CN110319612A - 喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统及其工作方法，该系统包括管路上连接的高温级压缩机，气体冷却器、喷射器、高温级蒸发器、第一膨胀阀、闪蒸罐、第二膨胀阀、低温级蒸发器和低温级压缩机；通过配置喷射器与闪蒸罐，利用气体冷却器出口的高压制冷剂为工作流体来引射闪蒸罐中的气态制冷剂，在回收第一膨胀阀膨胀功的同时，减少了进入低温级蒸发器的制冷剂干度和流量，进而降低了低温级压缩机的耗功量和整个循环的耗功量，实现循环性能系数的提升。

Description

喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统及其工作方法
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，具体涉及一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统及其工作方法。
背景技术
为了保护人类赖以生存的地球环境，制冷行业对高GWP、高ODP制冷剂的应用限制越来越严格。在此背景下，天然制冷剂凭借良好的环境特性被视作新一代冷媒的最佳选择，而二氧化碳作为环境友好型的自然制冷剂之一，因其无毒不可燃，已成功地应用于复叠制冷系统、载冷系统和跨临界制冷系统等商用制冷领域。
由于二氧化碳具有较低的临界温度这一特性，使得跨临界二氧化碳制冷循环可以在多种类型的制冷、空调和热泵领域得到广泛应用。这其中，双级蒸气压缩式跨临界制冷循环，包括单/双蒸发器的循环系统，已经得到了实际的应用。然而，传统的二氧化碳双级制冷循环制冷效率(即循环性能系数COP)往往比较低。主要原因首先是，传统二氧化碳双级制冷循环中的节流机构一般采用的是节流阀或者毛细管，其节流损失较大，导致系统能效较低。针对这个问题，可以采取对应的技术措施，即通过回收节流过程中的膨胀功实现提升系统运行效率的目的。
近些年来，喷射器因结构简单、无运动部件，在各类蒸气压缩制冷系统中被用于代替传统节流机构的同时可以回收膨胀功，通过提升压缩机的吸气压力而有效地提升循环系统性能。然而，目前针对喷射器在二氧化碳双级制冷系统上的应用大多是利用其提升压缩机吸气压力，以实现提高系统性能的目的，已有的技术方案在提升能效方面还有很大的优化空间。实际上，通过更有效地在二氧化碳双级制冷系统里同时配置闪蒸罐和喷射器，尽可能充分提高喷射器膨胀功回收作用和减少进入低温级蒸发器的气态制冷剂量，使得低温级压缩机耗功减少，从而可以实现进一步提高系统性能系数的目的。因此，本发明技术的应用将提供一个可行的解决方案，即一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统及其工作方法，这对于跨临界二氧化碳制冷技术和同类型制冷节能装置技术的发展有着积极的推动作用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统及其工作方法，通过有效地在二氧化碳双级制冷循环系统中配置喷射器和闪蒸罐，尽可能充分提高喷射器膨胀功回收作用，减小流经低温级蒸发器和压缩机的气态制冷剂量，降低低温级压缩机耗功，从而实现进一步提高系统性能的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统，包括高温级压缩机101，高温级压缩机101出口与气体冷却器102入口相连，气体冷却器102出口分为两路，分别与喷射器103工作流体入口相连和第一膨胀阀105入口相连：喷射器103出口与高温级蒸发器104入口相连；第一膨胀阀105出口与闪蒸罐106入口相连；闪蒸罐106出口分为两路：闪蒸罐106气体出口与喷射器103二次流体入口相连，闪蒸罐106液体出口与第二膨胀阀107入口相连；第二膨胀阀107出口与低温级蒸发器108入口相连，低温级蒸发器108出口与低温级压缩机109吸气口相连，低温级压缩机109出口与高温级蒸发器104出口相连后，再与高温级压缩机101吸气口相连，形成整个循环系统。
