CN108397929A - 一种跨临界逆循环系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以热能为驱动力，循环工质实现跨临界逆循环，向外界提供冷源或热源的一种跨临界逆循环系统及方法，包括：通过管道依次连通的加热器、引射器、冷却器、节流阀、蒸发器、气液分离器以及工质泵；所述气液分离器的饱和气相出口与所述引射器的气体引射入口连通，构成逆循环系统；所述气液分离器的饱和液相出口与所述工质泵的进口连通，所述工质泵的出口与所述加热器以及所述引射器的高压进口依次连通形成正循环系统。

Description

一种跨临界逆循环系统及方法

技术领域

本发明涉及实现循环工质跨临界逆循环的技术领域。具体来说是以热能为驱动力，循环工质实现跨临界逆循环，向外界提供冷源或热源的一种跨临界逆循环系统。

背景技术

热力学逆循环广泛应用于人们日常生产和生活中，主要用于向用户提供制冷和制热功能，满足人们对冷、热的需求。在逆循环中，外界对系统做功，将一定热量从低温物体转移到高温物体，从而对低温物体实现制冷功能，对高温物体实现制热功能。因此逆循环的应用主要分为两个方面：第一，应用逆循环制冷，既制冷系统，如空调、冰箱等技术产品；第二，应用逆循环制热，既热泵系统，如冷暖空调技术产品的冬季工况。

传统逆循环，采用压缩式逆循环系统来实现，通过消耗压缩机有用功，将一定热量从低温物体转移到高温物体。

还有一类引射式逆循环，采用高压工质引射低压工质，从而实现循环中低压工质向高压工质的过渡，如水蒸气引射式制冷循环。引射式逆循环避免了压缩机气态循环工质压缩机的过程，有助于降低高品位电能的消耗和避免压缩机耐温较低的问题，但仍需采用工质泵对部分液态循环工质增压，增压后的工质在吸热后作为引射器高压输入工质。

当引射式逆循环用于工质的跨临界逆循环时，如引射式CO₂跨临界制冷循环，工质泵需换成超临界工质压缩机，压缩工况处于近临界状态，由于工质物性在近临界状态变化极为剧烈，跨临界逆循环中的超临界工质压缩机技术要求较高、运行不稳定，且耗功高于液态循环工质增压时采用的工质泵，对系统运行稳定性和系统效率极为不利。

中国专利CN100434834C公布了一种蒸汽引射式制冷循环系统，通过辅助引射器引射从主引射器出来的低压制冷剂蒸汽，降低了主引射器的背压，提高了主引射器的引射系数。

中国专利CN107131679A公布了一种采用引射器的热泵系统及其控制方法、空调设备，该热泵系统分别形成了带引射器的制冷循环回路和带引射器的制热循环回路，通过阀门组件分别控制切换，能够实现热泵系统的高效制冷循环和高效制热循环。

但是，上述专利中所公开的方案均在系统中将引射器与压缩机共用，依然存在跨临界逆循环运行中稳定性较差，压缩耗功较高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以热能为驱动力，通过跨临界逆循环形式，向外界提供冷源或热源的跨临界逆循环系统。

本发明的另一个目的在于提供利用上述循环系统实现跨临界逆循环的方法。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种跨临界逆循环系统，包括：通过管道依次连通的加热器、引射器、冷却器、节流阀、蒸发器、气液分离器以及工质泵；

所述气液分离器的饱和气相出口与所述引射器的气体引射入口连通，构成逆循环系统；所述气液分离器的饱和液相出口与所述工质泵的进口连通，所述工质泵的出口与所述加热器以及所述引射器的高压进口依次连通形成正循环系统；

所述加热器对超临界压力状态的循环工质进行加热达到高温高压的超临界状态；所述引射器中，高温高压的超临界状态的循环工质对进入的低温低压的饱和气态循环工质进行引射达到中温中压的超临界状态；所述冷却器将从引射器出来的中温中压的超临界状态的循环工质冷却至近临界状态；所述节流阀将近临界状态的循环工质节流降温降压达到气液两相状态；所述气液分离器将进入的循环工质进行气液分离，分离成饱和液态循环工质和饱和气态循环工质。

