1本文主要介紹微型制冷系統(tǒng)的研制及熵產(chǎn)模型，并分析了隨著制冷系統(tǒng)尺寸的減小系統(tǒng)中各個部件熵產(chǎn)率的變化情況。

　　2微型制冷系統(tǒng)的熵產(chǎn)模型

　　2. 1微型制冷系統(tǒng)簡介

　　微型制冷系統(tǒng)是先進(jìn)微型能量系統(tǒng)在工程中應(yīng)用的典型范例，美國軍方已將這種先進(jìn)技術(shù)用于伊拉克戰(zhàn)爭，并引起了國際上廣泛的關(guān)注。目前世界上只有美國為數(shù)很少的研究機構(gòu)在進(jìn)行微型制冷系統(tǒng)的研究，歐洲、日本均未有相關(guān)的研究報道。在我國該項研究尚屬空白，筆者對微型制冷系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，并研制了微型蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的樣機。微型制冷系統(tǒng)由微型電機、微型三角轉(zhuǎn)子壓縮機、平行流式冷凝器、毛細(xì)管及微型螺旋管蒸發(fā)器等組成，如所示，采用12V高能鋰離子聚合物電池做動力，可以持續(xù)運行2h.制冷系統(tǒng)大?。?265 mm×250 mm×120mm，總重量約2. 85kg，在40℃的環(huán)境溫度下可以產(chǎn)生約300W的制冷量。

　　壓縮機的效率高低是整個制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵，微型制冷系統(tǒng)的首要目標(biāo)是質(zhì)量輕，而三角轉(zhuǎn)子壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、壽命長、振動小、噪聲低、體小量輕及適合高速運轉(zhuǎn)等優(yōu)點，系統(tǒng)中采用的微型三角轉(zhuǎn)子壓縮機采用鑄鐵和鋁合金制造，直徑為0. 05m，高0. 07m.重量只有0. 4kg.

　　壓縮機為半封閉式的，通過彈性連軸器與直流無刷電機相聯(lián)，可以變轉(zhuǎn)速運行。壓縮機的冷卻方式為風(fēng)冷，氣缸和端蓋用空氣冷卻，三角轉(zhuǎn)子采用潤滑油進(jìn)行冷卻。

　　平流式冷凝器是由管帶式冷凝器發(fā)展而成，也是由扁管和散熱片組成，它吸收了管帶式的各項新技術(shù)，其結(jié)構(gòu)先進(jìn)，換熱系數(shù)高，材料消耗低，外形尺寸小，是目前*有前途的冷凝器形式之一，是技術(shù)上較成熟的一種產(chǎn)品。我們?yōu)槲⑿椭评湎到y(tǒng)設(shè)計開發(fā)了微型多元平行流冷凝器，即在平行流式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加設(shè)隔斷的變通程結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

　　微型制冷系統(tǒng)采用微型螺旋管蒸發(fā)器，其重量只有0. 16kg，通過流動表面的粗糙處理及內(nèi)部加扭轉(zhuǎn)帶來強化傳熱。

　　因為系統(tǒng)的制冷量較小，且對制冷量的需求變化不大，故用毛細(xì)管做制冷系統(tǒng)的節(jié)流裝置。

　　2. 2微型制冷系統(tǒng)的熵產(chǎn)模型

　　在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中，除低溫制冷機以外，系統(tǒng)內(nèi)部漏熱是忽略不計的。微型制冷系統(tǒng)尺寸很小，從高溫部件（冷凝器）到低溫部件（蒸發(fā)器）的漏熱就不能忽略。在實際制冷系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)與外部有熱交換時，熵產(chǎn)可以分為兩部分，內(nèi)部熵產(chǎn)和外界熵產(chǎn)。微型制冷系統(tǒng)中，內(nèi)部熵產(chǎn)占主要部分。因此，我們主要討論微型制冷系統(tǒng)內(nèi)部的熵產(chǎn)。

　　2. 2. 1壓縮機

　　壓縮機的容積效率和等熵效率不一致的原因之一就是其內(nèi)部高溫腔與低溫腔之間的熱傳遞，由于內(nèi)部熱傳遞引起的熵產(chǎn)中S gen）H. TDDD壓縮機內(nèi)部由于熱傳遞引起的熵產(chǎn)，J /K Q WD傳熱量，J hD傳熱系數(shù)，W / （m 2 K）A WD傳熱面積，m 2ΔTD傳熱溫差，K壓縮機內(nèi)制冷劑的流動摩擦是引起熵產(chǎn)的另一個因素。很多學(xué)者對流道內(nèi)由粘性摩擦引起的熵產(chǎn)進(jìn)行過研究，公式S gen）ΔPDDD壓縮機內(nèi)由粘性摩擦引起的熵產(chǎn)，J /K m

　　DDD制冷劑的質(zhì)量流量，kg/ sρDDD制冷劑的密度，kg/m 3 fDDD摩擦因子DDDD流道直徑，m ADDD流道截面積，m 2 TDDD制冷劑的溫度，K 2.2.2冷凝器和蒸發(fā)器

　　換熱器傳熱過程中的溫差傳熱和流動摩阻引起的熵產(chǎn)可由下式計算制冷系統(tǒng)中的理想膨脹過程是等熵過程，此時制冷效果*佳。在實際蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中，膨脹過程實際上是一個等焓過程，不可避免地有熵產(chǎn)。此過程中的熵產(chǎn)等于熵變。

　　2.2.4系統(tǒng)內(nèi)部漏熱

　　因為蒸發(fā)器的溫度比低溫環(huán)境還要低，所以外部空間或系統(tǒng)的高溫部件會不停地向它傳熱。

　　在微型制冷系統(tǒng)中，這種傳熱的害處并不大，以下分析只考慮不可逆熱傳導(dǎo)的情況。系統(tǒng)內(nèi)部漏熱熵產(chǎn)，J /K制冷系統(tǒng)中總熵產(chǎn)之和。

