CN104075509A - 随发生温度自动调节面积比的喷射器及喷射式制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随发生温度自动调节面积比的喷射器，包括喷射器腔体，喷射器腔体包括带有工作流体喷嘴的蒸汽室，工作流体喷嘴内设有同轴设置的调节锥；蒸汽室内设有将其分为主动室和从动室两个独立空间的调节片；还包括与所述主动室连通的感温包；所述调节片根据感温包的压力信号，实时调整调节锥沿轴向移动，实现对流体喷嘴流通面积的调整。本发明还公开采用上述喷射器的喷射式制冷机。本发明突破传统思路的束缚，通过调节片随发生温度变化，在工作流体入口的压力，感温包压力，与弹簧共同作用下的形变或者移动，引起的调节锥在工作流体喷嘴轴向上的位置变化，改变工作流体喷嘴的流通面积，改变喷射器面积比，使喷射器在最佳尺寸下工作。

Description

随发生温度自动调节面积比的喷射器及喷射式制冷机

技术领域

本发明属于制冷技术领域，尤其是涉及一种随发生温度自动调节面积比的喷射器及喷射式制冷机。

背景技术

喷射式制冷技术是一种热能驱动的制冷技术，和机械压缩式制冷技术相比其主要优点是只需要消耗很少的机械能，能够直接利用热能作为驱动能源，具有设备结构简单、体积小、成本低、运行可靠、使用寿命长等优点。喷射式制冷是一种利用低品位能源驱动的制冷方式，可有效利用太阳能、地热等可再生能源及工业余热、废热；喷射式制冷所使用的制冷工质主要是水、碳氢化合物或氢氟烃类制冷剂，可避免使用破坏臭氧层的CFCs或HCFCs类制冷工质。

喷射式制冷技术中核心部件之一为蒸汽喷射器，蒸汽喷射器一般由喷嘴、引射室、混合室及扩压室四部分组成。其工作原理为：动力蒸汽进入喷嘴进行绝热膨胀并在喷嘴出口处形成超音速流，在引射室内高速气流带动引射蒸汽沿喷射器轴向流动，在混合室内混合后的两股蒸汽速度降低，在扩压室内混合蒸汽流速降低压力升高，达到排出蒸汽所需参数。引射蒸汽与动力蒸汽质量流量的比值被称为引射系数，其为衡量喷射器性能优劣的主要指标。

在喷射式制冷系统当中，扩压室喉部面积与工作流体喷嘴喉部面积的比值称为面积比，它是喷射器当中重要的结构参数。通常面积比较大时，喷射器可以得到较高的喷射系数，但可以提供的压缩比较低；面积比较小时，喷射器可以提供比较大的压缩比，但喷射系数较低。在给定面积比的情况下，随着发生温度的升高，喷射式制冷系统的效率反而下降，这是由于随着发生温度的升高，工作流体压力升高，流量增大，而扩压室内的喉部面积不变，这就导致了引射流体的流量减少，引射比降低。然而喷射式制冷通常采用太阳能、工业余热等作为热源，这类热源通常温度不稳定。喷射式制冷的这一特点为其实际应用带来了困难。

为解决上述技术问题，公开号为CN102121482A的专利文献公开了一种喷嘴可调式蒸汽喷射器，包括喷嘴、动力蒸气室、引射室、混合室、扩压室、调节锥和调节锥定位螺母；所述动力蒸气室、引射室、混合室和扩压室依次沿轴向连接，所述喷嘴横穿过动力蒸气室进入引射室；动力蒸气室外喷嘴端部为法兰状，喷嘴通过定位螺栓和定位螺母与动力蒸气室连接；所述调节锥一端安装手轮，锥形的一端横穿过喷嘴法兰，所述调节锥通过调节锥定位螺母和调节锥定位螺栓与喷嘴法兰固定在一起。该发明能达到喷射器所设计的最佳引射性能。但是上述喷射器需要人工调节，工作量大，运行维护较为复杂。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供了一种能够根据工作流体温度不同，实现自动调整面积比的喷射器，实现了喷射效率最优化。

本发明还提供了一种带有上述蒸汽室喷射器的能够随发生温度自动调节的喷射式制冷机，该制冷机通过感温包对温度的感应，实现对调节锥位置的调整，从而改变工作流体喷嘴的流通面积；通过改变喷射器面积比，使喷射器在最佳尺寸下工作，提高制冷系统效率。

一种随发生温度自动调节面积比的喷射器，包括带有工作流体入口、引射流体入口和流体出口的喷射器腔体，所述喷射器腔体包括蒸汽室，蒸汽室出气口处设有工作流体喷嘴，该工作流体喷嘴内设有同轴设置的调节锥；

