CN103003641B - 高效率喷射器循环 - Google Patents

Abstract

一种系统具有压缩机（22）、排热换热器（30）、第一喷射器（38）和第二喷射器（202）、第一吸热换热器（64）和第二吸热换热器（220）、以及第一和第二分离器（118，210）。排热换热器耦合到压缩机以接收被压缩机压缩的制冷剂。第一喷射器具有耦合到排热换热器以接收制冷剂的主进口、次进口和出口。第一分离器具有进口，其耦合到第一喷射器的出口以从第一喷射器接收制冷剂。第一分离器具有气体出口，其耦合到压缩机以将制冷剂返回到压缩机。第一分离器具有液体出口，其耦合到喷射器的次进口以将制冷剂输送到第一喷射器。第一吸热换热器耦合到第一分离器的液体出口以接收制冷剂并且耦合到第一喷射器的次进口以将制冷剂输送到第一喷射器。第二喷射器具有耦合到第一分离器的液体出口以接收制冷剂的主进口、次进口和出口。第二分离器具有：进口，其耦合到第二喷射器的出口以从第二喷射器接收制冷剂；气体出口，其耦合到压缩机以将制冷剂返回到压缩机；和液体出口。第二吸热换热器耦合到第二分离器的液体出口以接收制冷剂并且耦合到第二喷射器的次进口以将制冷剂输送到第二喷射器。

Description

高效率喷射器循环

相关申请的交叉引用

要求于2010年7月23日提交的且名称为“HighEfficiencyEjectorCycle”的美国专利申请序号No.61/367,100的权益，其公开内容整体地通过引用结合到本文中，如同其被详细地阐述一样。

技术领域

本公开涉及制冷。更具体地，本公开涉及喷射器制冷系统。

背景技术

在US1836318和US3277660中可找到对喷射器制冷系统的早期提议。图1示出喷射器制冷系统20的一个基本示例。所述系统包括具有进口（吸入端口）24和出口（排出端口）26的压缩机22。该压缩机及其它系统部件沿着制冷剂回路或流动路径27定位并经由各种管道（管线）连接。排出管28从出口26延伸到换热器（处于正常系统操作模式的排热换热器（例如，冷凝器或气体冷却器））30的进口32。管线36从排热换热器30的出口34延伸到喷射器38的主（primary）进口（液体或超临界或二相进口）40。喷射器38还具有次（secondary）进口（饱和或过热蒸气或二相进口）42和出口44。管线46从喷射器出口44延伸到分离器48的进口50。该分离器具有液体出口52和气体出口54。吸气管56从气体出口54延伸到压缩机吸入端口24。管线28、36、46、56及其之间的部件限定制冷剂回路27的主环路60。制冷剂回路27的次环路62包括换热器64（在正常操作模式下为吸热换热器（例如，蒸发器））。蒸发器64包括沿着次环路62的进口66和出口68且膨胀装置70定位于在分离器液体出口52与蒸发器进口66之间延伸的管线72中。喷射器次进口管线74从蒸发器出口68延伸到喷射器次进口42。

在正常操作模式下，气态制冷剂通过吸气管56和进口24被压缩机22吸取且被压缩并从排出端口26排放到排出管28中。在排热换热器中，制冷剂向传热流体（例如风扇强制空气或水或其它流体）释放/排出热量。冷却的制冷剂经由出口34离开排热换热器并经由管线36进入喷射器主进口40。

示例性喷射器38（图2）被形成为原动（主）喷嘴100和外构件102的组合，原动喷嘴100嵌套在外构件102内。主进口40是到原动喷嘴100的进口。出口44是外构件102的出口。主制冷剂流103进入进口40并随后进入原动喷嘴100的渐缩区段104。其随后穿过喉部区段106和膨胀（渐扩）区段108，穿过原动喷嘴100的出口110。原动喷嘴100使流103加速并降低流体的压力。次进口42形成外构件102的进口。由原动喷嘴对主流造成的降压帮助将次流112吸入到外构件中。该外构件包括具有渐缩区段114和细长喉部或混合区段116的混合器。该外构件还具有在细长喉部或混合区段116下游的渐扩区段或扩散器118。原动喷嘴出口110位于渐缩区段114内。随着流103离开出口110，其开始与流112混合，在通过混合区段116时发生进一步的混合，混合区段116提供混合区域。在操作中，主流103通常可以在进入喷射器时是超临界的且在离开原动喷嘴时是亚临界的。次流112在进入次进口端口42时是气态的（或气体与较少量液体的混合物）。所得到的混合流120是液体/蒸气混合物并且在扩散器118中减速和升压而同时依然是混合物。在进入分离器时，流120被分离而恢复成为流103和112。流103如上文所讨论的那样作为气体通过压缩机吸气管。流112作为液体通到膨胀阀70。阀70可以使流112膨胀（例如膨胀到低品质（具有少量蒸气的二相））并将其通到蒸发器64。在蒸发器64内，制冷剂从传热流体（例如从风扇强制气流或水或其它液体）吸收热量并作为上述气体从出口68排出到管线74。

