CN103003643A - 喷射器循环制冷剂分离器 - Google Patents

Abstract

***具有压缩机（22）。排热换热器（30）被联接到压缩机以接收由压缩机压缩的制冷剂。喷射器（38）具有主入口、次入口和出口，主入口与排热换热器联接以接收制冷剂。该***具有吸热换热器（64）。该***包括用于提供1-10％品质的制冷剂到吸热换热器和/或提供85-99％品质的制冷剂到压缩机和吸入管线换热器（如果有的话）中至少一个的装置（180）。

Description

喷射器循环制冷剂分离器

相关申请的交叉引用

要求于2010年7月23日提交的名称为“Ejector Cycle Refrigerant Separator”的美国专利申请61/367,097的权益，该文献的公开内容整体通过引用并入本文，就如同被详细记载一样。

背景技术

本公开涉及制冷。 更具体地，其涉及喷射器制冷***。

对喷射器制冷***的早期建议可在US1836318和US3277660中找到。 图1示出了喷射器制冷***20的一个基础示例。该***包括具有入口（吸入端口）24和出口（排出端口）26的压缩机22。压缩机和其它***部件被沿着制冷剂回路或流动路径27定位并通过各种导管（管线）连接。 排出管线28从出口26延伸到换热器30（在正常***运行模式下是排热换热器（例如，冷凝器或气体冷却器））的入口32。管线36从排热换热器30的出口34延伸到喷射器38的主入口（液体或超临界或两相入口）40。喷射器38还具有次入口（饱和的或过热的蒸气或两相入口）42和出口44。管线46从喷射器出口44延伸到分离器48的入口50。该分离器具有液体出口52和气体出口54。吸入管线56从气体出口54延伸到压缩机吸入端口24。管线28、36、46、56和它们之间的部件限定了制冷剂回路27的主环路60。制冷剂回路27的次环路62包括换热器64（在正常运行模式下是吸热换热器（例如蒸发器））。 蒸发器64包括沿着次环路62的入口66和出口68并且膨胀设备70被定位在管线72内，管线72在分离器液体出口52和蒸发器入口66之间延伸。喷射器次入口管线74从蒸发器出口68延伸到喷射器次入口42。

在正常运行模式下，气态制冷剂由压缩机22通过吸入管线56和入口24抽吸并且被压缩并从排放端口26排入排出管线28。在排热换热器中，制冷剂向传热流体（例如由风扇推动的空气或水或其它液体）损失热或排热。 被冷却的制冷剂通过出口34离开排热换热器并通过管线36进入喷射器主入口40。

示例性的喷射器38（图2）被形成为套设在外构件102内的动力（主）喷嘴100的组合。主入口40是通向动力喷嘴100的入口。出口44是外构件102的出口。主制冷剂流103进入入口40并此后进入动力喷嘴100的收缩段104。此后它经过喉段106和膨胀（扩散）段108从而通过动力喷嘴100的出口110。动力喷嘴100对流103进行加速并降低该流的压力。 次入口42形成外构件102的入口。由动力喷嘴引起的对主流的压力减小有助于将次流112抽入外构件。 外构件包括具有收缩段114和细长的喉或混合段116的混合器。外构件还具有在细长的喉或混合段116下游的扩散段或扩散器118。动力喷嘴出口110被定位在次喷嘴收缩段114内。当流103离开出口110时，其开始与流112混合，而进一步混合通过提供混合区的混合段116来发生。 在运行中，主流103通常在进入喷射器时可以是超临界的并且在离开动力喷嘴时可以是亚临界的。 次流112在进入次入口端口42时是气态的（或者气体和较少量液体的混合物）。得到的混合流120是液体/蒸气混合物并且在扩散器118内减速并升压同时维持混合物。 在进入分离器时，流120被分离回到流103和流112。流103如以上讨论地作为气体经过压缩机吸入管线。 流112作为液体前进到膨胀阀70。流112可由阀70膨胀（例如，低品质地（带有少量蒸气的两相））并且被传递到蒸发器64。在蒸发器64中，制冷剂从传热流体（例如，从由风扇推动的空气流或水或其它液体）吸热并作为前述的气体被从出口68排放到管线74。

