CN103759449A - 双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统 - Google Patents

Abstract

双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，回热器冷端出口与高压级喷射器喷嘴入口相连；高压级喷射器被引射气态制冷剂入口与低压级压缩机出口相连，气液两相制冷剂出口与高压级气液分离器入口相连；高压级气液分离器出口分两路，一路饱和气态制冷剂经回热器换热后与高压级压缩机入口相连，另一路饱和液态制冷剂与低压级喷射器喷嘴入口相连；低压级喷射器被引射气态制冷剂入口与蒸发器出口相连，气液两相制冷剂出口与低压级气液分离器入口相连；低压级气液分离器出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口直接与低压级压缩机入口相连，另一路饱和液态制冷剂出口经过节流装置节流后与蒸发器入口相连；双气-液两相喷射器显著的增压作用有效改善了两级蒸气压缩式循环系统的性能。

Description

双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统

技术领域

本发明属于制冷与热泵技术领域，具体涉及一种用于制冷与热泵装置的双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统。

背景技术

在商用制冷技术领域，如食品冷冻冷藏技术，基于蒸气压缩制冷方法的制冷系统大多采用的是两级蒸气压缩制冷循环方式，以获得较低的蒸发温度，满足制冷要求。另外，在空气源热泵装置中，如二氧化碳跨临界循环热泵热水器，为了改善低温环境下的性能衰减，也采用两级蒸气压缩循环方式提高二氧化碳热泵系统性能。随着经济发展和人民生活水平的提高，对基于两级蒸气压缩式循环系统的制冷与热泵装置的需求也日益增长。然而，两级蒸气压缩式循环系统采用电能驱动，制冷与热泵系统的耗电占日常能源消耗的比例也将越来越大,无论从节约能源角度还是从环境保护的角度来说,都需要提高制冷与热泵装置的制冷与制热效率。因此，进一步发展具有更高效率的两级蒸气压缩式循环系统成为已成为制冷与热泵技术领域的重要发展发向。

目前，传统的两级蒸气压缩式循环系统主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器、中间冷却器（或闪蒸器）和膨胀阀等；其中，双级压缩可以由两台压缩机或单台双缸压缩机完成。两级蒸气压缩式循环可组成多种形式，如一次节流中间完全或不完全冷却循环，二次节流中间完全或不完全冷却循环等。在这些循环方式中，制冷剂的节流过程都是由膨胀阀实现的。然而，膨胀阀节流过程具有较大的不可逆损失，使得循环系统效率相对较低。实际上，制冷剂的节流过程具有可利用的膨胀功，可以在传统的蒸气压缩式循环系统中采用附加的喷射器回收节流过程的部分膨胀功，使循环系统的效率获得提高。

喷射器结构简单、成本低廉、无运动部件,适于包括两相流的任何流体下使用，且很早就用于低位热源驱动的制冷系统。国内外已有研究者提出了将喷射器引入蒸气压缩制冷循环,构成压缩/喷射式复合制冷循环并应用于制冷与热泵装置。许多研究表明,在蒸气压缩系统上采用喷射器确实可以提高制冷与热泵装置的性能。然而，目前有关喷射器在蒸气压缩系统上的应用，大多数是针对单级蒸气压缩式循环系统，采用的是单个喷射器或双喷射器来实现回收节流过程的部分膨胀功，通过喷射器的合理布置能有效改善循环系统的效率。总的来说，目前对在两级蒸气压缩式循环系统中喷射器应用的研究还相对缺乏，特别是双喷射器的应用有待于积极发展。

实际上，在两级蒸气压缩式循环系统中，由于蒸发温度更低，制冷剂节流过程具有更多的膨胀功可以回收。因此，可以采用双喷射器及其合理的布置，更加充分的回收膨胀功，从而使两级蒸气压缩式循环系统的效率显著得到提高。因此，本发明技术旨在提供一种可行解决方案，即一种双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，通过采用双喷射器提高节流过程的膨胀功回收率，从而使两级蒸气压缩式循环系统具有更高的效率，降低循环装置能量消耗，这对蒸气压缩式制冷与热泵装置的节能技术发展有着积极的推动作用，而且会带来较好的社会效益和经济效益。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，利用两个气-液两相流喷射器充分回收系统中制冷剂节流过程的膨胀功，并利用两个气-液两相流喷射器的增压作用显著提升两台压缩机吸气压力从而降低循环中压缩机的功率消耗并提高压缩机的输气量，双气-液两相喷射器显著的增压作用有效改善了两级蒸气压缩式循环系统的性能。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，包括高压级压缩机101，高压级压缩机101的出口与冷凝器或气体冷却器102的入口相连接；冷凝器或气体冷却器102的出口经过回热器103后与高压级喷射器104的喷嘴入口相连接；高压级喷射器104的被引射气态制冷剂入口与低压级压缩机110出口相连接；高压级喷射器104的气液两相制冷剂出口与高压级气液分离器105的入口相连接；高压级气液分离器105出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口经过回热器103与高压级压缩机101入口相连接，另一路饱和液态制冷剂出口与低压级喷射器106的喷嘴入口相连接；低压级喷射器106的被引射气态制冷剂入口与蒸发器109出口相连接；低压级喷射器106的两相制冷剂出口与低压级气液分离器107的入口相连接；低压级气液分离器107出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口直接与低压级压缩机110入口相连接，另一路饱和液态制冷剂出口经过节流装置108后与蒸发器109入口相连接。

