第1章空调制冷原理与基础
采用压缩机使气态制冷剂增压的制冷机称蒸气压缩式制冷机（简称蒸气制冷机）。对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级压缩。单级蒸气压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机。这类制冷机设备比较紧凑，可以制成大、中、小型，以适应不同场合的需要，能达到的制冷温度范围比较宽广，从稍低于环境温度至-150℃，在普通制冷温度范围内具有较高的循环效率，被广泛地应用于国民经济的各个领域中。
蒸气压缩式制冷循环，根据实际应用有单级、多级、复叠式等循环之分，在各种蒸气压缩式制冷机中，单级压缩制冷机应用最广，是构成其他蒸气压缩式制冷机的基础，据不完全统计，全世界单级蒸气压缩式制冷机的数量是制冷机总数的75%以上。因此，我们的介绍主要针对单级压缩式制冷机。
1．单级蒸气压缩式制冷循环——逆卡诺循环
在日常生活中我们都有这样的体会，如果给皮肤上涂抹酒精液体时，就会发现皮肤上的酒精很快干掉，并给皮肤带来凉快的感觉，这是什么原因呢？这是因为酒精由液体变为气体时吸收了皮肤上热量的缘故。由此可见，液体汽化时要从周围物体吸收热量。单级蒸气压缩式制冷，就是利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量，被冷却介质因失去热量而降低温度，达到制冷的目的。制冷剂
1.1 逆卡诺循环——理想制冷循环
几个概念
焓h=U+PV 表示工质流动能和内能之和。
熵S=△Q/T 表示工质热量变化与工质温度之商。
温熵图
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T k, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为T k, 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，并进行等温膨胀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T k, 再在T k下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量q k, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由T k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，由图可知：
q0=T0(S1-S4）
q k=T k(S2-S3)=T k(S1-S4）
w0=q k-q0=T k(S1-S4)-T0(S1-S4)=(T k-T0)(S1-S4）
则逆卡诺循环制冷系数εk为：εk= w0/ q k=(T k-T0) / T k
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T k；降低T k，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。
1.2 制冷循环过程
根据蒸气压缩式制冷原理构成的单级蒸气压缩式制冷循环系统，是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生不同状态变化的部件组成，串接成一个封闭的循环回路，在系统回路中装入制冷剂，制冷剂在这个循环回路中能够不停地循环流动，即称为制冷循环系统。
制冷剂在流经制冷循环系统的各相关部位，将发生由液态变为气态，再由气态变为液态的重复性的不断变化。利用制冷剂汽化时吸收其他物质的热量，冷凝时向其他介质放出热量的性质，当制冷剂汽化吸热时，某物质必然放出热量而使其温度下降，这样就达到了制冷的目的。依照上述要求，蒸气压缩式制冷循环系统如图1-1所示。
蒸气压缩制冷循环系统主要由四大部件组成，即压缩机、冷凝器、
节流元件和蒸发器，用不同直径的管道把它们串接起来，就形成了一个能使制冷剂循环流动的封闭系统。
制冷压缩机由原动机如电机拖动而工作，不断地抽吸蒸发器中的制冷剂蒸气，压缩成高压（p k）、过热蒸气而排出并送入冷凝器，正是由于这一高压存在，使制冷剂蒸气在冷凝器中放出热量，把热量传递给周围的环境介质??水或空气，从而使制冷剂蒸气冷凝成液体，当然，制冷剂蒸气冷凝时的温度一定要高于周围介质的温度。
冷凝后的液体仍处于高压状态，流经节流元件进入蒸发器。制冷剂在节流元件中，从入口端的高压p k降低到低压p0，从高温t k降低到t0，并出现少量液体汽化变为蒸气。
1.3 制冷系统四大部件
1.制冷压缩机制冷压缩机是制冷循环的动力，它由原动机如电机拖动而工作，它除了及时抽出蒸发器内蒸气，维持低温低压外，作用之二是通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度，创造将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质转移的条件。即将低温低压制冷剂蒸气压缩至高温高压状态，以便能用常温的空气或水作冷却介质来冷凝制冷剂蒸气。
2.冷凝器冷凝器是一个热交换设备，作用是利用环境冷却介质空气或水，将来自制冷压缩机的高温高压制冷蒸气的热量带走，使高温高压制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体。冷凝器向冷却介质散发热量的多少，与冷凝器的面积大小成正比，与制冷剂蒸气温度和冷却介质温度之间的温度差成正比。所以，要散发一定的热量，就需要足够大的冷凝器面积，也需要一定的换热温度差。
