CN106288477A - 喷射器系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种蒸汽压缩系统（200；300；400），包括：压缩机（22）；第一热交换器（30）；第二热交换器（64）；喷射器（38）；分离器（48）；以及膨胀装置（70）。多个管路被定位成限定第一流路，第一流路依次通过：压缩机；第一热交换器；从主动流入口（40）通过出口（44）的喷射器；以及分离器，且随后分成：返回压缩机的第一支路；以及穿过膨胀装置与第二热交换器至次流入口（42）的第二支路。多个管路被定位成限定旁通流路（202；302；402），其旁通绕过主动流入口并再接入第一流路，其接入点压力在本质上为分离器压力，但其接入点远离分离器。

Description

喷射器系统及运行方法

技术领域

本公开内容涉及制冷。更具体而言，其涉及喷射器制冷系统。

背景技术

使用喷射器制冷系统的较早方案见于US1836318和US3277660中。图1示出了喷射器制冷系统（蒸汽压缩系统）20的一个基本实例。该系统包括具有入口（吸气端口）24及出口（排气端口）26的压缩机22。压缩机及其他系统部件沿制冷剂回路或流路27定位，且经由不同管路（连接管）来连接。示例性制冷剂为基于二氧化碳（CO2）的制冷剂（例如，按重量计，含至少50%的CO2）。排气连接管28从出口26延伸到热交换器30（在系统运行的正常模式中的排热热交换器（例如，冷凝器或气体冷却器））的入口32。连接管36从排热热交换器30的出口34延伸至喷射器38的主入口40（液体或超临界或两相入口）。喷射器38还具有次入口（饱和的或过热的蒸汽或两相入口）42以及出口44。连接管46从喷射器出口44延伸至分离器48的入口50。分离器具有液体出口52和气体或蒸汽出口54。吸气连接管56从气体出口54延伸至压缩机吸气端口24。连接管28、36、46、56以及它们之间的部件限定了制冷剂回路27的主回路60。

从分离器，流路分成完成主回路60以返回压缩机的第一支路61以及形成次回路62的一部分的第二支路63。制冷剂回路27的次回路62包括热交换器64（在正常运行模式中是吸热热交换器（例如，蒸发器））。蒸发器64包括沿次回路62的入口66和出口68。膨胀装置70定位在连接管72中，该连接管72在分离器液体出口52和蒸发器入口66之间延伸。喷射器次入口连接管74从蒸发器出口68延伸到喷射器次入口42。

在正常运行模式中，气态制冷剂由压缩机22抽吸通过吸气连接管56和入口24、并且被压缩，并从排气端口26被排出至排气连接管28中。在排热热交换器中，制冷剂向热传递流体（例如，风扇驱动的空气或水或其他流体）输出/排出热量。冷却的制冷剂经由出口34离开排热热交换器，并且经由连接管36进入喷射器主入口40。

示例性喷射器38（图2）形成为被嵌套在外部构件102内的主动（主）喷嘴100的组合。主入口40是至主动喷嘴100的入口。出口44是外部构件102的出口。主制冷剂流103进入入口40并且随后传送到主动喷嘴100的渐缩部104中。其随后穿过喉部106和膨胀（渐扩）部108，通过主动喷嘴100的出口（离开口）110。主动喷嘴100加速了流103并且降低了该流的压力。次入口42形成外部构件102的入口。由主动喷嘴引起的主流的压力降低有助于将次流112抽吸到外部构件中。该外部构件包括混合器，该混合器具有渐缩部114和细长喉部或混合部116。外部构件还具有在该细长喉部或混合部116下游的渐扩部或扩散器118。主动喷嘴出口110定位在渐缩部114内。当流103离开出口110时，其开始与流112混合，而进一步的混合通过提供混合区域的混合部116来发生。因此，各自的主流路和次流路从主入口和次入口延伸至出口，在离开口处合并。在运行中，主流103典型地可在进入喷射器时是超临界的，并且在离开主动喷嘴时是亚临界的。次流112在进入次入口端口42时是气态的（或气体与较少量液体的混合物）。由此引起的组合流120是液体/蒸汽混合物，并且在扩散器118中减速和恢复压力，同时保持为混合物。在进入分离器时，流120分离返回成流103和112。如上所述，流103作为气体经过压缩机吸气连接管。流112作为液体传送到膨胀阀70。流112可通过阀70膨胀（例如，至低干度（带有少量蒸汽的两相））且传送到蒸发器64。在蒸发器64内，制冷剂从热传递流体（例如，从风扇驱动的空气流或水或其他液体）吸热且作为如前所述气体从出口68排出至连接管74。