所述蒸汽室内设有将其分为主动室和从动室两个独立空间的调节片；

还包括内腔与所述主动室连通的感温包，该感温包用于感应工作流体的温度，同时转换为压力信号输出；

所述调节片根据感温包的压力信号，实时调整调节锥沿轴向移动，实现对工作流体喷嘴流通面积的调整。

所述感温包内充注的工质的沸点低于喷射式制冷机制冷工质的沸点。上述的感温包内充注低沸点工质，低沸点工质在感温包内为两相平衡状态，感温包内的压力为低沸点工质在对应温度下的饱和压力；由工作流体入口及引射流体入口进入喷射器的工质均为高沸点工质，工作流体入口的压力为高沸点工质在对应温度下的饱和压力；调节锥的一端与调节片相连，另一端为直径逐渐变小的椎体，随着调节锥沿轴向伸入工作流体喷嘴，工作流体喷嘴的流通面积变小。

上述的喷射式制冷机的工作过程为：当感温包内的温度升高，感温包内的压力随之升高，调节片发生形变或者移动并挤压弹簧，调节锥沿轴向伸入工作流体喷嘴，工作流体喷嘴流通面积减少，喷射器面积比增大，引射系数增加；当感温包内的温度降低，感温包内的压力随之下降，调节片形变或者移动并挤压弹簧的力减少，调节锥沿轴向移出工作流体喷嘴，工作流体喷嘴流通面积增大，喷射器面积比减小，喷射器仍可达到设计的压缩比。

所述喷射器腔体内根据能量变化，分为依次连通的蒸汽室、引射室、混合室和扩压室等，蒸汽室用于容纳工作流体蒸汽，引射室用于高速工作流体对引射流体进行引射，混合室用于工作流体和引射流体的混合，扩压室用于混合气体升压，将动能转化为静压。

工作流体喷嘴一般选择现有结构，用于形成高速工作流体。调节锥为杆状结构，一端采用常规的杆结构，另一端为椎体结构，通过移动圆锥端的位置，可以调整工作流体喷嘴的流通面积，进而调节工作流体流量。

感温包一般采用制冷领域常规的感温包结构，用于感应工作流体的温度信号，通过其内的低沸点工质，将温度信号转换为工质的压力信号，从而实现对调节锥位置的调整，进而实现对工作流体喷嘴的流通面积的调整。

所述调节片可选用多种结构，作为优选，所述的调节片为弹性的膜片，该膜片四周与所述蒸汽室内壁密封固定；所述调节锥一端与所述膜片固定，另一端为锥形端，该锥形端伸入所述工作流体喷嘴内；所述膜片根据感温包的压力信号大小发生形变，从而带动调节锥轴向移动。弹性的膜片可采用金属片或者其他能够满足弹性要求的薄片。此时，根据模拟实验，可确定调节片的弹性形变力、锥形端结构与面积比之间的变化关系，从而选择合适材质和性能的调节片，实现喷射器始终在接近最佳喷射效率状况下工作。

为进一步增加系统的可调性和灵敏度，作为优选，所述调节锥上套设有弹簧，弹簧一端与设置在调节锥上的限位台阶相抵，另一端与工作流体喷嘴侧壁相抵。弹簧一方面提供调节片的回复力，保证调节片迅速复位，提高控制灵敏度；另一方面也提高了系统的可调性，通过对弹性形变力、锥形端结构、弹簧弹性等一种或者多种参数与面积比之间的变化关系，可简单实现对喷射器最佳工作参数的控制。

作为另一种优选的方案，所述调节片为四周与所述蒸汽室内壁密封滑动配合的活塞；所述调节锥一端与所述活塞固定，另一端为锥形端，该锥形端伸入所述工作流体喷嘴内；所述活塞根据感温包的压力信号大小发生移动，从而带动调节锥轴向移动。采用活塞结构，进一步降低了设计难度，设计时需要主要考虑锥形端的尺寸与面积比之间的变化关系即可。

同样为提高控制敏感度和系统可调性，作为优选，所述调节锥上套设有弹簧，弹簧一端与设置在调节锥上的限位台阶相抵，另一端与工作流体喷嘴侧壁相抵。

上述喷射器可以用于各种制冷单元中，根据工作流体的温度变化，实时对喷射器的面积比进行调整。

作为优选，一种喷射式制冷机，包括喷射器、冷凝器、以及同时与冷凝器出口连接的循环泵和节流阀、与循环泵出口连接的发生器、与节流阀出口连接的蒸发器，所述喷射器为上述任一技术方案所述的喷射器，所述工作流体入口与发生器出口连接，所述引射流体入口与蒸发器出口连接，所述流体出口与冷凝器入口连接。

