CN106766352B - 热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置，冷凝器的冷凝管道出口分别与增压泵的制冷剂进口及膨胀阀的制冷剂进口连接；增压泵的制冷剂出口与发生器的制冷剂进口连接；发生器的制冷剂出口与第一降压喷嘴的制冷剂进口连接；膨胀阀的制冷剂出口与蒸发器的蒸发管道连接后再与压缩机的制冷剂进口相连；压缩机的制冷剂出口与第二降压喷嘴的制冷剂进口连接；第一降压喷嘴的冷剂出口和第二降压喷嘴的制冷剂出口连接后再与扩压管的制冷剂进口连接；扩压管的制冷剂出口与冷凝器的冷凝管道进口连接。本发明还同时提供了利用上述装置进行的的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷方法。

Description

热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置及其制冷方法

技术领域

本发明涉及制冷设备技术领域，具体是一种热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置及其制冷方法。

背景技术

热驱动蒸汽喷射式制冷系统可以利用低品位热源通过喷射式制冷循环来实现制冷。该循环通常由以下几个设备组成：1、增压泵及发生器，增压泵将一部分环境温度下的液态制冷剂增压到发生器压力，并在发生器内吸收外部热源热量，将该部分液态制冷剂加热，得到高温高压制冷剂液体、气液混合物或蒸汽；2、拉伐尔喷嘴，其作用是将产生的高温高压制冷剂膨胀降压，得到与蒸发器压力相当的高速气液混合物；3、混合室及扩压器，其作用是将从拉伐尔喷嘴流出的高速气液混合物与从蒸发器流出的低速低温低压饱和制冷剂蒸汽混合，将高速流体的动能通过直接混合传递给低速流体，混合后的流体仍具有较高动能，可以通过扩压管将该动能转换为压能，实现对低压混合物的压力提升作用；4、冷凝器，其作用是将增压到环境压力的混合物冷凝为环境温度下的液态制冷剂；5、膨胀阀和蒸发器，膨胀阀将环境温度下的液态制冷剂的其中一部分变成低温低压制冷剂，之后该低温低压制冷剂在蒸发器内吸收热量，实现制冷效应。

该循环过程的效率并不高，其主要原因是混合室内存在剧烈的非等速混合，即从拉伐尔喷嘴流出的气液混合物具有很高的流速，而从蒸发器流出的制冷剂蒸汽流速很低，混合时必然产生很大的完全非弹性碰撞损失。

这样就有必要对热驱动喷射式制冷循环装置进行改进，为此提出了一种热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置及其制冷方法，可避免或减少这种完全非弹性碰撞损失的产生，提高系统效率，同时具有热/功联合驱动的特点。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置及其制冷方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置，包括增压泵、发生器、第一降压喷嘴、扩压管、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、压缩机及第二降压喷嘴；冷凝器的冷凝管道出口通过管道分别与增压泵的增压泵制冷剂进口及膨胀阀的膨胀阀制冷剂进口连接；增压泵的增压泵制冷剂出口通过管道与发生器的发生器制冷剂进口连接；发生器的发生器制冷剂出口通过管道与第一降压喷嘴的第一降压喷嘴制冷剂进口连接；膨胀阀的膨胀阀制冷剂出口通过管道与蒸发器的蒸发管道连接后再通过管道与压缩机的压缩机制冷剂进口相连；所述压缩机的压缩机制冷剂出口通过管道与第二降压喷嘴的第二降压喷嘴制冷剂进口连接；第一降压喷嘴的第一降压喷嘴制冷剂出口通过管道和第二降压喷嘴的第二降压喷嘴制冷剂出口连接后再通过管道与扩压管的扩压管制冷剂进口连接；所述扩压管的扩压管制冷剂出口通过管道与冷凝器的冷凝管道进口连接。

作为本发明的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置的改进：所述第一降压喷嘴、第二降压喷嘴和扩压管均为拉伐尔喷管。

作为本发明的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置的进一步改进：所述第一降压喷嘴、第二降压喷嘴和扩压管为一体结构。

作为本发明的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置的进一步改进：所述第一降压喷嘴制冷剂出口与第二降压喷嘴制冷剂出口的制冷剂流速相同。

