CN115013996B - 一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统，该系统包括压缩机、冷凝器、两个气液分离器、高温回热器、喷射器、低温回热器、毛细管和蒸发器；喷射器用于回收部分节流膨胀功，并引射低压侧气液分离器气相出口工质，经过升压后补充至压缩机的中间压力级，进一步减少了压缩机耗功；同时，气液分离器的分离作用使得进入低温回热器的制冷剂为液相，提高了回热器的换热效率，从而从整体上提高了自复叠制冷循环系统的制冷性能。

Description

一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，具体涉及一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统。
背景技术
近年来，随着科技和社会的不断进步，食品工业、医疗、冷冻冷藏以及科学研究等许多领域对低温环境的需求进一步扩大，特别是温度低于-40℃的低温环境。当制冷温度低于-40℃时，常采用的制冷循环系统有多级压缩制冷循环系统、复叠式制冷循环系统、混合工质节流制冷循环系统以及自复叠制冷循环系统。
自复叠制冷技术利用非共沸混合工质的组分分离特性，通过气液分离器和蒸发冷凝器实现自动复叠，可以实现单台压缩机多级复叠，进而获得低温制冷效果，在低温制冷领域具有独特的优势。相较于多级复叠制冷系统，自复叠制冷系统结构简单，部件少，但也存在一定问题，根据系统的低温性能需求，压缩机的吸气压力相对较低，造成压缩机的压比较大，系统性能不高。喷射器是一种结构简单，制造成本低，无运动部件的膨胀机构，膨胀功回收效果显著，应用于蒸气压缩式制冷系统中具有较为明显的节能优势。因此，将喷射器应用于自复叠制冷循环系统中，可以显著提高压缩机的吸气压力，降低压缩机压比，有效改善系统的性能。同时，在应用自复叠制冷循环系统时，蒸发器出口的制冷剂状态一般为气液两相状态，一方面，利用喷射器直接引射气液两相流体会降低喷射器的工作可靠性，易出现压力脉动特征；另一方面，直接将蒸发器出口的气液两相制冷剂进行回热，两相流体中的气相制冷剂显热在回热器内所提供的冷量有限，且增加了流动压降。因此，喷射器增效自复叠制冷循环具有应用潜力，但仍然存在一定的改进空间。
发明内容
为了进一步提高混合工质自复叠制冷循环系统性能，本发明提出了一个采用喷射器增效的中间补气型自复叠低温制冷循环系统，可以有效改善制冷系统的制冷性能和运行可靠性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种采用喷射器的新型混合工质低温自复叠制冷循环系统，该制冷循环系统包括压缩机101、冷凝器102、第一气液分离器103、高温回热器104、喷射器105、低温回热器106、毛细管107、蒸发器108和第二气液分离器109；所述压缩机101的出口与冷凝器102的入口相连；冷凝器102的出口与第一气液分离器103的入口相连；第一气液分离器103的气相出口与高温回热器104的热流侧入口相连，高温回热器104的热流侧出口与低温回热器106的热流侧入口相连，低温回热器106的热流侧出口与毛细管107的入口相连，毛细管107的出口与蒸发器108的入口相连，蒸发器108的出口与第二气液分离器109的入口相连；第一气液分离器103的液相出口与喷射器105的一次流体入口相连；第二气液分离器109的气相出口与喷射器105的二次流体入口相连；第二气液分离器109的液相出口与低温回热器106的冷流侧入口相连，低温回热器106的冷流侧出口与高温回热器104的冷流侧入口相连，高温回热器104的冷流侧出口与压缩机101的吸气口相连；喷射器105的出口与高温回热器104的冷流侧入口相连，高温回热器104的冷流侧出口与压缩机101的补气口相连，形成完整的制冷循环系统。
所述蒸发器108的出口的两相制冷剂进入第二气液分离器109进行气液分离，针对该股制冷剂，富含高沸点组分的饱和液相制冷剂进入低温回热器106的冷流侧吸热蒸发，提高了低温回热器106的低压侧流路润湿表面面积和换热效率；第二气液分离器109的富含低沸点组分的气相制冷剂进入喷射器105的二次流入口被引射升压到压缩机101的中间补气压力，提高了喷射器的工作效率，降低了喷射器压力脉动和失效的概率。
所述喷射器105的一次流体是来自第一气液分离器103的富含高沸点组分的液相制冷剂，二次流体是来自第二气液分离器109的富含低沸点组分的气相制冷剂，高压一次流体引射低压二次流体升压到压缩机101的中间补气压力，制冷剂离开喷射器105后进入高温回热器104的其中一路冷流侧，吸热蒸发，变为过热气态，通过压缩机101的补气口进入压缩机，回收了部分膨胀功，减小了压缩机耗功，提高了制冷系统的制冷性能。
所述第一气液分离器103将来自冷凝器102的气液两相制冷剂进行分离，由于混合制冷剂各组分的沸点的不同，气相制冷剂中富含低沸点组分，该股制冷剂后续经过高温回热器104和低温回热器106冷凝为液体然后进入毛细管107进行节流获得制冷能力，最后进入蒸发器108进行制冷，制冷剂中富含低沸点组分，可以实现较低的制冷温度，同时由于富含低沸点组分，可以提高蒸发压力，减小压缩机101的压比。
