CN113701389B - 冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统及制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统及制冷机，该冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统包括冷凝分离式超音速引射器、第一流通管路和第二流通管路，冷凝分离式超音速引射器，设有引射管，冷凝分离式超音速引射器包括进口侧、出气侧和出液侧；第一流通管路两端分别连接引射管与出气侧；第二流通管路两端分别连接出液侧和进口侧；其中，第一流通管路和第二流通管路中的一者或者两者均设有蒸发器。通过上述方式，本发明可以通过第一流通管路和第二流通管路中的任一者或者两者同时提取制冷量，由此该制冷系统提取冷量灵活性更强且具有占用空间小、膨胀制冷效率高、工质环保安全的优点。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统及制冷机。
背景技术
传统引射制冷系统效率低、存在气液分离器导致结构复杂、气液分离不充分等问题；传统蒸汽压缩制冷系统的制冷剂ODP、GWP较高、有些制冷剂具有一定的可燃性和毒性，制冷剂一旦泄漏易造成一定的安全隐患和臭氧层破环、温室效应等环境问题。
低温与制冷技术提高了人们生活质量的同时，各种制冷剂泄漏也带来了环境问题，推广应用环境友好的制冷剂，是社会发展的重要课题。制冷剂的发展历史主要分为四个阶段：第一代制冷剂以自然工质如CO2、醚类等为代表；随着人工合成的第二代制冷剂氯氟烃(CFCs) 和氢氯氟烃(HCFCs)的发展，自然工质因系统效率无法与人工合成工质相比而逐渐被淘汰，但第二代制冷剂具有较高的臭氧消耗潜能值 (Ozone Depletion Potential,ODP)同样也退出了历史舞台；出于对臭氧层的保护，制冷剂转变为不含氯和溴的氢氟烃(HFCs)，其中以 R134a为主要代表的第三代制冷剂，开始被大规模生产和使用，但是其全球变暖潜能值(Global Warming Potential,GWP)较高，随之带来了温室效应的问题；考虑到臭氧层破坏和温室效应，自然工质作为第四代制冷剂再次被提出，其中主要包括CO2、NH3、H2O、碳氢化合物和用于低温制冷的CH4、N2和He等，发展以CO2为代表的自然工质制冷技术成为新一轮的研究热点。
发明内容
本发明实施例提供一种冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统及制冷机，用以解决现有技术中传统的引射制冷系统存在效率低、具有气液分离器导致结构复杂、气液分离不充分的技术问题。
本发明实施例提供一种冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，包括：冷凝分离式超音速引射器，设有引射管，所述冷凝分离式超音速引射器包括进口侧、出气侧和出液侧；
第一流通管路，两端分别连接所述引射管与所述出气侧；
第二流通管路，两端分别连接所述出液侧和所述进口侧；其中，
所述第一流通管路和所述第二流通管路中的一者或者两者均设有蒸发器。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述第一流通管路上设有节流阀和第一蒸发器；所述节流阀的进口端与所述出气侧相连通，所述节流阀的出口端与所述第一蒸发器的进口端相连通，所述第一蒸发器的出口端与所述引射管相连通。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述第二流通管路上设有第二蒸发器、压缩机和气体冷却器；
所述第二蒸发器的进口端与所述出液侧相连通，所述第二蒸发器的出口端与所述压缩机的进口端相连通，所述压缩机的出口端与所述气体冷却器的进口端相连通，所述气体冷却器的出口端与所述进口侧相连通。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述第二流通管路上设有循环泵，所述循环泵的进口端与所述出液侧相连通，所述循环泵的出口端与所述进口侧相连通。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述第二流通管路至所述进口侧为工质为气态。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述第二流通管路至所述进口侧的工质为液态。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述冷凝分离式超音速引射器包括依次连接的旋流机构、喷管、旋流分离管、排液机构以及扩压器；
所述进口侧与所述旋流机构相连通，所述旋流机构产生离心力将经所述进口侧进入的工质在所述喷管形成低温效应，并在所述旋流分离管内经所述排液机构将产生的液态工质流向所述第二流通管路以及经所述扩压器将气态工质流向所述第一流通管路。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述引射管与所述喷管相连通。
根据本发明一个实施例的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，所述冷凝分离式超音速引射器中采用的工质为二氧化碳。
本发明实施例还提供一种制冷机，包括：上述的超音速两相膨胀多级低温制冷系统。
