一種非能動式有機物工質噴射製冷方法
2023-12-02 14:52:16 1
一種非能動式有機物工質噴射製冷方法
【專利摘要】本發明涉及一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，利用重力把儲液罐中的液體有機物工質加入蒸發器；蒸發器中工質受熱蒸發，當工質溫度和壓力到一定值時自力式壓控閥自動打開，噴射器工作；工質冷凝後，分為兩路，一路流入儲液罐，另一路進入製冷蒸發器進行製冷循環，產生約12℃的冷媒水；當蒸發器中的液體工質完全蒸發時，壓控閥組工作，儲液罐工質流入蒸發器，將一定質量的工質密閉於蒸發器中，在再一次進行上述工作。本發明該系統以60～200℃的低溫熱能為熱源，以地下水、河(海)水或空氣為冷源，選取有機物作為工質，利用重力傳輸液體工質即可。
【專利說明】一種非能動式有機物工質噴射製冷方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及製冷工程【技術領域】的噴射製冷方法，尤其是涉及一種非能動式有機物工質噴射製冷方法。
【背景技術】
[0002]低溫熱源通常指溫度在200°C以下的熱源，其種類豐富，總量巨大，主要包括太陽能、地熱能及工業餘熱等。據統計，我國有三分之二的國土年太陽輻射總量大於每平米5000MJ，全國可採地熱資源量約為33億噸標準煤。由於低溫熱能具有種類多、分布廣、品質低等特點，因而難以通過常規的能量轉化設備進行回收，導致絕大多數此類能源被白白排放至環境之中，造成極大的浪費及環境汙染。因此，探索合理利用此類能源的技術成為目前能源【技術領域】的一個研究熱點。有機物工質發電及噴射式製冷系統採用有機物工質，選擇範圍廣，針對性強，且在熱源溫度低於270°C時較水蒸氣相比有更高的能源利用效率，因此被認為是最具潛力的低溫熱能利用技術之一。
[0003]噴射式製冷系統早在20世紀初就已經出現並得到了一定的應用，但由於其自身效率較低，且體積龐大等原因，逐漸被結構緊湊、效率更高的壓縮式製冷系統所取代。然而近些年，噴射式製冷系統由於不包含活動部件而具有結構簡單，性能可靠，維護方便等優點，且其採用的製冷劑工作參數較為適合於太陽能、地熱能及工業餘熱等低溫餘熱的利用，因而重新成為了該領域的一個研究重點，得到了人們的廣泛關注。
[0004]經過對現有技術文獻檢索，Huang B.J.等在《太陽能》雜誌1998年第64卷223-226頁上發表了一篇題為「採用R141b的太陽能噴射式製冷系統」的文章，(B.J.Huang,J.M.Chang.「A solar ejector cooling system using refrigerant R141b.，，SolarEnergy, 1998 (64):223-226.)文中提出了一種新的噴射製冷系統方案，該方案採用了帶有回熱裝置的高性能噴射製冷系統，該系統能夠更為合理的利用太陽能。文中對之前研究人員提出的噴射器一維數學模型進行了改進，並對系統的噴射製冷性能進行了計算，得到了良好的製冷效果。Zheng Bin等在《太陽能》雜誌2010年第84卷784-791頁上發表了一篇題為「低溫熱源發電及噴射製冷複合循環」的文章，(Zheng Bin, Y.ff.ffeng.「A combinedpower and ejector refrigeration cycle for low temperature heat sources.」SolarEnergy, 2010 (84):784-791.)該複合循環將膨脹機與噴射器串聯，在能量梯級利用的原則上更為合理的利用低溫餘熱資源，並利用工質汽化潛熱進行製冷，提高冷電聯供系統的性能。目前，與之類似的低溫熱源噴射式製冷系統得到了廣泛的研究，研究的重點主要集中在噴射器的數學模擬和優化，以及噴射性能實驗等方面。