使用喷射器来回收压力/功。 从膨胀过程回收的功被用于在气态制冷剂进入压缩机之前对其进行压缩。 因此，对于给定的期望蒸发器压力，可以减少压缩机的压力比（并且因此功率消耗）。 也可以降低进入蒸发器的制冷剂干度。 因此，可（相对于没有喷射器的***）增加每单位质量流的制冷效果。 改善了进入蒸发器的流体分布（由此改善了蒸发器性能）。 因为蒸发器没有直接馈送压缩机，所以不要求蒸发器产生过热制冷剂出流。 喷射器循环的使用因此可允许减少或消除蒸发器的过热区。 这可允许蒸发器在两相状态下运行，两相状态提供了更高的传热性能（例如，对于给定能力有利于减少蒸发器尺寸）。

示例性的喷射器可以是固定几何尺寸喷射器或者可以是可控喷射器。图2示出了由针阀130提供的可控性，针阀130具有针132和致动器134。致动器134移动针的针尖部分136进出动力喷嘴100的喉段106，从而调节通过动力喷嘴的并且进而通过喷射器整体的流动。 示例性的致动器134是电动的（例如，螺线管等）。 致动器134可被联接到控制器140并由其控制，控制器140可从输入设备142（例如，开关、键盘等）和传感器（未示出）接收使用者输入。 控制器140可通过控制线144（例如有线路径或无线通信路径）被联接到致动器和其它可控***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，用于存储用来由处理器执行以实现操作方法的程序信息和用于存储由程序使用或产生的数据）；以及硬件接口设备（例如，端口）以与输入/输出设备和可控***部件实现交互。

已经提出了对这种喷射器***的各种改进。 在US20070028630中的一个示例涉及沿着管线46设置第二蒸发器。US20040123624公开了具有两对喷射器/蒸发器的***。 在US20080196446中示出了另外的两个蒸发器、单个喷射器的***。

发明内容

本公开的一个方面涉及具有压缩机的***。 排热换热器被联接到压缩机以接收由压缩机压缩的制冷剂。 喷射器具有主入口、次入口和出口，主入口与排热换热器联接以接收制冷剂。 该***具有吸热换热器。 该***包括用于提供1-10％品质的制冷剂到吸热换热器和/或提供85-99％品质的制冷剂到压缩机和吸入管线换热器（如果有的话）中至少一个的装置。

在各种实施方式中，膨胀设备可位于紧邻吸热换热器的上游。 制冷剂可包括至少50％的二氧化碳（按重量）。

本公开的其它方面涉及运行该***的方法。

一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中公开。 其它的特征、目的和优点可通过该描述和附图、以及通过权利要求而易于理解。

附图说明

图1是现有技术喷射器制冷***的示意图。

图2是喷射器的轴向截面图。

图3是第一制冷***的示意图。

图4是图3的***的分离器的放大图。

图5是图3的***的压力-焓图。

图6是另一分离器的放大图。

图7是第二制冷***的示意图。

图8是第三制冷***的示意图。

图9是第四制冷***的示意图。

在各个附图中相同的附图标记和指示表示相同的元件。

具体实施方式

图3示出了喷射器循环蒸气压缩（制冷）***170。***170可以被制造成是***20或另一***的改进或者被制造成是原始的制造/构造。 在示例性的实施例中，可从***20保留下来的相同的部件被示出为具有相同的附图标记。 运行可类似于***20的运行，除了如下讨论地控制器响应于来自各种温度传感器和压力传感器的输入而控制运行。

