具有主動流漩渦的噴射器的制造方法
【專利摘要】一種噴射器(200；300；400)，具有主入口(40)、次入口(42)和出口(44)。主流路從主入口延伸到出口。次流路從次入口延伸到出口?；旌掀魇諗坎慷?114)在次入口的下游。主動噴嘴(100)在與次流路交叉點的上游圍繞主流路以使主動流通過。主動噴嘴具有退出口(110)。噴射器具有表面(258，260)，其定位成向主動流引入漩渦。
【專利說明】具有主動流漩渦的噴射器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]要求于2011年6月10日提交的、并且名稱為“具有主動流漩渦的噴射器”的美國專利申請N0.61/495，577的益處，該申請的公開內(nèi)容通過引用全文結(jié)合到本文中，就如其在本文中被詳細(xì)闡述一樣。
[0003]美國政府權(quán)利
[0004]本發(fā)明是根據(jù)美國陸軍授予的合同W909MY-10-C-0005利用美國政府的支持做出的。美國政府在本發(fā)明中享有一定的權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005]本發(fā)明涉及制冷。更具體地，本發(fā)明涉及噴射器制冷系統(tǒng)。
[0006]在US1836318和US3277660中發(fā)現(xiàn)了用于噴射器制冷系統(tǒng)的早期提議。圖1示出了噴射器制冷系統(tǒng)20的一個基礎(chǔ)示例。該系統(tǒng)包括具有入口(吸入端口)24和出口(排出端口)26的壓縮機(jī)22。壓縮機(jī)和其它系統(tǒng)組件沿著制冷劑回路或流路27設(shè)置，并通過各種管道(管線)連接。排出管線28從出口 26延伸到熱交換器(在系統(tǒng)操作的正常模式下的排熱熱交換器(例如，冷凝器或氣體冷卻器))30的入口 32。管線36從排熱熱交換器30的出口 34延伸到噴射器38的主入口(液體或超臨界相或兩相入口)40。噴射器38還具有次入口(飽和或過熱蒸汽或兩相入口)42和出口 44。管線46從噴射器出口 44延伸到分離器48的入口 50。分離器具有液體出口 52和氣體出口 54。吸入管線56從氣體出口54延伸到壓縮機(jī)吸入端口 24。管線28、36、46、56和其之間的組件限定了制冷劑回路27的主環(huán)路60。制冷劑回路27的次環(huán)路62包括熱交換器64 (在正常操作模式下為吸熱熱交換器(例如，蒸發(fā)器))。蒸發(fā)器64包括沿著次環(huán)路62的入口 66和出口 68，并且膨脹裝置70定位在管線72上，管線72在分離器液體出口 52和蒸發(fā)器入口 66之間延伸。噴射器次入口管線74從蒸發(fā)器出口 68延伸到噴射器次入口 42。
[0007]在正常操作模式下，氣態(tài)制冷劑通過吸入管線56和入口 24由壓縮機(jī)22吸入，并且被壓縮并從排出端口 26排入到排出管線28中。在排熱熱交換器中，制冷劑向傳熱流體(例如，風(fēng)扇強(qiáng)制的空氣或水或其它液體)丟出/排出熱量。被冷卻的制冷劑通過出口 34離開排熱熱交換器，并通過管線36進(jìn)入噴射器主入口 40。
[0008]示例性的噴射器38 (圖2)由嵌套在外部構(gòu)件102內(nèi)的主動(主)噴嘴100組合形成。主入口 40是主動噴嘴100的入口。出口 44是外部構(gòu)件102的出口。主制冷劑流(主動流)103進(jìn)入入口 40，并且然后流入主動噴嘴100的收斂部段104。它隨后通過喉部段106和膨脹(發(fā)散)部段108流動通過主動噴嘴100的出口(退出口)110。主動噴嘴100使流103加速，并且降低該流的壓力。次入口 42形成外部構(gòu)件102的入口。通過主動噴嘴造成主流的壓力降低有助于將次流(吸入流)112吸入到外部構(gòu)件中。外部構(gòu)件包括具有收斂部段114和細(xì)長喉部或混合部段116的混合器。外部構(gòu)件還具有位于細(xì)長喉部或混合部段116下游的發(fā)散部段或擴(kuò)散器118。主動噴嘴出口 110位于收斂部段114內(nèi)。當(dāng)流103離開出口 110時，它開始與流112混合，并通過提供混合區(qū)的混合部段116發(fā)生進(jìn)一步的混合。因此，相應(yīng)的主流路和次流路從主入口和次入口延伸到出口，在退出口處合并。