小型冷冻体系的熵产摹拟和剖析

1本文主要介绍微型制冷系统的研制及熵产模型，并分析了随着制冷系统尺寸的减小系统中各个部件熵产率的变化情况。

2微型制冷系统的熵产模型

2. 1微型制冷系统简介

微型制冷系统是先进微型能量系统在工程中应用的典型范例，美国军方已将这种先进技术用于伊拉克战争，并引起了国际上广泛的关注。目前世界上只有美国为数很少的研究机构在进行微型制冷系统的研究，欧洲、日本均未有相关的研究报道。在我国该项研究尚属空白，笔者对微型制冷系统进行了系统、深入的研究，并研制了微型蒸汽压缩式制冷系统的样机。微型制冷系统由微型电机、微型三角转子压缩机、平行流式冷凝器、毛细管及微型螺旋管蒸发器等组成，如所示，采用12V高能锂离子聚合物电池做动力，可以持续运行2h.制冷系统大小： 265 mm×250 mm×120mm，总重量约2. 85kg，在40℃的环境温度下可以产生约300W的制冷量。

压缩机的效率高低是整个制冷系统的关键，微型制冷系统的首要目标是质量轻，而三角转子压缩机具有结构简单、效率高、寿命长、振动小、噪声低、体小量轻及适合高速运转等优点，系统中采用的微型三角转子压缩机采用铸铁和铝合金制造，直径为0. 05m，高0. 07m.重量只有0. 4kg.

压缩机为半封闭式的，通过弹性连轴器与直流无刷电机相联，可以变转速运行。压缩机的冷却方式为风冷，气缸和端盖用空气冷却，三角转子采用润滑油进行冷却。

平流式冷凝器是由管带式冷凝器发展而成，也是由扁管和散热片组成，它吸收了管带式的各项新技术，其结构先进，换热系数高，材料消耗低，外形尺寸小，是目前*有前途的冷凝器形式之一，是技术上较成熟的一种产品。我们为微型制冷系统设计开发了微型多元平行流冷凝器，即在平行流式结构的基础上加设隔断的变通程结构，并对其进行了优化设计。

微型制冷系统采用微型螺旋管蒸发器，其重量只有0. 16kg，通过流动表面的粗糙处理及内部加扭转带来强化传热。

因为系统的制冷量较小，且对制冷量的需求变化不大，故用毛细管做制冷系统的节流装置。

2. 2微型制冷系统的熵产模型

在传统制冷系统中，除低温制冷机以外，系统内部漏热是忽略不计的。微型制冷系统尺寸很小，从高温部件（冷凝器）到低温部件（蒸发器）的漏热就不能忽略。在实际制冷系统中，当系统与外部有热交换时，熵产可以分为两部分，内部熵产和外界熵产。微型制冷系统中，内部熵产占主要部分。因此，我们主要讨论微型制冷系统内部的熵产。

2. 2. 1压缩机

压缩机的容积效率和等熵效率不一致的原因之一就是其内部高温腔与低温腔之间的热传递，由于内部热传递引起的熵产中S gen）H. TDDD压缩机内部由于热传递引起的熵产，J /K Q WD传热量，J hD传热系数，W / （m 2 K）A WD传热面积，m 2ΔTD传热温差，K压缩机内制冷剂的流动摩擦是引起熵产的另一个因素。很多学者对流道内由粘性摩擦引起的熵产进行过研究，公式S gen）ΔPDDD压缩机内由粘性摩擦引起的熵产，J /K m

DDD制冷剂的质量流量，kg/ sρDDD制冷剂的密度，kg/m 3 fDDD摩擦因子DDDD流道直径，m ADDD流道截面积，m 2 TDDD制冷剂的温度，K 2.2.2冷凝器和蒸发器

换热器传热过程中的温差传热和流动摩阻引起的熵产可由下式计算制冷系统中的理想膨胀过程是等熵过程，此时制冷效果*佳。在实际蒸汽压缩式制冷系统中，膨胀过程实际上是一个等焓过程，不可避免地有熵产。此过程中的熵产等于熵变。

