一种新型太阳能喷射-压缩制冷系统
阅读说明：本技术 一种新型太阳能喷射-压缩制冷系统 (Novel solar energy sprays-compression refrigerating system ) 是由 徐英杰 张嘉禾 余家棋 郑垚波 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种新型太阳能喷射-压缩制冷系统,包括太阳能喷射制冷循环和蒸汽压缩制冷循环,蒸汽压缩制冷循环包括储能装置、气液分离器、第二节流阀和蒸发器和压缩机；冷凝器的制冷剂出口分为两路,一路通过制冷剂循环泵与发生器连接,另一路通过第一节流阀与三通阀的入口连接；三通阀的第一出口连接至气液分离器的第一进口,第二出口连接至储能装置的入口；储能装置的出口通过第四截止阀连接至气液分离器的第二进口,气液分离器的液体出口连接至第二节流阀；气液分离器的气体出口和压缩机的出口均通过截止阀连接至喷射器的引射流体入口。本发明能够在不同天气状况下正常使用以满足室内制冷要求,在消耗少量电能的情况下得到较多的制冷量。(The invention discloses a novel solar energy injection-compression refrigeration system, which comprises a solar energy injection refrigeration cycle and a steam compression refrigeration cycle, wherein the steam compression refrigeration cycle comprises an energy storage device, a gas-liquid separator, a second throttle valve, an evaporator and a compressor; the refrigerant outlet of the condenser is divided into two paths, one path is connected with the generator through a refrigerant circulating pump, and the other path is connected with the inlet of the three-way valve through a first throttling valve; a first outlet of the three-way valve is connected to a first inlet of the gas-liquid separator, and a second outlet of the three-way valve is connected to an inlet of the energy storage device; an outlet of the energy storage device is connected to a second inlet of the gas-liquid separator through a fourth stop valve, and a liquid outlet of the gas-liquid separator is connected to the second throttle valve; the gas outlet of the gas-liquid separator and the outlet of the compressor are both connected to the injection fluid inlet of the ejector through a stop valve. The invention can be normally used under different weather conditions to meet the indoor refrigeration requirement, and more refrigeration capacity can be obtained under the condition of consuming a small amount of electric energy.)
