CN112833575B - 采用混合工质的喷射器增效的j-t制冷循环***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用混合工质的喷射器增效J‑T制冷循环***及控制方法，该***包括压缩机，冷却器，第一回热器，可调喷射器，第二回热器，电子膨胀阀，蒸发器和控制器；该***通过配置喷射器，利用第一回热器出口的高压混合工质作为一次流体，引射来自第二回热器出口的低压两相混合工质，从而提高压缩机的吸气压力，降低功耗；该***取消了喷射器增效循环中常用的气液分离器，简化了制冷***，避免了喷射器增效***中常见的回油问题；与采用气液分离器的***相比，该***分别通过第一回热器和第二回热器以保证压缩机吸气为过热气体和电子膨胀阀进口为过冷液体，将降低进入蒸发器的混合工质焓值，有效提高***制冷量和***效率。

Description

采用混合工质的喷射器增效的J-T制冷循环***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冷柜(冰箱)的喷射器增效的混合工质节流制冷循环***及控制方法。

背景技术

随着医疗技术的发展和工业化水平的提高，人们对于低温制冷技术的需求越来越大。低温冷柜(冰箱)是指箱内温度降低至-80℃及以下的保温箱，通常用于保存贵重的医疗用品或工业材料。目前，用于获取-80℃及以下的低温的制冷方式有：复叠式的压缩制冷、自复叠式的压缩制冷和应用焦耳-汤姆逊效应(J-T效应)的混合工质节流制冷等等。采用混合工质的J-T节流制冷具有***部件少、工作稳定等优点，仅采用单级压缩就可以实现120-240K温区。然而，混合工质节流制冷采用膨胀阀作为唯一的节流装置，存在较大的节流损失，这导致其制冷性能较低。

喷射器具有结构简单、无运动件，工作可靠等优点，将喷射器应用于蒸汽压缩制冷***中可以有效回收节流过程中损失的膨胀功，提高压缩机的吸气压力，从而降低压缩机功耗。然而，现有的技术多数采用喷射器和气液分离器的组合，以提高制冷循环的吸气压力并保证压缩机吸气不带液。气液分离器会造成***复杂，而且冷冻机油容易积攒在气液分离器的底部，造成压缩机回油困难。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种采用混合工质的喷射器增效的J-T制冷循环***及控制方法。在传统混合工质节流制冷***的基础上，引入了喷射器和第二个回热器。该***并没有采用喷射器增效循环中常用的气液分离器，而是在喷射器的出口进行分流，并设置两个回热器分别保证压缩机抽气不带液和电子膨胀阀入口的混合工质为过冷液态。因此，该新循环通过配置喷射器，提高了压缩机吸气压力，降低了压缩机功耗；同时避免了喷射器增效***中常见的回油问题，而且通过二次回热，降低了进入蒸发器的混合工质的焓值，从而显著改善了制冷循环***的工作性能，为混合工质节流制冷循环在超低温冷柜的应用上提供一定的推动作用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***，包括压缩机101，冷却器102，第一回热器103，可调喷射器104，第二回热器105，电子膨胀阀106，蒸发器107；所述压缩机101的排气出口与冷却器102的入口相连；冷却器102的出口与第一回热器103的热流侧入口相连；第一回热器103的热流侧出口与可调喷射器104的一次流进口相连；可调喷射器104的出口分为两路，一路与第二回热器105的热流侧入口相连；第二回热器105的热流侧出口经过电子膨胀阀106与蒸发器107的入口相连；蒸发器107的出口与第二回热器105的冷流侧入口相连；第二回热器105的冷流侧出口与可调喷射器104的二次流入口相连；可调喷射器104出口的另一路与第一回热器103的冷流侧入口相连；第一回热器103的冷流侧出口与压缩机101吸气进口相连，形成整个制冷循环***；所述第一回热器103冷流侧出口设置第一温度测点1和第一压力测点2；所述第二回热器105的热流侧出口设置第二温度测点3和第二压力测点4；所述制冷循环***中设置控制器108，所述控制器108的输入端连接第一温度测点1、第一压力测点2、第二温度测点3和第二压力测点4，输出端连接可调喷射器104的驱动机构和电子膨胀阀106的驱动机构；控制器108将接收到的压力信号转变为温度信号，然后分别得到第一回热器103出口的过热度和第二回热器105出口的过冷度，最后将调节信号分别输出给可调喷射器104和电子膨胀阀106的驱动机构。