3.节流元件高压常温的制冷剂液体不能直接送入低温低压的
蒸发器。根据饱和压力与饱和温度一一对应原理，降低制冷剂液体的压力，从而降低制冷剂液体的温度。将高压常温的制冷剂液体通过降压装置??节流元件，得到低温低压制冷剂，再送入蒸发器吸热汽化。目前，蒸气压缩式制冷系统中常用的节流元件有膨胀阀和毛细管。
4.蒸发器蒸发器也是一个热交换设备。节流后的低温低压制冷剂液体在其内蒸发（沸腾）变为蒸气，吸收被冷却介质的热量，使被冷却介质温度下降，达到制冷的目的。蒸发器吸收热量的多少与蒸发器的面积大小成正比，与制冷剂的蒸发温度和被冷却介质温度之间的温度差成正比。当然，也与蒸发器内液体制冷剂的多少有关。所以，蒸发器要吸收一定的热量，就需要与之相匹配的蒸发器面积，也需要一定的换热温度差，还需要供给蒸发器适量的液体制冷剂。
1.4 制冷剂的变化过程
制冷剂在循环系统中不停地流动，其状态也不断地变化，它在循环系统的每一部位的状态都是各不相同的。
1.制冷剂在制冷压缩机中的变化按压缩机工作原理的要求，制冷剂蒸气由蒸发器的末端进入压缩机吸气口时，应该处于饱和蒸气状态。但这是很难实现的。制冷剂的饱和压力和饱和温度存在着一一对应关系，即压力越高温度越高，压力越低温度越低。其饱和压力值和饱和温度值的对应关系，可从各种制冷剂的热力性质表中查阅。
制冷剂蒸气在压缩机中被压缩成过热蒸气，压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力p k。由于压缩过程是在瞬间完成的，制冷剂蒸气与外界几乎来不及发生热量交换压缩就已完成，所以称为绝热压缩过程。蒸气的被压缩是由于外界施给能量而实现的，即外界的能量对制冷剂做功，这就使得制冷剂蒸气的温度再进一步升高，使蒸气进一步过热。即压缩机排出的蒸气温度高于冷凝温度。
2.制冷剂在冷凝器中的变化过热蒸气进入冷凝器后，在压力不变的条件下，先是散发出一部分热量，使制冷剂过热蒸气冷却成饱和蒸气。然后饱和蒸气在等温条件下，继续放出热量而冷凝产生了饱和液体。继续不断地冷凝，饱和液体会越来越多，饱和蒸气越来越少，最终会把制冷剂蒸气全部冷凝为饱和液体，这时饱和液体仍维持冷凝压力p k和冷凝温度t k。冷凝温度t k由设备的工况条件确定，对应的冷凝压力可从该制冷剂的热力性质表中查阅。
3.制冷剂在节流元件中的变化饱和液体制冷剂经过节流元件，由冷凝压力p k降至蒸发压力p0，温度由t k降至t0。由节流元件出口流出的制冷剂变为液体约占80%、气体约占20%的两相混合状态，这其中少量蒸气的产生，是由于压力下降液体膨胀而出现的闪发气体，汽化时吸收的热量来源于制冷剂本身，与外界几乎不存在热量的交换，故称为绝热膨胀过程。
4.制冷剂在蒸发器中的变化以液体为主的两相状态的制冷剂，流人蒸发器内吸收被冷却介质的热量而不断汽化，制冷剂在等压等温条件下的不断汽化，使得液体越来越少，蒸气越来越多，直到制冷剂液体全部汽化变为饱和蒸气时，又重新流回到压缩机的吸气口，再次被压缩机吸入、压缩、排出，进入下一次循环。
以上是制冷剂的一个完整的状态变化过程，也称为一个完整的制冷循环过程。正是由于制冷循环的存在和制冷剂的合理状态变化，通过制冷剂的流动，实现了在蒸发器周围吸收热量，在冷凝器周围又放出热量，起到了把热量搬运、转移的作用，达到蒸发器周围温度下降，即制冷的目的。
1.5 单级蒸气压缩式制冷理论循环
1 单级蒸气压缩式制冷理论循环
实际的制冷循环极为复杂，难以获得完全真实的全部状态参数。因此，在分析和计算单级蒸气压缩式制冷循环时，通常采用理论制冷循环。
1.理论循环的假设条件理论循环是建立在以下假设基础上：
1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失。
2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值。
3）离开蒸发器和进入制冷压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气；离开冷凝器和进入节流元件的液体为冷凝压力下的饱和液体。
4）除节流元件产生节流降压外，制冷剂在设备、管道内的流动没有阻力损失（压力降)，与外界环境没有热交换。
5）节流过程为绝热过程，即与外界不发生热交换。
2.制冷剂的压焓图为了对蒸气压缩式制冷循环有一个全面的认识，不仅要知道循环中每一个过程，而且要了解各个过程之间的关系以及某一过程发生变化时对其它过程的影响。在制冷循环的分析和计算中，通常借助于压焓图，可使整个循环问题简化，并可以看到循环中各状态的变化以及这些变化对循环的影响。
压焓图的结构如图1-2所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精度，通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。其中有：
三区：液相区、两相区、气相区。
五态：过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态。
八线：等压线p （水平线），等焓线h （垂直线），饱和液线a ，饱和蒸气线b ，无数条等干度线x （只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定），等熵线s （向右上方倾斜的实线），等比体积线v （向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦），等温线t （液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行，故等温线与等压线重合，是水平线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线）。