本发明还同时提供了利用上述装置进行的的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷方法，包括以下步骤：

1)、从冷凝器的冷凝管道流出的环境温度下的制冷剂液体分为两路，一路进入增压泵，在增压泵中制冷剂被增压到发生器中的压力，成为高压液态制冷剂；之后高压液态制冷剂进入发生器，在发生器中吸收外部热源提供的热量后温度升高，成为高温高压制冷剂(此时，制冷剂可为液态、气液混合态或饱和蒸汽状态)；

2)、高温高压制冷剂进入第一降压喷嘴，在第一降压喷嘴中高温高压制冷剂实现压能和动能的相互转换，速度不断增加，压强不断降低(最后降压到略低于蒸发压力，温度降低为低温)，成为高速运动的低温低压气液混合物Ⅰ；

3)、从冷凝器冷凝管道流出的环境温度下的制冷剂液体的另外一路进入膨胀阀，被膨胀阀节流后，制冷剂压强降低，温度降低，成为低温低压气液混合物Ⅱ，低温低压气液混合物Ⅱ从膨胀阀流出进入蒸发器的蒸发管道，在蒸发器的蒸发管道吸收热量气化，实现制冷效应，最后低温低压气液混合物Ⅱ变成低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ；

4)、从蒸发器的蒸发管道流出的低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ进入压缩机，被增压(被增压至一定压力)，温度上升，低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ成为中压(低于环境压力)过热蒸汽；

5)、中压过热蒸汽进入第二降压喷嘴，在其中实现压能和动能的相互转换，即速度不断增加，压强不断降低，最后降压到蒸发压力，温度也重新降低到蒸发温度，速度增加到和低温低压气液混合物Ⅰ相同，成为高速运动的低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ(低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ的速度与低温低压气液混合物Ⅰ的速度相同)；

6)、做相同高速运动的低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ和低温低压气液混合物Ⅰ混合后，干度改变，成为做相同高速运动的低温低压气液混合物Ⅲ，低温低压气液混合物Ⅲ进入扩压管，速度不断降低，动能转换为压能，最后增压到环境压力，温度增加到环境温度，速度减小到低速，成为低速运动的环境压力下的气液混合物Ⅳ；