本发明还提供了利用上述系统实现跨临界逆循环的方法，包括以下步骤：

a.超临界压力状态的循环工质在所述加热器中吸收热能达到高温高压的超临界状态后，通过所述引射器的高压进口进入所述引射器，引射从所述气液分离器出来的饱和气态循环工质，两者混合后压力趋于稳定进入所述引射器的扩压室进行增压，最终达到中温中压的超临界状态；

b.中温中压的超临界状态的循环工质进入所述冷却器冷却至近临界状态，经所述节流阀节流降温降压达到亚临界气液两相状态；

c.低温低压的亚临界气液两相状态的循环工质进入所述蒸发器换热后继续进入所述气液分离器，分离成饱和液态循环工质和饱和气态循环工质；

d.所述饱和气态循环工质进入所述引射器低压引入口被引射器引射，达到中温中压状态，完成一次逆循环；所述饱和液态循环工质经过所述工质泵增压后，进入所述加热器吸收热能后，成为高温高压的超临界状态进入所述引射器引射逆循环过程中从所述汽液分离器分离出来的饱和气态循环工质。

本发明提供的跨临界逆循环系统及方法，利用热能作为循环驱动力，采用引射器替代压缩机，采用工质泵对液态循环工质进行增压达到超临界压力，代替了采用压缩机对超临界工质进行增压，解决了引射式跨临界逆循环运行稳定性问题，并有效降低了循环工质的压缩耗功，系统运动部件少，运行更加稳定、可靠、高效。

附图说明

图1是本发明提供的跨临界逆循环系统结构示意图；

1.工质泵，2.加热器，3.引射器，4.冷却器，5.节流阀，6.蒸发器，7.气液分离器。

具体实施方式

以下结合具体实施例及其附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明一个实施方式的一种跨临界逆循环系统，包括加热器2、引射器3、冷却器4、节流阀5、蒸发器6、气液分离器7以及工质泵1。

气液分离器7的饱和气相出口与引射器3的气体引射入口连通，构成逆循环系统；气液分离器7的饱和液相出口与工质泵1的进口连通，工质泵1的出口与加热器2以及引射器3的高压进口依次连通形成正循环系统。

加热器2对超临界压力状态的循环工质进行加热达到高温高压的超临界状态；引射器3中，高温高压的超临界状态的循环工质对进入的低温低压的饱和气态循环工质进行引射达到中温中压的超临界状态；冷却器4将从引射器3出来的中温中压的超临界状态的循环工质冷却至近临界状态；所述节流阀5将近临界状态的循环工质节流降温降压达到气液两相状态；气液分离器7将进入的循环工质进行气液分离，分离成饱和液态循环工质和饱和气态循环工质。

其中的逆循环过程是从气液分离器7中出来的饱和液态循环工质，经工质泵1增压后进入加热器2吸收热量后的高温高压的液态循环工质，为进入引射器3的低温低压的饱和气态循环工质提供引射动力，二者混合后成为中温中压的循环工质，饱和气态循环工质完成一次逆循环。

其中的节流阀5将低温中压超临界状态的循环工质继续降温降压，达到亚临界两相状态，实现了气态循环工质和液态循环工质的出现。在此处，尤其对于气态循环工质，由于从冷却器4出来的循环工质其状态依然处于超临界状态，若继续参与系统循环则需要对其进行压缩，而在压缩过程中功耗较大，而且对于系统本身的结构性能会有更高要求，此时通过节流阀5对其进行节流降温降压，达到两相状态，经过蒸发器6吸热后对液态工质增压，这就对之后消耗较少功耗且实现稳定运行提供了可能。这也正是本系统中对循环工质增压过程处理的关键所在。