在操作中，主流103在進(jìn)入噴射器時通?？梢允浅R界，并且離開主動噴嘴時通?？梢允谴闻R界。次流112在進(jìn)入次入口端口 42時是氣態(tài)(或氣體與較小量液體的混合物)。所產(chǎn)生的合并流120是液體/蒸汽混合物，并且在擴(kuò)散器118中減速并恢復(fù)壓力同時保持為混合物。在進(jìn)入分離器時，流120被分離回到流103和流112中。流103作為氣體通過如上文所述的壓縮機(jī)吸入管線。流112作為液體流到膨脹閥70。流112可通過閥70膨脹(例如，膨脹到低質(zhì)量(具有少量蒸汽的兩相))，并進(jìn)入蒸發(fā)器64。在蒸發(fā)器64內(nèi)，制冷劑從傳熱流體(例如，從風(fēng)扇強(qiáng)制的空氣流或水或其它液體)吸收熱量，并作為前述氣體從出口68排到管線74。
[0009]使用噴射器用于恢復(fù)壓力/功。從膨脹過程中回收的功用于在氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)之前壓縮該氣態(tài)制冷劑。因此，對于一個給定的期望蒸發(fā)器壓力，壓縮機(jī)的壓力比(以及因此功耗)可減小。進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量也會降低。因此，單位質(zhì)量流量的制冷效果可以增加(相對于非噴射器系統(tǒng))。進(jìn)入蒸發(fā)器的流體的分布得到改善(從而提高蒸發(fā)器性能)。由于蒸發(fā)器不直接向壓縮機(jī)供給，因此不需要蒸發(fā)器產(chǎn)生過熱的制冷劑流出流。因此，使用噴射器循環(huán)可允許減少或消除蒸發(fā)器的過熱區(qū)。這可允許蒸發(fā)器在兩相狀態(tài)下操作，其提供了更高的傳熱性能(例如，在給定的容量下，便于蒸發(fā)器尺寸的減小)。
[0010]示例性的噴射器可以是固定幾何形狀的噴射器，或者可以是可控制的噴射器。圖2示出了由具有針132和致動器134的針閥130提供的可控生。致動器134將針的尖端部136移入和移出主動噴嘴100的喉部段106，以調(diào)制通過主動噴嘴的流，并且進(jìn)而調(diào)節(jié)經(jīng)過整個噴射器的流。示例性的致動器134是電的(例如，螺線管或類似的)。致動器134可與控制器140聯(lián)接，并由控制器140控制，控制器140可接收來自輸入設(shè)備142 (例如，開關(guān)、鍵盤或類似的)和傳感器(未示出)的用戶輸入?？刂破?40可通過控制線144 (例如，有線或無線通信路徑)與致動器和其它可控制的系統(tǒng)組件(例如，閥、壓縮機(jī)電機(jī)等)聯(lián)接。控制器可包括下述中的一個或多個:處理器、存儲器(例如，用于存儲由處理器實施的程序信息以執(zhí)行操作方法，并且用于存儲由程序使用或生成的數(shù)據(jù))、以及用于與輸入/輸出設(shè)備和可控制的系統(tǒng)組件對接的硬件接口設(shè)備(例如，端口)。美國專利N0.4378681公開了另一種形式的噴射裝置，其中，使用次流的切向引入和合并流的撤回，以提供流體的更長停留時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 本公開內(nèi)容的一個方面涉及噴射器，其具有主入口、次入口和出口。主流路從主入口延伸到出口。次流路從次入口延伸到出口?；旌掀魇諗坎慷卧诖稳肟诘南掠?。主動噴嘴在與次流路交叉點的上游圍繞主流路。主動噴嘴具有退出口。噴嘴包括用于向主動流引入漩渦的裝置。
[0012]在各種實施方式中，可以只有單個主動噴嘴。主動噴嘴可與噴射器的中心縱向軸線同軸。該裝置可在交叉點的上游引入漩渦。該裝置可在主動噴嘴的內(nèi)部。該裝置可包括導(dǎo)葉。針可被安裝成用于沿主流路在第一位置和第二位置之間往復(fù)運(yùn)動。針致動器可與針聯(lián)接，以驅(qū)動針相對于主動噴嘴運(yùn)動。
[0013]本公開內(nèi)容的其他方面涉及制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)具有壓縮機(jī)、聯(lián)接到壓縮機(jī)以接收由壓縮機(jī)壓縮的制冷劑的排熱熱交換器、吸熱熱交換器、分離器和這樣的噴射器。分離器的入口可與噴射器的出口聯(lián)接，以接收來自噴射器的制冷劑。