所述第一回热器103的热流侧出口与可调喷射器104的一次流入口相连，这一路的高压液态流体作为可调喷射器104的工作流体，引射来自第二回热器105冷流侧出口的低压混合工质；两股混合工质在可调喷射器104的混合室中充分混合，以两相中压的状态从可调喷射器104的扩压室的出口排出；通过配置可调喷射器，利用其升压效果提高了压缩机101的吸气压力，降低其压比，因此压缩机101的功耗减小。

所述可调喷射器104出口不设置气液分离器，而是分为两路，一路与第一回热器103的冷流侧入口相连，而第一回热器103的冷流侧出口则与压缩机101的吸气口相连；通过配置第一回热器103，这一路的气液两相混合工质将在第一回热器103中被加热至过热气态混合工质，使得进入压缩机101的混合工质为过热状态，防止压缩机101吸气带液；可调喷射器104出口另一路与第二回热器105的热流侧入口相连，而第二回热器105的热流侧出口则与电子膨胀阀106的入口相连；通过配置第二回热器105，这一路的两相混合工质将在第二回热器105中被冷却为过冷液态混合工质，使得进入电子膨胀阀106的混合工质被冷却至过冷状态，降低其焓值，从而提高制冷量和***效率。

所述可调喷射器104喷嘴的喉部直径可变，通过喷嘴中心可调针的轴向位置来控制喷嘴喉部的面积，从而调整冷却器102出口的混合工质流量。

所述的一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***的控制方法，当制冷循环***正常运行时，压缩机101启动，压缩机101的抽气口与第一回热器103的冷流侧出口相连，控制器108在线采集第一回热器103冷流侧出口的第一温度测点1的温度T1和第一压力测点2的压力P2，控制器108将相应的调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，用以调整喷嘴的喉部面积，使得第一回热器103冷流侧出口的混合工质被加热至过热状态；第二回热器105的热流侧出口与电子膨胀阀106的入口相连，控制器108采集第二回热器105的热流侧出口的第二温度测点3的温度T3和第二压力测点4的压力P4，控制器108将相应调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，用以调整电子膨胀阀106的开度，使得第二回热器105的热流侧出口的混合工质被冷却至过冷状态；

所述控制器108将相应的调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，用以调整喷嘴的喉部面积，使得第一回热器103冷流侧出口的混合工质被加热至过热状态的具体方法为：控制器108在线采集第一回热器103冷流侧出口的温度T1和压力P2，以压力P2作为输入参数，根据制冷剂热力性质计算方程式计算得到压力P2所对应的混合工质的饱和温度T2，令δ1＝T1-T2；控制器108设置过热度为θ1，控制精度设为Δ；当δ1＝θ1±Δ，即混合工质处于过热状态，且过热θ1±Δ时，控制器108不输出调节信号；当δ1＜θ1-Δ时，控制器108将调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，增大喷嘴的喉部面积，增加冷却器102出口的流量，即提高第一回热器103的换热量，增大第一回热器103冷流侧出口的混合工质过热度，直到过热度增大到θ1时，可调喷射器104驱动机构不再动作；当δ1＞θ1+Δ时，控制器108将调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，减小喷嘴的喉部面积，减小冷却器102出口的流量，即降低第一回热器103的换热量，从而降低第一回热器103冷流侧出口的混合工质过热度，直到过热度减小到θ1时，可调喷射器104驱动机构不再动作；