所使用的喷射器用于回收压力/功（work）。从膨胀过程回收的功用来在气态制冷剂进入压缩机之前将其压缩。因此，可以针对给定的期望蒸发器压力而降低压缩机的压力比（并因此降低功耗）。还可以减少进入蒸发器的制冷剂的干度。因此，可以增加每单位质量流量的制冷效应（相对于非喷射器系统而言）。进入蒸发器的流体的分布得到改善（从而改善蒸发器性能）。由于蒸发器不直接对压缩机进行馈送，所以蒸发器不需要产生过热的制冷剂流出。因此，喷射器循环的使用可以允许减小或消除蒸发器的过热区。这可以允许蒸发器在提供较高传热性能的二相状态下操作（例如，对于给定容量，促进蒸发器尺寸减小）。

示例性喷射器可以是固定尺寸的喷射器或者可以是可控喷射器。图2示出由具有针132和致动器134的针阀130提供的可控性。致动器134使针的尖端部分136移入或移出原动喷嘴100的喉部区段106以调节通过原动喷嘴的流量，并进而调节通过整个喷射器的流量。示例性致动器134是电动的（例如，螺线管等）。致动器134可以被耦合到控制器140并受控制器140控制，控制器140可以从输入装置142（例如，开关、键盘等）和传感器（未示出）接收用户输入。控制器140可以经由控制线144（例如，有线连接或无线通信路径）耦合到致动器和其它可控系统部件（例如，阀、压缩机马达等）。控制器可包括一个或多个：处理器；存储器（例如，用于存储程序信息以及用于存储数据，该程序信息供处理器执行以实施操作方法，该数据由（一个或多个）程序使用或产生）；以及硬件接口装置（例如，端口），其用于与输入/输出装置和可控系统部件相联系。

已经提出了此类喷射器系统的各种修改。US20070028630中的一个示例包括沿着管线46放置第二蒸发器。US20040123624公开了一种具有两个喷射器/蒸发器对的系统。在US20080196446中示出另一种双蒸发器、单喷射器系统。所提出的用于控制喷射器的另一种方法是通过使用热气旁路。在这种方法中，使少量蒸气旁通气冷器并被注入在原动喷嘴的刚好上游或原动喷嘴的渐缩部分的内部。由此被引入原动流中的气泡减小了有效的喉部面积并减小主流。为了减小该流，进一步引入更多的旁路流。

发明内容

本公开的一方面涉及一种系统，其具有压缩机、排热换热器、第一第二喷射器、第一和第二吸热换热器、以及第一和第二分离器。排热换热器耦合到压缩机以接收被压缩机压缩的制冷剂。第一喷射器具有耦合到排热换热器以接收制冷剂的主进口、次进口和出口。第一分离器具有进口，其耦合到第一喷射器的出口以从第一喷射器接收制冷剂。第一分离器具有气体出口，其耦合到压缩机以将制冷剂返回到压缩机。第一分离器具有液体出口，其耦合到喷射器的次进口以将制冷剂输送到第一喷射器。第一吸热换热器耦合到第一分离器的液体出口以接收制冷剂并且耦合到第一喷射器的次进口以将制冷剂输送到第一喷射器。第二喷射器具有耦合到第一分离器的液体出口以接收制冷剂的主进口、次进口和出口。第二分离器具有：进口，其耦合到第二喷射器的出口以从第二喷射器接收制冷剂；气体出口，其耦合到压缩机以将制冷剂返回到压缩机；和液体出口。第二吸热换热器耦合到第二分离器的液体出口以接收制冷剂并且耦合到第二喷射器的次进口以将制冷剂输送到第二喷射器。