[0014]在附圖和下面的描述中闡述了一個或多個實施方式的細(xì)節(jié)。通過說明書和附圖以及通過權(quán)利要求，其它特征、目的和優(yōu)點將是很明顯的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的噴射器制冷系統(tǒng)的示意圖。
[0016]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的噴射器的軸向剖視圖。
[0017]圖3是第一噴射器的軸向剖視圖。
[0018]圖4是圖3的噴射器的主動噴嘴的導(dǎo)葉單元的第一放大視圖
[0019]圖5是圖4的導(dǎo)葉單元的第二視圖。
[0020]圖6是第二噴射器的軸向剖視圖。
[0021]圖7是第三個噴射器的軸向剖視圖。
[0022]圖8是圖7的噴射器沿線8-8截取的橫向剖視圖。
[0023]圖9是用于基準(zhǔn)較少漩渦的噴射器和具有漩渦主動流的噴射器的液體份額的比較流模擬曲線。
[0024]圖10是用于示例性的噴射器結(jié)構(gòu)的噴射器效率相對主動噴嘴入口漩渦的計算曲線圖。
[0025]各圖中相同的標(biāo)號和標(biāo)記表示相同的元件。
【具體實施方式】
[0026]圖3示出了噴射器200。噴射器200 (和后面所述的300)形成作為噴射器38的變體，并可用在蒸汽壓縮系統(tǒng)(例如，圖1)中，該蒸汽壓縮系統(tǒng)目前使用的是傳統(tǒng)的噴射器，或者可在將來使用。示例性的噴射器是使用CO2制冷劑(例如，按重量計至少50%的CO2)的兩相噴射器。為了便于說明，示例性的噴射器200作為圖2中的基準(zhǔn)噴射器38的變體示出。因此，示例性的噴射器可具有類似的特征，并且為了便于說明，許多的參考標(biāo)號不再重復(fù)。然而，噴射器也可以形成作為噴射器其他構(gòu)造的的變體。
[0027]噴射器200包括向主動流輸入漩渦的裝置。因此，示例性的裝置沿主流路定位，位于主動噴嘴退出口的上游。更具體地說，在圖3的實施方式中，該示例性的裝置包括固定旋流器240，其不是單單定位在主動噴嘴退出口的上游，而是也定位在主動噴嘴喉部和主動噴嘴收斂部段的上游。示例性的旋流器240位于主動噴嘴的直線部段220中，直接在主動噴嘴入口 40和收斂部段104的上游端之間。該示例性的旋流器240包括多個節(jié)距導(dǎo)葉242，其從中心體244徑向向外延伸。該中心體244沿從上游端246至下游端248的軸線500定中心。每個導(dǎo)葉從中心體的內(nèi)側(cè)端250向外徑向延伸到直部段220的內(nèi)表面處的外側(cè)端252。每個示例性的導(dǎo)葉具有前緣254和后緣256，各自的上游表面258和下游表面260在它們之間延伸。示例性的上游和下游表面是大致平坦的，使得在圓周方向的橫截面上，它們顯示是直的并由示例性的半圓形過渡段在前緣254和后緣256處連結(jié)。具有相對的翼型部段的其它結(jié)構(gòu)是可能的。示例性的實施方式中有四個這樣的導(dǎo)葉，但是更多或更少的數(shù)量是可能的(例如，2-8個這樣的導(dǎo)葉)。[0028]主動(液體)流漩渦增強(qiáng)了滲透性和吸入(氣體)相流的滲透和混合。如果液體核心在氣體核心(其可以是旋轉(zhuǎn)的或不旋轉(zhuǎn)的)內(nèi)旋轉(zhuǎn)得足夠快，那么液體具有被離心力向外移動的傾向，因為初始情況在流體動力學(xué)上是不穩(wěn)定的。通過這樣的混合，能夠提高噴射器的效率，其測量相對于夾帶比的壓力升高。
[0029]圖6示出了類似的噴射器300，但其中將旋流器340安裝在針上。旋流器可以跟著針移動(外側(cè)端25因此靠著直部段220的內(nèi)表面滑動)。替代地，旋流器可以是固定的，并且針可以通過中心體中的孔簡單地滑動。
[0030]圖7還示出了噴射器400的替代構(gòu)造，其中，主流不是單純軸向進(jìn)入，而是具有切向分量。在這個示例性的實施方式中，盤420關(guān)閉主動噴嘴(該示例性盤420有孔，針通過該孔延伸)的軸向上游端。流沿著直部段220的側(cè)壁440，在入口導(dǎo)管442的末端進(jìn)入入口440。該示例性的入口流424具有圍繞中心線500的切向分量(例如，它不是直接對準(zhǔn)中心線)。