本发明实施例提供的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统及制冷机，冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统包括冷凝分离式超音速引射器以及与冷凝分离式超音速引射器连接的第一流通管路和第二流通管路，且第一流通管路和第二流通管路中的一者或者二者均设有蒸发器，由此可以通过第一流通管路和第二流通管路中的任一者或者两者同时提取制冷量，由此该制冷系统提取冷量灵活性更强且具有占用空间小、膨胀制冷效率高、工质环保安全的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统一实施例的结构示意图；
图2为本发明冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统第二实施例的结构示意图；
图3为本发明冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统第三实施例的结构示意图；
图4为图1所示的冷凝分离式超音速引射器的结构示意图；
附图标记：
10、冷凝分离式超音速引射器；110、引射管；120、进口侧；130、出气侧；140、出液侧；150、旋流机构；160、喷管；170、排液机构； 180、扩压器；190、旋流分离管；
20、第一流通管路；210、节流阀；220、第一蒸发器；
30、第二流通管路；310、第二蒸发器；320、压缩机；330、气体冷却器；340、循环泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1至图4，本发明提供一种制冷机，制冷机可以用为工业制冷机或者生活制冷装置，例如超市、冷仓的制冷系统等，在此不做限定。制冷机包括冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，该系统可以提取冷量以对外界环境进行降温、制冷。
请继续参照图1，在本发明一实施例中，冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统包括冷凝分离式超音速引射器10、第一流通管路20和第二流通管路30，冷凝分离式超音速引射器10，设有引射管110，冷凝分离式超音速引射器10包括进口侧120、出气侧130和出液侧140；第一流通管路20两端分别连接引射管110与出气侧130；第二流通管路30两端分别连接出液侧140和进口侧120；其中，第一流通管路20和第二流通管路30中的一者或者两者均设有蒸发器。
也即在对冷量提取的过程中，本发明可以通过第一流通管路20 进行提取，也可以通过第二流通管路30进行提取，或者同时通过第一流通管路20和第二流通管路30同时进行提取。因为第一流通管路 20连接出气侧130，第二流通管路30连通出液侧140。所以出气侧130流出的工质的冷量通过蒸发器可以被提取，通过出液侧140流出的工质冷量通过蒸发器也可以被提取，由此冷量提取的路径可以得以控制，使得系统整体的布局更加灵活，空间调整适应性强，且可以根据需要从第一流通管路20或者第二流通管路30进行提取冷量。
在本发明一实施例中，可以分别通过第一流通管路20和第二流通管路30分别提取冷量，该实施例所得到的冷量更多，具体可以参照图1所示的实施例。第一流通管路20上设有节流阀210和第一蒸发器220，节流阀210的进口端与出气侧130相连通，节流阀210的出口端与第一蒸发器220的进口端相连通，第一蒸发器220的出口端与引射管110相连通。第二流通管路30上设有第二蒸发器310、压缩机320和气体冷却器330，第二蒸发器310的进口端与出液侧140 相连通，第二蒸发器310的出口端与压缩机320的进口端相连通，压缩机320的出口端与气体冷却器330的进口端相连通，气体冷却器 330的出口端与进口侧120相连通。也即可以通过第一蒸发器220和第二蒸发器310提取冷量，且因为同时通过两个蒸发器进行提取冷量，所以总获得的可提取冷量更多。
在其他实施例中，也可以仅通过第一流通管路20或者第二流通管路30进行提取冷量。请参照图3，当通过第一流通管路20提取冷量时，第一流通管路20上可以设置节流阀210和第一蒸发器220，第二流通管路30上设置循环泵340，由此通过第一蒸发器220进行提取冷量。该实施例通过第一蒸发器220提取到的冷量要少于同时通过第一蒸发器220和第二蒸发器310所获得的冷量，但是经第二流通管路30至冷凝分离式超音速引射器10中的工质为液态，由此有助于第一流通管路20获得更多的冷量。
通过伯努利方程可得：
由上可知，液态工质的密度比气态工质密度大，在相同的速度下，可以获得更大的压力变化，进而可以提高冷凝分离式超音速引射器 10的引射效果。也即，在经进口侧120进入冷凝分离式超音速引射器10时，相同速度下，气态工质所对应的冷凝分离式超音速引射器10内的压力更大，而液体工质使得冷凝分离式超音速引射器10内的压力更小，由此便于提高经第一蒸发器220传输至冷凝分离式超音速引射器10内的速率。进而便于在单位时间内，第一蒸发器220的换热效率更高，单位时间内获得的冷量更多。
请参照图2，而当通过第二流通管路30获取冷量时，第二流通管路30上可以设置第二蒸发器310、压缩机320和气体冷却器330，第二蒸发器310的进口端与出液侧140相连通，第二蒸发器310的出口端与压缩机320的进口端相连通，压缩机320的出口端与气体冷却器330的进口端相连通，气体冷却器330的出口端与进口端相连通。而第一流通管路20可以不设置任何部件，使得冷凝分离式超音速引射器10的出气侧130直接通过引射管110进入冷凝分离式超音速引射器10内。因为出气侧130产生的气态工质直接传输至冷凝分离式超音速引射器10内，在此过程中没有压力损失，提高了冷凝分离式超音速引射器10的引射效果，由此便于冷凝分离式超音速引射器10 产生更多的液态工质，促进了第二流通管路30的运行，使得单位时间内经第二蒸发器310可以获得更多的制冷量。