本发明所述系统在气体冷却器102出口分为两路，其中一路与喷射器103工作流体入口相连，这一路高压气相制冷剂流体作为工作流体进入喷射器103引射来自于闪蒸罐106气体出口的饱和气态制冷剂。气体冷却器102出口另一路与第一膨胀阀105入口相连，第一膨胀阀105出口与闪蒸罐106入口相连。
本发明所述系统在第一膨胀阀105出口处设置闪蒸罐106，闪蒸罐106的液体出口与第二膨胀阀107入口相连，闪蒸罐106气体出口与喷射器103二次流体入口相连；可利用喷射器103将闪蒸罐106中闪发出的饱和气态制冷剂引走，从而使得进入第二膨胀阀107的制冷剂为饱和液体，与此同时也可以降低流经低温级压缩机109的制冷剂流量，从而实现降低低温级压缩机109的耗功量和整个循环系统耗功量的目的。
本发明所涉及的一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统的工作方法为：经高温级压缩机101等熵压缩后的高温高压过热制冷剂气体进入气体冷却器102，经过冷却降温之后分为两路：一路高压制冷剂气体作为工作流体进入喷射器103，引射来自于闪蒸罐106出来的气态制冷剂，二者混合为两相态制冷剂流体后从喷射器103出口排出，随后进入高温级蒸发器104吸热蒸发产生制冷量；从气体冷却器102出来的另一路高压气态制冷剂进入第一膨胀阀105等焓降压节流后，变为两相状态的制冷剂，这部分制冷剂进入闪蒸罐106，这其中，由于气态制冷剂无法提供实际的制冷效果，因此将这部分气态制冷剂经闪蒸罐106气体出口排出后，作为二次流体被引射进入喷射器103抬升压力。闪蒸罐106内的饱和液态制冷剂进入第二膨胀阀107，等焓降压节流后，进入低温级蒸发器108，吸热蒸发产生制冷效果后进入低温机压缩机109进行等熵压缩后，与高温级蒸发器104出口的制冷剂混合，再进入高温级压缩机101，完成整个循环过程。
整个循环工作过程中存在有四个不同的工作压力,依次是气体冷却器102工作压力、高温级蒸发器104工作压力、闪蒸罐106工作压力和低温级蒸发器108工作压力。其中，气体冷却器102的工作压力和低温级蒸发器108的工作压力是由循环系统的制冷剂及设定工况所决定(即蒸发温度与冷却温度，这主要取决于制冷温度要求、冷却器的冷却介质温度如环境空气温度等)。闪蒸罐106的工作压力是由第一膨胀阀105的工作状态决定的。高温级蒸发器104的工作压力除了与高温级制冷温度要求有关外，还与喷射器103的引射及升压能力(喷射系数和升压比)有关。通过调节第一膨胀阀105的开度，可以控制进入闪蒸罐106的两相制冷剂干度，进而调节进入喷射器103的二次流体流量，实现对于喷射器103升压比和喷射系数的调节。
相比较于常规的二氧化碳双级制冷循环系统，本发明通过配合使用喷射器103和闪蒸罐106，利用气体冷却器102出口的部分高压气态制冷剂作为一次流体，引射闪蒸罐106气体出口的饱和制冷剂蒸气，将闪蒸罐106出来的制冷剂蒸气引走并提升其压力的同时，减少了进入第二膨胀阀107的制冷剂流量和第二膨胀阀107出口的制冷剂干度，进而降低了流经低温级压缩机109的制冷剂流量，实现了降低低温级压缩机109的耗功量和整个循环系统耗功量的目的。总之，本发明所述的系统是一种经济、有效、可行的创新性方案，能有效地提高二氧化碳双级制冷循环系统的性能，促进二氧化碳双级制冷循环系统节能技术的继续发展。
附图说明
图1是本发明一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统实施方式示意图。