7)、气液混合物Ⅳ进入冷凝器的冷凝管道，向外放出热量后，干度逐渐减小，最后被全部冷凝为环境温度下的制冷剂液体，如此循环，实现制冷。

本发明具有如下技术优势：

(1)、第一降压喷嘴制冷剂出口与第二降压喷嘴制冷剂出口的制冷剂流速相同，减少了非等速混合的不可逆损失，使本发明具有更高的效率。

(2)、本发明具有热驱动和压缩驱动联合驱动的特点，发生器吸收外部热源热量，对其中的液态制冷剂加热，热驱动；增压泵对其中液态制冷剂增压，压缩驱动。采用热/功联合驱动，可减少对热源或对功的单一依赖。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置及其制冷方法，如图1所示，包括增压泵2、发生器3、第一降压喷嘴4、扩压管9、冷凝器1、膨胀阀5、蒸发器6、压缩机7及第二降压喷嘴8。冷凝器1的冷凝管道通过管道分别与增压泵2的增压泵制冷剂进口21及膨胀阀5的膨胀阀制冷剂进口51连接，增压泵2的增压泵制冷剂出口22通过管道与发生器3的发生器制冷剂进口31连接，增压泵2将通过其中的环境温度下的液态制冷剂增压到发生器3中的压力。发生器3的发生器制冷剂出口32通过管道与第一降压喷嘴4的第一降压喷嘴制冷剂进口41连接，制冷剂在发生器3内吸收外部热源热量，将该部分液态制冷剂加热，得到高温高压制冷剂液体、气液混合物或蒸汽。从发生器3的发生器制冷剂出口32流出的高温高压制冷剂在第一降压喷嘴4中实现压能和动能的相互转换，制冷剂速度不断增加，压强不断降低，最后降压到略低于蒸发器6压力(压力降低，制冷剂蒸发温度才能降低，在喷嘴中，制冷剂压力降低，将压能转化为动能，制冷剂速度不断增加，最后成为超音速流)，成为高速运动的低温低压气液混合物。膨胀阀5的膨胀阀制冷剂出口52通过管道与蒸发器6蒸发管道连接后再通过管道与压缩机7的压缩机制冷剂进口71相连，膨胀阀5起到节流降压的作用，将通过其中的环境温度下的液态制冷剂变成低温低压制冷剂。从膨胀阀5的膨胀阀制冷剂出口52流出的低温低压制冷剂在蒸发器6蒸发管道内吸收热量变成高温高压蒸汽制冷剂。压缩机7的压缩机制冷剂出口72通过管道与第二降压喷嘴8的第二降压喷嘴制冷剂进口81连接，压缩机7将通过其中的环境温度下的液态制冷剂的变成低温低压制冷剂。第一降压喷嘴4的第一降压喷嘴制冷剂出口42通过管道和第二降压喷嘴8的第二降压喷嘴制冷剂出口82连接后再通过管道与扩压管9的扩压管制冷剂进口91连接，从压缩机7的压缩机制冷剂出口72流出的中压过热制冷剂蒸汽在第二降压喷嘴8中实现压能和动能的相互转换，制冷剂速度不断增加，压强不断降低，最后降压到蒸发压力，温度也重新降低到蒸发温度，成为高速运动的低温低压制冷剂蒸汽。第一降压喷嘴4的第一降压喷嘴制冷剂出口42与第二降压喷嘴8的第二降压喷嘴制冷剂出口82流出的制冷剂流速相同，混合后成为高速运动的低温低压气液混合物。低温低压气液混合物进入扩压管9，在扩压管9中低温低压气液混合物压力不断增大，速度不断降低，动能转换为压能，最后增压到环境压力，温度增加到环境温度，速度减小到低速。扩压管9的扩压管制冷剂出口92通过管道与冷凝器1冷凝管道连接，制冷剂在冷凝器1冷凝管道中向外放出热量，全部冷凝为环境温度下的制冷剂液体。

第一降压喷嘴4、第二降压喷嘴8和扩压管9均为拉伐尔喷管，并可以将该三者做成一体结构。本发明使用的制冷剂无特殊要求，可根据工况选择，如采用水、R134a等。

第一降压喷嘴4的第一降压喷嘴制冷剂出口42与第二降压喷嘴8的第二降压喷嘴制冷剂出口82的制冷剂流速相同，减少了非等速混合的不可逆损失，使本发明具有更高的效率。本发明具有热驱动和压缩驱动联合驱动的特点，发生器3吸收外部热源热量，对其中的制冷剂加热，热驱动；增压泵对其中制冷剂增压，压缩驱动。采用热/功联合驱动，可减少对热源或对功的单一依赖。制冷剂通过蒸发器6与外部介质进行热交换，气化吸热，达到制冷的效果。

本发明的工作过程如下：

(1)、从冷凝器1冷凝管道流出的环境温度下的制冷剂液体分为两路，一路进入增压泵2，在增压泵2中制冷剂被增压到发生器3中的压力，成为高压液态制冷剂；之后高压液态制冷剂进入发生器3，在其中吸收外部热源提供的热量后温度升高，成为高温高压制冷剂(这时制冷剂可为液态、气液混合态或饱和蒸汽状态)。

(2)、高温高压制冷剂进入第一降压喷嘴4，在第一降压喷嘴4中高温高压制冷剂实现压能和动能的相互转换，即速度不断增加，压强不断降低，最后降压到略低于蒸发压力，温度降低为低温，成为高速运动的低温低压气液混合物Ⅰ。

(3)、从冷凝器1冷凝管道流出的环境温度下的制冷剂液体的另外一路进入膨胀阀5，被膨胀阀5节流后，制冷剂压强降低，温度降低，成为低温低压气液混合物Ⅱ，低温低压气液混合物Ⅱ从膨胀阀5流出进入蒸发器6的蒸发管道，在蒸发器6的蒸发管道吸收热量气化，实现制冷效应，最后低温低压气液混合物Ⅱ变成低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ。