所述高压级喷射器104中来自回热器103冷端出口的过冷制冷剂压力大于从低压级压缩机110出来的气态制冷剂压力；所述低压级喷射器106中直接来自高压级气液分离器105出口的饱和液态制冷剂压力大于从蒸发器109出来的气态制冷剂压力。

所述低压级压缩机110出口的气态制冷剂蒸气在高压级喷射器104中被来自回热器103冷端出口的过冷制冷剂引射，在高压级喷射器104中混合后增压并进入高压级气液分离器105；所述蒸发器109出来的气态制冷剂在低压级喷射器106中被直接来自高压级气液分离器105出口的饱和液态制冷剂引射，在低压级喷射器106中混合后增压并进入低压级气液分离器107。

相比于常规的两级蒸气压缩式循环系统，本发明通过在两级蒸气压缩式循环系统中增加双喷射器（高压级喷射器104和低压级喷射器106），利用双喷射器充分回收两级蒸气压缩制冷与热泵循环系统节流过程中的膨胀功，显著提升两个压缩机吸气压力从而降低循环中压缩机的功率消耗和提高压缩机的输气量，有效改善了制冷循环系统性能。该系统是一种经济、有效、可行的改善方案，能有效提高两级蒸气压缩式循环系统性能，促进蒸气压缩式制冷与热泵装置的节能技术发展。

附图说明

图1是本发明制冷循环系统示意图。

图2是本发明循环系统工作过程的亚临界循环压-焓图（p–h图）。

图3是本发明循环系统工作过程的跨临界循环压-焓图（p–h图）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明是一种双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，包括高压级压缩机101，高压级压缩机101的出口与冷凝器或气体冷却器102的入口相连接；冷凝器或气体冷却器102的出口经过回热器103后与高压级喷射器104的喷嘴入口相连接；高压级喷射器104的被引射气态制冷剂入口与低压级压缩机110出口相连接；高压级喷射器104的气液两相制冷剂出口与高压级气液分离器105的入口相连接；高压级气液分离器105出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口经过回热器103与高压级压缩机101入口相连接，另一路饱和液态制冷剂出口与低压级喷射器106的喷嘴入口相连接；低压级喷射器106的被引射气态制冷剂入口与蒸发器109出口相连接；低压级喷射器106的两相制冷剂出口与低压级气液分离器107的入口相连接；低压级气液分离器107出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口直接与低压级压缩机110入口相连接，另一路饱和液态制冷剂出口经过节流装置108后与蒸发器109入口相连接。

所述高压级喷射器104中来自回热器103冷端出口的过冷制冷剂压力大于从低压级压缩机110出来的气态制冷剂压力；所述低压级喷射器106中直接来自高压级气液分离器105出口的饱和液态制冷剂压力大于从蒸发器109出来的气态制冷剂压力。因此，低压级压缩机110出口的气态制冷剂蒸气在高压级喷射器104中被来自回热器103冷端出口的过冷制冷剂引射，在高压级喷射器104中混合后增压并进入高压级气液分离器105；所述蒸发器109出来的气态制冷剂在低压级喷射器106中被直接来自高压级气液分离器105出口的饱和液态制冷剂引射，在低压级喷射器106中混合后增压并进入低压级气液分离器107。利用双喷射器（高压级喷射器104和低压级喷射器106）充分回收两级蒸气压缩制冷与热泵循环系统节流过程中的膨胀功，显著提升两个压缩机吸气压力从而降低循环中压缩机的功率消耗和提高压缩机的输气量，有效改善制冷循环系统性能。