鉴于图1的分离器48从其气体出口传送基本上纯的气体，并且从其液体出口传送基本上纯的液体，所以可能令人满意的是用略微混合状态的流来代替这些流中的一者或全部两者。

例如，如果期望，通过将两相混合物馈送入压缩机，压缩机的排出温度可被减小（因此延展了压缩机***的运行范围）。 也可期望用少量的液体馈送吸入管线换热器（SLHX-下面讨论）和/或压缩机来改善SLHX和压缩机的效率。 示例性的制冷剂被以85-99％的品质（蒸气质量流百分比）传递，更窄地，90-98％或94-98％。 压缩蒸气所要求的功率增加，这增加吸入焓。 对于封闭式压缩机来说，制冷剂蒸气被用于冷却马达。 例如，在许多压缩机中，在吸入流进入压缩腔之前首先使吸入流从马达上经过（提高到达压缩腔的制冷剂的温度）。 通过在吸入流的蒸气中提供少量的液体，马达可被冷却，同时减少了在制冷剂从马达上经过时制冷剂的温度增加。 而且，一些压缩机可容忍少量液体进入吸入腔。 如果压缩过程以一些液体开始，制冷剂将保持比没有这些液体时更冷，并且该压缩过程要求更少的功率。 这对在压缩过程中表现出大程度的加热的制冷剂（例如CO₂）来说尤其有益。 向压缩机提供液体制冷剂的负面是液体不再可用于在蒸发器64内产生冷却。提供到管线56的品质最优选择由***的具体特征决定以平衡这些考虑因素。

也可使用少量的液体制冷剂来改善SLHX的性能。 SLHX通常是逆流设计。 总传热由具有最小的流速与比热乘积的流体侧限制。 对于纯蒸气在冷侧而纯液体在热侧的制冷***SLHX，冷侧蒸气是限制性的。 不过，提供到冷侧的少量液体有效地增加了其比热。 因此，可从同样的SLHX更多地传热，或者相反地，对于同样的传热，如果将少量的液体添加到蒸气，可使用更小的换热器。

也通过将两相混合物馈送到蒸发器上游的膨胀阀，可精确地控制***能力，这可阻止不必要的***停机（平顺性和改善的可靠性）并改善温度控制。 这可有助于改善制冷剂在蒸发器歧管内的分布并进一步改善蒸发器性能。示例性的制冷剂以1-10％品质（蒸气质量流百分比）传递，更窄地2-6％。 直接膨胀蒸发器通常在非常低和非常高的品质范围内有不良传热。 对于这些蒸发器设计，提供更高品质可改善在该蒸发器进口区域（此处品质最低）的传热系数。

***170用用于提供1-10％品质的制冷剂到吸热换热器和/或提供90-99％品质的制冷剂到压缩机和目前为吸入管线换热器中至少一者的装置代替分离器。

示例性装置180（图4）可基于传统的蓄能器，并且可用作提供所述1-10％品质的制冷剂和所述90-99％品质的制冷剂两者的装置。 改进的蓄能器具有箱或容器182、入口184、用于排出高品质制冷剂187的第一出口186、和用于排出低品质的制冷剂189的第二出口188。

示例性的第一出口186是在U管（或J管）190的下游端处。U管延伸到第二端（气体入口端）192，第二端通向箱的顶部空间194用于从该顶部空间抽吸气体流196。 U管的下部（槽或基部）198被浸没在箱的下部中的在顶部空间下方的液体制冷剂积聚200中。 为了携带期望量的液体202进入气体流以形成高品质流187，可沿着U管形成一个或多个孔204，包括在下部198内。孔的尺寸和位置被构造成提供进入SLHX和/或压缩机的期望品质的两相混合物。 钻孔204的示例性孔尺寸是0.01英寸-0.5英寸(0.25mm-12.7mm),更窄地，0.2-0.3英寸(5.1-7.6mm)。 可使用多个孔并且该多个孔可被设置成实现期望的结果。

为了在低品质流189中提供少量的气体，一个或多个蒸气管线管220可从具有一个或多个气体入口（孔）224的部分222延伸到顶部空间内。 示例性的部分222是封闭的上部分。 第二部分226（下部分）具有在液体积聚200内的一个或多个孔228。孔228和224的尺寸被选择成使得气态制冷剂流230被通过孔224抽吸并变为被携带在通过孔228抽吸的液体制冷剂流232内，以提供低品质流189的期望组成。孔224的示例性尺寸对于钻孔来说在直径方面最大为2英寸(50mm)或者对于其它孔来说是等效面积,更窄地,0.1-0.5英寸(2.5-13mm)或者0.1-0.3英寸(2.5-7.6mm)。 孔228的示例性尺寸对钻孔来说在直径方面是0.1-2英寸或者对于其它孔来说是等效面积,更窄地,0.2-1.0英寸(5-25mm)或者0.25-0.75英寸(6.35-19.1mm)。 孔尺寸的比值（＃224蒸气与228液体）是0到0.9；更窄地，0.1到0.5；更窄地，0.1到0.3。