(4)、从蒸发器6蒸发管道流出的低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ进入压缩机7，被增压到一定压力，温度上升后，低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ成为中压(低于环境压力)过热蒸汽。

(5)、中压过热蒸汽进入第二降压喷嘴8，在其中实现压能和动能的相互转换，即速度不断增加，压强不断降低，最后降压到蒸发压力，温度也重新降低到蒸发温度，速度增加到和低温低压气液混合物Ⅰ相同，成为高速运动的低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ(低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ的速度与低温低压气液混合物Ⅰ的速度相同)。

备注说明：第一降压喷嘴4与第二降压喷嘴8的出口压力基本是一样的，只是考虑到摩擦一般第一降压喷嘴4出口压力比第二降压喷嘴8出口压力略低一点，便于将第二降压喷嘴出口的冷剂吸过来。

(6)、做相同高速运动的低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ和低温低压气液混合物Ⅰ混合后，干度改变，成为做相同高速运动的低温低压气液混合物Ⅲ，低温低压气液混合物Ⅲ进入扩压管9，速度不断降低，动能转换为压能，最后增压到环境压力，温度增加到环境温度，速度减小到低速，成为低速运动的环境压力下的气液混合物Ⅳ。

(7)、气液混合物Ⅳ进入冷凝器1的冷凝管道，向外放出热量后，干度逐渐减小，最后被全部冷凝为环境温度下的制冷剂液体，如此循环，实现制冷。

实施例1的理论热力计算参数见表1(针对1kg通过蒸发器6的制冷剂)。设计条件为：制冷剂为r134a，发生器3温度为60℃，蒸发器6温度为0℃，发生器3出口制冷剂流速为1m/s，蒸发器6出口制冷剂流速为5m/s，发生器3出口制冷剂干度为0.2，发生器3制冷剂循环倍率(定义为通过发生器3的制冷剂与通过蒸发器6的制冷剂的质量比)为2。实施例1计算得到的冷凝温度为35.25℃(环境温度)，发生器3耗热量为130.59kJ/kg，冷凝器1排热量为216.85kJ/kg，蒸发器6制冷量为149.36kJ/kg，第一降压喷嘴4进/出口制冷剂干度为0.2/0.506，第一降压喷嘴4的第一降压喷嘴制冷剂出口42流速为171.6m/s，扩压管9进/出口制冷剂干度为0.671/0.587，增压泵2耗功为1.345kJ/kg，压缩机7耗功为14.71kJ/kg，发生器3耗热火用为7.11kJ/kg，系统输出的冷火用为膨胀阀5节流火用损为6.38kJ/kg，系统火用效(定义为蒸发器6输出冷火用与系统输入火用之比)为83.26％。在该系统中，两股相同流速的低温低压制冷剂流体等速混合，避免了非完全弹性碰撞损失，另外，本系统中机械功和热火用在系统总火用输入中的比例分别为63.5％和36.5％，具有明显的热/功联合驱动的特点。

作为比较，若在冷凝温度、蒸发温度、循环倍率保持不变时，采用无压缩机的直接混合的常规蒸汽喷射式制冷系统，直接混合损失将为20.82kJ/kg，系统火用效只有43.85％(见下表)，大大低于本发明，且在本例计算条件下常规系统的增压泵出口压力高达19.17Mpa，这对设备的耐压要求大幅提高，表明常规系统在这样的工况下已经难以适应。

由此可见，本发明与现有技术相比，避免了高速流体直接混合时的不可逆损失，同时具有明显的热/功联合驱动喷射式制冷系统的特点，具有更高的系统效率，有效实现了本发明的初衷。

以上实施例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。

表1、实施例1的热力计算结果(针对1kg通过蒸发器的制冷剂)

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照签署各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前处各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明个实施例方案的范围。

Claims (5)