作为优选，所述感温包位于发生器与工作流体入口相连接的管路上。上述优选的喷射式制冷机的工作过程为：高沸点制冷剂在发生器中被外部热源加热成为高温高压的气体，通过工作流体入口进入喷射器腔体，并通过工作流体喷嘴静压转变为动压，自身压力减少而达到超音速，引射来自蒸发器的低温低压的高沸点制冷剂；两股流体混合并达到共同速度，混合流体进入扩压室，在扩压室内动压转变为静压，速度降低压力上升达到冷凝压力并进入冷凝器，冷凝压力下的高沸点制冷剂蒸汽在冷凝器中被外部冷源冷却成为液体，冷凝器出口的高沸点制冷剂液体分为两股，其中一股由循环泵加压后回到发生器，另一股经过节流阀节流减压后进入蒸发器产生制冷效果，系统完成工作循环。

感温包内低沸点工质的压力大于工作流体入口高沸点制冷剂压力，当发生温度上升的时候，压差也随之变大；在这个压差的作用下，调节锥随着调节片的形变或者移动沿轴向伸入工作流体喷嘴，工作流体喷嘴流道截面变小，喷射器的面积比增大，喷射系数增加，制冷机效率提高。对于传统的喷射式制冷系统，当发生温度上升的时候，发生器出口的工作流体压力升高，工作流体流量变大，而扩压室流道面积不变，会导致引射流体流量减小，喷射系数降低，制冷系统效率降低。

当发生温度下降的时候，感温包内低沸点工质与工作流体入口高沸点制冷剂之间的压差变小；在这个压差的作用下，调节锥随着膜片的形变或者移动沿轴向移出工作流体喷嘴，工作流体喷嘴流道截面变大，喷射器的面积比变小，喷射系数降低，而喷射器可达到的压缩比增加。对于传统的喷射式制冷系统，当发生温度降低的时候，发生器出口的工作流体压力降低，工作流体流量减少，而扩压室流道面积不变，喷射器动力不足无法达到设计的压缩比。

或者，为了使感温包内的压力变化随发生温度的变化更加敏感，作为优选，所述感温包位于发生器的壁面上。此时，加强了感温包内低沸点工质与发生器内高沸点工质之间的换热，使感温包内的压力变化随着发生温度的变化更加敏感。

本发明的随发生温度自动调节的喷射式制冷机，通过调节片随发生温度变化，在工作流体入口的压力，感温包压力，与弹簧共同作用下的形变或者发生移动，引起的调节锥在工作流体喷嘴轴向上的位置变化，改变工作流体喷嘴的流通面积，改变喷射器面积比，使喷射器在最佳尺寸下工作。当发生温度升高的时候，可使系统引射系数增大，提高制冷系统效率；当发生温度降低的时候，可保持喷射器可以达到的压缩比，使制冷系统仍可以在设计的冷凝温度与蒸发温度下正常运行。

附图说明

图1为本发明的喷射器的系统流程图。

图2为本发明的喷射式制冷机的第一种实施方式的系统流程图。

图3为本发明的喷射式制冷机的第二种实施方式的系统流程图。

其中：1、喷射器腔体；1a、工作流体入口；1b、引射流体入口、1c、流体出口；1d、工作流体喷嘴；1e、扩压室；101、蒸汽室；101a、主动室；101b、从动室；102、引射室；103、混合室；2、感温包；3、膜片；4、调节锥；4a、限位台阶；5、弹簧；6、冷凝器；7、节流阀；8、蒸发器；9、循环泵；10、发生器。

具体实施方式

以下参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，一种随发生温度自动调节面积比的喷射器，包括含有工作流体入口1a、引射流体入口1b、流体出口1c、工作流体喷嘴1d以及扩压室1e的喷射器腔体1，与喷射器腔体1相连通的感温包2，将喷射器腔体1分隔成分别与感温包2、工作流体入口1a连通的两个空间的膜片3，调节锥4，弹簧5；

喷射腔体1内分为蒸汽室101、引射室102、混合室103和扩压室1e；膜片3设置在蒸汽室101内，将蒸汽室101分为主动室101a和从动室101b两个独立空间；膜片3为弹性片，可采用金属片、塑料片等，其四周与蒸汽室101内壁密封固定。膜片也可采用活塞结构代替，此时，活塞四周与蒸汽室101内壁密封滑动配合。工作流体喷嘴1d的入口与蒸汽室101连通，出口伸入引射室102内。