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，本发明是一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统，包括高温级压缩机101，高温级压缩机101出口与气体冷却器102入口相连，气体冷却器102出口分为两路，分别与喷射器103工作流体入口相连和第一膨胀阀105入口相连：喷射器103出口与高温级蒸发器104入口相连；第一膨胀阀105出口与闪蒸罐106入口相连。闪蒸罐106出口分为两路：闪蒸罐106气体出口与喷射器103二次流体入口相连，闪蒸罐106液体出口与第二膨胀阀107入口相连。第二膨胀阀107出口与低温级蒸发器108入口相连，低温级蒸发器108出口与低温级压缩机109吸气口相连，低温级压缩机109出口与高温级蒸发器104出口相连后，再与高温级压缩机101吸气口相连，形成整个循环系统。
如图1所示，本发明所涉及的一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统的工作方法为：经高温级压缩机101等熵压缩后的高温高压过热制冷剂气体(图中2点处)进入气体冷却器102，经过冷却降温之后(图中3点处)分为两路：一路高压制冷剂气体作为工作流体(图中4点处)进入喷射器103，引射来自于闪蒸罐106出来的气态制冷剂(图中9点处)，二者混合为两相态制冷剂流体后从喷射器103出口排出(图中5点处)，随后进入高温级蒸发器104吸热蒸发产生制冷量(图中6点处)；从气体冷却器102出来的另一路高压气态制冷剂(图中7点处)进入第一膨胀阀105等焓降压节流后，变为两相状态的制冷剂(图中8点处)，这部分制冷剂进入闪蒸罐106，这其中，由于气态制冷剂无法提供实际的制冷效果，因此这部分气态制冷剂经闪蒸罐106气体出口排出后(图中9点处)，作为二次流体被引射进入喷射器103抬升压力。闪蒸罐106内的饱和液态制冷剂(图中10点处)进入第二膨胀阀107，等焓降压节流后(图中11点处)，进入低温级蒸发器108，吸热蒸发产生制冷效果后(图中12点处)进入低温机压缩机109进行等熵压缩(图中13点处)后，与高温级蒸发器104出口的制冷剂(图中6点处)混合(图中1点处)，再进入高温级压缩机101，完成整个循环过程。
由第一膨胀阀105节流后产生的气液两相态二氧化碳制冷剂流体(图中8点处)进入闪蒸罐106发生了气相和液相的分离，这其中，由于气相制冷剂无法提供有效的制冷效果，因此从闪蒸罐106中引走(图中9点处)后，利用气体冷却器102出口分流的一路高压制冷剂(图中4点处)作为工作流体，将闪蒸罐106中引出来的气态制冷剂(图中9点处)引射抬升压力后，从喷射器103出口排出(图中5点处)，随后进入高温级蒸发器104。喷射器103的作用首先在于引走了闪蒸罐106中的气态制冷剂(图中9点处)，进入第二膨胀阀107的制冷剂为饱和液体，使得进入低温级蒸发器108的制冷剂(图中11点)干度减少的同时降低了这一路制冷剂的流量，低温机压缩机109的耗功随之降低。其次，闪蒸罐106中的气态制冷剂(图中9点处)经过喷射器103引射抬升压力的过程，就是回收一部分第一膨胀阀105工作过程中膨胀功的过程，高温级压缩机的吸气压力也会提升。由此，整个循环的整体性能得到改善，循环COP提高。
整个循环工作方法中存在有四个不同的工作压力,依次是气体冷却器102工作压力、高温级蒸发器104工作压力、闪蒸罐106工作压力和低温级蒸发器108工作压力。其中，气体冷却器102的工作压力和低温级蒸发器108的工作压力是由循环系统的制冷剂及设定工况所决定(即蒸发温度与冷却温度，这主要取决于制冷温度要求、冷却器的冷却介质温度如环境空气温度等)。闪蒸罐106的工作压力是由第一膨胀阀105的工作状态决定的。高温级蒸发器104的工作压力除了与高温级制冷温度要求有关外，还与喷射器103的引射及升压能力(喷射系数和升压比)有关。通过调节第一膨胀阀105的开度，可以控制进入闪蒸罐106的两相制冷剂(图中8点处)干度，进而调节进入喷射器103的二次流体(图中9点处)流量，实现对于喷射器103升压比和喷射系数的调节。