请参照图4，在本发明一实施例中，冷凝分离式超音速引射器10 包括依次连接的旋流机构150、喷管160、旋流分离管190、排液机构170以及扩压器180；进口侧120与旋流机构150相连通，旋流机构150产生离心力将经进口侧120进入的工质在喷管160形成低温效应，并在旋流分离管190内经排液机构170将产生的液态工质流向第二流通管路30以及经扩压器180将气态工质流向第一流通管路20。具体地，引射管110与喷管160相连通，使得经引射管110导入的工质可以直接传输至喷管160中，参与喷管160的低温效应。
在本发明一实施例中，采用二氧化碳作为制冷剂，在制冷过程中，二氧化碳制冷剂气体进入冷凝分离式超音速引射器10中，气体在旋流机构150中产生离心力在喷管160中等熵膨胀降温降压产生制冷效应，温度降低后一部分二氧化碳气体发生凝结成核、生成液滴并在旋流分离管190中进一步生长，液相由于旋转产生的切向速度和离心作用经排液机构170排出，剩余气相二氧化碳经扩压器180减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。
在第二流通管路30中，排液机构170排出的液态工质通过第二蒸发器310，在第二蒸发器310中等温等压蒸发产生制冷后进入压缩机320被压缩升压，再通过气体冷却器330降温后重新回到冷凝分离式超音速引射器10中，以完成第二流通管路30的循环。气体冷却器 330的作用在于将高温的气态工质降温至和进入进口侧120的温度相同，也即满足冷凝分离式超音速引射器10所设置的进入温度值。
在第一流通管路20中，经扩压器180排出的剩余气相，经过节流阀210节流降温降压后在第一蒸发器220等温等压蒸发产生制冷，因为第一蒸发器220的气相压力大于喷管160中的压力，所以通过第一蒸发器220后的气相经引射管110被引射进入喷管160中，重新参与到喷管160中的制冷效应，进而凝结液化的过程，完成第一流通管路20的循环。通过扩压器180排出的气相重新引射至喷管160中，一方面可以取出气体工质的冷量产生制冷效果。另一方面进入冷凝分离式超音速引射器10中的气体的量变大进而可以提高液相分离率，大大提高制冷系统的效率。
在本发明一实施例中，冷凝分离式超音速引射器10中采用的工质为二氧化碳。在其他实施例中，可根据应用需要采用其他环境友好安全可靠的自然工质如氮气、氩气、氖气和氦气等，亦可通过不同工质组合及配比作为循环工质以实现高效制冷。
综上，本发明实施例提供的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，包括冷凝分离式超音速引射器10以及与冷凝分离式超音速引射器10连接的第一流通管路20和第二流通管路30，且第一流通管路20和第二流通管路30中的一者或者二者均设有蒸发器，由此可以通过第一流通管路20和第二流通管路30中的任一者或者两者同时提取制冷量，由此该制冷系统提取冷量灵活性更强且系统整体具有占用空间小、膨胀制冷效率高、工质环保安全的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，其特征在于，包括：
冷凝分离式超音速引射器，设有引射管，所述冷凝分离式超音速引射器包括进口侧、出气侧和出液侧；
第一流通管路，两端分别连接所述引射管与所述出气侧；
第二流通管路，两端分别连接所述出液侧和所述进口侧；其中，
所述第一流通管路上设有节流阀和第一蒸发器；所述节流阀的进口端与所述出气侧相连通，所述节流阀的出口端与所述第一蒸发器的进口端相连通，所述第一蒸发器的出口端与所述引射管相连通；
所述第二流通管路上设有第二蒸发器、压缩机和气体冷却器；
所述第二蒸发器的进口端与所述出液侧相连通，所述第二蒸发器的出口端与所述压缩机的进口端相连通，所述压缩机的出口端与所述气体冷却器的进口端相连通，所述气体冷却器的出口端与所述进口侧相连通。
2.根据权利要求1所述的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述第二流通管路至所述进口侧为工质为气态。
3.根据权利要求1所述的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述冷凝分离式超音速引射器包括依次连接的旋流机构、喷管、旋流分离管、排液机构以及扩压器；
所述进口侧与所述旋流机构相连通，所述旋流机构产生离心力将经所述进口侧进入的工质在所述喷管形成低温效应，并在所述旋流分离管内经所述排液机构将产生的液态工质流向所述第二流通管路以及经所述扩压器将气态工质流向所述第一流通管路。
4.根据权利要求3所述的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述引射管与所述喷管相连通。
5.根据权利要求1所述的冷凝分离式超音速引射器的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述冷凝分离式超音速引射器中采用的工质为二氧化碳。
6.一种制冷机，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的超音速两相膨胀多级低温制冷系统。
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