[0031]圖8的特征在于該切向分量相對于軸線500具有入口流矢量的徑向偏移IVFSET。
[0032]圖9和10公開了噴射器的流動參數(shù)和性能，在這里在主動噴嘴收斂部段104的上游(例如，直接上游)引入漩渦。該示例有利于漩渦作為入口漩渦(在收斂部段的開始處測量)的簡單特征。漩渦盡管可以進(jìn)一步地引入下游，但這將使出于說明目的的量化更復(fù)雜。
[0033]對于給定的入口漩渦角度(其切線是周向與軸向速度分量之比)，漩渦角度從入口增加到喉部，并且然后減小到噴嘴退出口。如果入口與喉部的直徑比大于退出口與喉部的直徑比，那么在噴嘴退出口處將有更多的漩渦。在噴嘴的超音速流部分(例如，喉部下游的主動噴嘴部分，或最小面積位置)放置旋流器可能是不切實際的，因為旋流器將產(chǎn)生沖擊并可能阻塞流，在任何一種情況下都會增加退出口壓力。通常希望具有噴嘴流過分膨脹；那么噴嘴退出口壓力小于吸入流的局部靜態(tài)壓力。
[0034]圖9示出了用于基準(zhǔn)較少漩渦的噴射器與具有處于示例性的45°的漩渦主動流的噴射器的液體份額的比較流模擬曲線。從該圖看出，具有主動噴嘴入口漩渦的流在擴(kuò)散混合器中得到更好的混合，其由指示較低液體體積份額的等高線顏色標(biāo)示。引入到主動流中的漩渦導(dǎo)致在與高密度漩渦流混合處的流體動力學(xué)上的不穩(wěn)定流，該高密度漩渦流包含在低密度、非漩渦流中。離心力迫使主動流向外移位，吸引吸入流向內(nèi)，提高混合和相變，從而導(dǎo)致提聞的效率。
[0035]圖10示出了用于示例性的噴射器構(gòu)造的噴射器效率對主動噴嘴入口漩渦。在20°入口漩渦角度之上(到約45°或稍高)，性能有顯著提高(效率或壓力升高)。在給定噴射器構(gòu)造和給定操作條件下，與性能提高相關(guān)聯(lián)的特定角度將取決于噴射器的操作條件(例如，入口壓力、溫度和夾帶比)和幾何結(jié)構(gòu)。因此，廣義地說，在主動噴嘴的收斂部段的開始處的示例性漩渦角度大于20°，更窄地大于30°，示例性的范圍為20-50°或30-50°。對于進(jìn)一步向下游引入的漩渦，引起漩渦的表面可選擇為在混合器出口 /退出口處產(chǎn)生漩渦，其數(shù)量同與那些入口漩渦范圍相關(guān)的混合器出口/退出口漩渦。
[0036]噴射器和相關(guān)聯(lián)的蒸汽壓縮系統(tǒng)可以使用傳統(tǒng)技術(shù)、由傳統(tǒng)材料和部件制成，適于特定目的的用途。也可以通過傳統(tǒng)的方法進(jìn)行控制。雖然所示的示例性的噴射器省略了控制針，但可以添加這樣的針和致動器。[0037]在示例性的噴射器中，以典型的方式布置主動流和吸入流，主動流噴嘴由吸入流圍繞。主動流密度一般高于吸入流的密度。當(dāng)例如以上文所述的方式給主動流體加入漩渦，并且然后允許主動和吸入流相互作用(混合)時，離心力趨于將旋轉(zhuǎn)、更高密度主動流向外移位進(jìn)入低密度吸入流，從而加強(qiáng)混合并提高噴射器性能(壓力升高)。該青況被稱為流體在動態(tài)上，或流體動力學(xué)上不穩(wěn)定，因為來自混合部段中心的漩渦引起的離心力使旋轉(zhuǎn)的更高密度流體向外朝向外部區(qū)域移動，向內(nèi)移位較低密度吸入流，從而產(chǎn)生流體動力學(xué)上的穩(wěn)定構(gòu)造。在美國專利N0.4378681(' 681專利)，將漩渦給予吸入流。在'681專利中，性能增強(qiáng)機(jī)制明顯是兩個流之間的更長接觸時間，增大了剪切驅(qū)動混合。兩個流界面處的流體顆粒將沿著螺旋路徑，其比從兩個流第一次相互作用的點到它們充分混合的點的軸向距離長。
[0038]雖然上面詳細(xì)描述了實施方式，但這樣的描述不是意在限制本發(fā)明公開的范圍。將理解的是，可以做出各種變體而不脫離本公開內(nèi)容的精神和范圍。例如，當(dāng)執(zhí)行現(xiàn)有系統(tǒng)的再造和現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的再建時，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)可影響或規(guī)定任何特定實施方式的細(xì)節(jié)。因此，其它實施方式都在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種噴射器(200 ；300 ;400)，其包括: 主入口(40)，其用于接納主動流； 次入口 (42)；