使用喷射器用于回收压力/功。从膨胀过程回收的功被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，对于给定的期望蒸发器压力而言，压缩机的压力比（且因而压缩机的功耗）可以减少。还可以降低进入蒸发器的制冷剂的干度。因此，每单位质量流量的制冷效应可以增加（相对于无喷射器系统）。改善了进入蒸发器的流体的分布（因而改善了蒸发器性能）。由于蒸发器并不直接给压缩机供汽，因此蒸发器不需要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域。这可允许蒸发器在两相状态下运行，所述两相状态提供较高的热传递性能（例如，对于给定容量，有利于减小蒸发器尺寸）。

示例性喷射器可以是固定几何尺寸的喷射器或者可以是可控喷射器。图2示出了由针阀130提供的可控能力，该针阀130具有针132和执行器134。执行器134将针的末梢部分136移入以及移出主动喷嘴100的喉部106，从而调节通过主动喷嘴的流量，并且继而在总体上调节喷射器。示例性执行器134是电气的（例如，电磁阀等）。执行器134可联接到控制器140并由该控制器140控制，该控制器可接收来自输入装置142（例如，开关、键盘等）和传感器（所示出的示例性温度传感器150、152、154、156以及压力传感器160、162、164、166）的用户输入。控制器140可经由控制线路144（例如，有线或无线通信路径）来联接到执行器和其他可控系统部件（例如，阀、压缩机马达等等）。控制器可包括一个或多个：处理器；存储器（例如，用于存储由处理器运行来执行该运行方法的程序信息，并且用于存储由（多个）程序使用或产生的数据）；以及硬件接口装置（例如，端口），硬件接口装置用于与输入/输出装置和可控系统部件连接。

另外的变型在于2003年3月12日公开的Ozaki等人的JP2003-074992A中示出。Ozaki等人示出了从主动喷嘴的上游至膨胀装置的下游的旁通流路。在没有膨胀装置的情况下，备选的旁通目的地为至分离器。

发明内容

本公开内容涉及蒸汽压缩系统，包括：压缩机；第一热交换器；第二热交换器；喷射器；分离器；以及膨胀装置。喷射器包括：主动流入口；次流入口；以及出口。分离器具有：入口；液体出口；以及蒸汽出口。

多个管路被定位成限定第一流路，第一流路依次通过：压缩机；第一热交换器；从主动流入口通过喷嘴出口的喷射器；以及分离器，且随后分成：返回至压缩机的第一支路；以及穿过膨胀装置和第二热交换器至次流入口的第二支路。多个管路定位成限定旁通流路，其旁通绕过主动喷嘴，并再接入第一流路，其接入点压力在本质上为分离器压力，但其接入点远离分离器。