所述高温回热器104和低温回热器106的应用一方面保证了进入压缩机101的制冷剂均为气态，防止了压缩机吸气带液，另一方面，进入毛细管107的制冷剂经过高温回热器104和低温回热器106的两次冷却，得到充分过冷，经过毛细管107节流之后进入蒸发器108，蒸发器108的入口制冷剂温度降低，有助于增加单位质量制冷量和降低制冷温度。
相较于传统的喷射器增效自复叠制冷循环系统，本循环系统具有以下增益效果：
(1)在结构上仅增加了一个气液分离器和一个回热器，结构上没有过多增加制冷系统的复杂程度，通过改变制冷剂的循环方式提高了制冷系统的制冷性能。
(2)利用喷射器的引射升压特性，将离开蒸发器的制冷剂的气相部分先升压到中间吸气压力，回收了部分膨胀功，减小了压缩机耗功，提高了制冷系统的制冷性能，对于蒸发器出口为两相状态的低温制冷系统具有一定的节能效果。
(3)在蒸发器出口增加了一个气液分离器，将离开蒸发器的气液两相制冷剂分离。其中，富含低沸点工质的气相制冷剂被喷射器引射，进入高温回热器；富含高沸点工质的液相制冷剂依次进入低温回热器和高温回热器逐级换热蒸发，可以有效改善换热效果并减小流动压降，有利于提高制冷系统的整体性能。
附图说明
图1-a和图1-b分别是本发明的制冷系统的示意图和p-h图；
图中：101-压缩机，102-冷凝器，103-第一气液分离器，104-高温回热器，105-喷射器，106-低温回热器，107-毛细管，108-蒸发器，109-第二气液分离器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚简明，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例
如图1-a所示，本实施例为一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统。压缩机101的出口与冷凝器102的入口相连；冷凝器102的出口与第一气液分离器103的入口相连；第一气液分离器103的气相出口与高温回热器104的热流侧入口(4点)相连，高温回热器104的热流侧出口与低温回热器106的热流侧入口相连，低温回热器106的热流侧出口与毛细管107的入口相连，毛细管107的出口与蒸发器108的入口相连，蒸发器108的出口与第二气液分离器109的入口相连；第一气液分离器103的液相出口与喷射器105的一次流体入口(5点)相连；第二气液分离器109的气相出口与喷射器105的二次流体入口(10点)相连；第二气液分离器109的液相出口与低温回热器106的冷流侧入口(11点)相连，低温回热器106的冷流侧出口与高温回热器104的冷流侧入口(13点)相连，高温回热器104的冷流侧出口与压缩机(101)的吸气口(1点)相连；喷射器105的出口与高温回热器104的冷流侧入口(12点)相连，高温回热器104的冷流侧出口与压缩机101的补气口(14点)相连，形成完整的制冷循环系统。
所述蒸发器108的出口与第二气液分离器109的入口相连，离开蒸发器108的两相制冷剂被分离，其中，富含低沸点组分的气相制冷剂进入喷射器105的二次流入口，被来自第一气液分离器103的富含高沸点组分的高压液相制冷剂引射升压到中间压力，即压缩机101的补气压力，从而通过喷射器回收部分膨胀功，减少压缩机101的耗功。
所述喷射器105的出口与高温回热器104的冷流侧入口相连，离开喷射器105的制冷剂在高温回热器104中吸热蒸发变成过热气态进入压缩机101补气口。
所述第一气液分离器103将来自冷凝器102的部分冷凝的气液两相制冷剂分离，由于混合制冷剂各组分的沸点的不同，气相制冷剂中富含低沸点组分，该股制冷剂后续经过高温回热器104和低温回热器106被冷凝为液体状态后进入毛细管107进行节流后变为两相状态，最后进入蒸发器108进行制冷，制冷剂中富含低沸点组分，因此能够同时获得较低的制冷温度和较高的蒸发压力，满足制冷需求的同时减小了压缩机101的压比。
所述第二气液分离器109的液相出口与低温回热器106的冷流侧入口相连，低温回热器106的冷流侧入口为富含高沸点工质的饱和液体，提高回热器106的低压侧流路润湿表面面积和换热效率；低温回热器106的低压侧出口与高温回热器104的另一冷流侧入口相连，制冷剂进一步吸热蒸发，变成过热气态进入压缩机101的吸气入口。
所述制冷系统采用了高温回热器104和低温回热器106，进入毛细管107的制冷剂先经过了两个回热器，制冷剂得到充分过冷，经过毛细管107节流之后进入蒸发器108，降低蒸发器入口温度，有助于提高单位质量制冷量和获得较低的制冷温度。
