CN113175762B - 一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统及控制方法 - Google Patents

一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统及控制方法，该系统压缩机出口与冷凝器入口相连；冷凝器出口经过回热器后与喷射器主流入口相连；喷射器出口与复叠换热器、电子膨胀阀、蒸发器依次相连；蒸发器出口与气液分离器入口相连；气液分离器出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口与喷射器二次流入口相连，另一路饱和液态制冷剂出口依次与复叠换热器、回热器、压缩机吸气口相连；循环中设置控制器，控制器输入端与蒸发器出口处的温度测点和压力测点相连，输出端与电子膨胀阀的调节机构相连。该循环提升了压缩机吸气压力，减小了其耗功，同时增大了蒸发器制冷剂流量，增大了系统制冷量，显著改善系统性能，控制方法有利于系统的稳定运行。

Description

一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统及控制方法
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，具体涉及一种应用于低温冰箱或冷柜的两相喷射器增效自复叠制冷循环系统及其控制方法。
背景技术
随着科技的持续进步以及人们生活质量的普遍提高，生物医疗行业、化工行业、科研机构、食品冷链等领域对-40℃～-90℃低温环境的需求越来越大。实现-40℃～-90℃低温环境的制冷技术包括：多级压缩制冷、复叠压缩制冷、自复叠压缩制冷、混合工质节流制冷等。其中，常规自复叠压缩制冷循环系统采用非共沸混合工质，在冷凝器出口配置气液分离器，并通过单台压缩机在不同组分的制冷剂之间实现复叠，从而达到制取低温的目的，具有结构紧凑、成本相对较低、工作温区大的优点。然而，常规自复叠压缩制冷系统的工作温差大，采用毛细管或膨胀阀节流会产生较大的节流损失，因此常规自复叠压缩制冷循环系统的性能系数较低。喷射器结构简单，无运动部件，现已存在相关技术将喷射器用于各式蒸气压缩制冷系统中代替毛细管或膨胀阀来回收部分膨胀功，提升压缩机吸气压力，从而提升整个系统的性能系数。然而，针对自复叠压缩制冷引入喷射器的相关技术不足，现有的喷射器增效自复叠压缩制冷循环形式比较单一，且其喷射器回收节流过程的膨胀功还不够充分，提升系统能效的能力还比较有限。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种用于低温冰箱或冷柜的两相喷射器增效自复叠制冷循环系统，该新循环配置形式不同于常规的自复叠压缩制冷循环，在该循环中引入两相混合制冷剂驱动的喷射器实现膨胀功回收作用；同时气液分离器布置于蒸发器出口，蒸发器出口制冷剂为两相态，基于非共沸混合制冷剂的温度滑移特性，在同样的蒸发温度下新循环的蒸发压力高于常规循环，降低了压缩机压比，从而减小了压缩机耗功；此外，循环中的喷射器利用富含高沸点组分的制冷剂去引射气液分离器分离出的富含低沸点组分的制冷剂，一方面降低了膨胀阀入口压力，减小了节流过程的节流损失，另一方面增大了流经蒸发器的制冷剂流量，从而增大了系统制冷量；因此本发明提出的新型两相喷射器增效自复叠制冷循环能够进一步有效改善系统性能。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统，包括压缩机101、冷凝器102、回热器103、喷射器104、复叠换热器105、电子膨胀阀106、蒸发器107和气液分离器108；所述压缩机101的出口与冷凝器102的入口相连；冷凝器102的出口与回热器103的热流侧入口相连；回热器103的热流侧出口与喷射器104的主流入口相连；喷射器104的出口与复叠换热器105的热流侧入口相连，复叠换热器105的热流侧出口与电子膨胀阀106入口相连，电子膨胀阀106出口与蒸发器107入口相连，蒸发器107出口与气液分离器108入口相连；气液分离器108出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口与喷射器104的二次流入口相连，另一路饱和液态制冷剂出口与复叠换热器105的冷流侧入口相连，复叠换热器105的冷流侧出口与回热器103的冷流侧入口相连；回热器103的冷流侧出口与压缩机101吸气口相连，形成整个制冷循环系统；所述蒸发器107出口与气液分离器108入口之间设置温度测点和压力测点；所述制冷循环系统中设置控制器109，控制器109的输入端与温度测点的温度传感器和压力测点的压力传感器相连，输出端与电子膨胀阀106的调节机构相连，控制器109利用接收到的温度信号与压力信号得到蒸发器107出口的干度值，根据干度值对电子膨胀阀106的开度进行调节。