在其他实施例的一个或多个实施例中，多个管路被定位成使得旁通流路在分离器入口上游处再接入第一流路。

在其他实施例的一个或多个实施例中，多个管路被定位成使得旁通流路在等于进入分离器的流路的有效直径的四倍至一百倍的距离处再接入分离器入口上游的第一流路。

在其他实施例的一个或多个实施例中，多个管路被定位成使得所述旁通流路在所述分离器液体出口下游与所述膨胀装置的上游再接入第二支路。

在其他实施例的一个或多个实施例中，多个管路定位成使得旁通流路在分离器蒸汽出口的下游及压缩机入口的上游再接入第一支路。

在其他实施例的一个或多个实施例中，喷射器包括能够在第一位置与第二位置之间移动的控制针阀。

在其他实施例的一个或多个实施例中，压力调节器沿旁通流路布置。

在其他实施例的一个或多个实施例中，压力调节器为可变节流孔板膨胀阀。

在其他实施例的一个或多个实施例中，可变节流孔板电子膨胀阀沿旁通流路布置。

在其他实施例的一个或多个实施例中，双位开关阀沿旁通流路布置。

在其他实施例的一个或多个实施例中，控制器构造成在至少一部分运行工况上用于收发分置开关阀的脉冲宽度调节运行。

在其他实施例的一个或多个实施例中，控制器构造成在至少一部分运行工况上：随着通过排热热交换器的总流量的增加，沿旁通流路经过的总流量的比例也增加。

在其他实施例的一个或多个实施例中，控制器构造成：在所述一部分运行工况上，响应于增加的高压侧压力来增加沿所述旁通流路的流量。

在其他实施例的一个或多个实施例中，控制器构造成：在所述一部分运行工况上，增加沿旁通流路经过的总流量的比例，以便减小压缩机温度。

在其他实施例的一个或多个实施例中，制冷剂充注量按重量计，包括至少50%的二氧化碳。

本公开内容的另一方面涉及用于运行蒸汽压缩系统的方法。该方法包括，在至少一部分运行工况上：随着通过排热热交换器的总流量的增加，沿旁通流路经过的总流量的比例也增加。

在其他实施例的一个或多个实施例中，响应于增加的感测到的高压侧压力来增加沿所述旁通流路经过的总流量的比例。

在其他实施例的一个或多个实施例中，用于运行蒸汽压缩系统的方法包括：在至少一部分运行工况上：增加沿旁通流路经过的总流量的比例，以便降低压缩机温度。

在其他实施例的一个或多个实施例中，响应于增加的感测到的压缩机排气温度来增加沿所述旁通流路经过的总流量的比例。

将在下文的附图及文字描述中阐明一个或多个实施例的细节。其他特征、目的及优点将根据文字描述及附图变得显而易见，且根据权利要求变得显而易见。

附图说明

图1为现有技术的喷射器制冷系统的示意性视图。

图2为现有技术的喷射器的轴向截面视图。

图3为第二喷射器制冷系统的示意性视图；图3A为第二喷射器制冷系统中的接合处的放大视图。

图4为第三喷射器制冷系统的示意性视图。

图5为第四喷射器制冷系统的示意性视图。

相同的参考数字及名称在不同附图中指示相同的元件。

具体实施方式

图3示出了第二蒸汽压缩系统200，其在其他方面上可类似于系统20。然而，系统200增加了旁通流路202来旁通喷射器38。在此实施例中，旁通流可直接与喷射器出口44（例如，扩散器出口）和/或直接与分离器入口50流体连通。更具体而言，旁通流路旁通了喷射器主动喷嘴。如下文进一步所论述，在再设计没有此类旁通流路的基准系统时，可增加旁通流路。基准系统可具有喷射器（具体是主动喷嘴），其尺寸大小可确定成操纵通过压缩机及排热热交换器的最大预期制冷剂流速（例如，100%负荷条件）。此类喷射器或主动喷嘴在正常/典型负荷条件下可为相对效率低下的。再设计可用较小的喷射器（例如，具有较小的主动喷嘴喉部横截面面积）替换基准喷射器，其在正常运行条件下比基准喷射器更有效。

在一些实例中，替换的喷射器可具有基准喷射器的40%至90%的主动喷嘴横截面面积，例如50%至80%的主动喷嘴横截面面积，或70%的主动喷嘴横截面面积。旁通流路的增加允许在需要时卸载喷射器。例如，卸载喷射器的原因可包括：在由完全收回控制针阀所缓解的压力不足时缓解高压侧部件的压力（例如，防止排热热交换器的损坏），增加了效率（例如，在一些情况下，可通过若干旁通来产生喷射器的更有效的运行），或包括前述至少一者的组合。

在示出的实施例中，旁通流路包括旁通连接管204，其从主动喷嘴上游的第一位置204沿主流路/回路60延伸至第二位置208。在示出的实施例中，第二位置208还沿着主回路/流路60。更具体而言，示例性位置208在喷射器出口44与分离器入口50之间。