图1-b为实施例的制冷循环系统工作过程的压-焓图(p-h图)。本发明的具体工作过程为：混合工质气体经过压缩机101被压缩变为高温高压气体(图1-b中2点)后进入冷凝器102中部分冷凝，变为气液两相状态(图1-b中3点)，然后进入第一气液分离器103中，其中，富含高沸点组分的液相制冷剂(图1-b中5点)作为一次流体进入喷射器105的主流入口，而富含低沸点组分的气相制冷剂(图1-b中4点)进入高温回热器104中，经换热冷却后以两相状态(图1-b中6点)进入低温回热器106中，被进一步冷却为过冷状态(图1-b中7点)，过冷态的混合制冷剂经过毛细管107节流降压后变为气液两相状态(图1-b中8点)，进入蒸发器108中部分蒸发制冷后，混合制冷剂以干度更大的两相状态(图1-b中9点)进入第二气液分离器109中，其中，富含低沸点组分的气相制冷剂(图1-b中10点)作为被引射流体进入喷射器105的二次流体入口，并在喷射器105中与一次流充分混合升压后达到压缩机101的中间补气压力；喷射器出口的两相态制冷剂(图1-b中12点)，在经过高温回热器104中吸热升温后，变为过热状态(图1-b中14点)，进入压缩机101的中间补气口，第二气液分离器109中的富含高沸点组分的液相制冷剂(图1-b中11点)经过低温回热器106吸热后变为两相状态(图1-b中13点)，然后进入高温回热器104中进一步吸热蒸发，变为过热气态(图1-b中1点)后进入压缩机101的吸气口，该部分制冷剂经过初步压缩升压后与从补气口进入的制冷剂混合(图1-b中2a点)后进一步被压缩升压，最终实现一个完整的自复叠制冷循环。

Claims (6)

1.一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统，其特征在于：该制冷循环系统包括压缩机（101）、冷凝器（102）、第一气液分离器（103）、高温回热器（104）、喷射器（105）、低温回热器（106）、毛细管（107）、蒸发器（108）和第二气液分离器（109）；所述压缩机（101）的出口与冷凝器（102）的入口相连；冷凝器（102）的出口与第一气液分离器（103）的入口相连；第一气液分离器（103）的气相出口与高温回热器（104）的热流侧入口相连，高温回热器（104）的热流侧出口与低温回热器（106）的热流侧入口相连，低温回热器（106）的热流侧出口与毛细管（107）的入口相连，毛细管（107）的出口与蒸发器（108）的入口相连，蒸发器（108）的出口与第二气液分离器（109）的入口相连；第一气液分离器（103）的液相出口与喷射器（105）的一次流体入口相连；第二气液分离器（109）的气相出口与喷射器（105）的二次流体入口相连；第二气液分离器（109）的液相出口与低温回热器（106）的冷流侧入口相连，低温回热器（106）的冷流侧出口与高温回热器（104）的第一冷流侧入口相连，高温回热器（104）的第一冷流侧出口与压缩机（101）的吸气口相连；喷射器（105）的出口与高温回热器（104）的第二冷流侧入口相连，高温回热器（104）的第二冷流侧出口与压缩机（101）的补气口相连，形成完整的制冷循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统，其特征在于：所述蒸发器（108）的出口与第二气液分离器（109）的入口相连，离开蒸发器（108）的两相制冷剂被分离，其中，富含低沸点组分的气相制冷剂进入喷射器（105）的二次流入口，被来自第一气液分离器（103）的富含高沸点组分的高压液相制冷剂引射升压到中间压力，即压缩机（101）的补气压力，从而通过喷射器回收部分膨胀功，减少压缩机（101）的耗功。
3.根据权利要求1所述的一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统，其特征在于：所述喷射器（105）的出口与高温回热器（104）的第二冷流侧入口相连，离开喷射器（105）的制冷剂在高温回热器（104）中吸热蒸发变成过热气态进入压缩机（101）补气口。
4.根据权利要求1所述的一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统，其特征在于：所述第一气液分离器（103）将来自冷凝器（102）中部分冷凝的气液两相制冷剂分离，由于混合制冷剂各组分的沸点的不同，气相制冷剂中富含低沸点组分，该股制冷剂后续经过高温回热器（104）和低温回热器（106）被冷凝为液体状态后进入毛细管（107）进行节流后变为两相状态，最后进入蒸发器（108）进行制冷，制冷剂中富含低沸点组分，因此能够同时获得较低的制冷温度和较高的蒸发压力，满足制冷需求的同时减小了压缩机（101）的压比。
5.根据权利要求1所述的一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统，其特征在于：所述第二气液分离器（109）的液相出口与低温回热器（106）的冷流侧入口相连，低温回热器（106）的冷流侧入口为富含高沸点工质的饱和液体，提高低温回热器（106）的低压侧流路润湿表面面积和换热效率；低温回热器（106）的冷流侧出口与高温回热器（104）的第一冷流侧入口相连，制冷剂进一步吸热蒸发，变成过热气态进入压缩机（101）的吸气入口。
6.根据权利要求1所述的一种采用喷射器增效的低温制冷循环系统，其特征在于：所述制冷系统采用了高温回热器（104）和低温回热器（106），进入毛细管（107）的制冷剂先经过了两个回热器，制冷剂得到充分过冷，经过毛细管（107）节流之后进入蒸发器（108），降低蒸发器入口温度，有助于提高单位质量制冷量和获得较低的制冷温度。
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