气液分离器108入口与蒸发器107出口相连接，蒸发器107出口制冷剂为两相态，基于非共沸混合制冷剂的温度滑移特性，在同样的蒸发温度下蒸发压力高，压缩机压比减小，其耗功减小。
喷射器104的引射作用一方面使得喷射器104出口的中间混合制冷剂的压力低于喷射器104主流入口的富含高沸点组分的制冷剂的压力，即电子膨胀阀106的入口压力降低，因此节流过程节流损失减小；另一方面增大了蒸发器107流路的制冷剂流量，使得系统制冷量增大。
制冷循环系统中存在回热器103和复叠换热器105两个回热器，复叠换热器105中进行换热的两股流体是富含高沸点组分的混合制冷剂与中间混合制冷剂，其作用是在富含高沸点组分的混合制冷剂与中间混合制冷剂之间实现复叠，回热器103中进行换热的两股流体均为富含高沸点组分的混合制冷剂，其作用是增大压缩机101吸气口制冷剂过热度，避免发生压缩机液击现象。
所述的两相喷射器增效自复叠制冷循环系统的控制方法，通过控制器109监测蒸发器107出口的温度和压力，计算获取蒸发器107出口制冷剂的干度x；蒸发器107出口制冷剂干度设定值为x0，设定偏差值为Δ；所述制冷循环中喷射器104的引射系数μ与蒸发器107出口制冷剂干度x相关，根据质量守恒定律可得μ＝x/(1-x)；根据干度对电子膨胀阀106的开度进行调节，当x>x0+Δ时，蒸发器107出口制冷剂干度过大，此时增大电子膨胀阀106开度以降低喷射器104出口背压，进而增大喷射器104的引射系数μ以保证气液分离器108分离出的富含低沸点组分的混合制冷剂能够完全被引射；当x<x0-Δ时，蒸发器107出口制冷剂干度过小，此时减小电子膨胀阀106开度以增大喷射器104出口背压，进而减小喷射器104的引射系数μ；当x0-Δ≤x≤x0+Δ时，电子膨胀阀106开度不需要进行调节；通过该控制方法保证制冷循环系统的稳定运行。
本发明提出一种喷射器增效自复叠制冷循环的新型配置，该循环在富含高沸点组分的混合制冷剂与中间混合制冷剂之间实现了复叠，本发明新型循环一方面提高了蒸发压力，即压缩机吸气压力升高，压比减小，进而降低了压缩机耗功，另一方面增大了流经蒸发器的制冷剂流量，制冷量得以增大，此外，新循环的电子膨胀阀压力降低，节流过程的节流损失减小，因此新循环的能效得到显著提升；此外，本发明还提出该循环的控制方法以保证系统的稳定运行。综上所述，本发明将有效促进自复叠制冷循环系统节能技术的发展。
附图说明
图1是本发明的制冷循环系统示意图。
图2是本发明的制冷循环工作过程的压-焓图(P-h图)。
图3是本发明的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案和优点更加明了，下面结合附图进一步对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明是一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统，包括压缩机101、冷凝器102、回热器103、喷射器104、复叠换热器105、电子膨胀阀106、蒸发器107、气液分离器108；所述压缩机101的出口与冷凝器102的入口相连；冷凝器102的出口与回热器103的热流侧入口相连；回热器103的热流侧出口与喷射器104的主流入口相连；喷射器104的出口与复叠换热器105的热流侧入口相连，复叠换热器105的热流侧出口与电子膨胀阀106入口相连，电子膨胀阀106出口与蒸发器107入口相连，蒸发器107出口与气液分离器108入口相连；气液分离器108出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口与喷射器104的二次流入口相连，另一路饱和液态制冷剂出口与复叠换热器105的冷流侧入口相连，复叠换热器105的冷流侧出口与回热器103的冷流侧入口相连；回热器103的冷流侧出口与压缩机101吸气口相连，形成整个制冷循环系统；所述蒸发器107出口与气液分离器108入口之间设置温度测点和压力测点；所述制冷循环系统中设置控制器109，所述控制器109的输入端与温度测点的温度传感器和压力测点的压力传感器相连，控制器109的输出端与电子膨胀阀106的调节机构相连。
