1、權 利 要 求 書1、一種無循環泵式蒸氣增壓噴射制冷系統的控制方法，所述蒸氣增壓噴射制冷系統中至少包括有一套用于氣化制冷劑的發生器以及與發生器相連用于中轉回收冷凝劑的儲液罐，系統運行包括制冷階段和增壓階段；所述增壓階段包括依次進行的加壓，回液和冷卻三個子過程；其特征在于，系統運行時根據制冷階段的發生溫度和冷凝溫度預設初始增壓比，所述初始增壓比為加壓子過程開始時，儲液罐中制冷劑氣體與制冷劑液體的體積比；根據所述預設初始增壓比計算并控制制冷階段的時長，使儲液罐在加壓子過程開始時具有預設的初始增壓比。 2、如權利要求1所述的無循環泵式蒸氣增壓噴射制冷系統的控制方法，其特征在于：根據如下公式確定初始增

2、壓比：vsiiL×(hbg-hsiiL)=1+×vsig×(hbg-hsig)+11+×vsiL×hbg-hsiL (33)式中：為初始增壓比；為加壓子過程開始時即冷凝溫度下的制冷劑的飽和氣體比體積；為加壓子過程開始時即冷凝溫度下的制冷劑的飽和液體比體積；為發生器向冷凝器輸出的飽和氣體制冷劑的焓；、分別為加壓子過程開始時即冷凝溫度下的儲液罐中飽和氣體制冷劑和飽和液體制冷劑的焓值；為加壓子過程結束時即發生溫度下的儲液罐中飽和氣體制冷劑的體積；為加壓子過程結束時即發生溫度下的儲液罐中飽和氣體制冷劑的焓值。3、如權利要求2所述的無循環泵式蒸氣增壓噴射

3、制冷系統的控制方法，其特征在于：根據如下公式由初始增壓比計算制冷階段的時長：1+×vsig+11+×vsiL=Qc1×t1V×w×(heg-heL)+vg3 (35)為制冷量；為噴射器的引射比；為儲液罐體積；為制冷階段的時間長度；為回液子過程中，即發生溫度下，發生器需要向儲液罐提供的高溫高壓蒸氣的比體積；、分別是處于蒸發溫度時飽和氣態制冷劑、飽和液態制冷劑的焓值。4、如權利要求13任一項所述的無循環泵式蒸氣增壓噴射制冷系統的控制方法，其特征在于：通過位于發生器與噴射器之間的切換閥、及位于冷凝器與儲液罐之間的切換閥的開啟或關閉狀態來控制制冷階段的

4、時長。1說 明 書一種無循環泵式蒸氣增壓噴射制冷系統的控制方法技術領域本發明屬于制冷技術領域，尤其是涉及一種蒸氣增壓噴射制冷系統的操作優化方法。背景技術噴射器能夠利用高壓流體提升低壓流體的壓力。噴射制冷系統利用噴射器取代傳統制冷系統中的機械壓縮機，如圖1所示，其中1為發生器，2為蒸發器，3為冷凝器，4為噴射器，5為液體泵，6為節流閥。噴射制冷系統利用低品位熱能驅動，有利于緩減能源和環境壓力。從冷凝器3出來的一部分液體用作制冷，另一部分液體彌補發生器1產生高溫高壓所減少的液體。但在冷凝液進入發生器1之前，需經過加壓才能順利進入發生器1。常規噴射制冷系統利用液體循環泵給冷凝液加壓以將其輸送進發生器

5、1。在常規噴射制冷系統，液體循環泵是唯一的耗電部件，取消其可使得該系統更為理想地應用于電能限制場合。同時，液體循環泵易出故障和維修不便的問題使得系統不穩定性上升。所以有了無泵式噴射制冷系統。蒸氣增壓噴射制冷系統利用發生器的高溫高壓蒸氣平衡儲液罐中的冷凝液以實現冷凝液增壓目的，從而取消了液體循環泵，如圖2所示，其中標號7、8、9、10、11和12均表示切換閥，13為噴射器，14為蒸發器，15為節流閥，16為冷凝器，17為儲液罐，18為冷卻水套管，19為發生器。蒸氣增壓噴射制冷系統一個運行周期，可分為制冷階段和增壓階段。在開機前，圖中所有的切換閥都處于關閉狀態。打開切換閥7、切換閥8和切換閥12，