　　3微型制冷系統(tǒng)的熵產(chǎn)分析

　　筆者所研制的微型制冷系統(tǒng)，和傳統(tǒng)裝置相比，不單是整體尺寸，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流道尺寸等都縮小了1～2個數(shù)量級。因此，系統(tǒng)微型化以后引起的熵產(chǎn)變化需要進(jìn)一步的探討。為此我們選取幾種不同尺寸的制冷系統(tǒng)在同一工況下進(jìn)行熵產(chǎn)率的對比計算，型號B即為當(dāng)前我們所研制的制冷系統(tǒng)，其它型號的結(jié)構(gòu)參數(shù)皆是按照與型號B相同的設(shè)計方法設(shè)計而成的。各個系統(tǒng)中一些部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)式知道冷凝器和蒸發(fā)器內(nèi)的熵產(chǎn)率計算公式相同，以冷凝器為例進(jìn)行計算從而只列出冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由式可明確知道毛細(xì)管內(nèi)熵產(chǎn)率的大小與毛細(xì)管的尺寸無關(guān)，在此，不再進(jìn)行計算。由于微型制冷系統(tǒng)樣機的加工手段基本上都是傳統(tǒng)的加工工藝，因此，本文在分析時認(rèn)為各種尺寸系統(tǒng)部件的表面加工精度都是相同。

　　3. 1壓縮機內(nèi)熵產(chǎn)率計算

　　根據(jù)式可得壓縮機內(nèi)熵產(chǎn)率壓縮機內(nèi)部單位質(zhì)量流量的熵產(chǎn)率，Js/ （kgK）可見，壓縮機內(nèi)熵產(chǎn)由兩部分組成：制冷劑的粘性不可逆性引起的熵產(chǎn)以及壓縮機高溫腔、低溫腔之間傳熱不可逆性引起的熵產(chǎn)。因為壓縮機的運行工況相同且結(jié)構(gòu)尺寸相似，我們可以用對應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸來進(jìn)行式的計算。

　　D用R - e計算， L用R+e計算， A用Rb計算，假設(shè)各個壓縮機內(nèi)高低壓之間傳熱時的傳熱系數(shù)相等，換熱系數(shù)可用氣體-氣體傳熱的經(jīng)驗值近似計算?？梢缘贸龈鞣N規(guī)格壓縮機的熵產(chǎn)率，壓縮機內(nèi)熵產(chǎn)率隨尺寸（創(chuàng)成半徑）變化的曲線。由圖可見，隨著系統(tǒng)尺寸的減小壓縮機內(nèi)的熵產(chǎn)率增加。

　　3.2冷凝器內(nèi)熵產(chǎn)率計算

　　為了簡化起見，假設(shè)層流區(qū)中N u數(shù)為常數(shù)，摩擦因子與尺寸成反比，冷凝器或蒸發(fā)器的換熱量與制冷劑的流量成正比。溫差引起的單位質(zhì)量流量壓降引起的單位質(zhì)量流量的熵產(chǎn)率，Js/ （kgK）式中參數(shù)可以按照經(jīng)驗公式計算。冷凝器內(nèi)熵產(chǎn)率隨尺寸（流道直徑）變化的曲線。

　　由溫差引起的熵產(chǎn)率隨著換熱器尺寸的減小而減小，由摩擦引起的傳熱隨著換熱器尺寸的減小而增加。而換熱器內(nèi)總熵產(chǎn)率不隨尺寸減小發(fā)生顯著變化。

　　3.3系統(tǒng)內(nèi)不可逆熱傳導(dǎo)引起的熵產(chǎn)率計算

　　根據(jù)式可得系統(tǒng)內(nèi)不可逆熱傳導(dǎo)引起的熵產(chǎn)率假設(shè)各個系統(tǒng)不可逆熱傳導(dǎo)的熱導(dǎo)率k相同，定義一個無因次熵產(chǎn)數(shù)

　　另外，假定系統(tǒng)高低溫部件之間的連接管路與換熱器的管長成正比，則A可由換熱器截面積計算， L由換熱器管長計算。可得N s隨系統(tǒng)尺寸不同的變化情況，系統(tǒng)內(nèi)不可逆熱傳導(dǎo)引起的熵產(chǎn)率隨著尺寸的減小而增加。

　　系統(tǒng)內(nèi)不可逆熱傳導(dǎo)引起的熵產(chǎn)率隨尺寸變化的曲線散點為不同規(guī)格制冷機的熱力完善度的統(tǒng)計結(jié)果，曲線采用*小二乘分法擬合而成，制冷機的熱力完善度η= COP real /COP ideal，可見，系統(tǒng)的制冷量的尺寸效應(yīng)是很明顯的，它隨著系統(tǒng)制冷量的減小而減小。

　　4結(jié)語

　　介紹了筆者所研制的微型制冷系統(tǒng)樣機，并以該樣機為原型建立了蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的熵產(chǎn)模型，分析了隨著制冷系統(tǒng)尺寸的減小系統(tǒng)中各個部件熵產(chǎn)率的變化情況。制冷系統(tǒng)尺寸減小以后，壓縮機內(nèi)的熵產(chǎn)率及系統(tǒng)內(nèi)不可逆熱傳導(dǎo)引起的熵產(chǎn)率增加，而換熱器內(nèi)由溫差引起的熵產(chǎn)率減小，由摩擦引起的熵產(chǎn)率的增加，總熵產(chǎn)率基本不變。對于微型制冷系統(tǒng)，提高微型壓縮機的加工精度及減少系統(tǒng)內(nèi)部熱漏是系統(tǒng)成功運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。