所述控制器108将相应调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，用以调整电子膨胀阀106的开度，使得第二回热器105的热流侧出口的混合工质被冷却至过冷状态的具体方法为：控制器108在线采集第二回热器105冷流侧出口的温度T3和压力P4，以压力P4作为输入参数，根据制冷剂热力性质计算方程式计算得到压力P4所对应的混合工质的饱和温度T4，令δ2＝T3-T4；控制器108设置过冷度为θ2(θ2＞0)，控制精度设为Δ；即混合工质处于过冷状态，且过冷θ2±Δ时，控制器108不输出调节信号；当δ2＜-θ2-Δ时，控制器108将调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，减小电子膨胀阀106的开度，减小蒸发器107出口的流量，即降低第二回热器105的换热量，降低第二回热器105热流侧出口的混合工质过冷度，直到过冷度减小到θ2时，电子膨胀阀106的驱动机构不再动作；当δ2＞-θ2+Δ时，控制器108将调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，增大电子膨胀阀106的开度，增加蒸发器107出口的流量，即提高第二回热器105的冷量，从而提高第二回热器105热流侧出口的混合工质过冷度，直到过冷度提高到θ2℃时，电子膨胀阀106的驱动机构不再动作。

相对于常规的J-T混合工质节流制冷循环***，该新型喷射器增效的混合工质节流制冷循环***具有以下有益效果：

(1)该***所使用的喷射器具有结构简单和工作稳定等优点；喷射器的升压能力可以有效提高压缩机的吸气压力，降低压缩机进出口的压比，从而降低其功耗。

(2)该***取消喷射器出口的气液分离器，因此***更加简单，并且避免了喷射器增效***中常见的回油问题。

(3)该***采用了第一回热器103和第二回热器105，分别保证压缩机进气为过热气态混合工质和电子膨胀阀进口为过冷液态混合工质；这一方面降低了进入蒸发器的混合工质的焓值，提高了制冷量；另一方面提高了混合工质在蒸发器的蒸发压力，降低了压缩机压比，从而有效提高了***效率。

附图说明

图1是本发明的制冷循环***示意图；

图2是本发明的控制方法1的流程图；

图3是本发明的控制方法2的流程图。

图中：1、压缩机吸气口温度测点，2、压缩机吸气口压力测点，3、电子膨胀阀进口温度测点，4、电子膨胀阀进口压力测点，101、压缩机，102、冷却器，103、第一回热器，104、可调喷射器，105、第二回热器，106、电子膨胀阀，107、蒸发器，108、控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1所示，本发明一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***，包括压缩机101，冷却器102，第一回热器103，可调喷射器104，第二回热器105，电子膨胀阀106，蒸发器107；所述压缩机101的排气出口与冷却器102的入口相连；冷却器102的出口与第一回热器103的热流侧入口相连；第一回热器103的热流侧出口与可调喷射器104的一次流进口相连；可调喷射器104的出口分为两路，一路与第二回热器105的热流侧入口相连；第二回热器105的热流侧出口经过电子膨胀阀106与蒸发器107的入口相连；蒸发器107的出口与第二回热器105的冷流侧入口相连；第二回热器105的冷流侧出口与可调喷射器104的二次流入口相连；可调喷射器104出口的另一路与第一回热器103的冷流侧入口相连；第一回热器103的冷流侧出口与压缩机101吸气进口相连，形成整个制冷循环***；所述第一回热器103冷流侧出口设置第一温度测点1和第一压力测点2；所述第二回热器105的热流侧出口设置第二温度测点3和第二压力测点4；所述制冷循环***中设置控制器108，所述控制器108的输入端连接第一温度测点1、第一压力测点2、第二温度测点3和第二压力测点4，输出端连接可调喷射器104的驱动机构和电子膨胀阀106的驱动机构；控制器108将接收到的压力信号转变为温度信号，然后分别得到第一回热器103出口的过热度和第二回热器105出口的过冷度，最后将调节信号分别输出给可调喷射器104和电子膨胀阀106的驱动机构。