流量控制装置210定位成控制沿旁通流路200的流量。示例性流量控制装置包括阀（例如，电子控制阀），质量流量控制器，压力调节器，流量节流孔板，或包括前述至少一者的组合。电子控制阀的一个实例为在控制器140的控制下的脉冲宽度调节（PWM）阀（例如，开关电磁阀）。示例性压力调节器为可变阀。此类阀的实例可经由压力和/或温度传感器直接控制。例如，可存在响应于在热交换器30或64处的压力传感器164或166的直接控制。如果在热交换器30处，则可将阀设置成使得压力增加来引起阀开启面积上的相应的增加，以缓解在排热热交换器30处的压力。如果在蒸发器64处，则控制可反转。即，在蒸发器64处的压力上的降低可引起阀210的开启。这可对于引起传送至蒸发器64的制冷剂流量的增加有用，且因此可引起蒸发器温度的增加，以避免结冰，同时还减小排热热交换器30处的压力。其他可变阀为脉冲宽度调节阀，如上所述，其可由控制器响应于来自在诸如热交换器的位置处的传感器的输入来控制。

又一个变型可涉及非PWM双位开关阀。然而，在一些情况下，此类实施例可能限制了制冷系统控制的灵活性（例如，在系统的选定区处的压力和/或温度），其可能是非期望的。

许多控制上的变型是可能的。例如，在再设计的基准系统中，旁通的控制可搭载在一些其他控制方面上。例如，基准系统的程序可包括压缩机速度的控制。旁通可直接作为压缩机速度的函数来控制（且因此间接地作为由控制器使用来确定该速度的任何参数的函数）。

相对于Ozaki等人的旁通至分离器的实施例，图3的实施例的系统200 根据分离器上游的位置208的定位可具有若干优点中的一个或多个。通过将旁通流与主流的混合移动至分离器的上游，允许这些流在更稳定的条件下混合及进入分离器入口50（以提供流在进入分离器前的完全混合）。这与在分离器中混合两种流形成对比，其中使相分离可变得更困难（例如，由于湍流特性）。因此，在一个实例中，位置208在入口50的上游流路（例如，管路内部横截面面积）的至少四倍直径（内部直径（ID））处，其中该流路为进入分离器入口的流路。对于假想的非圆形截面，可关于相同横截面面积的圆形的直径测量距离。在此尺寸上更大的范围为至少五倍或至少十倍，但不多于一百倍。

在某些实施例中，旁通流和主流可在Y-附件250（图3A）（形成位置或接合处208）中混合。流进入附件的相应臂252A（主）、252B（旁通）的末端端口，且在其中混合，并从支脚254的末端离开）。在下文的图4和图5的系统的示例中可使用相似的附件。在示出的实例中，臂与臂彼此间成角θ，且与支脚的凸起成θ/2（在这样的情况下，示例性的角θ高达120°，更具体而言，高达90°或高达60°或高达45°或高达30°）。备选方案可使臂中的一个与支脚共线（在这样的情况下，示例性θ高达90°，更具体而言，高达45°或高达30°）。这可以提供更平滑的流的混合，且具有更少的能量损失或压力扰动。尽管示出的两个臂具有类似的尺寸，但它们也可以不同（例如，用于旁通支路的臂可具有更小的横截面面积）。

图4示出了系统300，其在其他方面可以类似于系统200，其具有旁通流路302，旁通流路302具有从类似的上游位置306延伸但延伸到下游位置308的连接管304。然而示例性的下游位置308在沿次回路62与第二支路63的分离器出口52的下游和膨胀装置70的上游。在此实施例中，旁通流可直接与膨胀装置70的入口流体连通。

该控制在其他方面可以类似于上文对图3所述的控制。

相对于Ozaki等人的旁通至分离器的实施例，图4的实施例的系统300可以允许使用更小的分离器。相对于Ozaki等人的旁通至膨胀装置70的下游的实施例，图4的实施例可允许改善的混合与流动均匀性（例如，虽然旁通流与主流的相对比例变化，但将存在离开膨胀装置的流的状态上的更少变动）。