在各种实施方式中，分离器中的一个或两个可以是重力分离器。所述系统可以不具有其它分离器（即，所述两个分离器是仅有的分离器）。所述系统可以不具有其它喷射器。第二吸热换热器可以位于第二喷射器的出口与压缩机之间。制冷剂可以包括以重量计的至少50%的二氧化碳。所述系统还可以包括位于排热换热器与第一喷射器的进口和第二喷射器的进口之间的机械过冷器。所述系统还可以包括具有排热换热器和排热分支和吸热分支的吸气管换热器。所述排热分支可以位于排热换热器与第一喷射器的进口和第二喷射器的进口之间。所述吸热分支可以位于第二吸热换热器与压缩机吸入口之间。第一和第二吸热换热器可以分别在第一和第二冷藏空间中。

本公开的其它方面涉及用于操作所述系统的方法。

在附图和以下说明中阐述一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图以及通过权利要求，可以清楚其它特征、目的和优点。

附图说明

图1是现有技术喷射器制冷系统的示意图。

图2是喷射器的轴向剖视图。

图3是第一制冷系统的示意图。

图4是图3的系统的压焓（莫里尔）图。

图5是用于图3的系统的第一种蒸发器排布方法的示意性表示。

图6是用于图3的系统的第二种蒸发器排布方法的示意性表示。

相同的附图标记和符号在各图中指示相同的元件。

具体实施方式

图3示出喷射器循环蒸气压缩（制冷）系统200。可以将系统200制成为系统20或其他系统的修改或作为原始制造/构造。在示例性实施例中，用相同的附图标记示出可以从系统20保留的相同部件。除下述讨论的（控制器控制操作响应于来自各种温度传感器和压力传感器的输入）之外，操作可以类似于系统20的操作。

喷射器38是第一喷射器且系统还包括具有主进口204、次进口206和出口208的第二喷射器202，并且第二喷射器202可以构造成类似于第一喷射器38。

类似地，分离器48是第一分离器。该系统还包括具有进口212、液体出口214和气体出口216的第二分离器210。在该示例性系统中，气体出口216经由管线218连接到吸入端口24。

类似地，蒸发器64是第一蒸发器。该系统还包括具有进口222和出口224的第二蒸发器220。第二蒸发器进口222经由管线228中的第二膨胀阀226从第二分离器出口214接收制冷剂。来自第二蒸发器的出口224的制冷剂流经由管线230通向第二喷射器次进口206。

第二喷射器主进口204从第一分离器接收液体制冷剂。这可由支路管道240输送，该支路管道240在阀70的上游在从第一分离器到液体出口52到第一蒸发器进口66的管线/流动路径分叉。

在该示例性实施例中，压缩机是经济的压缩机，其具有在吸入端口24与排出端口26之间的压缩的中间级处的中间端口（例如，经济器端口）244。第一分离器气体出口54被管线246连接到中间端口244。

图4以280（从吸入端口24到经济器端口224）和282（从经济器端口224到排出端口26）示出了两个压缩级。压缩机排出压力被示为P1，而吸入压力被示为P5。示例性的吸入条件是到饱和蒸气线290的蒸气侧。第一蒸发器64被示出在压力P2和P5之间的压力P3下操作。第二蒸发器220在低于P5的压力P4下操作。P2和P5代表第一分离器48和第二分离器210的各自出口压力。示例性膨胀装置70和226具有在P2和P5处或者在饱和液体线292处或附近（例如，略微在蒸气穹顶内）的进口条件。

在操作中，第一喷射器可主要用于控制高压侧压力P1并且次要地控制第一蒸发器的容量。第二喷射器可用于控制第二蒸发器的容量。例如，为了增加第一蒸发器的容量，将第一喷射器打开（例如，其针被抽出以降低P1）；为了降低容量，将其关小（例如，其针被插入以增大P1）。为了增加第二蒸发器的容量，类似地将第二喷射器打开（为了降低第二蒸发器的容量，将第二喷射器关小）。P1可受到控制以优化系统效率。对于诸如使用二氧化碳的跨临界循环而言，升高P1会降低从气体冷却器30出来的焓并增加可用于给定压缩机质量流量下的冷量。然而，P1还增大了压缩机功率。存在使给定操作条件（例如环境温度、压缩机速度和蒸发温度）下的系统效率最大化的P1的最优值。为了将P1升高到目标值，将第一喷射器关小（为了降低P1，将第一喷射器打开）。