6、開始制冷階段。高溫高壓流體通過切換閥7從發生器19進入噴射器13作為工作流體將從蒸發器14中出來的低溫低壓流體引射進噴射器13，在噴射器13中兩者混合平衡能量，以中溫中壓的混合流體從噴射器13出口出來，進入冷凝器16。混合流體在冷凝器16中放熱冷凝后，一部分經節流閥節流降壓在蒸發器14中蒸發提供冷量，另一部分存儲在儲液罐17中。待儲液罐17中冷凝液液位達到一定程度或者發生器19需要的液體不足時，關閉切換閥7和切換閥8，系統結束制冷階段。加壓階段由加壓，回液和冷卻三個子過程構成。打開切換閥10，系統進入加壓子過程。發生器19產生的高溫高壓液體進入儲液罐17，將儲液罐17中的冷凝液升溫升壓；直至儲

7、液罐17中的冷凝液的溫度和壓強與發生器19中的相同時，打開切換閥11，此時系統由加壓階段的加壓子過程進入回液子過程。當儲液罐17的布置位置高于發生器19時，儲液罐17中的高溫高壓液體在重力作用下進入發生器19，發生器19中的高溫高壓蒸氣繼續進入儲液罐17以平衡發生器19和儲液罐17的壓力；當儲液罐17的布置位置不高于發生器19時，在來自發生器19的高溫高壓蒸氣推動下，儲液罐17中的高溫高壓液體進入發生器19。當儲液罐17中無液體剩余時，關閉切換閥10和切換閥11，結束回液子過程；打開切換閥9，關閉切換閥12，開始冷卻子程序。直至儲液罐17的壓力降至滿足冷凝器冷凝液進入要求（冷凝器向儲液罐輸液結

8、束后，儲液罐的中制冷劑處于溫度為冷凝溫度的氣液兩相狀態），關閉切換閥9，蒸氣增壓噴射制冷系統的一個工作周期完成。該工作周期切換閥的動作，如表格1所示。表1.蒸氣增壓噴射器制冷系統（單儲液罐）一個周期內切換閥動作制冷階段加壓階段 加壓子過程回液子過程冷卻子過程時長切換閥7×××切換閥8×××切換閥9×××切換閥10××切換閥11×××切換閥12×注:標記“”和“×”分別表示狀態“開”和“關”。發明內容本發明提供一種蒸壓噴射制冷循環系統的流

9、程優化方法以及控制方法，本發明在現有的蒸氣增壓裝置的基礎實現上，僅需要調整制冷階段的時間長度，即可達到優化系統性能的目的。一種無循環泵式蒸氣增壓噴射制冷系統的控制方法，所述蒸氣增壓噴射制冷系統中至少包括有一套用于氣化制冷劑的發生器以及與發生器相連用于中轉回收冷凝劑的儲液罐，系統運行包括制冷階段和增壓階段；所述增壓階段包括依次進行的加壓，回液和冷卻三個子過程；系統運行時根據制冷階段的發生溫度和冷凝溫度預設初始增壓比，所述初始增壓比為加壓子過程開始時，儲液罐中制冷劑氣體與制冷劑液體的體積比；根據所述預設初始增壓比計算并控制制冷階段的時長，使儲液罐在加壓子過程開始時具有預設的初始增壓比即最佳初始增壓

10、比。 初始增壓比定義為加壓子過程剛開始時，儲液罐中制冷劑氣體與制冷劑液體的體積比。在蒸氣增壓噴射制冷系統中，在其他參數不變時，存在最佳初始增壓比，以使得系統性能COP（制冷能效比）最大，且儲液罐在冷卻子過程冷卻水量最小。預設初始增壓比即最佳初始增壓比由發生溫度、冷凝溫度和制冷劑種類決定。具體可以根據如下公式確定初始增壓比：vsiiL×(hbg-hsiiL)=1+×vsig×(hbg-hsig)+11+×vsiL×hbg-hsiL (33)式中：為初始增壓比；為加壓子過程開始時制冷劑的飽和氣體比體積；為加壓子過程開始時制冷劑的飽和液體比體積；為發