图5示出了系统400，其在其他方面可以类似于系统200和300，其具有从类似的上游位置406延伸但延伸至下游位置408的连接管404。然而，示例性的下游位置408在分离器蒸汽出口54与压缩机吸气端口24之间（例如，沿吸气连接管56与流路支路61）。

该控制在其他方面可以类似于上文对图3所述的控制。

图3中的旁通制冷剂的一部分将从分离器48流向蒸发器64，而另一部分将流至压缩机；而本质上图4中的全部旁通制冷剂均流至蒸发器。然而，本质上图5中的全部旁通制冷剂流至压缩机，因此旁通绕开了第二支路63。在此实施例中，旁通流可直接与压缩机入口24流体连通。因此，相对于Ozaki等人的旁通至分离器的实施例，图5的实施例的系统400可以允许使用更小的分离器。

图5的系统400相对于Ozaki等人的旁通至分离器的其他潜在的优点涉及到压缩机冷却。这可涉及到与图3和图4的系统的控制过程不同的控制过程。系统400可将相对冷的制冷剂旁通至压缩机，相对冷的制冷剂可具有不可忽略的液体相。比较低温度的制冷剂流过旁通流路，加上蒸发的潜热，允许将热量带离压缩机，以限制压缩机温度并减小损坏压缩机的可能性。取决于构造的具体细节，如果压缩机在阈值排气温度（例如，用于一些压缩机的阈值排气温度可为265°F至330°F（129℃至166℃））上运行，则可能导致压缩机损坏。精确的阈值取决于运行条件、循环压缩机的冷却液的量、压缩机润滑油、压缩机类型或包括前述至少一者的组合。在一些实施例中，有限量的制冷剂液体进入压缩机对于压缩机而言不是问题。

可对控制器编程来允许旁通，以限制压缩机温度。此控制可加上如所讨论的控制来一并用于其他系统。控制可响应于直接感测的温度或计算的温度或其代理服务器。例如，排气温度传感器152可联接至控制器以提供排气温度数据。备选地，可对控制器编程以从其他测量值（例如，来自各自的传感器160和162的排气和吸气压力以及来自传感器150的吸气温度）推测排气温度。可对控制器编程以充分地旁通制冷剂来将温度保持在阈值处或阈值以下。阈值可以是设定的参数，或可对控制器编程来计算用于具体运行条件的具体阈值。在组合控制的一个实例中，如果喷射器流或负荷超越阈值（例如，在喷射器处的压力（可通过传感器164或更靠近喷射器的传感器来有效地测量）或跨越喷射器的压力差（例如，可在传感器164和160或更靠近喷射器的传感器之间测量）超越阈值）或压缩机温度（例如，来自传感器152的排气温度）超越其阈值，则可对控制器编程来旁通制冷剂。

可对图5的控制器编程来限制旁通的量以避免压缩机由于液体而液击。液击的阈值也可为基于测量的排气温度和/或其他附加测量参数，诸如吸气和排气压力（来自传感器160和162）以及吸气温度（来自传感器150）。例如，程序可指示旁通主动流的期望程度，以达到期望的结果，诸如改善的喷射器性能、改善的系统性能或其组合。在一些实施例中，如果控制器并未发现最小温度阈值得以满足，则程序可无视基于效率的控制并减小或停止旁通流。

说明书中及随后的权利要求中的“第一”、“第二”等的使用仅为了在权利要求中加以区别，而并不是必要地指示相对或绝对重要性或暂时的顺序。类似地，将权利要求中的一个元件识别为“第一”（等等）并不排除将此类“第一”元件识别成在另一权利要求中或在说明书中称之为“第二”（等等）的元件。

在测量在由包含SI或其他单位的附带说明跟随的英制单位给出的情况下，附带说明的单位为转换值且不应意味着未在英制单位中发现的精确程度。

已经描述了一个或多个实施例。然而，将理解的是，可对本发明做出不同改型。例如，当应用于现有的基本系统时，此类构造的细节或其关联的使用可影响具体示例的细节。还可实施与蒸汽压缩系统共有的其他变型，诸如吸气连接管热交换器、经济器等等。还可实施具有附加压缩机、热交换器等等的系统。因此，其他实施例为在随后的权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种蒸汽压缩系统（200；300；400），包括：