结合图1，该喷射器增效的J-T制冷循环***的工作方法：压缩机101出口的高压气态混合混合工质进入冷却器102，在等压状态下被冷却为气液两相混合工质；这部分两相混合工质进入第一回热器103，被冷却为饱和液态的混合工质；而该高压液态混合工质将进入喷射器104的一次流入口，并作为工作流体在喷嘴中膨胀降压，引射来自第二回热器105冷流侧出口的饱和气态混合工质；两股混合工质在喷射器104中充分混合，并升压后从喷射器104出口排出；喷射器104的出口的中压状态的气液两相混合工质被分为两路，其中一路的两相混合工质作为热流侧进入第二回热器105，并被冷凝为过冷液态的混合工质；这部分过冷液态混合工质进入膨胀阀106进行节流降压，成为低温低压的两相混合工质，然后进入蒸发器107中蒸发吸热，达到制冷效果；蒸发器107出口的气液两相混合工质继续作为冷流侧进入第二回热器105进行预冷，然后被加热为的两相状态的混合工质；第二回热器105出口的两相混合工质将作为二次流体而被喷射器104引射；喷射器104的出口的另一路中压状态的气液两相混合工质，将作为第一回热器103的冷流侧，对冷却器102出来的气液两相混合工质进行冷却，并且自身被加热为过热的气态混合工质，然后进入压缩机101，从而完成整个制冷循环过程。

本发明所述的一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***的控制方法，当制冷循环***正常运行时，压缩机101启动，压缩机101的抽气口与第一回热器103的冷流侧出口相连，控制器108在线采集第一回热器103冷流侧出口的第一温度测点1的温度T1和第一压力测点2的压力P2，控制器108将相应的调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，用以调整喷嘴的喉部面积，使得第一回热器103冷流侧出口的混合工质被加热至过热状态；第二回热器105的热流侧出口与电子膨胀阀106的入口相连，控制器108采集第二回热器105的热流侧出口的第二温度测点3的温度T3和第二压力测点4的压力P4，控制器108将相应调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，用以调整电子膨胀阀106的开度，使得第二回热器105的热流侧出口的混合工质被冷却至过冷状态；

如图2所示，所述控制器108将相应的调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，用以调整喷嘴的喉部面积，使得第一回热器103冷流侧出口的混合工质被加热至过热状态的具体方法为：控制器108在线采集第一回热器103冷流侧出口的温度T1和压力P2，以压力P2作为输入参数，根据制冷剂热力性质计算方程式计算得到压力P2所对应的混合工质的饱和温度T2，令δ1＝T1-T2；控制器108设置过热度为θ1，控制精度设为Δ；当δ1＝θ1±Δ，即混合工质处于过热状态，且过热θ1±Δ时，控制器108不输出调节信号；当δ1＜θ1-Δ时，控制器108将调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，增大喷嘴的喉部面积，增加冷却器102出口的流量，即提高第一回热器103的换热量，增大第一回热器103冷流侧出口的混合工质过热度，直到过热度增大到θ1时，可调喷射器104驱动机构不再动作；当δ1＞θ1+Δ时，控制器108将调节信号输出给可调喷射器104的驱动机构，减小喷嘴的喉部面积，减小冷却器102出口的流量，即降低第一回热器103的换热量，从而降低第一回热器103冷流侧出口的混合工质过热度，直到过热度减小到θ1时，可调喷射器104驱动机构不再动作；

如图3所示，所述控制器108将相应调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，用以调整电子膨胀阀106的开度，使得第二回热器105的热流侧出口的混合工质被冷却至过冷状态的具体方法为：控制器108在线采集第二回热器105冷流侧出口的温度T3和压力P4，以压力P4作为输入参数，根据制冷剂热力性质计算方程式计算得到压力P4所对应的混合工质的饱和温度T4，令δ2＝T3-T4；控制器108设置过冷度为θ2(θ2＞0)，控制精度设为Δ；即混合工质处于过冷状态，且过冷θ2±Δ时，控制器108不输出调节信号；当δ2＜-θ2-Δ时，控制器108将调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，减小电子膨胀阀106的开度，减小蒸发器107出口的流量，即降低第二回热器105的换热量，降低第二回热器105热流侧出口的混合工质过冷度，直到过冷度减小到θ2时，电子膨胀阀106的驱动机构不再动作；当δ2＞-θ2+Δ时，控制器108将调节信号输出给电子膨胀阀106的驱动机构，增大电子膨胀阀106的开度，增加蒸发器107出口的流量，即提高第二回热器105的冷量，从而提高第二回热器105热流侧出口的混合工质过冷度，直到过冷度提高到θ2℃时，电子膨胀阀106的驱动机构不再动作。