2.2.4系统内部漏热

因为蒸发器的温度比低温环境还要低，所以外部空间或系统的高温部件会不停地向它传热。

在微型制冷系统中，这种传热的害处并不大，以下分析只考虑不可逆热传导的情况。系统内部漏热熵产，J /K制冷系统中总熵产之和。

3微型制冷系统的熵产分析

笔者所研制的微型制冷系统，和传统装置相比，不单是整体尺寸，其内部结构、流道尺寸等都缩小了1～2个数量级。因此，系统微型化以后引起的熵产变化需要进一步的探讨。为此我们选取几种不同尺寸的制冷系统在同一工况下进行熵产率的对比计算，型号B即为当前我们所研制的制冷系统，其它型号的结构参数皆是按照与型号B相同的设计方法设计而成的。各个系统中一些部件的结构参数。根据式知道冷凝器和蒸发器内的熵产率计算公式相同，以冷凝器为例进行计算从而只列出冷凝器的结构参数。由式可明确知道毛细管内熵产率的大小与毛细管的尺寸无关，在此，不再进行计算。由于微型制冷系统样机的加工手段基本上都是传统的加工工艺，因此，本文在分析时认为各种尺寸系统部件的表面加工精度都是相同。

3. 1压缩机内熵产率计算

根据式可得压缩机内熵产率压缩机内部单位质量流量的熵产率，Js/ （kgK）可见，压缩机内熵产由两部分组成：制冷剂的粘性不可逆性引起的熵产以及压缩机高温腔、低温腔之间传热不可逆性引起的熵产。因为压缩机的运行工况相同且结构尺寸相似，我们可以用对应的结构尺寸来进行式的计算。

D用R - e计算， L用R+e计算， A用Rb计算，假设各个压缩机内高低压之间传热时的传热系数相等，换热系数可用气体-气体传热的经验值近似计算。可以得出各种规格压缩机的熵产率，压缩机内熵产率随尺寸（创成半径）变化的曲线。由图可见，随着系统尺寸的减小压缩机内的熵产率增加。

3.2冷凝器内熵产率计算

为了简化起见，假设层流区中N u数为常数，摩擦因子与尺寸成反比，冷凝器或蒸发器的换热量与制冷剂的流量成正比。温差引起的单位质量流量压降引起的单位质量流量的熵产率，Js/ （kgK）式中参数可以按照经验公式计算。冷凝器内熵产率随尺寸（流道直径）变化的曲线。

由温差引起的熵产率随着换热器尺寸的减小而减小，由摩擦引起的传热随着换热器尺寸的减小而增加。而换热器内总熵产率不随尺寸减小发生显著变化。

3.3系统内不可逆热传导引起的熵产率计算

根据式可得系统内不可逆热传导引起的熵产率假设各个系统不可逆热传导的热导率k相同，定义一个无因次熵产数

另外，假定系统高低温部件之间的连接管路与换热器的管长成正比，则A可由换热器截面积计算， L由换热器管长计算。可得N s随系统尺寸不同的变化情况，系统内不可逆热传导引起的熵产率随着尺寸的减小而增加。

系统内不可逆热传导引起的熵产率随尺寸变化的曲线散点为不同规格制冷机的热力完善度的统计结果，曲线采用*小二乘分法拟合而成，制冷机的热力完善度η= COP real /COP ideal，可见，系统的制冷量的尺寸效应是很明显的，它随着系统制冷量的减小而减小。

4结语

介绍了笔者所研制的微型制冷系统样机，并以该样机为原型建立了蒸汽压缩式制冷系统的熵产模型，分析了随着制冷系统尺寸的减小系统中各个部件熵产率的变化情况。制冷系统尺寸减小以后，压缩机内的熵产率及系统内不可逆热传导引起的熵产率增加，而换热器内由温差引起的熵产率减小，由摩擦引起的熵产率的增加，总熵产率基本不变。对于微型制冷系统，提高微型压缩机的加工精度及减少系统内部热漏是系统成功运转的关键。