如图2和图3所示分别为本发明的两级蒸气压缩循环系统工作过程的亚临界循环和跨临界循环循环压-焓图（p–h图），当系统采用较高临界温度的制冷剂如R134a时为亚临界循环，而系统采用较低临界温度的制冷剂如CO₂时为跨临界循环。所示意的系统工作过程为：高压级气液分离器105中分离出的饱和气态制冷剂（图2和图3中6点处）在回热器103中吸热后升温成为过热气态制冷剂（图2和图3中1点处），过热气态制冷剂进入高压级压缩机101后被压缩升压升温成为高温高压过热气态制冷剂（图2和图3中2点处），高压高温过热气态制冷剂在冷凝器或气体冷却器102中放出热量后成为高压低温制冷剂（图2和图3中3点处）；从冷凝器或气体冷却器102出来的高压低温制冷剂经过回热器103进一步被放热降温后（图2和图3中4点处）作为工作流体进入高压级喷射器104的喷嘴，并经喷嘴膨胀后变为低压高速气液两相混合制冷剂（图2和图3中4′点处），在高压级喷射器104的吸入室进一步引射从低压级压缩机110出来的过热气态制冷剂（图2和图3中13点处），在高压级喷射器104的混合室中混合后（图2和图3中5′点处）再经高压级喷射器104的扩压器增压后排出（图2和图3中5点处）；高压级喷射器104出口的气液两相混合制冷剂进入高压级气液分离器105进行气液分离，其中从高压级气液分离器105分离出的饱和气态制冷剂（图2和图3中6点处）经过回热器103返回高压级压缩机101的吸气口（图2和图3中1点处），而分离出的饱和液态制冷剂（图2和图3中7点处）作为工作流体进入低压级喷射器106的喷嘴，并经喷嘴膨胀后变为低压高速气液两相混合制冷剂（图2和图3中7′点处），在低压级喷射器106的吸入室进一步引射从蒸发器109出来的饱和气态制冷剂（图2和图3中11点处），在低压级喷射器106的混合室中混合后（图2和图3中8′点处）再经低压级喷射器106的扩压器增压后排出（图2和图3中8点处）；低压级喷射器106出口的气液两相混合制冷剂进入低压级气液分离器107进行气液分离，其中从低压级气液分离器107分离出的饱和气态制冷剂（图2和图3中12点处）返回低压级压缩机110的吸气口，而分离出的饱和液态制冷剂（图2和图3中9点处）通过节流装置108降压降温后（图2和图3中10点处）进入蒸发器109吸热蒸发实现制冷目的，蒸发器109出口的饱和气态制冷剂（图2和图3中11点处）作为被引射制冷剂蒸气进入低压级喷射器106，以上完成整个循环过程。

本发明的整个系统循环工作过程中存在有五个不同的工作压力,依次是冷凝器或气体冷却器102高压压力、高压级压缩机101吸气压力、低压级压缩机110排气压力、低压级压缩机110吸气压力、蒸发器109低压蒸发压力。其中冷凝器或气体冷却器102高压压力、蒸发器109低压蒸发压力是由循环系统的工作工况及使用的制冷剂所决定，这又取决于制冷或制热温度要求和环境冷却介质温度；低压级压缩机排气压力为设计压力，其取值可根据高压压力与蒸发压力按系统实现最大效率情况选取，高压级压缩机101吸气压力和低压级压缩机110吸气压力分别由高压级喷射器104和低压级喷射器106的工作特性、回热器特性以及循环中的质量守恒、动量守恒和能量守恒关系所决定。

Claims (3)

1.一种双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，包括高压级压缩机（101），高压级压缩机（101）的出口与冷凝器或气体冷却器（102）的入口相连接；其特征在于：冷凝器或气体冷却器（102）的出口经过回热器（103）后与高压级喷射器（104）的喷嘴入口相连接；高压级喷射器（104）的被引射气态制冷剂入口与低压级压缩机（110）出口相连接；高压级喷射器（104）的气液两相制冷剂出口与高压级气液分离器（105）的入口相连接；高压级气液分离器（105）出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口经过回热器（103）与高压级压缩机（101）入口相连接，另一路饱和液态制冷剂出口与低压级喷射器（106）的喷嘴入口相连接；低压级喷射器（106）的被引射气态制冷剂入口与蒸发器（109）出口相连接；低压级喷射器（106）的两相制冷剂出口与低压级气液分离器（107）的入口相连接；低压级气液分离器（107）出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口直接与低压级压缩机（110）入口相连接，另一路饱和液态制冷剂出口经过节流装置（108）后与蒸发器（109）入口相连接。

2.根据权利要求1所述的双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，其特征在于：所述高压级喷射器（104）中来自回热器（103）冷端出口的过冷制冷剂压力大于从低压级压缩机（110）出来的气态制冷剂压力；所述低压级喷射器（106）中直接来自高压级气液分离器（105）出口的饱和液态制冷剂压力大于从蒸发器（109）出来的气态制冷剂压力。

3.根据权利要求1或2所述的双喷射器增效的两级蒸气压缩式循环系统，其特征在于：所述低压级压缩机（110）出口的气态制冷剂蒸气在高压级喷射器（104）中被来自回热器（103）冷端出口的过冷制冷剂引射，在高压级喷射器（104）中混合后增压并进入高压级气液分离器（105）；所述蒸发器（109）出来的气态制冷剂在低压级喷射器（106）中被直接来自高压级气液分离器（105）出口的饱和液态制冷剂引射，在低压级喷射器（106）中混合后增压并进入低压级气液分离器（107）。

Images