一种采用喷射器的混合工质低温制冷循环系统和控制方法与流程

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的混合工质低温制冷循环系统和控制方法。

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、自复叠制冷循环系统以及混合工质节流制冷循环系统。

混合工质节流制冷循环系统的主要特点在于使用沸点不同的制冷剂组成非共沸混合制冷剂，利用不同沸点的工质热物性特点，满足普通冰箱或空调压缩机的设计工况，实现低温制冷。混合工质节流制冷循环系统结构简单、运行稳定可靠，因此在低温冷柜(冰箱)等制冷产品中被广泛应用。但是，采用非共沸混合工质节流制冷循环系统在启动初期会面临较高的压缩机排气压力，其主要原因是启动初期，大量的制冷剂从低压侧相冷凝侧迁移，且混合工质在冷凝器中不能迅速完全正常冷凝，特别是制冷剂中的低沸点组分浓度较高时，系统的高压侧压力不断升高，当高压侧压力超出压缩机的最大允许排气压力时，会破坏压缩机，严重影响使用寿命；同时，高压侧压力过高也会带来较大的气动和震动噪声，影响用户体验。因此，如何降低制冷系统在启动初期压缩机排气压力，使制冷系统较快地建立起制冷剂的流动循环，保证系统的可靠性也是一个主要的研究方向。从导致压缩机启动阶段排气压力过高的原因来看，在启动初期减少制冷剂由低压向高压侧的迁移量，降低压缩机流量是有效的技术途径。以往技术采用膨胀罐可以有效控制启动压力，但膨胀罐内容积较大，无形中增大了压缩机机舱体积，在家用低温冷柜中使用时会造成容积利用率下降的问题。

技术实现要素：

为了解决混合工质节流制冷循环系统启动初期压缩机排气压力过高的问题，本发明在传统混合工质节流循环的基础上增加了喷射器回路，使得制冷循环系统具有了两种运行模式，分别是启动模式和制冷模式。在制冷循环系统启动初期，通过二位三通电磁阀使制冷循环系统处于启动模式，制冷剂经过喷射器回路，能够更快地建立起制冷剂的流动循环，同时，原本完全进入压缩机的制冷剂被分流，部分作为喷射器的二次流进入喷射器，形成了一个支路循环，从而减小了压缩机的吸气流量，压缩机的排气压力因此降低，启动模式的开启和关闭可通过压缩机排气压力信号、回热器出口制冷剂温度，或者运行设定时间进行控制；经过启动模式后，通过二位三通电磁阀使制冷系统处于制冷模式，制冷剂不再经过喷射器回路，进行正常制冷工作，获得低温环境。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种采用喷射器的混合工质低温制冷循环系统，该制冷循环系统包括压缩机101、冷凝器102、回热器103、二位三通电磁阀104、喷射器105、毛细管106、蒸发器107、单向阀108和电磁阀109；所述压缩机101的出口与冷凝器102的入口相连；冷凝器102的出口与回热器103的热流侧入口相连，回热器103的热流侧出口与二位三通电磁阀104的入口相连，二位三通电磁阀104的两个出口分别与喷射器105的一次流入口和毛细管106的入口相连；毛细管106的出口与蒸发器107的入口相连；蒸发器107的出口与单向阀108的入口相连；喷射器105的出口与单向阀108的出口相连，两路汇合然后与回热器103的冷流侧入口相连；回热器103的冷流侧出口分为两路，一路与电磁阀109的入口相连，电磁阀109的出口与喷射器105的二次流入口相连；回热器103的冷流侧出口的另一路与压缩机101的入口相连，形成完整的制冷循环系统。

所述二位三通电磁阀104的两个出口分别与喷射器105的一次流入口和毛细管106的入口相连，通过控制二位三通电磁阀104内部阀芯的位置，控制制冷剂进入喷射器108的一次流入口或者经过毛细管106然后进入蒸发器107，从而实现工作模式的切换。