气体冷却器的出口处的温度传感器T和压力换能器P可以提供（均提供或者替代地提供）用于控制喷射器打开度的输入。例如，这种温度传感器测量气体冷却器离开温度，其指示了环境温度。通常，所测得的温度将会比环境温度高1-7F（0.6-4.0C）。类似地，气体冷却器离开压力与压缩机排出压力密切相关（例如，比压缩机排出压力低0.5-5％）。因此，两个传感器分别提供环境温度和压缩机排出压力的替代值。对于给定的测得温度，如果测得压力高于目标值，则控制系统可使第一喷射器进一步打开（如果低于目标值，则进一步关小）。

可使用可控膨胀装置70和226来控制离开蒸发器64和220的制冷剂的状态。对于每个蒸发器，可维持过热度的目标值。可由所关联的蒸发器下游的压力换能器和温度传感器来确定过热度。替代地，可从蒸发器的饱和区域处的温度传感器来估计压力。为了增加过热度，关闭所关联的膨胀装置（为了降低过热度，打开所关联的膨胀装置）。过高的过热度导致制冷剂和空气温度之间需要高的温差，从而导致较低的蒸发压力。如果膨胀装置打开，则过热度可变成零，并且离开蒸发器的制冷剂状态将会是饱和的。这导致液体制冷剂不提供冷量并且必须被喷射器再泵送。

另外，可以改变压缩机速度以控制总体系统容量。增大压缩机速度将会增大流向两个喷射器的每一个的流量，并因而增大流向两个蒸发器的每一个的流量。

尽管示例性系统具有五个可控参数（压缩机速度、两个可控喷射器以及两个可控膨胀装置），但其他情形也是可能的。压缩机可以是固定速度的，一个或两个喷射器可以是非可控的，或者TXV或固定膨胀装置可以用来取代一个或两个EXV。一种替代方式是使用例如被动膨胀装置（诸如节流孔），其（与分离器一起）的尺寸可设计成允许蒸发器馈送过多或馈送不足并且自动校正蒸发器离开条件。在固定速度压缩机的情况下，可通过简单地循环打开和关闭系统来控制容量。而且，可通过控制排热换热器和第一喷射器之间的另外的膨胀装置来控制P1。

图5示出一种实施方式，其中，单股气流160经过两个蒸发器220和64。在本示例中，气流直接流过两个蒸发器。一种可能的实施方式是将两个蒸发器形成为单个物理单元的分开的部分（例如，单个管束，其中，通过管道端部的适当连接方式而将不同的蒸发器形成为该管束的不同区段）。可以由风扇162来驱动气流160。其一个示例是用于向受调节空间166（例如，建筑/房间）输送空气的住宅空调单元164。在这种情况下，第二蒸发器220可以去除显热，而第一蒸发器64基本上去除潜热。这可以用来提供湿度控制。

图6示出一种系统，其中，单独的气流160-1和160-2被经由风扇162-1和162-2驱动分别流过蒸发器64和220。此系统可以用来以不同方式调节不同的空间。例如，制冷运输或固定场所制冷系统，空间166-1可以是冷冻食品存储区；而空间166-2可以是用于保持在比空间166-1略高温度的冷藏易腐品的存储区。替代地，两个空间可以代表住宅或商业建筑的不同温度区。

可以使用适合于特定预期用途的常规技术由常规部件来制造所述系统。

虽然上文详细地描述了实施例，但此描述并不意图限制本公开的范围。应理解的是可在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种修改。例如，当在现有系统的再制造或现有系统构造的再次建造中实施时，现有构造的细节可以影响或决定任何特定实施方式的细节。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种系统（200），包括：