[0005]傳統的製冷方法是在外部動力作用下才能工作，需要工質泵加壓，而工質泵本身要消耗大量的電能，此外控制過程也需要外部提供電力，導致系統總體效率降低，建設和維護成本增加。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種。
[0007]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0008]—種非能動式有機物工質噴射製冷方法，採用以下步驟:
[0009](I)判斷蒸發器內低壓力，第一自力式壓控閥、第二自力式壓控閥關閉，第三自力式壓控閥打開，儲液罐中的液體有機物工質在重力的作用下流入蒸發器，液位平衡後關閉第三自力式壓控閥、第二自力式壓控閥將液體工質密閉在蒸發器中；
[0010](2)在蒸發器中液體工質受熱蒸發，工質溫度和壓力不斷增加，達到101°C和2MPa時第一自力式壓控閥打開，噴射器工作；
[0011](3)液體工質經噴射器進入冷凝器中冷凝為液態後，分為兩路，一路流入儲液罐，另一路進入製冷蒸發器進行製冷循環，通過引射效應，產生12°C的冷媒水；
[0012](4)在工作過程中，蒸發器中的液體工質不斷加熱蒸發，直到完全蒸發，壓力下降到第一自力式壓控閥的設定壓力，壓控閥組工作，儲液罐工質流入蒸發器；
[0013](5)注液體入工質過程結束後，第三自力式壓控閥及第二自力式壓控閥關閉，將液體工質再次密閉於蒸發器中，然後重複上述步驟即可。
[0014]所述的噴射器包括噴嘴、引射流體入口、接受室、混合腔體和擴壓腔體，所述的噴嘴和引射流體入口均在接受室內，接受室、混合腔體、擴壓腔體依次相聯。
[0015]所述的儲液罐比蒸發器的相對位置高lOO-lOOOmm，利用重力傳輸液體工質。
[0016]該方法利用重力傳輸液體工質，利用自力式壓控閥和溫控閥控制整個噴射製冷過程。
[0017]所述的液體工質為R245fa、R600、R600a、R141b或R142b有機物工質。
[0018]所述的噴射器的噴射係數為0.1-0.5，噴射器內工作蒸汽的質量流量為
0.01-2.0Kg/s、工作壓力為 0.8-2.5MPa。
[0019]所述的冷凝器的工作壓力為冷卻水或冷卻空氣溫度在10°C?38°C時液體工質的冷凝壓力。
[0020]所述的製冷蒸發器工作壓力為液體工質蒸發溫度為5°C?15°C時所對應的蒸發壓力。
[0021]本發明所利用的低溫熱能，溫度範圍60°C -200°C，可以是工業低溫餘熱、太陽能熱水、地熱等，這部分低溫熱源種類繁多、總量巨大，由於利用起來難度大，很大一部分被直接丟棄，造成很大能源浪費。
[0022]與現有技術相比，本發明將蒸發器內的有機物工質受熱蒸發，使蒸發器內壓力和溫度不斷增加。當工質壓力達到噴射器的設計工作壓力時，蒸發器出口的第一自力式壓控閥打開，工作蒸汽進入噴射器產生引射作用，使製冷蒸發器的壓力下降，在製冷蒸發器內的工質相變氣化，將製冷蒸發器出口的蒸汽引射至噴射器中，並與工作蒸汽在混合腔體內混合，經過擴壓腔體後進入冷凝器冷凝。冷凝後的液態工質部分流入儲液罐中，另一部分經自力式溫控閥降壓後，進入製冷蒸發器蒸發吸熱，隨後被引射至噴射器中，同時在製冷蒸發器中把冷媒水的溫度降低到10_12°C，完成製冷循環。隨著蒸發器中工作蒸汽的消耗，蒸發器中的壓力逐漸下降到自力式壓控閥的設定值，第一自力式壓控閥和第二自力式壓控閥自動關閉，第三自力式壓控閥自動開啟，在重力的作用下，儲液罐中的液體工質重新流入蒸發器中，然後第三自力式壓控閥再次關閉，第二自力式壓控閥開啟，並開始下一次的循環，採用的噴射製冷裝置利用重力傳輸液體工質；系統無工質泵，依靠工質在密閉空間受熱蒸發實現壓力的升高；通過自力式壓控閥和溫控閥對製冷工作過程進行控制，從而實現製冷，因此能夠以地下水、河(海)水或空氣作為冷源，以有機物為工質，利用重力傳輸液體工質即可。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明使用裝置的結構示意圖；