11、生器向儲液罐輸出的飽和氣體制冷劑的焓；、分別為加壓子過程開始時即冷凝溫度下的儲液罐中飽和氣體制冷劑和飽和液體制冷劑的焓值；為加壓子過程結束時即發生溫度下的儲液罐中飽和氣體制冷劑的體積；為加壓子過程結束時即發生溫度下的儲液罐中飽和氣體制冷劑的焓值。而調整引射比、發生溫度、冷凝溫度、蒸發溫度、儲液罐體積、制冷量、制冷劑種類和制冷階段時長可以改變初始增壓比。在蒸氣增壓噴射制冷系統的應用中，發生溫度、冷凝溫度、蒸發溫度、制冷量、儲液罐體積和制冷劑種類按照一定的要求確定；引射比由噴射器尺寸、發生溫度、冷凝溫度和蒸發溫度確定，可以通過實驗測得或者通過模擬得到。所以，最初始增壓比可以僅通過調整制冷階段的時間

12、長度實現；制冷階段的時間長度的調整可以通過控制位于發生器和噴射器之間的切換閥、及位于冷凝器與儲液罐之間的切換閥（兩切換閥開關狀態相同，開關操作同步）實現。 根據如下公式由初始增壓比計算制冷階段的時長：1+×vsig+11+×vsiL=Qc1×t1V×w×(heg-heL)+vg3 (35)為制冷量；為噴射器的引射比；為儲液罐體積；為制冷階段的時間長度；為回液子過程中，即發生溫度下，發生器需要向儲液罐提供的高溫高壓蒸氣的比體積；、分別是處于蒸發溫度時飽和氣態制冷劑、飽和液態制冷劑的焓值。結合到本發明應用的無循環泵式蒸氣增壓噴射制冷系統，可以通過位

13、于發生器與噴射器之間的切換閥7、及位于冷凝器與儲液罐之間的切換閥8（兩切換閥開關狀態相同，開關操作同步）的開啟或關閉狀態來控制制冷階段的時長。低溫低壓的儲液罐在加壓子過程中，冷凝液的密度隨著溫度和壓強（在氣液兩相平衡狀態時，溫度和壓強一一對應）的升高而變小，如圖3所示，為常用制冷劑R134a、R142b、R123和R717的飽和氣態（用下標“g”表示）和飽和液態（用下標“L”表示）的密度隨著溫度的變化（數據來自軟件Engineering Equation Solver）。在加壓子過程結束時，原先的冷凝液體積膨脹。而從發生器傳遞給儲液罐用來加壓的高溫高壓蒸氣經過熱平衡過程也冷卻成液體。所以加壓子

14、過程結束后，儲液罐中的液態制冷劑體積增加。如果初始增壓比過小，即初始增壓時，儲液罐中冷凝液體積過大，則加壓子過程結束時，甚至在增壓過程中，冷凝液因體積增加過渡而溢出儲液罐，擾亂發生器的正常工作，從而使得整個制冷系統無法正常運行。如果初始增壓比過大，即初始增壓時，儲液罐中冷凝液體積過小，意味著儲液罐體積相對增大，則在回液子過程結束時，儲液罐中剩余的高溫高壓蒸氣越多。這部分高溫高壓蒸氣不但無法被利用，而且需要消耗冷卻水。所以，當初始增壓比過大時，被浪費的熱量和冷卻水量增大，系統性能下降。為了使得系統穩定運行且同時具備最佳性能（最大COP和最少冷卻水量），所以初始增壓比不宜不大，亦不宜過小。當取得一

15、個的初始增壓比，使得增壓過程結束時，儲液罐中原先的低溫低壓的冷凝液正好充滿整個儲液罐，沒有空隙，也就沒有多余的體積來浪費熱量，這樣的預設初始增壓比即為最佳初始增壓比。本發明主要算法原理如下：在增壓階段加壓子過程剛開始時，儲液罐中氣體的體積為,液體的體積為,則初始增壓氣液比的數學表達式為：在增壓階段加壓子過程中，發生器為了將儲液罐中的冷凝液增壓到回液要求，需向儲液罐中輸入氣體質量為。則根據質量守恒定律，在加壓子過程結束時，即在回液子過程開始時，儲液罐中的冷凝液的質量為，其中為加壓子過程開始始時的儲液罐中的冷凝液的質量，包括氣體質量和液體質量，即，其中，其中、為加壓子過程開始時制冷劑的飽和氣體比體