压缩机（22）；

排热换热器（30），其耦合到所述压缩机以接收被所述压缩机压缩的制冷剂；

第一喷射器（38），其具有：

主进口（40），其耦合到所述排热换热器以接收制冷剂；

次进口（42）；和

出口（44）；

第一分离器（48），其具有：

进口（58），其耦合到所述第一喷射器的出口以从所述第一喷射器接收制冷剂；

气体出口（54），其耦合到所述压缩机以将制冷剂返回到所述压缩机；和

液体出口（52）；

第一吸热换热器（64），其耦合到所述第一分离器的液体出口以接收制冷剂并且耦合到所述第一喷射器的次进口以将制冷剂输送到所述第一喷射器；

第二喷射器（202），其具有：

主进口（204），其耦合到所述第一分离器的液体出口以接收制冷剂；

次进口（206）；和

出口（208）；

第二分离器（210），其具有：

进口（212），其耦合到所述第二喷射器的出口以从所述第二喷射器接收制冷剂；

气体出口（216），其耦合到所述压缩机以将制冷剂返回到所述压缩机；和

液体出口（214）；以及

第二吸热换热器（220），其耦合到所述第二分离器的液体出口以接收制冷剂并且耦合到所述第二喷射器的次进口以输送制冷剂。

2.权利要求1的系统，还包括：

第一膨胀装置（70），其在所述第一分离器液体出口（52）与所述第一吸热换热器（64）进口（66）之间；以及

第二膨胀装置（226），其在所述第二分离器（210）液体出口（214）与所述第二吸热换热器（220）进口（222）之间。

3.权利要求1的系统，其中：

所述第一和第二分离器是重力分离器。

4.权利要求1的系统，其中：

所述系统不具有其它分离器。

5.权利要求1的系统，其中：

所述系统不具有其它喷射器。

6.权利要求1的系统，其中：

所述系统不具有其它压缩机。

7.权利要求1的系统，其中：

所述第一分离器的气体出口（54）对所述压缩机的经济器端口进行馈送；并且

所述第二分离器的气体出口（216）对所述压缩机的吸入端口进行馈送。

8.权利要求1的系统，其中：

所述第一吸热换热器在第一冷藏空间中；并且

所述第二吸热换热器在第二冷藏空间中。

9.权利要求1的系统，其中：

所述制冷剂包括以重量计至少50％的二氧化碳。

10.一种用于操作权利要求1的系统的方法，包括在第一模式下运行所述压缩机，其中：

所述制冷剂在所述压缩机中被压缩；

由所述排热换热器从所述压缩机接收到的制冷剂将所述排热换热器中的热量排出以产生最初经冷却的制冷剂；

所述最初经冷却的制冷剂通过所述第一喷射器；并且

所述第一分离器的液体排出物分裂成通向所述第一喷射器次进口（42）的第一部分和通向所述第二喷射器的主进口（204）的第二部分。

11.权利要求10的方法，其中：

所述第一分离器（48）的液体排出物的第一部分通过膨胀装置（70）然后通过所述第一吸热换热器（64）而通向所述第一喷射器（38）次进口（42）；并且

所述第一分离器（48）的液体排出物的第二部分直接通向所述第二喷射器（202）的主进口（204）。

12.权利要求10的方法，其中：

所述第一分离器的气体排出物通向所述压缩机的经济器端口；并且

所述第二分离器的气体排出物通向所述压缩机的吸入端口。

13.一种系统（200），包括：

压缩机（22）；

排热换热器（30），其耦合到所述压缩机以接收被所述压缩机压缩的制冷剂；

第一喷射器（38），其具有：

主进口（40），其耦合到所述排热换热器以接收制冷剂；

次进口（42）；和

出口（44）；

第一吸热换热器（64），其耦合到所述第一喷射器的出口以接收制冷剂；

第二喷射器（202），其具有：

主进口（204）；

次进口（206）；和

出口（208）；

第二吸热换热器（220），其耦合到所述第二喷射器的出口以接收制冷剂；以及

用于使制冷剂从所述第一喷射器的出口通到所述第二喷射器的主进口的装置。

14.权利要求13的系统，其中：

所述装置也是用于使制冷剂从所述第一喷射器的出口返回到所述第一喷射器的次进口的装置。

15.权利要求13的系统，其中：

所述装置包括第一分离器（48）和管道，所述管道从所述第一分离器的液体出口（52）分叉，以分别经由所述第一吸热换热器对所述第一喷射器次进口进行馈送以及直接对所述第二喷射器主进口进行馈送。