技术领域
本发明涉及制冷系统领域，尤其涉及一种新型太阳能喷射-压缩制冷系统。
背景技术
近些年来，经济发展同环境保护、能源消耗之间的矛盾日益突出。而在整个能源消费结构中，建筑能耗占有大约30％-40％的比例。而建筑耗能中的1/3则被用于室内环境制冷，使得室内环境满足热舒适性条件。在传统制冷循环中，制冷核心部件是压缩机，电能消耗大，设备运行噪音大，维护成本高，不符合当前国家节能减排的要求。为实现碳中和、碳达峰，太阳能喷射式制冷逐渐被行业所关注。现有太阳能喷射-压缩制冷循环系统一般由两部分组成，分别是太阳能喷射制冷循环和蒸汽压缩式制冷循环，以太阳能为驱动热源，用喷射器替代压缩机作为制冷的核心部件。但现有的太阳能喷射-压缩制冷系统运行不稳定，容易受到天气状况的影响，系统制冷量少、运行效率低、耗电多。
现有专利CN112629066A提出的太阳能驱动的增压喷射制冷系统，在蒸汽压缩制冷系统中增设两相喷射器，通过压缩机、蒸汽喷射器和两相喷射器共同承担制冷剂的压缩作用，降低功耗，还可避免太阳辐射不足时系统工作失常。但这种系统仍存在以下问题：1.储存的高温的驱动热源，与环境温差较大，造成漏热；2.相比喷射器产生的制冷量，所需储存的高温驱动热源量较大，造成储热装置体积大，经济性差；3.喷射器引射比一般远小于1，其两相喷射器的工作流体流量数倍于压缩机出口流量，而蒸汽喷射器的工作流体流量又数倍于两相喷射器的工作流体流量，即蒸汽喷射器的工作流体流量远远大于压缩机的流量很可能是十数倍的关系，造成其所需驱动热量极多，当太阳辐射偏弱时，驱动热量不足或储存的热量很快耗尽，从而基本依靠压缩机来运行，无法有效利用辐射较少时的热能，造成节电效果较差。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出了一种新型太阳能喷射-压缩制冷系统，能够在不同天气状况下正常使用以满足室内制冷要求，在消耗少量电能的情况下得到较多的制冷量。
本发明是通过以下技术方案得以实现的：
一种新型太阳能喷射-压缩制冷循环系统，包括太阳能喷射制冷循环和蒸汽压缩制冷循环，太阳能喷射制冷循环包括依次连接的太阳能集热器、循环泵、发生器、喷射器、冷凝器和制冷剂循环泵；蒸汽压缩制冷循环包括储能装置、气液分离器、第二节流阀和蒸发器和压缩机；冷凝器的制冷剂出口分为两路，一路通过制冷剂循环泵与发生器连接，另一路通过第一节流阀与三通阀的入口连接；三通阀的第一出口连接至气液分离器的第一进口，第二出口连接至储能装置的入口；储能装置的出口通过第四截止阀连接至气液分离器的第二进口，气液分离器的液体出口连接至第二节流阀；压缩机的出口通过第一截止阀与冷凝器的制冷剂入口连接；气液分离器的气体出口通过第二截止阀与喷射器的引射流体入口连接；压缩机的出口通过第三截止阀连接至喷射器的引射流体入口。
作为本发明的优选方案之一，系统还包括控制器，控制器根据太阳光强度和室内制冷量消耗程度控制三通阀的转向、第一至第二节流阀的开度和第一至第四截止阀的开闭。
作为本发明的优选方案之一，所述储能装置用于储存冷量，储能装置中设有储冷材料。
作为本发明的优选方案之一，所述储能装置包括介质通道、位于介质通道两侧的换热器翅片，储冷材料填充于换热器翅片周围，储冷材料中添加一种或多种导热添加剂。
作为本发明的优选方案之一，所述导热添加剂为石墨、石墨烯、氧化铁纳米粒子等。
作为本发明的优选方案之一，所述喷射器包括混合室和一次喷嘴，一次喷嘴与混合室之间的距离和一次喷嘴的喉部截面积均可调。
本发明的技术构思为：气液分离器通过节流阀、三通阀入口以及三通阀第一出口与冷凝器制冷剂第二路出口连接，储能装置通过节流阀、三通阀入口以及三通阀第二出口与冷凝器制冷剂第二路出口连接，根据气象条件和室内制冷要求，通过调节三通阀阀芯的开度大小从而调节进入气液分离器和储能装置的制冷剂流量比例，在制冷的同时也进行储冷，使太阳能得到充分利用。没有太阳光照时，储能装置中的相变材料液化吸热，冷凝器第二路出口的制冷剂不进行节流直接进入储能装置中放热，温度降低实现过冷，之后进行节流达到蒸发压力，系统制冷量得到提高。