1.热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置，其特征在于：包括增压泵(2)、发生器(3)、第一降压喷嘴(4)、扩压管(9)、冷凝器(1)、膨胀阀(5)、蒸发器(6)、压缩机(7)及第二降压喷嘴(8)；所述冷凝器(1)的冷凝管道出口通过管道分别与增压泵(2)的增压泵制冷剂进口(21)及膨胀阀(5)的膨胀阀制冷剂进口(51)连接；所述增压泵(2)的增压泵制冷剂出口(22)通过管道与发生器(3)的发生器制冷剂进口(31)连接；所述发生器(3)的发生器制冷剂出口(32)通过管道与第一降压喷嘴(4)的第一降压喷嘴制冷剂进口(41)连接；所述膨胀阀(5)的膨胀阀制冷剂出口(52)通过管道与蒸发器(6)的蒸发管道连接后再通过管道与压缩机(7)的压缩机制冷剂进口(71)相连；所述压缩机(7)的压缩机制冷剂出口(72)通过管道与第二降压喷嘴(8)的第二降压喷嘴制冷剂进口(81)连接；所述第一降压喷嘴(4)的第一降压喷嘴制冷剂出口(42)通过管道和第二降压喷嘴(8)的第二降压喷嘴制冷剂出口(82)连接后再通过管道与扩压管(9)的扩压管制冷剂进口(91)连接；所述扩压管(9)的扩压管制冷剂出口(92)通过管道与冷凝器(1)的冷凝管道进口连接。

2.根据权利要求1所述的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置，其特征在于：所述第一降压喷嘴(4)、第二降压喷嘴(8)和扩压管(9)均为拉伐尔喷管。

3.根据权利要求2所述的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置，其特征在于：所述第一降压喷嘴(4)、第二降压喷嘴(8)和扩压管(9)为一体结构。

4.根据权利要求1～3任一所述的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷装置，其特征在于：所述第一降压喷嘴制冷剂出口(42)与第二降压喷嘴制冷剂出口(82)的制冷剂流速相同。

5.利用如权利要求1～4任一所述装置进行的的热/功联合驱动的蒸汽喷射式制冷方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、从冷凝器(1)冷凝管道流出的环境温度下的制冷剂液体分为两路，一路进入增压泵(2)，在增压泵(2)中制冷剂被增压到发生器(3)中的压力，成为高压液态制冷剂；之后高压液态制冷剂进入发生器(3)，在发生器(3)中吸收外部热源提供的热量后温度升高，成为高温高压制冷剂；

2)、高温高压制冷剂进入第一降压喷嘴(4)，在第一降压喷嘴(4)中高温高压制冷剂实现压能和动能的相互转换，速度不断增加，压强不断降低，成为高速运动的低温低压气液混合物Ⅰ；

3)、从冷凝器(1)冷凝管道流出的环境温度下的制冷剂液体的另外一路进入膨胀阀(5)，被膨胀阀(5)节流后，制冷剂压强降低，温度降低，成为低温低压气液混合物Ⅱ，低温低压气液混合物Ⅱ从膨胀阀(5)流出进入蒸发器(6)的蒸发管道，在蒸发器(6)的蒸发管道吸收热量气化，实现制冷效应，最后低温低压气液混合物Ⅱ变成低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ；

4)、从蒸发器(6)蒸发管道流出的低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ进入压缩机(7)，被增压，温度上升，低温低压制冷剂蒸汽Ⅰ成为中压过热蒸汽；

5)、中压过热蒸汽进入第二降压喷嘴(8)，在其中实现压能和动能的相互转换，即速度不断增加，压强不断降低，最后降压到蒸发压力，温度也重新降低到蒸发温度，速度增加到和低温低压气液混合物Ⅰ相同，成为高速运动的低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ；

6)、做相同高速运动的低温低压制冷剂蒸汽Ⅱ和低温低压气液混合物Ⅰ混合后，干度改变，成为做相同高速运动的低温低压气液混合物Ⅲ，低温低压气液混合物Ⅲ进入扩压管(9)，速度不断降低，动能转换为压能，最后增压到环境压力，温度增加到环境温度，速度减小到低速，成为低速运动的环境压力下的气液混合物Ⅳ；

7)、气液混合物Ⅳ进入冷凝器(1)的冷凝管道，向外放出热量后，干度逐渐减小，最后被全部冷凝为环境温度下的制冷剂液体，如此循环，实现制冷。