图5示出了***的压力-焓（P-H）图，在该***中近似0.1的制冷剂品质被传送到膨胀阀70并且近似0.9的制冷剂品质被传送到压缩机吸入端口24。 提供到膨胀设备的制冷剂品质的变化导致膨胀过程的焓从示出为70'的基线到所示出的蒸发器70的更高的焓的移动550。类似地，还有从示出为22’的基线到示出的改进***中的压缩机22的改进值的减小压缩过程的焓的移动552。 移动550将出口52（这形成膨胀设备70的入口条件）进一步移向饱和液体线542的高焓侧（例如，从更接近该线的低焓侧、沿着该低焓侧或到达该低焓侧的基线）。 类似地，移动552使出口54和压缩机吸入条件24向着饱和蒸气线540的低焓侧更进一步（例如，从更接近该线的高焓侧、沿着该高焓侧或到达该高焓侧的基线）。

图6通过将管插件242的上端240***入口导管（并通过焊接、夹紧等固定）来改进装置180。 管242的下端244被封闭并安置在容器的底部上（例如，用于支撑以使得与入口导管的接合处的应力最小）。 沿着中间部分（仍然高于积聚200的表面），管242带有小开口246。小开口246将入口流120偏转以减小入口流遇到积聚时的速度。 例如，小开口246可导致入口流偏转离开容器的侧壁（例如，沿着侧壁流到积聚）。 这种偏转减少了积聚200内的起泡沫并有助于提供流187和189内的蒸气和液体的受控平衡。

在一个示例性的实施方式中，入口管具有15.9mm的内径(ID),这对应于特定的标准管尺寸。 可使用其它的尺寸，这视***要求而定。 在示例中，孔246被分组成两排，每排五个孔，每组中的每个孔都与另一组的相关联的孔直接相对。 示例性的孔的直径是0.25英寸(6.35mm)。 可提供其它样式的孔。 例如，可提供样式以建立具体的流动样式，以适应其它的内部部件等。 类似地，孔取向可被改变为偏离径向或偏离水平。 例如，偏离水平/径向朝上成最大45度的角度的孔倾斜可允许沿着侧壁的流动来使用更多的侧壁。 更广泛地，入口导管或其中插件的示例性的管尺寸是八分之一英寸到2英寸(3.2mm-50.8mm)。 类似地，孔尺寸的示例性范围（尤其对于钻孔）在直径方面是0.8mm-20mm，这视期望流速、导管尺寸等而定。非圆形孔可具有类似的示例性横截面面积。 总孔面积与当地管内横截面面积的示例性比是0.5-20，更窄地1-5或1-2。

图7示出了***250，其可被制造为对图1或3的***或其它***的进一步改进或者被制造为原始制造/构造。在示例性的实施例中，可从***170保留下来的相同的部件被示出为具有相同的附图标记。 运行可类似于***170的运行，除了如下所讨论的。 ***250在其它方面类似于***170，除了以吸入管线换热器252在第一分离器气体出口和第一压缩机入口之间具有沿着吸入管线的支路254（吸热支路）为特征。 支路254与在排热换热器出口和喷射器主入口之间在排热换热器出口管线中的支路256成换热关系。

图8示出了***300，其如***250一样，可被形成为对图1或图3中***的改进。***300以在排热换热器出口和喷射器主入口之间的闪蒸箱经济装置302为特征。 经济装置具有箱304，该箱具有入口306、第一出口（气体出口）308和第二出口（液体出口）310。示例性的入口306和出口308沿着填充有气体的顶部空间312。 示例性的第二出口310沿着含有液体积聚314的下部。第二出口310馈送液体制冷剂到喷射器主入口。 第一出口308馈送经济装置管线316，该管线联接到位于压缩机吸入端口和压缩机排出端口之间的压缩中间级处的压缩机的经济装置端口318。 阀320可被定位在排热换热器出口和经济装置入口之间。 阀320用于提供从排热换热器到经济装置压力的压降，经济装置压力是在压缩机排出压力和蓄能器压力之间的亚临界中间压力。 进入阀320的液体或超临界制冷剂的一部分被汽化，因此冷却剩余的液体。