调节锥4一端与膜片3固定在一起，该端外壁设有限位台阶4a，并随着膜片3的形变而轴向进出工作流体喷嘴1d；调节锥4的另一端为锥形结构，同时插入到工作流体喷嘴1d内，通过其轴向的移动，实现对工作流体喷嘴1d大小的调节。

弹簧5安装在调节锥4与工作流体喷嘴1d入口之间，弹簧5一端与限位台阶4a相抵，另一端与喷嘴1d端部的侧壁相抵；弹簧5也可采用其它弹性件代替。

上述的感温包2内充注低沸点工质，低沸点工质在感温包2内为两相平衡状态，感温包2内的压力为低沸点工质在对应温度下的饱和压力；由工作流体入口1a及引射流体入口1b进入喷射器的工质均为高沸点工质，工作流体入口1a的压力为高沸点工质在对应温度下的饱和压力；调节锥4的一端与膜片3相连，另一端为直径逐渐变小的椎体，随着调节锥4沿轴向伸入工作流体喷嘴1d，工作流体喷嘴1d的流通面积变小；

上述的一种自动调节的喷射器的工作过程为：当感温包2内的温度升高，感温包2内的压力随之升高，膜片3发生形变并挤压弹簧5，调节锥4沿轴向伸入工作流体喷嘴1d，工作流体喷嘴1d流通面积减少，喷射器面积比增大，引射系数增加；当感温包2内的温度降低，感温包2内的压力随之下降，膜片3形变并挤压弹簧5的力减少，调节锥4沿轴向移出工作流体喷嘴1d，工作流体喷嘴1d流通面积增大，喷射器面积比减小，喷射器仍可达到设计的压缩比；

通过对调节锥4的椎体尺寸、或者/和弹簧参数的设置，可设计出满足各种要求的喷射器，以保证喷射器尽量在最佳面积比下工作，获得最佳性能。

实施例2

该实施方式是在实施例1基础上进行的具体应用：一种采用实施例1的喷射器的喷射式制冷机，如图2所示，在图1所示系统的基础上，还包括冷凝器6、节流阀7、蒸发器8、循环泵9、发生器10；喷射器的流体出口1c与冷凝器6入口相连通，冷凝器6出口与循环泵9入口、节流阀7入口同时连通，循环泵9出口与发生器10入口相连通，发生器10出口与喷射器的工作流体入口1a相连通，节流阀7出口与蒸发器8入口相连通，蒸发器8出口与喷射器的引射流体入口1b相连通；

感温包2位于发生器10与工作流体入口1a相连接的管路上；

上述随发生温度自动调节的喷射式制冷机的工作过程为：高沸点制冷剂在发生器10中被外部热源加热成为高温高压的气体，通过工作流体入口1a进入喷射器腔体1，并通过工作流体喷嘴1d静压转变为动压，自身压力减少而达到超音速，引射来自蒸发器8的低温低压的高沸点制冷剂；两股流体混合并达到共同速度，混合流体进入扩压室1e，在扩压室1e内动压转变为静压，速度降低压力上升达到冷凝压力并进入冷凝器6，冷凝压力下的高沸点制冷剂蒸汽在冷凝器6中被外部冷源冷却成为液体，冷凝器6出口的高沸点制冷剂液体分为两股，其中一股由循环泵9加压后回到发生器10，另一股经过节流阀7节流减压后进入蒸发器8产生制冷效果，系统完成工作循环。

感温包2内低沸点工质的压力大于工作流体入口1a高沸点制冷剂压力，当发生温度上升的时候，压差也随之变大；在这个压差的作用下，调节锥4随着膜片3的形变沿轴向伸入工作流体喷嘴1d，工作流体喷嘴1d流道截面变小，喷射器的面积比增大，喷射系数增加，制冷机效率提高。对于传统的喷射式制冷系统，当发生温度上升的时候，发生器出口的工作流体压力升高，工作流体流量变大，而扩压室流道面积不变，会导致引射流体流量减小，喷射系数降低，制冷系统效率降低。

当发生温度下降的时候，感温包2内低沸点工质与工作流体入口1a高沸点制冷剂之间的压差变小；在这个压差的作用下，调节锥4随着膜片3的形变沿轴向移出工作流体喷嘴1d，工作流体喷嘴1d流道截面变大，喷射器的面积比变小，喷射系数降低，而喷射器可达到的压缩比增加。对于传统的喷射式制冷系统，当发生温度降低的时候，发生器出口的工作流体压力降低，工作流体流量减少，而扩压室流道面积不变，喷射器动力不足无法达到设计的压缩比。