出口 (44)； 從所述主入口起的主流路； 從所述次入口起的次流路； 混合器收斂部段(I 14)，其位于所述次入口的下游；以及 主動噴嘴(222)，其在與所述次流路的交叉點的上游圍繞所述主流路，并且具有退出口(110)， 其中，所述噴射器還包括: 裝置(240 ；340 ;440)，用于向主動流引入漩渦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射器，其中:只存在單個主動噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射器，其中:所述裝置(240；340 ；440)在所述交叉點的上游引入漩渦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射器，其中:所述裝置在所述主動噴嘴的內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射器，其中:所述裝置包括多個導(dǎo)葉(242)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴射器，其中:所述導(dǎo)葉被攜載在控制針(132)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴射器，其中:所述葉片固定在所述主動噴嘴的收斂部分(104)的上游。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴射器，其中:所述葉片從中心體(244)徑向向外延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射器，其中:所述裝置包括用于主動噴嘴的切向入口通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射器，其中:在所述混合器的收斂部段的開始處的漩渦角度為至少20°。
11.一種蒸汽壓縮系統(tǒng)，其包括: 壓縮機(jī)(22)； 排熱熱交換器(30)，其聯(lián)接到所述壓縮機(jī)以接收由所述壓縮機(jī)壓縮的制冷劑； 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射器(200 ；300 ；400)； 吸熱熱交換器(64)；以及 分離器(48)，其具有: 入口(50)，所述入口聯(lián)接到所述噴射器的出口以接收來自噴射器的制冷劑； 氣體出口(54);以及 液體出口(52)。
12.一種用于操作權(quán)利要求11所述系統(tǒng)的方法，所述方法包括: 在壓縮機(jī)中壓縮制冷劑； 在排熱熱交換器中從被壓縮的制冷劑排出熱量； 使所述制冷劑的流通過所述主噴射器入口 ；以及 使所述制冷劑的次流通過所述次入口以與所述主流合并。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中:所述制冷劑包含按重量計至少50%的C02。
14.一種用于操作噴射器(200 ；300 ；400)的方法，所述方法包括:使主動流(103)通過主動噴嘴； 使吸入流(112)通過吸入端口 ； 將主動流和吸入流混合；以及 在所述混合之前向主動流輸入漩渦。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中:所述向主動流輸入漩渦包括使主動流流過所述主動噴嘴中的改向表面(258，260)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中:所述改向表面沿著所述導(dǎo)葉(242)形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中:將所述導(dǎo)葉(242)安裝到控制針(132)上，并且所述方法還包括使所述控制針軸向平移。
【文檔編號】F25B49/02GK103620322SQ201280028365
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月10日
【發(fā)明者】L·小基亞佩塔, P·維爾馬, T·拉德克利夫 申請人:開利公司