[0024]圖2為噴射器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0026]實施例1
[0027]本實施例採用工質R600a，熱源溫度120°C，製冷輸出冷媒水溫度12°C，具體實施步驟如下:
[0028]第一步、第三自力式壓控閥打開，儲液罐中有機物液體工質在重力的作用下流入蒸發器中，液位平衡後第三自力式壓控閥關閉，將約IOOKg的工質密閉在蒸發器中。
[0029]第二步、蒸發器中液體工質受熱蒸發，工質溫度和壓力不斷增加，最終達到lOrC和2MPa，這一參數為噴射器設計工作參數。
[0030]第三步、位於蒸發器出口的自力式第一自力式壓控閥在壓力作用下自動打開，蒸汽作為工作流體，以0.175Kg/s的質量流速進入噴射器，產生引射作用，將製冷蒸發器出口側氣體引射至噴射器中。
[0031]第四步、工作流體與引射流體在噴射器混合腔體中混合後進入擴壓腔體室，由噴射器出口排出，進入冷凝器，噴射器出口的工質壓力和溫度分別為0.438MPa和64.2V。
[0032]第五步、汽態工質在冷凝器中冷凝為液態，之後分為兩路，其中一路流入儲液罐，而另一路則經自力式溫控閥節流後，進入製冷蒸發器中蒸發吸熱，同時在製冷蒸發器中把冷媒水的溫度降低到12°C，完成製冷循環。該製冷迴路的工質流量0.035Kg/s，對應的蒸發壓力和蒸發溫度分別為0.2IMPa和10°C，由自力式溫控閥進行調節。
[0033]第六步、製冷蒸發器經換熱後輸出12°C的冷媒水，輸出製冷量為12KW，製冷蒸發器出口的蒸汽由噴射器引射流體入口進入噴射器中與工作蒸汽混合。
[0034]第七步、在工作過程中，蒸發器中的液體工質不斷加熱蒸發，約570秒後蒸發完全，此後蒸發器中工質壓力迅速下降。
[0035]第八步、當工質壓力下降到自力式第一自力式壓控閥的設定壓力，第一自力式壓控閥和第二自力式壓控閥關閉，第三自力式壓控閥開啟，儲罐中的飽和液態工質在重力作用下流入蒸發器中。
[0036]第九步、當注入工質過程結束後，第三自力式壓控閥關閉，第二自力式壓控閥關閉，將一定質量的工質密閉於蒸發器中。開始新一輪的循環。
[0037]該案例下，製冷COP約為0.31，工作時的製冷量可達12KW。
[0038]實施例2
[0039]本實施例採用工質R245fa，熱源溫度120°C，製冷輸出冷媒水溫度12°C，具體實施步驟如下:[0040]第一步、第三自力式壓控閥打開，儲液罐中液體有機物工質在重力的作用下流入蒸發器中，液位平衡後第三自力式壓控閥關閉，將約IOOKg的工質密閉在蒸發器中。
[0041]第二步、工質在密閉的蒸發器中受熱蒸發，工質溫度和壓力不斷增加，最終達到100°C和1.26MPa，這一參數為噴射器設計工作參數。
[0042]第三步、位於蒸發器出口的自力式第一自力式壓控閥打開，蒸汽作為工作流體，以0.175Kg/s的質量流速進入噴射器，產生引射作用，將製冷蒸發器出口側氣體引射至噴射器中。
[0043]第四步、工作流體與引射流體在噴射器混合腔體中混合後進入擴壓腔體，由噴射器出口排出，進入冷凝器，噴射器出口的工質壓力和溫度分別為0.197MPa和64.9 V。
[0044]第五步、工質在冷凝器中冷凝為液態，之後分為兩路，其中一路流入儲液罐，而另一路則經自力式溫控閥節流後，進入製冷蒸發器中蒸發吸熱。該製冷迴路的工質流量
0.0525Kg/s，對應的蒸發壓力和蒸發溫度分別為0.08MPa和10°C，由自力式溫控閥進行調節。
[0045]第六步、製冷蒸發器經換熱後輸出12°C的冷媒水，輸出製冷量13KW，製冷蒸發器出口的蒸汽由噴射器引射流體入口進入噴射器中與工作蒸汽混合。
