逆卡诺循环

物理学概念

1824年，法国青年工程师卡诺研究了一种理想热机的效率，这种热机的循环过程叫做“卡诺循环”。这是一种特殊的，又是非常重要的循环，因为采用这种循环的热机效率最大。而逆卡诺循环就是与卡诺循环相反的循环，是制冷理论的基础。

简介

卡诺循环是由四个循环过程组成，两个绝热过程和两个等温过程。它是1824年N.L.S.卡诺（见卡诺父子）在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气、磨擦等损耗。为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程。作卡诺循环的热机叫做卡诺热机。

卡诺进一步证明了下述卡诺定理：①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中T1、T2分别是高温和低温热源的绝对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程。

卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向（提高T1、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环），成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究，导致热力学第二定律的建立。

在卡诺定理基础上建立的与测温物质及测温属性无关的绝对热力学温标，使温度测量建立在客观的基础之上。此外，应用卡诺循环和卡诺定理，还可以研究表面张力、饱和蒸气压与温度的关系及可逆电池的电动势等。还应强调，卡诺定理这种撇开具体装置和具体工作物质的抽象而普遍的理论研究，已经贯穿在整个热力学的研究之中。

逆卡诺循环奠定了制冷理论的基础，逆卡诺循环揭示了空调制冷系数（俗称EER或COP）的极限。一切蒸汽压缩式制冷都不能突破逆卡诺循环。

理论

在逆卡诺循环理论中间，要提高空调制冷系数就只有以下二招：

1.提高压机效率，从上面推导可以发现小型空调理论上只存在效率提高空间19%；大型螺杆水机效率提高空间9%。

2.膨胀功损失与内部摩擦损失（所谓内部不可逆循环）：其中减少内部摩擦损失几乎没有空间与意义。在我们songrui版主的液压马达没有问世之前，解决膨胀功损失的唯一方法是采用比容大的制冷剂，达到减少输送质量的目的。如R410A等复合冷剂由于比容较R22大，使膨胀功损失有所减少，相对提高了制冷系数。但是就目前情况看通过采用比容大的制冷剂，制冷系数提高空间不会超过6%。（极限空间12%）

原理

根据逆卡诺循环基本原理：

低温高压液态制冷剂经膨胀机构节流处理后变为低温低压的液态制冷剂，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量Q2；

蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂（此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分：一部分是从空气中吸收的热量Q2，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q1；

被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量（Q1+Q2）释放给进入热换热器中的冷水，冷水被加热到60℃直接进入保温水箱储存起来供用户使用；

放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构，节流降压......如此不间断进行循环。

冷水获得的热量Q3=制冷剂从空气中吸收的热量Q2+驱动压缩机的电能转化成的热量Q1，在标准工况下：Q2=3.6Q1,即消耗1份电能，得到4.6份的热量。

分解

它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度为Tk，则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk，就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为：

首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温吸热4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温放热2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。

对于逆卡诺循环来说：

q0=T0(S1-S4）

qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）

w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）

则逆卡诺循环制冷系数εk 为：T0/(Tk-T0)　由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度 T0 和热源（即环境介质）的温度 Tk；降低 Tk，提高 T0 ，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。即： η=ε/εk。

热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。

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