度的扩散半角的下游扩散段。

Description

喷射器混合器

相关申请的交叉引用

要求于2011年6月27日提交的、名称为“Ejector Mixer”的美国专利申请 61/501,448的权益，该文献的公开内容整体通过引用并入本文，就如同被详细记载一样。

背景技术

本公开涉及制冷。更具体地，其涉及喷射器制冷系统。

对喷射器制冷系统的早期建议可在US1836318和US3277660中找到。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。压缩机和其它系统部件被沿着制冷剂回路或流动路径27定位并通过各种导管（管线）连接。排出管线28从出口26延伸到换热器30（在正常系统运行模式下是排热换热器（例如，冷凝器或气体冷却器））的入口32。管线36从排热换热器30的出口34延伸到喷射器38的主入口（液体或超临界或两相入口）40。喷射器38还具有次入口（饱和的或过热的蒸气或两相入口）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。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延伸到压缩机吸入端口24。管线28、36、46、56和它们之间的部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包括换热器64（在正常运行模式下是吸热换热器（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。膨胀设备70被定位在管线72内，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。

在正常运行模式下，气态制冷剂由压缩机22通过吸入管线56和入口24抽吸并且被压缩并从排放端口26排入排出管线28。在排热换热器中，制冷剂向传热流体（例如由风扇推动的空气或水或其它流体）损失热或排热。被冷却的制冷剂通过出口34离开排热换热器并通过管线36进入喷射器主入口40。

示例性的喷射器38（图2）被形成为套设在外构件102内的动力（主）喷嘴100的组合。主入口40是通向动力喷嘴100的入口。出口44是外构件102的出口。主制冷剂流103进入入口40并此后进入动力喷嘴100的收缩段104。此后它经过喉段106和膨胀（扩散）段108从而通过动力喷嘴100的出口110。动力喷嘴100对流103进行加速并降低该流的压力。次入口42形成外构件102的入口。由动力喷嘴引起的对主流的压力减小有助于将次流112抽入外构件。外构件包括具有收缩段114和细长的喉或混合段116的混合器。外构件还具有在细长的喉或混合段116下游的扩散段或扩散器118。动力喷嘴出口110被定位在次喷嘴收缩段114内。当流103离开出口110时，其开始与流112混合，而进一步混合通过提供混合区的混合段116来发生。因此，相应的主和次流动路径从主入口和次入口延伸到出口，并在出口处汇合。在运行中，主流103通常在进入喷射器时可以是超临界的并且在离开动力喷嘴时可以是亚临界的。次流112在进入次入口端口42时是气态的（或者气体和较少量液体的混合物）。得到的混合流120是液体/蒸气混合物并且在扩散器118内减速并恢复压力同时维持混合物。在进入分离器时，流120被分离回到流103和流112。流103如以上讨论地作为气体经过压缩机吸入管线。流112作为液体前进到膨胀阀70。流112可由阀70膨胀（例如，到低品质（带有少量蒸气的两相））并且被传递到蒸发器64。在蒸发器64中，制冷剂从传热流体（例如，从由风扇推动的空气流或水或其它液体）吸热并作为前述的气体被从出口68排放到管线74。

使用喷射器来恢复压力/功。从膨胀过程恢复的功被用于在气态制冷剂进入压缩机之前对其进行压缩。因此，对于给定的期望蒸发器压力，可以减少压缩机的压力比（并且因此功率消耗）。也可以降低进入蒸发器的制冷剂品质。因此，可（相对于没有喷射器的系统）增加每单位质量流的制冷效果。改善了进入蒸发器的流体分布（由此改善了蒸发器性能）。因为蒸发器没有直接馈送压缩机，所以不要求蒸发器产生过热制冷剂出流。喷射器循环的使用因此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运行，两相状态提供了更高的传热性能（例如，对于给定能力有利于减少蒸发器尺寸）。