压缩机（22）；

第一热交换器（30）；

第二热交换器（64）；

喷射器（38），包括：

主动流入口（40）；

次流入口（42）；以及

出口（44）；

分离器（48），具有：

入口（50）；

液体出口（52）；以及

蒸汽出口（54）；

膨胀装置（70）；以及

定位成限定第一流路的多个管路，所述第一流路依次通过：

所述压缩机；

所述第一热交换器；

从所述主动流入口通过所述喷射器出口的所述喷射器；以及

所述分离器，且随后分成：

返回至所述压缩机的第一支路；以及

穿过所述膨胀装置与第二热交换器至所述次流入口的第二支路，

其中：

所述多个管路被定位成限定旁通流路（202；302；402），其旁通绕过所述主动喷嘴，并再接入第一流路，其接入点压力在本质上为分离器压力，但其接入点远离所述分离器。

2.根据权利要求1所述的蒸汽压缩系统（200），其中：

所述多个管路被定位成使得所述旁通流路在所述分离器入口上游处再接入所述第一流路。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的蒸汽压缩系统，其中：

所述多个管路被定位成使得所述旁通流路在等于进入所述分离器的流路的有效直径的四倍至一百倍的距离处再接入所述分离器入口上游的所述第一流路。

4.根据权利要求1所述的蒸汽压缩系统（300），其中：

所述多个管路被定位成使得所述旁通流路在所述分离器液体出口下游与所述膨胀装置的上游再接入所述第二支路。

5.根据权利要求1所述的蒸汽压缩系统（400），其中：

所述多个管路被定位成使得所述旁通流路在所述分离器蒸汽出口下游与所述压缩机入口的上游再接入所述第一支路。

6.根据前述任意一项权利要求所述的蒸汽压缩系统，其中所述喷射器包括：能够在第一位置和第二位置之间移动的控制针阀（130）。

7.根据前述任意一项权利要求所述的蒸汽压缩系统，还包括：沿所述旁通流路布置的压力调节器。

8.根据权利要求7所述的蒸汽压缩系统，其中：

所述压力调节器为可变节流孔板膨胀阀。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的蒸汽压缩系统，还包括：沿所述旁通流路布置的可变节流孔板电子膨胀阀。

10.根据权利要求1至6中任意一项所述的蒸汽压缩系统，还包括：沿所述旁通流路布置的双位开关阀。

11.根据权利要求10所述的蒸汽压缩系统，还包括：构造成在至少一部分运行工况上用于所述双位开关阀的脉冲宽度调节运行的控制器（140）。

12.根据权利要求1至10中任意一项所述的蒸汽压缩系统，还包括控制器（140），其构造成在至少一部分运行工况上：随着通过所述排热热交换器的总流量的增加，沿所述旁通流路经过的总流量的比例也增加。

13.根据权利要求11或12所述的蒸汽压缩系统，其中所述控制器构造成：在所述一部分运行工况上，响应于增加的高压侧压力来增加沿所述旁通流路的流量。

14.根据权利要求11或12所述的蒸汽压缩系统，其中所述控制器构造成：在所述一部分运行工况上，增加沿所述旁通流路经过的总流量的比例，以便减小压缩机温度。

15.根据前述任意一项权利要求所述的蒸汽压缩系统，其中制冷剂充注量按重量计，包括至少50%的二氧化碳。

16.一种用于运行前述任意一项权利要求所述的蒸汽压缩系统的方法，所述方法包括，在至少一部分运行工况上：随着通过所述排热热交换器的总流量的增加，沿所述旁通流路经过的总流量的比例也增加。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：响应于增加的感测到的高压侧压力来增加沿所述旁通流路经过的总流量的比例。

18.一种用于运行权利要求1至15中任意一项所述的蒸汽压缩系统的方法，所述方法包括，在至少一部分运行工况上：增加沿所述旁通流路经过的总流量的比例，以便减小压缩机温度。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：响应于增加的感测到的压缩机排气温度来增加沿所述旁通流路经过的总流量的比例。