[0046]第七步、在工作過程中，蒸發器中的工質不斷加熱蒸發，約570秒後完全蒸發，此時工質壓力迅速下降。
[0047]第八步、當工質壓力下降到自力式壓控閥的設定壓力時，第一自力式壓控閥和第二自力式壓控閥關閉，第三自力式壓控閥開啟，儲罐中的液態工質在重力作用下流入蒸發器。
[0048]第九步、當注入工質過程結束後，第二自力式壓控閥關閉，第三自力式壓控閥關閉，將一定質量的工質密閉於蒸發器中。開始新一輪的循環。
[0049]該案例下，製冷COP約為0.35，工作時的製冷量可達13KW。
[0050]實施例3
[0051]本實施例採用工質R141b，熱源溫度120 (，製冷輸出冷媒水溫度12°C，具體實施步驟如下:
[0052]第一步、第三自力式壓控閥打開，使儲罐中液體工質在重力的作用下流入蒸發器中，液位平衡後第三自力式壓控閥關閉，將約IOOOKg的工質密閉在蒸發器中。
[0053]第二步、約IOOKg的工質在密閉的蒸發器中受熱蒸發，工質溫度和壓力不斷增加，最終達到100°C和0.68MPa，這一參數為噴射器設計工作參數。
[0054]第三步、蒸發器出口的自力式第一自力式壓控閥打開，蒸汽作為工作流體，以
1.75Kg/s的質量流速進入噴射器，產生引射作用，將製冷蒸發器出口側氣體引射至噴射器中。
[0055]第四步、工作流體與引射流體在噴射器混合腔體中混合後進入擴壓腔體室，速度下降，同時壓力上升至冷凝壓力後由噴射器出口排出，進入冷凝器，噴射器出口的工質壓力和溫度分別為0.104MPa和70.4°C。
[0056]第五步、工質在冷凝器中冷凝為飽和液態，之後分為兩路，其中一路流入儲液罐，而另一路則經自力式溫控閥節流後，進入製冷蒸發器中蒸發吸熱。該製冷迴路的工質流量
0.525Kg/s，對應的蒸發壓力和蒸發溫度分別為0.043MPa和10°C，由自力式溫控閥進行調節。
[0057]第六步、製冷蒸發器經換熱後輸出12°C的冷媒水，製冷量130KW，製冷蒸發器出口的蒸汽由噴射器引射流體入口進入噴射器中與工作蒸汽混合。
[0058]第七步、在工作過程中，蒸發器中的工質不斷加熱蒸發，約560秒完全蒸發，此後工質壓力迅速下降。
[0059]第八步、當工質壓力下降到自力式壓控閥的設定壓力，第一自力式壓控閥和第二自力式壓控閥關閉，第三自力式壓控閥開啟，儲罐中的液態工質在重力作用下流入蒸發器。
[0060]第九步、當注入工質過程結束後，第二自力式壓控閥關閉，第三自力式壓控閥關閉，將一定質量的工質密閉於蒸發器中。開始新一輪的循環。
[0061]該案例下，系統COP約為0.35，工作時的製冷量可達130KW。
[0062]該方法採用非能動式有機物噴射製冷裝置的結構如圖1所示，包括:蒸發器1、第一自力式壓控閥2、噴射器3、冷凝器4、第二自力式壓控閥5、儲液罐6、第三自力式壓控閥
7、製冷蒸發器8和自力式溫控閥9。其中:儲液罐6與蒸發器I通過第三自力式壓控閥7相連接，蒸發器I與噴射器3入口通過第一自力式壓控閥2相連接，噴射器3出口通過管路與冷凝器4相連接，冷凝器4出口分為兩路，一路進入儲液罐5，另一路通過自力式溫控閥9連接製冷蒸發器8，製冷蒸發器8出口通過管路和引射流體入口接頭連至噴射器3主體。如圖2所示，系統採用的噴射器3由噴嘴11、引射流體入口 12、接受室13、混合腔體14、擴壓腔體15組成，其中:噴嘴11和引射流體入口 12均在接受室13內，接受室13和混合腔體14相聯，混合腔體14和擴壓腔體15相聯。
[0063]下面對各部件進行進一步說明:在位置設置上，儲液罐6比蒸發器I的相對位置高lOO-lOOOmm，從而可以利用重力傳輸液體工質，所輸送的液體工質為R245fa、R600、R600a、R141b或R142b有機物工質。噴射器3的噴射係數為0.1-0.5，噴射器3內工作蒸汽的質量流量為0.01-2.0Kg/s、工作壓力為0.8-2.5MPa。冷凝器4的工作壓力為冷卻水或冷卻空氣溫度在10°C?38°C時液體工質的冷凝壓力。製冷蒸發器8的工作壓力為液體工質蒸發溫度為5°C?15°C時所對應的蒸發壓力。