示例性的喷射器可以是固定几何形状喷射器或者可以是可控喷射器。图2示出了由针阀130提供的可控性，针阀130具有针132和致动器134。致动器134移动针的针尖部分136进出动力喷嘴100的喉段106，从而调节通过动力喷嘴的并且进而通过喷射器整体的流动。示例性的致动器134是电动的（例如，螺线管等）。致动器134可被联接到控制器140并由其控制，控制器140可从输入设备142（例如，开关、键盘等）和传感器（未示出）接收使用者输入。控制器140可通过控制线144（例如硬接线路径或无线通信路径）被联接到致动器和其它可控系统部件（例如，阀、压缩机马达等）。控制器可包括一个或多个： 处理器；存储器（例如，用于存储用来由处理器执行以实现操作方法的程序信息和用于存储由程序使用或产生的数据）；以及硬件接口设备（例如，端口）以与输入/输出设备和可控系统部件实现交互。

发明内容

本公开的一个方面包含具有主入口、次入口和出口的喷射器。主流动路径从主入口延伸到该出口。次流动路径从次入口延伸到该出口。混合器收缩段在次入口的下游。动力喷嘴围绕在与次流动路径的连接处的上游的主流动路径。动力喷嘴具有出口。混合器具有在收缩段下游并具有在混合器的最小直径的至少3倍的第一跨度上的0.1-2.0度的扩散半角的下游扩散段。

在各种实施方式中，可以基本上没有通常的混合笔直部分（例如，没有长度多于混合器的最小直径的5倍的笔直部分，更狭窄地，不多于2倍）。可以在混合器的下游有扩散器（例如，具有在混合器的最小直径的至少3倍的跨度上的大于2.5度的扩散半角）。针可被安装以沿着主流动路径在第一位置和第二位置之间往复移动。针致动器可被联接到针以驱动针相对于动力喷嘴移动。

本公开的其它方面包含制冷系统，该制冷系统具有压缩机、联接到该压缩机以接收由压缩机压缩的制冷剂的排热换热器、吸热换热器、分离器、和这种喷射器。分离器的入口可被联接到喷射器的出口以接收来自喷射器的制冷剂。

一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中公开。其它的特征、目的和优点可通过该描述和附图、以及通过权利要求而易于理解。

附图说明

图1是现有技术喷射器制冷系统的示意图。

图2是现有技术喷射器的轴向截面图。

图3是第一喷射器的部分示意轴向截面图。

图4是图3的喷射器的CFD模拟。

图5是现有技术喷射器的CFD模拟。

图6是第二喷射器的示意轴向截面图。

在各个附图中相同的附图标记和指示表示相同的元件。

具体实施方式

图3示出了喷射器200。喷射器200可被形成为喷射器38的改进并且可被用在目前使用传统喷射器的蒸气压缩系统中（例如图1），或者可在将来被使用。示例性的喷射器是与CO₂制冷剂一起使用的两相喷射器（例如，按重量至少50％的CO₂）。为了与喷射器38的对应部分区分开，喷射器200具有混合器202，该混合器202具有代替收缩段114的收缩段204和代替混合段116的略微扩散的下游扩散段206（下面还要讨论）。扩散的扩散器208代替扩散器118。如下面讨论的，使用略微扩散的下游扩散段206被认为限制了对偏离设计的操作的敏感性。例如，喷射器可被优化以实现在给定操作条件下的性能。它们的效率将随着偏离设计条件而下降。相对于笔直混合器，略微扩散的下游扩散段206减少了对于相对于设计条件的给定偏离的效率损失。