图9示出了兼有图8的经济装置和图7的SLHX的***350。该示例性的SLHX的排热支路位于排热换热器出口和阀320之间。

孔几何形状、尺寸和定位的选择可被迭代地优化以提供用于给定的目标运行条件的期望近似分离器出口流条件。 在实际的运行条件范围下，否则会出现与分离器出口流的期望品质的偏离。 可由控制器140进行主动控制（例如，通过运行存储在存储器内的程序以提供所述控制的处理器），从而实现期望的流体组成（或至少更接近所期望的）。 在一组示例中，所使用的传感器***是双传感器***（例如，双热敏电阻），其中允许第一传感器（例如，热敏电阻）自加热（例如，通过提供超过用于运行该传感器的推荐输入的过量电流）并且另一个传感器作为普通传感器并测量温度（例如，热电偶、电阻温度检测器、或热敏电阻）。 自加热传感器在其感测到蒸气时变热的速度快于在其感测到液体时。 此时可由控制器通过读取自加热传感器和普通传感器之间的差（基于两个传感器的已知性能差）来计算品质。

这些传感器600（自加热传感器）和602（普通传感器）的示例性的第一对被示出在图3的出口186和吸入端口24之间的吸入管线56中。示例性的第二对604、606示出为在图3中沿着管线74在蒸发器的下游且在喷射器次入口的上游。另一方法是使用测量的排出过热，并且通过压缩机各向同性效率的已知标定，使控制器确定吸入品质条件。 这可通过在压缩机的出口处的排出管线中的排出过热传感器610确定。 这可能是用于测量从出口186排出的制冷剂的品质的相对成本有效的方法。第三种变型包括在马达下游的压缩机内的过热传感器614（图3）。

控制器可通过控制阀70朝着期望值控制蒸发器下游的管线74中的品质。这进而具有对由分离器排向阀70的品质有更小的反馈作用。开启阀70会降低从分离器排出的品质（增加液体含量），而关闭阀70会提高品质（减少液体含量）。 如果阀70被足够地关闭，管线74内的制冷剂状态就变为过热。

相比来自第二出口88的制冷剂流的品质，控制器可更直接地控制来自第一出口86的制冷剂流的品质。不过，这可通过改变压缩机速度以控制压缩机上游的管线56中的品质来间接地执行。 因为压缩机速度通常被改变以控制***能力，所以这种控制水平可能仅在品质超过不令人满意的阈值时才进行。 例如，如果品质必须被保持为高于90％以确保适当的压缩机运行，当控制器检测到品质下降到低于该阈值时，它可能增加压缩机速度以提高品质。

所述***可使用对于特定目的用途来说合适的传统技术由传统的部件制造。

虽然上面详细描述了实施例，但并非意在用这些描述限制本公开的范围。 应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可进行各种改进。 例如，当以现有***的再制造或现有***构造的重建实施时，现有构造的细节可影响或规定任一特定实施方式的细节。 因此，其它实施例也在后面的权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种***（170，250，300），其包括：

压缩机（22）；

排热换热器（30），其被联接到压缩机以接收由压缩机压缩的制冷剂；

喷射器（38），其具有：

主入口（40），其联接到排热换热器以接收制冷剂；

次入口（42）；以及

出口（44）；

吸热换热器（64）；以及

用于提供1-10％品质的制冷剂到吸热换热器和/或提供85-99％品质的制冷剂到压缩机和吸入管线换热器（如果有的话）中至少一个的装置（180）。

2.如权利要求1所述的***，其中所述装置包括：

联接到喷射器的出口的入口（184）；

联接到压缩机和吸入管线换热器中所述至少一个的第一出口（186）；以及

联接到吸热换热器以将制冷剂传送到该吸热换热器的第二出口（188）；

其中管（190）具有浸没在液体制冷剂积聚（200）内的部分（198）并且具有沿着该部分的至少一个孔（204），该至少一个孔（204）定位成将来自积聚（200）的液体（202）携带在通过从顶部空间（194）到第一出口（186）的管的气体流（196）内。