两相态制冷剂进入气液分离器中实现气液分离，饱和液体制冷剂从气液分离器液相出口流出后进行节流达到蒸发压力，可以得到更多的制冷量，饱和气态制冷剂从气液分离器气相出口流出进入喷射器引射流体入口，无需进行节流，从而减少了节流损失，也降低了喷射器出口流体和引射流体的压比，提高了喷射器的工作效率，同时降低了流经压缩机的制冷剂流量，减少了电耗。本发明在压缩机出口通往喷射器引射流体入口的管路上设置了截止阀，在压缩机出口通往冷凝器制冷剂入口的管路上也设置了截止阀，两个截止阀不同时开启。在太阳能喷射制冷量充足时，压缩机与喷射器引射流体入口之间的截止阀打开，压缩机只需将制冷剂压缩到中间压力即可，之后制冷剂进入喷射器被引射，成为高温高压的制冷剂蒸汽，这样可以有效利用太阳能，减小压缩机耗功，从而减少电能的消耗。在太阳能喷射制冷量不足时，压缩机与冷凝器制冷剂入口之间截止阀打开，压缩机将制冷剂直接压缩成为高温高压制冷剂蒸汽，确保制冷系统的正常运行。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
本系统可根据气象条件和室内制冷要求，调节三通阀的开度、第一至第四截止阀的开闭、第一至第二节流阀的开度，在不同的太阳能辐射强度下，均有对应的最佳运行模式，且模式1-4下控制参数连续可调，精确匹配；更可以进一步以较长时间段内的综合效率为目标，优化运行模式和控制参数的选择，提高全局能效。
本系统中的储能储冷装置，相比于传统的储热/储冷装置，其储存冷量温度为介于环境温度和蒸发温度之间，因此与环境的温差很小，漏热小，即提高能效；相比常规的将太阳能驱动热源进行储存的做法，因喷射循环COP较低，其储存量数倍于本发明储存冷量的策略，以及本发明可以将储热材料用量减少数倍，具有体积更小，更加经济的优势；相比于储存达到蒸发温度的冷量，本发明中的冷量尽管温度较高，但最终是通过过冷的形式耦合到系统中变为蒸发温度下的制冷量，因而相比直接储存成达到蒸发温度的冷量的做法，本发明最终制冷量并不会减少，但漏热损失却减少了。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述太阳能喷射-压缩制冷循环系统流程示意图。
图中：1.太阳能集热器，2.循环泵,3.发生器，4.喷射器，5.冷凝器，6.制冷剂循环泵，7.第一节流阀，8.三通阀，9-储能装置，10.气液分离器，11.第二节流阀，12.蒸发器，13.压缩机，14.第一截止阀，15.第二截止阀，16.第三截止阀，17.热源循环泵,18.第四截止阀，19.氧化铁纳米粒子，20.石墨烯纳米板，21.石墨烯相变复合材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，一种新型太阳能喷射-压缩制冷循环系统，包括太阳能喷射制冷循环和蒸汽压缩制冷循环。太阳能喷射制冷循环包括依次连接的太阳能集热器1、循环泵2、发生器3、喷射器4、冷凝器5和制冷剂循环泵6；蒸汽压缩制冷循环包括储能装置9、气液分离器10、第二节流阀11和蒸发器12和压缩机13；冷凝器5的制冷剂出口分为两路，一路通过制冷剂循环泵6与发生器3连接，另一路通过第一节流阀7与三通阀8的入口连接；三通阀8的第一出口连接至气液分离器10的第一进口，第二出口连接至储能装置9的入口；储能装置9的出口通过第四截止阀18连接至气液分离器10的第二进口，气液分离器10的液体出口连接至第二节流阀11；压缩机13的出口通过第一截止阀14与冷凝器5的制冷剂入口连接；气液分离器10的气体出口通过第二截止阀15与喷射器的引射流体入口连接；压缩机13的出口通过第三截止阀16连接至喷射器4的引射流体入口。
本实施例中，储能装置用于储存冷量，储冷介质为复合相变材料，在其中可加入导热添加剂，导热添加剂可以为石墨、石墨烯、碳粉或氧化铁纳米粒子。本实施例中，储能装置9包括介质通道、设于介质通道两侧的换热器翅片20和石墨烯复合相变材料21，石墨烯复合相变材料21中添加氧化铁纳米粒子19，以保证储冷效果。
本实施例中，喷射器4包括混合室和一次喷嘴，一次喷嘴与混合室之间的距离和一次喷嘴的喉部截面积均可调，以满足多种流量需求。
本系统还设有控制器，控制器根据太阳光强度和室内制冷量消耗程度控制三通阀的转向、第一、第二节流阀的开度，第一至第四截止阀的开闭，以实现不同模式的切换和运行。
本系统可实现以下运行模式：