综上所述，通过该控制方法，所述的第一回热器103需要满足将压缩机101吸气口的混合工质加热至过热状态，防止压缩机吸气带液。所述的第二回热器105需要满足将电子膨胀阀106入口的混合工质冷却至过冷状态，提高进入蒸发器的液体含量，降低焓值，提高蒸发器的制冷量，从而提高***效率。

Claims (5)

1.一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***，其特征在于：包括压缩机(101)，冷却器(102)，第一回热器(103)，可调喷射器(104)，第二回热器(105)，电子膨胀阀(106)，蒸发器(107)；所述压缩机(101)的排气出口与冷却器(102)的入口相连；冷却器(102)的出口与第一回热器(103)的热流侧入口相连；第一回热器(103)的热流侧出口与可调喷射器(104)的一次流进口相连；可调喷射器(104)的出口分为两路，一路与第二回热器(105)的热流侧入口相连；第二回热器(105)的热流侧出口经过电子膨胀阀(106)与蒸发器(107)的入口相连；蒸发器(107)的出口与第二回热器(105)的冷流侧入口相连；第二回热器(105)的冷流侧出口与可调喷射器(104)的二次流入口相连；可调喷射器(104)出口的另一路与第一回热器(103)的冷流侧入口相连；第一回热器(103)的冷流侧出口与压缩机(101)吸气进口相连，形成整个制冷循环***；所述第一回热器(103)冷流侧出口设置第一温度测点(1)和第一压力测点(2)；所述第二回热器(105)的热流侧出口设置第二温度测点(3)和第二压力测点(4)；所述制冷循环***中设置控制器(108)，所述控制器(108)的输入端连接第一温度测点(1)、第一压力测点(2)、第二温度测点(3)和第二压力测点(4)，输出端连接可调喷射器(104)的驱动机构和电子膨胀阀(106)的驱动机构；控制器(108)将接收到的压力信号转变为温度信号，然后分别得到第一回热器(103)出口的过热度和第二回热器(105)出口的过冷度，最后将调节信号分别输出给可调喷射器(104)和电子膨胀阀(106)的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***，其特征在于：所述第一回热器(103)的热流侧出口与可调喷射器(104)的一次流入口相连，这一路的高压液态流体作为可调喷射器(104)的工作流体，引射来自第二回热器(105)冷流侧出口的低压混合工质；两股混合工质在可调喷射器(104)的混合室中充分混合，以两相中压的状态从可调喷射器(104)的扩压室的出口排出；通过配置可调喷射器，利用其升压效果提高了压缩机(101)的吸气压力，降低其压比，因此压缩机(101)的功耗减小。

3.根据权利要求1所述的一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***，其特征在于：所述可调喷射器(104)出口不设置气液分离器，而是分为两路，一路与第一回热器(103)的冷流侧入口相连，而第一回热器(103)的冷流侧出口则与压缩机(101)的吸气口相连；通过配置第一回热器(103)，这一路的气液两相混合工质将在第一回热器(103)中被加热至过热气态混合工质，使得进入压缩机(101)的混合工质为过热状态，防止压缩机(101)吸气带液；可调喷射器(104)出口另一路与第二回热器(105)的热流侧入口相连，而第二回热器(105)的热流侧出口则与电子膨胀阀(106)的入口相连；通过配置第二回热器(105)，这一路的两相混合工质将在第二回热器(105)中被冷却为过冷液态混合工质，使得进入电子膨胀阀(106)的混合工质被冷却至过冷状态，降低其焓值，从而提高制冷量和***效率。