3.如权利要求2所述的***，其中：

所述管是U管，该U管具有通向顶部空间的气体入口端（192）并且延伸到第一出口。

4.如权利要求1所述的***，其中所述装置包括：

联接到喷射器的出口的入口（184）；

联接到压缩机和吸入管线换热器中所述至少一个的第一出口（186）；以及

联接到吸热换热器以将制冷剂传送到该吸热换热器的第二出口（188）；

其中管（220）具有浸没在液体制冷剂积聚（200）内的部分（226）并且具有沿着该部分的至少一个孔（228），所述至少一个孔（228）定位成将来自积聚（200）的液体（232）抽吸到第二出口（188），所述管（220）还具有在所述顶部空间中的至少一个孔（224）。

5.如权利要求1所述的***，还包括：

膨胀设备（70），其位于紧邻吸热换热器（64）的入口（66）的上游。

6.如权利要求1所述的***，其中：

该***没有其它的喷射器。

7.如权利要求1所述的***，其中：

该***没有其它的压缩机。

8.如权利要求1所述的***，其中：

制冷剂包括至少50％的二氧化碳（按重量）。

9.一种用于运行如权利要求1所述的***的方法，包括使压缩机在第一模式运行，其中：

制冷剂在压缩机内被压缩；

由排热换热器从所述压缩机接收的制冷剂在排热换热器中排热以产生初始地被冷却的制冷剂；

初始地被冷却的制冷剂移动通过喷射器；

来自喷射器的制冷剂出口流前进到所述装置，从而形成液体积聚（200），积聚（200）上方有顶部空间（194）；以及

来自所述顶部空间的气体流（196）携带来自所述积聚的液体（202）以提供所述85-99％品质的制冷剂。

10.如权利要求9所述的方法，其中： 

来自所述顶部空间的气体（230）被引入到来自所述积聚的液体（232）以形成所述1-10％品质的制冷剂出口流（189）。

11.如权利要求9所述的方法，其中： 

控制压缩机速度以进而控制所述85-99％品质的制冷剂的品质；以及

控制阀以进而控制所述1-10％品质的制冷剂的品质。

12.如权利要求9所述的方法，其中： 

响应于对排出过热的测量，以及通过确定压缩机吸入品质条件的压缩机各向同性效率的已知标定，控制压缩机速度以进而控制所述85-99％品质的制冷剂的品质。

13.一种***（170，250，300），其包括：

压缩机（22）；

排热换热器（30），其被联接到压缩机以接收由压缩机压缩的制冷剂；

喷射器（38），其具有：

主入口（40），其联接到排热换热器以接收制冷剂；

次入口（42）；以及

出口（44）；

吸热换热器（64），其联接到第一喷射器出口以接收制冷剂；以及

分离设备，其具有：

联接到喷射器的出口的入口（184）；

联接到压缩机和吸入管线换热器中所述至少一个的第一出口（186）；以及

联接到吸热换热器以将制冷剂传送到该吸热换热器的第二出口（188）；

其中管（190）具有浸没在液体制冷剂积聚（200）内的部分（198）并且具有沿着该部分的至少一个孔（204），该至少一个孔（204）定位成将来自积聚（200）的液体（202）携带在通过从顶部空间（194）到第一出口（186）的管的气体流（196）内。

14.如权利要求13所述的***，其中： 

所述管是U管，该U管具有通向顶部空间的气体入口端（192）并且延伸到第一出口。

15.一种制冷剂分离器，其包括：

容器（182）；

入口（184）；

第一出口（186）；

第二出口（188）；

用于提供1-10％品质的制冷剂到第二出口和/或85-99％品质的制冷剂到第一出口的装置（180）。

16.如权利要求15所述的***，其中所述装置包括：

管（190）具有浸没在液体制冷剂积聚（200）内的部分（198）并且具有沿着该部分的至少一个孔（204），至少一个孔（204）定位成将来自积聚（200）的液体（202）携带在通过从顶部空间（194）到第一出口（186）的管的气体流（196）内。

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