图3还示出了在收缩段204和略微扩散的下游扩散段206之间的过渡位置210以及在略微扩散的下游扩散段206和扩散器208之间的过渡位置212。混合器具有在这两个位置之间的长度L。收缩段204具有收缩半角。略微扩散的下游扩散段206具有扩散半角。扩散器208具有扩散半角。在图3的实施方式中，这些半角中的每一个基本上都是不变的。因此，在图3的实施例中，混合段的最小横截面面积是在位置210处并且具有示出为D_MIN的直径。在位置212处的直径示出为D_T。如下面进一步讨论的，通过用略微扩散的下游扩散段206（例如，比传统的扩散器的扩散要小）代替基线的笔直混合段116，对流率的性能敏感性可被减小。虽然示例性现有技术和本发明的扩散器半角都在3度附近或更大（例如，至少>2.0度，更狭窄地，至少>2.5度或者至少>3.0度），但是示例性的混合段扩散半角都小于3度（例如，0.1-2.0度，更狭窄地，0.5-1.5度或0.8-1.0度）。这种混合段角度可存在于类似于现有的混合器笔直段的长度的纵向跨度上（例如，至少3.0倍的D_MIN或示例性的3.0-6.0D_MIN）。示例性的扩散器长度也可以大于3.0倍的D_MIN。

这种示例性构造可在若干方面不同于具有传统的笔直混合器和浅扩散器的假想的构造。第一，存在更陡的扩散器。第二，没有任何笔直的混合器。例如，示例性的混合器可在多于5.0倍的混合器最小直径的纵向跨度上（更狭窄地，3.0倍或2.0倍）缺少任何笔直的或接近笔直的部分（例如，小于0.1度的半角）。

典型的喷射器的压力恢复性能很大程度上依赖于混合器直径。对于给定的操作条件（即，动力和抽吸质量流），存在最优混合器进口直径。小于最优值的混合器直径导致了流动在混合器内被加速，此后通过扩散器出现损耗性激波，这导致了较差的压力升高性能。另一方面，如果混合器对于流率来说过大，在进口处对抽吸流的裹挟将被抑制，这导致了性能的下降。

图4示出了通过具有扩散混合器的喷射器的流动，而图5示出了具有传统的/笔直混合器的基线喷射器。在图5的基线中： 对于给定条件最优化得到L/D = 4.4。图5示出了比设计值略大的流率。该流动在进入扩散器时通过激波变为亚音速，从而产生损失。

在图4中，混合器长度和最小直径被从基线中保留： L/D_MIN~4.4且L/D_T~ 3.9。该流动在混合器中减速并且进入扩散器时没有激波。

但是，如果流率降低到低于设计点，那么扩散混合器将具有比笔直混合器略差（损耗更多）的性能。不过，它的变差与其高流量性能的变好相比要小得多。因此，随着时间的过去整体上来看，扩散混合器的性能将更加高效。

因此，在扩散混合器中，小进口直径减少了在低流率时抽吸裹挟的恶化，而扩散抑制了在高流率操作条件下的在混合器内部的流动加速。

在一种基础实施方式中，喷射器可被从传统的基线喷射器（或其构造）实施，用略微扩散的部分代替笔直的混合部分。例如，D_MIN可初始地被选择为基线笔直混合部分的直径。D_T将基于所选的角度而略微更大。扩散器扩散角度可从基线中被保留。进一步的实验变型可完善这种喷射器或构造。例如，已经决定了D_MIN可被改进为比基线笔直混合部分的直径略微更小。例如，其可以是基线直径的95-100％（更狭窄地，98-99％）。区别在于，D_T可略微大于基线直径（例如，101-110％，更狭窄地，102-104％）。

替换地，或附加地，计算流体力学（CFD）程序可被用于模拟喷射器性能，同时改变各种参数。例如，如上面讨论的，图4示出了在混合段中具有这种略微扩散的喷射器。通过比较，图5示出了基线喷射器的类似的绘图。模拟的条件包含略微偏离设计的操作。在基线名义操作条件下，现有技术和图3喷射器的效率都是48％。在流量略微更高的偏离设计的条件下，基线现有技术喷射器下降到39％估计效率，而图3的喷射器保持了44％的效率。