4.根据权利要求1所述的一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***，其特征在于：所述可调喷射器(104)喷嘴的喉部直径可变，通过喷嘴中心可调针的轴向位置来控制喷嘴喉部的面积，从而调整冷却器(102)出口的混合工质流量。

5.权利要求1至4的任一项所述的一种采用混合工质的喷射器增效J-T制冷循环***的控制方法，其特征在于：当制冷循环***正常运行时，压缩机(101)启动，压缩机(101)的抽气口与第一回热器(103)的冷流侧出口相连，控制器(108)在线采集第一回热器(103)冷流侧出口的第一温度测点(1)的温度T1和第一压力测点(2)的压力P2，控制器(108)将相应的调节信号输出给可调喷射器(104)的驱动机构，用以调整喷嘴的喉部面积，使得第一回热器(103)冷流侧出口的混合工质被加热至过热状态；第二回热器(105)的热流侧出口与电子膨胀阀(106)的入口相连，控制器(108)采集第二回热器(105)的热流侧出口的第二温度测点(3)的温度T3和第二压力测点(4)的压力P4，控制器(108)将相应调节信号输出给电子膨胀阀(106)的驱动机构，用以调整电子膨胀阀(106)的开度，使得第二回热器(105)的热流侧出口的混合工质被冷却至过冷状态；

所述控制器(108)将相应的调节信号输出给可调喷射器(104)的驱动机构，用以调整喷嘴的喉部面积，使得第一回热器(103)冷流侧出口的混合工质被加热至过热状态的具体方法为：控制器(108)在线采集第一回热器(103)冷流侧出口的温度T1和压力P2，将压力P2转化为相应压力下的混合工质的饱和温度T2，令δ1＝T1-T2；控制器(108)设置过热度为θ1，控制精度设为Δ；当δ1＝θ1±Δ，即混合工质处于过热状态，且过热θ1±Δ时，控制器(108)不输出调节信号；当δ1＜θ1-Δ时，控制器(108)将调节信号输出给可调喷射器(104)的驱动机构，增大喷嘴的喉部面积，增加冷却器(102)出口的流量，即提高第一回热器(103)的换热量，增大第一回热器(103)冷流侧出口的混合工质过热度，直到过热度增大到θ1时，可调喷射器(104)驱动机构不再动作；当δ1＞θ1+Δ时，控制器(108)将调节信号输出给可调喷射器(104)的驱动机构，减小喷嘴的喉部面积，减小冷却器(102)出口的流量，即降低第一回热器(103)的换热量，从而降低第一回热器(103)冷流侧出口的混合工质过热度，直到过热度减小到θ1时，可调喷射器(104)驱动机构不再动作；

所述控制器(108)将相应调节信号输出给电子膨胀阀(106)的驱动机构，用以调整电子膨胀阀(106)的开度，使得第二回热器(105)的热流侧出口的混合工质被冷却至过冷状态的具体方法为：控制器(108)在线采集第二回热器(105)冷流侧出口的温度T3和压力P4，将压力P4转化为相应压力下的混合工质的饱和温度T4，令δ2＝T3-T4；控制器(108)设置过冷度为θ2(θ2＞0)，控制精度设为Δ；即混合工质处于过冷状态，且过冷θ2±Δ时，控制器(108)不输出调节信号；当δ2＜-θ2-Δ时，控制器(108)将调节信号输出给电子膨胀阀(106)的驱动机构，减小电子膨胀阀(106)的开度，减小蒸发器(107)出口的流量，即降低第二回热器(105)的换热量，降低第二回热器(105)热流侧出口的混合工质过冷度，直到过冷度减小到θ2时，电子膨胀阀(106)的驱动机构不再动作；当δ2＞-θ2+Δ时，控制器(108)将调节信号输出给电子膨胀阀(106)的驱动机构，增大电子膨胀阀(106)的开度，增加蒸发器(107)出口的流量，即提高第二回热器(105)的冷量，从而提高第二回热器(105)热流侧出口的混合工质过冷度，直到过冷度提高到θ2℃时，电子膨胀阀(106)的驱动机构不再动作。

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