图2为本发明的制冷循环工作过程的压-焓图(P-h图)，其所示的制冷循环具体工作过程为：压缩机101吸入过热状态的制冷剂蒸气(图中1点处)，经过压缩成为高温高压过热蒸气(图中2点处)；高温高压过热蒸气(图中2点处)经过冷凝器102冷却成为气液两相流体(图中3点处)，再经过回热器103进一步冷却成为干度更小的流体(图中4点处)；从回热器103热流侧出口出来的流体(图中4点处)进入喷射器104主流入口，经过喷嘴膨胀为两相流体(图中n2点处)，引射来自气液分离器108的饱和气态制冷剂(图中8v点处)，两股流体在喷射器104混合段经过等压混合成为两相流体(图中m2处)，再经过喷射器104的扩压段升压后得到压力较高的两相流体(图中5点处)；喷射器104出口的流体(图中5点处)经过复叠换热器105的热流侧冷却成为饱和液态制冷剂(图中6点处)，从复叠换热器105热流侧出口出来的流体(图中6点处)经过电子膨胀阀106节流后成为气液两相流体(图中7点处)，再经过蒸发器107吸热后成为干度更大的气液两相流体(图中8点处)；蒸发器107出口的气液两相流体(图中8点处)经过气液分离器108分离出富含低沸点组分的饱和气态制冷剂(图中8v点处)和富含高沸点组分的饱和液态制冷剂(图中8l点处)；富含低沸点组分的饱和气态制冷剂(图中8v点处)进入喷射器104二次流入口被引射；富含高沸点组分的饱和液态制冷剂(图中8l点处)经过复叠换热器105的冷流侧吸热成为气液两相流体(图中9点处)，再经过回热器103的冷流侧成为过热气体(图中1点处)；过热气体(图中1点处)进入压缩机101进行压缩，完成整个循环过程。
所述自复叠制冷循环系统中气液分离器108入口与蒸发器107出口相接，这与常规的自复叠压缩制冷循环中气液分离器入口与冷凝器出口相连接不同，蒸发器107出口制冷剂为两相态(图中8点处)，基于非共沸混合制冷剂的温度滑移特性，在同样的蒸发温度下新循环的蒸发压力高于常规循环，其压缩机压比更小，因此压缩机耗功得以减小，系统性能得到改善。
所述气液分离器108出口分两路，一路富含高沸点组分的饱和液态制冷剂依次流经复叠换热器105冷流测、回热器103冷流测、压缩机101、冷凝器102、回热器103热流侧进入喷射器104主流入口；另一路富含低沸点组分的饱和气态制冷剂进入喷射器104二次流入口，被喷射器104主流入口的富含高沸点组分的制冷剂引射；从喷射器104出来的中间混合制冷剂的压力低于主流入口压力，即电子膨胀阀106入口压力降低，其节流损失减小；另一方面，进入蒸发器107中吸热的制冷剂为中间混合制冷剂，而在常规自复叠制冷循环的蒸发器中，进行吸热的制冷剂为气液分离器分离出的富含低沸点组分的混合制冷剂，因此新循环中流经蒸发器107的制冷剂流量大，系统制冷量增大，进而系统性能得到改善。
在所述自复叠制冷循环系统中存在回热器103和复叠换热器105两个内部换热器器；在复叠换热器105中，进行换热的两股流体是富含高沸点组分的混合制冷剂与中间混合制冷剂，其作用是在富含高沸点组分的混合制冷剂与中间混合制冷剂之间实现复叠；在回热器103中，进行换热的两股流体均为富含高沸点组分的混合制冷剂，其作用是增大压缩机101吸气口制冷剂过热度，避免发生压缩机液击现象。
图3为本发明的控制方法的流程图，其所示的电子膨胀阀106开度控制方法为：控制器109采集蒸发器107出口的温度和压力数据，根据这两个状态参数通过制冷剂物性查询运算软件NIST Refprop计算确定蒸发器107出口混合制冷剂的干度x；蒸发器107出口制冷剂干度设定值为x0，设定偏差值为Δ；所述制冷循环中喷射器104的引射系数μ与蒸发器107出口制冷剂干度x相关，根据质量守恒定律可得μ＝x/(1-x)；当x>x0+Δ时，蒸发器107出口制冷剂干度过大，此时需要增大电子膨胀阀106开度以降低喷射器104出口背压，进而增大喷射器104的引射系数μ以保证气液分离器108分离出的富含低沸点组分的混合制冷剂能够完全被引射；当x<x0-Δ时，蒸发器107出口制冷剂干度过小，此时需要减小电子膨胀阀106开度以增大喷射器104出口背压，进而减小喷射器104的引射系数μ；当x0-Δ≤x≤x0+Δ时，电子膨胀阀106开度不需要进行调节。该控制方法旨在保证循环系统的稳定运行。