所述回热器103的冷流侧出口分为两路，其中一路与压缩机101的入口相连；而另一路则与电磁阀109的入口相连，电磁阀109主要起控制流路通断作用，电磁阀109的出口与喷射器105的二次流的入口相连，在启动模式时对原本要完全进入压缩机101的制冷剂进行分流，用于减小压缩机吸气流量，单向阀108则用于在启动模式时防止制冷剂进入蒸发器107。

所用喷射器105为主要起引射作用，其一次流入口和二次流入口混合段直径大于喷嘴段直径，目的为增加引射流量，在启动模式时，制冷剂通过喷射器105的二次流入口进入喷射器105循环后，压力不变。

所述的采用喷射器的混合工质低温制冷循环系统的控制方法，该制冷循环系统包括启动模式和制冷模式；当所述压缩机101开启，二位三通电磁阀104的出口与喷射器105的一次流入口连通，同时电磁阀109开启，制冷循环系统处于启动模式，制冷剂不经过蒸发器107而经过喷射器105循环，从而快速建立制冷循环系统的制冷剂流动循环；同时，由于制冷剂经过回热器103的冷流侧后分出一路作为喷射器105的二次流进入喷射器105，原本完全进入压缩机101的制冷剂被分流，压缩机101的吸气流量减小，从而降低了压缩机101的排气压力；启动模式运行设定时间之后，二位三通电磁阀104内部阀芯转向毛细管106这一支路，同时电磁阀109关闭，制冷剂经过蒸发器107完成循环，制冷循环系统处于制冷模式，进行正常制冷工作。

当制冷循环系统运行参数满足以下条件之一时，制冷循环系统采用启动模式，否则切换为制冷模式：

(1)当压缩机排气压力超出设定值；

(2)当压缩机排气压力与吸气压力之比超出设定值；

(3)当压缩机排气温度超出设定值；

(4)当回热器103的热流侧出口与回热器103冷流侧出口温度之差超过设定值；

(5)压缩机启动电流超过设定值。

相较于传统的混合工质节流制冷系统，本循环系统具有以下增益效果：

(1)只增加了一个二位三通电磁阀、单向阀、温度传感器和喷射器，结构上没有过度增加系统的复杂程度，系统结构仍较为简单。与采用膨胀罐的压力控制系统相比，结构更为紧凑，在家用和商用低温冷柜中都有较高的应用价值。

(2)利用喷射器的引射能力，采用合理的结构设计，如较大混合段直径，优化控制引射流量和压缩机吸气流量，可以实现排气压力的有效控制。

(3)通过二位三通电磁阀和温度传感器使制冷循环系统具有了两种工作模式，系统处于启动模式时，可以使系统更快地建立稳定的循环并降低压缩机的启动排气压力以保证系统的稳定可靠。

附图说明

图1-a和图1-b分别是本发明的制冷系统在启动模式下运行的示意图和p-h图；

图2-a和图2-b分别是本发明的制冷系统在制冷模式下运行的示意图和p-h图。

图中：101-压缩机，102-冷凝器，103-回热器，104-二位三通电磁阀，105-喷射器，106-长毛细管，107-蒸发器，108-单向阀，109-电磁阀。

具体实施方式

该制冷系统具有两种工作模式，包括启动模式和制冷模式，具体工作方法如下：

(1)启动模式

如图1-a所示，为一种采用喷射器的混合工质低温制冷循环系统，在启动模式下，包括压缩机101、冷凝器102、回热器103、二位三通电磁阀104、喷射器105和电磁阀109；所述压缩机101的出口的高压气态混合工质在冷凝器102中被冷却为气液两相混合工质，然后进入回热器103的热流侧被进一步冷却，但是在启动阶段，蒸发器107出口温度较高，回热效果较差，经过回热器103进一步被冷却的制冷剂仍然不能完全冷凝，因此气液两相制冷剂进入二位三通电磁阀104之后再进入喷射器105的一次流入口，在喷射器105的喷嘴段降低压力，制冷剂离开喷射器105之后，进入回热器103的冷流侧蒸发吸热升温。同时，由于单向阀108的存在，制冷剂不会进入蒸发器107，离开回热器103后，为了减小吸气流量，该路制冷剂分为两路，一路经过电磁阀109后作为喷射器105的二次流被引射。由此，进入压缩机101的吸气流量减少，压缩机101的排气压力得到有效降低。电磁阀109主要起控制通断作用，制冷剂经过电磁阀109后压力基本不变，而喷射器105采用的是混合段直径较大的等面积混合型喷射器，因此，通过电磁阀109的制冷剂在经过喷射器105循环时压力基本不变。通过喷射器回路，制冷剂的流动循环可以较快的建立，而不会导致制冷剂在冷凝器侧聚集较长时间，同时，喷射器105对压缩机101的吸气部分引射，降低了压缩机101的吸气流量，也可以降低压缩机101的运行功率，防止压缩机排气温度过高，造成停机保护。