作为替换的变型，图6示出了喷射器300，其具有在最小直径位置310下游的连续地弯曲的纵向轮廓。为了方便地参考各种位置的纵向/轴向位置以与图3实施例进行比较，一个可能的参考是使用动力喷嘴出口作为居中地指向下游的Z轴的原点。因此，这随意地定义Z₀ ≡ 0。最小混合器横截面面积的位置（或者，在所述最小横截面面积的任何笔直区域的起始）具有位置Z₁。在示例性图3的实施例中，这也是混合器扩散部分的起始。在示例性实施例中，在混合器和扩散器的连接处的位置是位置Z₂。在扩散器的下游端处的位置（那里它停止扩散）是Z₃。在示例性实施方式中，在位置310的上游，喷射器在其它方面是与喷射器200相同的，并且因此，除了将扩散段标记为304而不是204以外，其它部分都没有不同地编号。示例性的最小直径位置310是在位置Z₁'处，这可以是与Z₁相同。在示例性实施方式中，在出口44处的喷射器出口直径在喷射器300是与在喷射器200一样。这个出口直径可与所使用的管道的大小相关联。图6还示出了在位置Z₃'的喷射器300的出口。在示例性实施方式中，Z₃'被示出为与Z₃一样。图6还示出了在混合器和扩散器之间的在位置Z₂'处的部分地随意选择的过渡位置312。示例性位置地点312被定义为半角的值为1度的地点。示例性的Z₂'被示出为与Z₂基本上相同。

喷射器和相关的蒸气压缩系统可使用对于特定目的用途来说合适的传统技术由传统的材料和部件制造。控制也可通过传统的方法。虽然示例性喷射器被示出为省略了控制针，但是，可添加这种针和致动器。

虽然上面详细描述了实施例，但并非意在用这些描述限制本公开的范围。应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可进行各种改进。例如，当以现有系统的再制造或现有系统构造的重建实施时，现有构造的细节可影响或规定任一特定实施方式的细节。因此，其它实施例也在后面的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种喷射器（200；300），包括：

主入口（40）；

次入口（42）；

出口（44）；

从主入口到该出口的主流动路径；

从次入口到该出口的次流动路径；

混合器，其具有在次入口下游的收缩段（204）；

在混合器下游的扩散器；以及

动力喷嘴（100），其围绕在与次流动路径的连接处的上游的主流动路径并具有出口（110），

其中：

所述混合器包括在所述收缩段下游并具有在该混合器的最小直径（D_MIN）的至少3倍的第一跨度上的0.1-2.0度的扩散半角（）的下游扩散段（206）；以及

所述扩散器具有在所述混合器的最小直径的至少3.0倍的第二跨度上的大于2.0度的扩散半角。

2.如权利要求1所述的喷射器（200；300），其中：

下游扩散段扩散半角在所述第一跨度上是0.5-1.5度。

3.如权利要求1所述的喷射器（200；300），其中：

下游扩散段扩散半角在所述第一跨度上是0.8-1.0度。

4.如权利要求1所述的喷射器（200；300），其中：

没有多于所述混合器的所述最小直径5.0倍的混合器笔直部分。

5.如权利要求1所述的喷射器（200；300），其中：

在下游扩散段和扩散器之间的边界是在动力喷嘴出口下游的该混合器的最小直径的3-6倍的距离。

6.如权利要求1所述的喷射器（200；300），其中：

下游扩散段扩散半角和扩散器扩散半角在所述第一跨度和第二跨度上持续地逐渐增加。

7.如权利要求1所述的喷射器（200；300），其中：

动力喷嘴是收缩-扩散喷嘴，其在所述混合器的收缩部分内具有所述出口。

8.一种蒸气压缩系统，包括：

压缩机（22）；

排热换热器（30），其被联接到压缩机以接收由压缩机压缩的制冷剂；

如权利要求1所述的喷射器（200；300）；

吸热换热器（64）；以及

分离器（48），其具有：

入口（50），其联接到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）。

9.一种用于操作权利要求8的系统的方法，包括：

在压缩机内压缩制冷剂；

在排热换热器内从被压缩的制冷剂排热；

使所述制冷剂的主流经过所述主入口；以及

使所述制冷剂的次流经过所述次入口以与所述主流汇合。

10.如权利要求9所述的方法，其中：

制冷剂包括按重量至少50％的CO₂。