实施例3

如图3所示，该实施方式是在实施例2基础上进行的改进，感温包2位于发生器10的壁面上，此时，加强了感温包2内低沸点工质与发生器10内高沸点工质之间的换热，使感温包2内的压力变化随着发生温度的变化更加敏感。

应用例1

以R236fa作为制冷剂，对本发明图2、图3所示装置进行了模拟计算，计算的假设条件如下：(1)系统处于稳定工作状态；(2)忽略管路与换热器的压降和漏热；(3)冷凝器的冷凝温度为25℃，蒸发器的制冷温度为-5℃。

系统在不同发生温度下最佳面积比的计算结果如下：

发生温度/℃	120	115	110	105	100	95	90
								最佳面积比	15.47	13.81	12.3	10.93	9.684	8.55	7.522

从计算结果可以看出，喷射式制冷系统在不同发生温度下的最佳面积比不同。然而只有在最佳的面积比时，喷射式制冷系统才能获得最佳性能。传统的喷射式制冷系统的面积比是固定的，喷射器在偏离设计工况运行时，效率大大降低。本发明可通过模拟实验，选择合适的膜片3、弹簧5、调节锥4，保证喷射器随发生温度不同，自动调节其面积比，使喷射器在最佳的结构参数下运行。

Claims (8)

1.一种随发生温度自动调节面积比的喷射器，包括带有工作流体入口(1a)、引射流体入口(1b)和流体出口(1c)的喷射器腔体(1)，所述喷射器腔体(1)包括蒸汽室(101)，蒸汽室(101)出气口处设有工作流体喷嘴(1d)，该工作流体喷嘴(1d)内设有同轴设置的调节锥(4)，其特征在于：

所述蒸汽室(101)内设有将其分为主动室(101a)和从动室(101b)两个独立空间的调节片；

还包括内腔与所述主动室(101a)连通的感温包(2)，该感温包(2)用于感应工作流体的温度，同时转换为压力信号输出；

所述调节片根据感温包(2)的压力信号，实时调整调节锥(4)沿轴向移动，实现对工作流体喷嘴(1d)流通面积的调整。

2.根据权利要求1所述的随发生温度自动调节面积比的喷射器，其特征在于：

所述的调节片为弹性的膜片(3)，该膜片四周与所述蒸汽室(101)内壁密封固定；

所述调节锥(4)一端与所述膜片(3)固定，另一端为锥形端，该锥形端伸入所述工作流体喷嘴(1d)内；

所述膜片(3)根据感温包(2)的压力信号大小发生形变，从而带动调节锥(4)轴向移动。

3.根据权利要求2所述的随发生温度自动调节面积比的喷射器，其特征在于：

所述调节锥(4)上套设有弹簧(5)，弹簧(5)一端与设置在调节锥(4)上的限位台阶(4a)相抵，另一端与工作流体喷嘴(1d)侧壁相抵。

4.根据权利要求1所述的随发生温度自动调节面积比的喷射器，其特征在于：所述调节片为四周与所述蒸汽室(101)内壁密封滑动配合的活塞；

所述调节锥(4)一端与所述活塞固定，另一端为锥形端，该锥形端伸入所述工作流体喷嘴(1d)内；

所述活塞根据感温包(2)的压力信号大小发生移动，从而带动调节锥(4)轴向移动。

5.根据权利要求4所述的随发生温度自动调节面积比的喷射器，其特征在于：

所述调节锥(4)上套设有弹簧(5)，弹簧(5)一端与设置在调节锥(4)上的限位台阶(4a)相抵，另一端与工作流体喷嘴(1d)侧壁相抵。

6.一种喷射式制冷机，包括喷射器、冷凝器(6)、以及同时与冷凝器出口连接的循环泵(9)和节流阀(7)、与循环泵(9)出口连接的发生器(10)、与节流阀(7)出口连接的蒸发器(8)，其特征在于，所述喷射器为权利要求1-5任一权项所述的喷射器，所述工作流体入口(1a)与发生器(10)出口连接，所述引射流体入口(1b)与蒸发器(8)出口连接，所述流体出口(1c)与冷凝器(6)入口连接。

7.根据权利要求6所述的喷射式制冷机，其特征在于：所述感温包(2)位于发生器(10)与工作流体入口(1a)相连接的管路上。

8.根据权利要求6所述的喷射式制冷机，其特征在于：所述感温包(2)位于发生器(10)的壁面上。