如图1-b所示，为启动模式下制冷循环系统的压-焓(p-h)图，启动模式的具体工作过程为：混合工质经过压缩机101压缩后变为高温高压气态(图1-b中2点)，然后进入冷凝器102中被冷却成气液两相状态(图1-b中3点)，制冷剂接着进入回热器103的热流侧中进一步被冷却，由于回热效果并未较好的建立，离开回热器103后仍然为气液两相状态(图1-b中4点)，该股制冷剂进入喷射器105的一次流入口，入口状态为气液两相状态(图1-b中5点)，在喷嘴中加速降压，变为压力更低的气液两相状态(图1-b中7点)，另一股制冷剂，状态为过热气相(图1-b中14点)，经过电磁阀109后作为喷射器105的二次流进入喷射器105，制冷剂在喷射器105的二次流入口处状态为过热气相(图1-b中6点)，进入喷射器105后，压力略有下降，然后与离开喷嘴的制冷剂在喷射器105的混合段中混合后再进入扩压段，由于采用的是混合段直径较大的等面积混合喷嘴，升压效果较小，故两股制冷剂混合后离开喷射器105后状态为两相(图1-b中8点)，压力与14点状态基本接近，混合制冷剂之后进入回热器103的冷流侧，制冷剂在冷流侧入口处的状态为两相状态(如图1-b中12点)，在回热器103中制冷剂进一步吸热升温，变为过热气态(图1-b中13点)，该股制冷剂分为两路，一路经过电磁阀109，另一路为压缩机吸气(图1-b中1点)，完成一个循环。

(2)制冷模式

如图2所示，为一种采用喷射器的混合工质低温制冷循环系统的的制冷模式基本循环，包括压缩机101、冷凝器102、回热器103、二位三通阀104、毛细管106、蒸发器107和单向阀108；所述压缩机101出口的高压气态混合工质在冷凝器102中被冷却为气液两相混合工质；这部分混合工质然后进入回热器103的热流侧，被冷却为过冷液相工质；该部分工质接着进入二位三通电磁阀104，此时二位三通电磁阀104的出口与毛细管106的入口连通，制冷剂经过毛细管106的节流降压之后变成两相工质，然后进入蒸发器107进行蒸发吸热，实现制冷目的；离开蒸发器107的制冷剂以气液两相状态进入回热器103的冷流侧，吸热完全蒸发为过热气体后进入压缩机101吸气口，完成完整的制冷循环。

如图2-b所示，为制冷模式下循环系统的压-焓(p-h)图，制冷模式的具体工作过程为：混合工质经过压缩机101后变为高温高压的气态(图2-b中2点)，然后进入冷凝器102中被冷却为干度较小的气液两相状态(图2-b中3点)，然后进入回热器103的热流侧被进一步冷却为过冷液相状态(图2-b中4点)，离开回热器103后，该股制冷剂进入毛细管106，制冷剂在毛细管106的入口处状态为过冷液相(图2-b中9点)，在毛细管106中节流降压，变为具有一定干度的较低温度的气液两相状态(图2-b中10点)，然后进入蒸发器107中蒸发吸热，变为干度较大的气液两相状态(图2-b中11点)，制冷剂离开蒸发器107后进入回热器103的冷流侧吸热蒸发，变为过热气相(图2-b中13点)，然后制冷剂进入压缩机101，压缩机101入口处制冷剂为过热气相，制冷剂在压缩机101中被压缩，完成一个完整循环。