气液分离器7将从蒸发器6出来的两相状态的低温低压循环工质，利用密度差的原理，分离成饱和液态工质和饱和气态工质，从而具有了采用工质泵1增压代替压缩机增压的可能。

而引射器3有效地利用从加热器2出来的高温高压流体的压力能，同时，在对其进行加速的过程中相对降低引射器3混合室的压力，进而能够顺利引射从气液分离器7出来的饱和气态工质进入，之后对饱和气态工质进行降速加压，替代了传统逆循环过程中压缩机的作用，同时有效减小了压缩功耗，节省了能源。

工作原理为：高温高压流体从引射器3高压进口进入引射器3，经过喷嘴降温、降压、增速，循环工质内能向动能转化，当循环工质速度达到音速时，在引射器3低压引入口形成低压区，将气液分离器7分离出来的饱和气态循环工质引射进入引射器3并与主流循环工质混合，两者混合后压力趋于稳定，进入引射器3扩压室进行增压。利用上述循环系统实现跨临界逆循环的方法：

超临界压力状态的循环工质在加热器2中吸收热能达到高温高压的超临界状态后，通过引射器3的高压进口进入引射器3，引射从气液分离器7出来的饱和气态循环工质，两者混合后压力趋于稳定进入引射器3的扩压室进行增压，最终达到中温中压的超临界状态；中温中压的超临界状态的循环工质进入所述冷却器4冷却至近临界状态，经所述节流阀5节流降温降压达到亚临界气液两相状态；低温低压的亚临界气液两相状态的循环工质进入蒸发器6换热后继续进入气液分离器7，分离成饱和液态循环工质和饱和气态循环工质；饱和气态循环工质进入引射器3低压引入口被引射器3引射，达到中温中压状态，完成一次逆循环；饱和液态循环工质经过工质泵1增压后，进入加热器2吸收热能后，成为高温高压的超临界状态进入引射器3引射逆循环过程中从汽液分离器分离出来的饱和气态循环工质。

上述逆循环系统即可用作制冷系统，满足外界用户制冷需求，又可用作热泵系统，满足外界用户制热需求，可采用外界低品位余热作为系统输入热能，实现对余热的回收利用。

以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (2)

1.一种跨临界逆循环系统，其特征在于，包括：通过管道依次连通的加热器、引射器、冷却器、节流阀、蒸发器、气液分离器以及工质泵；

所述气液分离器的饱和气相出口与所述引射器的气体引射入口连通，构成逆循环系统；所述气液分离器的饱和液相出口与所述工质泵的进口连通，所述工质泵的出口与所述加热器以及所述引射器的高压进口依次连通形成正循环系统；

所述加热器对超临界压力状态的循环工质进行加热达到高温高压的超临界状态；所述引射器中，高温高压的超临界状态的循环工质对进入的低温低压的饱和气态循环工质进行引射达到中温中压的超临界状态；所述冷却器将从引射器出来的中温中压的超临界状态的循环工质冷却至近临界状态；所述节流阀将近临界状态的循环工质节流降温降压达到气液两相状态；所述气液分离器将进入的循环工质进行气液分离，分离成饱和液态循环工质和饱和气态循环工质。

2.利用权利要求1所述的系统实现跨临界逆循环的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.超临界压力状态的循环工质在所述加热器中吸收热能达到高温高压的超临界状态后，通过所述引射器的高压进口进入所述引射器，引射从所述气液分离器出来的饱和气态循环工质，两者混合后压力趋于稳定进入所述引射器的扩压室进行增压，最终达到中温中压的超临界状态；

b.中温中压的超临界状态的循环工质进入所述冷却器冷却至近临界状态，经所述节流阀节流降温降压达到亚临界气液两相状态；

c.低温低压的亚临界气液两相状态的循环工质进入所述蒸发器换热后继续进入所述气液分离器，分离成饱和液态循环工质和饱和气态循环工质；

d.所述饱和气态循环工质进入所述引射器低压引入口被引射器引射，达到中温中压状态，完成一次逆循环；所述饱和液态循环工质经过所述工质泵增压后，进入所述加热器吸收热能后，成为高温高压的超临界状态进入所述引射器引射逆循环过程中从所述汽液分离器分离出来的饱和气态循环工质。