Claims (4)

1.一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统，其特征在于，包括压缩机(101)、冷凝器(102)、回热器(103)、喷射器(104)、复叠换热器(105)、电子膨胀阀(106)、蒸发器(107)和气液分离器(108)；所述压缩机(101)的出口与冷凝器(102)的入口相连；冷凝器(102)的出口与回热器(103)的热流侧入口相连；回热器(103)的热流侧出口与喷射器(104)的主流入口相连；喷射器(104)的出口与复叠换热器(105)的热流侧入口相连，复叠换热器(105)的热流侧出口与电子膨胀阀(106)入口相连，电子膨胀阀(106)出口与蒸发器(107)入口相连，蒸发器(107)出口与气液分离器(108)入口相连；气液分离器(108)出口分两路，一路饱和气态制冷剂出口与喷射器(104)的二次流入口相连，另一路饱和液态制冷剂出口与复叠换热器(105)的冷流侧入口相连，复叠换热器(105)的冷流侧出口与回热器(103)的冷流侧入口相连；回热器(103)的冷流侧出口与压缩机(101)吸气口相连，形成整个制冷循环系统；所述蒸发器(107)出口与气液分离器(108)入口之间设置温度测点和压力测点；所述制冷循环系统中设置控制器(109)，控制器(109)的输入端与温度测点的温度传感器和压力测点的压力传感器相连，输出端与电子膨胀阀(106)的调节机构相连，控制器(109)利用接收到的温度信号与压力信号得到蒸发器(107)出口的干度值，根据干度值对电子膨胀阀(106)的开度进行调节；
所述的两相喷射器增效自复叠制冷循环系统的控制方法，通过控制器(109)监测蒸发器(107)出口的温度和压力，计算获取蒸发器(107)出口制冷剂的干度x；蒸发器(107)出口制冷剂干度设定值为x0，设定偏差值为Δ；所述制冷循环中喷射器(104)的引射系数μ与蒸发器(107)出口制冷剂干度x相关，根据质量守恒定律可得μ＝x/(1-x)；根据干度对电子膨胀阀(106)的开度进行调节，当x>x0+Δ时，蒸发器(107)出口制冷剂干度过大，此时增大电子膨胀阀(106)开度以降低喷射器(104)出口背压，进而增大喷射器(104)的引射系数μ以保证气液分离器(108)分离出的富含低沸点组分的混合制冷剂能够完全被引射；当x<x0-Δ时，蒸发器(107)出口制冷剂干度过小，此时减小电子膨胀阀(106)开度以增大喷射器(104)出口背压，进而减小喷射器(104)的引射系数μ；当x0-Δ≤x≤x0+Δ时，电子膨胀阀(106)开度不需要进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统，其特征在于，气液分离器(108)入口与蒸发器(107)出口相连接，蒸发器(107)出口制冷剂为两相态，基于非共沸混合制冷剂的温度滑移特性，在同样的蒸发温度下蒸发压力高，压缩机压比减小，其耗功减小。
3.根据权利要求1所述的一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统，其特征在于，喷射器(104)的引射作用一方面使得喷射器(104)出口的中间混合制冷剂的压力低于喷射器(104)主流入口的富含高沸点组分的制冷剂的压力，即电子膨胀阀(106)的入口压力降低，因此节流过程节流损失减小；另一方面增大了蒸发器(107)流路的制冷剂流量，使得系统制冷量增大。
4.根据权利要求1所述的一种两相喷射器增效自复叠制冷循环系统，其特征在于，制冷循环系统中存在回热器(103)和复叠换热器(105)两个回热器，复叠换热器(105)中进行换热的两股流体是富含高沸点组分的混合制冷剂与中间混合制冷剂，其作用是在富含高沸点组分的混合制冷剂与中间混合制冷剂之间实现复叠，回热器(103)中进行换热的两股流体均为富含高沸点组分的混合制冷剂，其作用是增大压缩机(101)吸气口制冷剂过热度，避免发生压缩机液击现象。
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