[0064]本發明噴射器3的噴射係數(引射流體流量/工作流體流量)為0.1-0.5，噴射器3的結構如圖2所示噴射器3由噴嘴11、引射流體入口 12、接受室13、混合腔體14和擴壓腔體15等組成。其中，噴嘴11和引射流體入口 12均在接受室13內，接受室13和混合腔體14相聯，混合腔體14和擴壓腔體15相聯。
【權利要求】
1.一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，該方法採用以下步驟: (1)判斷蒸發器內低壓力，第一自力式壓控閥、第二自力式壓控閥關閉，第三自力式壓控閥打開，儲液罐中的液體有機物工質在重力的作用下流入蒸發器，液位平衡後關閉第三自力式壓控閥、第二自力式壓控閥將液體工質密閉在蒸發器中； (2)在蒸發器中液體工質受熱蒸發，工質溫度和壓力不斷增加，達到101°C和2MPa時第一自力式壓控閥打開，噴射器工作； (3)液體工質經噴射器進入冷凝器中冷凝為液態後，分為兩路，一路流入儲液罐，另一路進入製冷蒸發器進行製冷循環，通過引射效應，產生12°C的冷媒水； (4)在工作過程中，蒸發器中的液體工質不斷加熱蒸發，直到完全蒸發，壓力下降到第一自力式壓控閥的設定壓力，壓控閥組工作，儲液罐工質流入蒸發器； (5)注液體入工質過程結束後，第三自力式壓控閥及第二自力式壓控閥關閉，將液體工質再次密閉於蒸發器中，然後重複上述步驟即可。
2.根據權利要求1所述的一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，所述的噴射器包括噴嘴、引射流體入口、接受室、混合腔體和擴壓腔體，所述的噴嘴和引射流體入口均在接受室內，接受室、混合腔體、擴壓腔體依次相聯。
3.根據權利要求1所述的一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，所述的儲液罐比蒸發器的相對位置高lOO-lOOOmm，利用重力傳輸液體工質。
4.根據權利要求3所述的一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，該方法利用重力傳輸液體工質，利用自力式壓控閥和溫控閥控制整個噴射製冷過程。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，所述的液體工質為R245fa、R600、R600a、R141b或R142b有機物工質。
6.根據權利要求1或2所述的一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，所述的噴射器的噴射係數為0.1-0.5，噴射器內工作蒸汽的質量流量為0.01-2.0Kg/s、工作壓力為 0.8-2.5MPa。
7.根據權利要求1所述的一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，所述的冷凝器的工作壓力為冷卻水或冷卻空氣溫度在10°c?38°C時液體工質的冷凝壓力。
8.根據權利要求1所述的一種非能動式有機物工質噴射製冷方法，其特徵在於，所述的製冷蒸發器工作壓力為液體工質蒸發溫度為5°C?15°C時所對應的蒸發壓力。
【文檔編號】F25B41/04GK103528262SQ201310483106
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】翁一武, 呂小靜, 楊平, 張倩倩 申請人:上海交通大學