16、積和飽和液體比體積，由制冷劑種類、所處的狀態（飽和氣體或者飽和液態）和溫度決定。所以，其中T表示溫度，表示加壓子過程開始時儲液罐的溫度。X表示干度，“X=1”表示飽和氣體，“X=0”表示飽和液體。加壓子過程剛開始，儲液罐的溫度和冷凝器的溫度相同，即，制冷劑氣體所占體積和液體所占體積之和即為整個儲液罐體積V，則加壓子過程結束時（相當于回液子過程開始時）儲液罐中的質量包括氣體質量和液體質量,即，其中，表示加壓子過程結束時儲液罐的溫度。此時儲液罐的溫度和發生器的溫度相同，即，= （15）整個加壓子過程，能量守恒，則, (16)其中為發生器向儲液罐輸出的飽和氣體制冷劑的焓，、分別為加壓子過程開始時儲液

17、罐中飽和氣體制冷劑和飽和液體制冷劑的焓值，、分別為加壓子過程結束時儲液罐中飽和氣體制冷劑和飽和液體制冷劑的焓值。飽和制冷劑的焓值由制冷劑的種類，飽和狀態（飽和氣態或飽和液態）和所處的溫度決定，所以(17)(18)(19)在回液過程中，發生器需要向儲液罐提供的高溫高壓蒸氣的質量為，則其中，這部分高溫高壓的蒸氣填充了回液剛開始時，即加壓子過程剛結束時，儲液罐中制冷劑液體所占的體積，所以，儲液罐給發生器回液的制冷劑質量彌補了發生器產生蒸氣損失的液體質量，所以其中，為發生器在制冷階段提供的高溫高壓的蒸氣，用作噴射器的冷凝氣體，則，其中為引射比，由噴射器結構尺寸，制冷劑種類，噴射器工作流體溫度，引射流體

18、溫度和混合流體的溫度，即發生溫度，蒸發溫度和冷凝溫度決定,w=w噴射器結構尺寸，制冷劑種類，Tg,Te,Tc （27）為引射流體的質量，由制冷劑種類，制冷量和蒸發溫度決定。其中，為一個周期內制冷階段的時長，、分別是處于蒸發溫度的飽和氣態制冷劑、飽和液態制冷劑的焓值，即當選取最佳氣液比時，儲液罐的液態制冷劑經加壓子過程，體積增加到正好占滿整個儲液罐，即所以，由式（1）-（32），可得， vsiiL×(hbg-hsiiL)=1+×vsig×(hbg-hsig)+11+×vsiL×hbg-hsiL (33)以上式子中，焓值和比體積可以利用物性軟件查詢

19、，如EES、REFPROP。而焓值和比體積只由制冷劑的種類和制冷劑所處的狀態（飽和狀態下，指氣態或者液態，及溫度）決定。根據式（33）可知最佳初始增壓比只由制冷劑種類，發生溫度，冷凝溫度決定。對于實際的噴射制冷系統，冷凝溫度受冷凝器冷源限制，制冷劑種類根據一旦選定就不變更換；發生溫度可以在熱源的溫度允許的范圍內來優化選取。在整個周期內，根據質量守恒定律，可知加壓子過程開始進行時，儲液罐中制冷劑的質量為上個周期冷卻子過程結束后儲液罐中剩余的制冷劑的質量和制冷階段冷凝器向儲液罐提供的冷凝液的質量之合。對增壓系統，即發生器和儲液罐，應用質量守恒定律，可知冷凝器向儲液罐提供的用作發生器回液的冷凝液的質

20、量和發生器向噴射器提供的工作流體的質量相同，即Msig+MsiL=Mg1+Mg3+Msiig (34)所以，1+×vsig+11+×vsiL=Qc1×t1V×w×(heg-heL)+vg3 (35)當制冷劑種類，發生溫度，冷凝溫度確定時，最佳初始增壓比確定，蒸發溫度和制冷量根據設計任務可確定，噴射器引射比w由噴射器性能曲線給定（實驗測得或通過模擬取得），則為了取得最佳初始增壓比，系統的自由度為2，即制冷階段的時長和儲液罐體積?，F有的系統，儲液罐的體積已經確定，則只需要根據式（33）和式（35）調整相應的制冷階段時長，即可取得最佳初始增壓比，使得