Claims (5)

1.一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统，其特征在于：包括高温级压缩机(101)，高温级压缩机(101)出口与气体冷却器(102)入口相连，气体冷却器(102)出口分为两路，分别与喷射器(103)工作流体入口相连和第一膨胀阀(105)入口相连：喷射器(103)出口与高温级蒸发器(104)入口相连；第一膨胀阀(105)出口与闪蒸罐(106)入口相连；闪蒸罐(106)出口分为两路：闪蒸罐(106)气体出口与喷射器(103)二次流体入口相连，闪蒸罐(106)液体出口与第二膨胀阀(107)入口相连；第二膨胀阀(107)出口与低温级蒸发器(108)入口相连，低温级蒸发器(108)出口与低温级压缩机(109)吸气口相连，低温级压缩机(109)出口与高温级蒸发器(104)出口相连后，再与高温级压缩机(101)吸气口相连，形成整个循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统，其特征在于：所述气体冷却器(102)出口分为两路，其中一路与喷射器(103)工作流体入口相连，这一路高压气相制冷剂流体作为工作流体进入喷射器(103)引射来自于闪蒸罐(106)气体出口的饱和气态制冷剂。
3.根据权利要求1所述的一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统，其特征在于：所述闪蒸罐(106)气体出口与喷射器(103)二次流体入口相连；利用喷射器(103)将闪蒸罐(106)中的气态制冷剂引走，使得第二膨胀阀(107)入口制冷剂为液态的同时，降低了流经低温级压缩机(109)的制冷剂流量，从而实现降低低温级压缩机(109)的耗功量和整个循环系统耗功量的目的。
4.权利要求1至3任一项所述的一种喷射器增效的二氧化碳双级制冷循环系统的工作方法，其特征在于：经高温级压缩机(101)等熵压缩后的高温高压过热制冷剂气体进入气体冷却器(102)，经过冷却降温之后分为两路：一路高压制冷剂气体作为工作流体进入喷射器(103)，引射来自于闪蒸罐(106)出来的气态制冷剂，二者混合为两相态制冷剂流体后从喷射器(103)出口排出，随后进入高温级蒸发器(104)吸热蒸发产生制冷量；从气体冷却器(102)出来的另一路高压气态制冷剂进入第一膨胀阀(105)等焓降压节流后，变为两相状态的制冷剂进入闪蒸罐(106)，闪蒸罐(106)中的气态制冷剂作为二次流体被引射进入喷射器(103)抬升压力；闪蒸罐(106)内的饱和液态制冷剂进入第二膨胀阀(107)，等焓降压节流后进入低温级蒸发器(108)吸热蒸发，随后进入低温机压缩机(109)进行等熵压缩，与高温级蒸发器(104)出口的制冷剂混合，再进入高温级压缩机(101)，完成整个循环过程。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：整个循环工作方法中存在有四个不同的工作压力,依次是气体冷却器(102)工作压力、高温级蒸发器(104)工作压力、闪蒸罐(106)工作压力和低温级蒸发器(108)工作压力；其中，气体冷却器(102)的工作压力和低温级蒸发器(108)的工作压力是由循环系统的制冷剂及设定工况所决定；闪蒸罐(106)的工作压力是由第一膨胀阀(105)的工作状态决定的；高温级蒸发器(104)的工作压力除了与高温级制冷温度要求有关外，还与喷射器(103)的喷射系数和升压比有关；通过调节第一膨胀阀(105)的开度，控制进入闪蒸罐(106)的两相制冷剂干度，进而调节进入喷射器(103)的二次流体流量，实现对于喷射器(103)升压比和喷射系数的调节。
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