本新型太阳能喷射-压缩制冷循环系统的运行主要有以下五种模式。
模式1：制冷—储冷经济耦合模式，在太阳光照极强、室内制冷量消耗少时启动。
太阳能集热器1吸收太阳能加热循环工质，循环工质从太阳能集热器1出口流出被循环泵2加压后，进入发生器3第一入口，在发生器3中放热，之后从发生器3第一出口流出进入太阳能集热器1入口。冷凝器5制冷剂出口流出的液态制冷剂分为两路，第一路经过制冷剂循环泵6加压后进入被加热的发生器3中吸热，成为高温高压的制冷剂蒸汽，流入喷射器4工作流体入口引射来自喷射器4引射流体入口的制冷剂；第二部分液态制冷剂经过第一节流阀7节流降压至中间压力，成为气液两相态制冷剂，从三通阀8入口流入，此时三通阀阀芯偏转一定角度，三通阀8的第一出口、第二出口均打开，制冷剂按照不同流量比例分别从三通阀8第一出口、第二出口流出，三通阀8第一出口流出的制冷剂从气液分离器10的第一入口流进气液分离器10，而从三通阀8第二出口流出的制冷剂进入储能装置9，储能装置9中的相变材料凝固放热储存冷量，制冷剂吸热温度升高，之后制冷剂经过第四截止阀18从气液分离器10第二入口进入气液分离器10，与从气液分离器10第一入口进入的气液两相态制冷剂混合。气液两相态制冷剂在气液分离器10中实现气液分离，饱和液体制冷剂从液相出口流出，经过第二节流阀11节流降压至蒸发压力，进入蒸发器12中进行蒸发制冷，之后制冷剂从蒸发器12制冷剂出口流出，进入压缩机13被压缩至中间压力，此时，第一截止阀14关闭，第三截止阀16打开，从压缩机13流出的制冷剂蒸汽经过第三截止阀16与从气液分离器10气相出口流出的饱和气态制冷剂蒸汽混合，从喷射器4引射流体进口处被吸入喷射器4升温升压，之后制冷剂蒸汽从喷射器4出口流出进入冷凝器5制冷剂入口，凝结放热完成循环。
模式2：制冷经济耦合循环模式，在太阳光极强，但是室内制冷量消耗较大时启动。
模式2和模式1的区别在于三通阀8的阀芯不发生偏转，三通阀8第一出口完全打开，第二出口关闭。冷凝器5第二路出口的制冷剂经过第一节流阀7节流降压至中间压力，从三通阀8入口流入之后，制冷剂全部从三通阀8第一出口流出进入气液分离器10第一入口，之后进行气液分离。在模式2状态下，制冷剂不流经储能装置9，系统不储存冷量，其它系统运行步骤同模式1。
模式3：制冷—储冷部分耦合模式，太阳光较强时启动。
模式3和模式1的区别在于第一截止阀14打开，第三截止阀16关闭，从蒸发器12制冷剂出口流出的低温低压制冷剂蒸汽被压缩机13压缩成为高温高压的制冷剂蒸汽，之后与从喷射器4出口流出的制冷剂蒸汽混合，进入冷凝器5凝结放热完成循环。系统在制冷的同时还可以储存冷量，其它运行步骤同模式1。
模式4：制冷部分耦合模式，太阳光较弱时启动。
模式4和模式3的区别在于三通阀8阀芯不发生偏转，三通阀8的第一出口完全打开，第二出口关闭，冷凝器5第二路出口的制冷剂经过第一节流阀7节流降压至中间压力，从三通阀8入口流入之后，制冷剂全部从三通阀8第一出口流出进入气液分离器10第一入口，制冷剂不流经储能装置9，系统不储存冷量，其它系统运行步骤同模式3。
模式5：过冷蒸汽压缩模式，没有太阳光照时启动。
此时第一节流阀7完全打开，不起节流作用，三通阀8阀芯完全偏转，三通阀8第一出口关闭，第二出口打开，冷凝器5第二路出口液态制冷剂不被第一节流阀7节流，液态制冷剂从三通阀8入口流入，三通阀8第二出口流出，进入储能装置9，此时储能装置9释放储存的冷量，其中相变材料液化吸热，液态制冷剂放热温度降低，实现过冷，之后过冷液态制冷剂从储能装置9出口流出，经过第四截止阀18进入气液分离器10，第二截止阀15关闭，过冷液态制冷剂从气液分离器10液相出口流出，经过第二节流阀11节流降压至蒸发压力，之后进入蒸发器12中进行制冷，完成制冷后制冷剂从蒸发器12制冷剂出口流出，进入压缩机被压缩成为高温高压的制冷剂蒸汽，此时第一截止阀14打开，第三截止阀16关闭，高温高压的制冷剂蒸汽经过第一截止阀14进入冷凝器5凝结放热完成循环。
综上所述，本发明新型-太阳能喷射压缩制冷系统运行一段时间后，所需热能与电能显著小于现有太阳能喷射压缩制冷系统，而且本发明系统运行稳定，制冷量多，能够在不同天气情况下使用，满足室内制冷要求，节能效果良好。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。