21、系統的性能最優。針對現存系統（儲液罐體積已定）優化發生溫度時，則可根據發生溫度確定制冷階段的時長，以取得最佳初始增壓比。蒸氣增壓噴射制冷系統，包括單儲液罐蒸氣增壓系統，并聯式多儲液罐蒸氣增壓系統，多套并聯的蒸氣增壓系統（可以連續制冷）等，都存在最佳初始增壓比；不僅如此，對于以常用的制冷劑為制冷工質的蒸氣增壓噴射制冷系統，包括R134a，R142b，R123，R717等制冷劑的飽和液態密度隨著溫度的增大而減少，也都存在最佳初始增壓比。通過本發明的研究表明當初始增壓比過小時，系統的穩定運行會受到干擾。當初始增壓比過大時，系統的COP變小，冷卻子過程中冷卻水負荷增大。取得最佳初始增壓比，系統性能CO

22、P最大，冷卻子過程中冷卻水負荷最小。最佳初始增壓比只由系統的蒸發溫度、冷凝溫度、制冷劑種類決定。當制冷劑種類、發生溫度、蒸發溫度、冷凝溫度、制冷量、引射比和儲液罐體積確定時，通過本發明控制方法僅需調整制冷階段時長就可以取得最佳初始增壓比。附圖說明圖1為現有噴射制冷原理圖；圖2現有蒸氣增壓噴射制冷系統原理圖（單儲液罐）；圖3為制冷劑飽和氣態和飽和液態的密度隨溫度的變化圖。具體實施方式實施例115以圖2所示系統為例，以R134a為制冷劑，制冷量Q為2KW，蒸發溫度為10，冷凝溫度為30，儲液罐體積為0.013。R134a的飽和液態和飽和氣態的密度隨溫度的變化如圖3所示。根據式（33）可知，在確定了

23、制冷劑種類和冷凝溫度下，最佳初始增壓比僅由發生溫度決定。表2中實施例115中給出了在80-94的發生溫度下，對應的最佳初始增壓比的值。通過軟件（可參見A. Khalil , M. Fatouh , E. Elgendy , Ejector design and theoretical study of R134a ejector refrigeration cycle. International journal of refrigeration 2011;34:16841698）模擬得到以R134a為制冷劑的噴射制冷系統在10的發生溫度，30的冷凝溫度下，80-94的發生溫度最佳尺寸對應的引

24、射比w的值如表2所示。因為引射比、冷凝溫度、蒸發溫度、制冷量、制冷劑種類和儲液罐體積都已確定，所以根據式（35）可知，最佳初始增壓比可以僅通過根據發生溫度調整制冷階段的時間長度實現。80-94的發生溫度對應的制冷階段的時間長度的控制值如表2所示。制冷階段的時間長度可以通過控制圖2中切換閥7和切換閥8的開關頻率進行。在80-94的發生溫度下，通過控制圖2中的切換閥7和切換閥8使得系統運行在最佳初始增壓比，對應的系統性能COP和冷卻子過程冷卻水負荷Qcool如表2所示。表2.不同發生溫度下取最佳初始增壓最佳比的系統參數實施例序號發生溫度Tb()最佳初始增壓比引射比w制冷階段時長t1(s)系統性能C

25、OP冷卻子過程冷卻水負荷Qcool（Kj)180 1.26 0.219 91.810.1412 330.7281 1.32 0.227 90.540.1432 341.3382 1.39 0.234 88.750.1446 352.3483 1.46 0.241 86.540.1453 363.8584 1.53 0.249 83.80.1454 375.8685 1.62 0.256 80.520.1446 388.4786 1.71 0.262 76.730.1428 401.5887 1.81 0.269 72.380.1400 415.2988 1.92 0.275 67.490.13

26、60 429.71089 2.04 0.281 62.030.1305 444.91190 2.17 0.286 55.920.1233 460.91291 2.32 0.291 49.110.1139 477.91392 2.50 0.296 41.570.1019 4961493 2.70 0.301 33.230.0866 515.41594 2.94 0.305 23.970.0670 536.3對比例114在最優發生溫度84下，如果不按照使得系統運行在最佳初始增壓比的制冷階段時長來調整圖2中切換閥7和切換閥8的切換頻率，而按照固定的初始增壓比對應的制冷階段時長來調整圖2中切換閥7和切換閥8的切換頻率，則相應的COP和Qcool的值如表3所示。表3.初始增壓比對系能系統的影響實施例以及對比例序號初始增壓比制冷階段時長t1(s)系統性能COP冷卻子過程冷卻水負荷Qcool（Kj)實施例11.5383.80.1455352.7對比例1以下為對比例1.5683.950.1447375.521.5982.540.1439375.13