在温度、压力、比体积、比焓、比熵、干度等参数中，只要知道其中任意两个状态参数，就可以在压焓图中确定过热蒸气及过冷液体的状态点，其它状态参数便可直接从图中读出。对于饱和蒸气及饱和液体，只需知道一个状态参数就能确定其状态。
3.理论循环过程在压焓图上的表示 根据理论循环的假设条件，单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程，在压焓图上的表示如图1-3
所示。
图1-3 理论制冷循环压焓图
1）制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为p0的饱和制冷剂蒸气（状态点1），沿等熵线压缩至冷凝压力p k（状态点2），压缩过程完成。
2）状态点2的高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器，经冷凝器与环境介质空气或水进行热交换，放出热量q k后，沿等压线p k冷却至饱和蒸气状态点2'，然后冷凝至饱和液状态点3，冷凝过程完成。在冷却过程（2-2'）中制冷剂与环境介质有温差，在冷凝过程（2'-3）中制冷剂与环境介质无温差。
3）状态点3的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压，沿等焓线（节流过程中焓值保持不变）由冷凝压力p k降至蒸发压力p0，到达湿蒸气状态点4，膨胀过程完成。
4）状态点4的制冷剂湿蒸气进入蒸发器，在蒸发器内吸收被冷却介质的热量沿等压线p0汽化，到达饱和蒸气状态点1，蒸发过程完成。制冷剂的蒸发温度与被冷却介质间无温差。
1.6 理论循环的计算方法
单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标有单位质量制冷量、单位容积制冷量、理论比功、单位冷凝热负荷及制冷系数等。
1.单位质量制冷量制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质中制取的冷量称为单位质量制冷量，用q0表示。
q0=h1-h4=r0（1-x4）（1-1）式中q0??单位质量制冷量（kJ/kg）；
h1??与吸气状态对应的比焓值（kJ/kg）；
h4??节流后湿蒸气的比焓值（kJ/kg）；
r 0??蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg ）；
x 4??节流后气液两相制冷剂的干度。
单位质量制冷量q 0在压焓图上相当于过程线1-4在h 轴上的投影（见图1-3）。由式（1-1）可知，制冷剂的汽化潜热越大，节流后的干度越小，则单位质量制冷量越大。制冷循环的单位质量制冷量的大小与制冷剂的性质和循环的工作温度有关。
2.单位容积制冷量 制冷压缩机每吸入1m 3制冷剂蒸气（按吸气状态计）经循环从被冷却介质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用q v 表示。
1
4
110v v h h v q q -== （1-2）
式中 q v ??单位容积制冷量（kJ /m 3）；
v 1??制冷剂在吸气状态时的比体积（m 3/kg ）。
由式（1-2）可知，吸气比体积v 1将直接影响单位容积制冷量q v 的大小。而且吸气比体积v 1的大小随蒸发温度的下降而增大，所以理论循环的q v 不仅随制冷剂的种类而改变，而且还随循环的蒸发温度的变化而变化。
3.理论比功 制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg 制冷剂蒸气所消耗的功，称为理论比功，用w 0表示。
w 0=h 2-h 1 （1-3）
式中 w 0??理论比功（kJ /kg ）；
h 2??压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg ）；
h 1??压缩机吸气状态制冷剂的比焓值（kJ /kg ）。
理论比功w 0在压焓图上相当于压缩过程线1-2在h 轴上的投影（见图1-3）。理论比功也与制冷剂的种类和循环的工作条件有关，与制冷压缩机的形式无关。
4.单位冷凝热负荷 制冷压缩机每输送1kg 制冷剂在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热负荷，用q k 表示。
q k =（h 2-h 2'）+（h 2'-h 3）=h 2-h 3 （1-4）
式中 q k ??单位冷凝热负荷（kJ /kg ）；
h 2'??与冷凝压力对应的干饱和蒸气状态所具有的比焓值（kJ/kg ）；
h 3??与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值
（kJ /kg ）；
在压焓图中，q k 相当于等压冷却、冷凝过程线 2-2'-3 在h 轴上的投影（见图1-3）。
比较式（1-1）、式（1-3）、式（1-4）和h 4=h 3可以看出，对于单级蒸气压缩式制冷理论循环，存在着下列关系
q k = q 0 +w 0 （1-5）
5.制冷系数 单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价之比，称为理论循环制冷系数，用ε0表示，即
1241000h h h h w q --==ε （1-6）
单级理论循环制冷系数ε0是分析理论制冷循环的一个重要指标。制冷系数不但与循环的高温热源、低温热源有关，还与制冷剂的种类有关。在制冷机工作温度给定的情况下，制冷系数越大，则经济性越高。
根据以上几个性能指标，可进一步求得制冷剂循环量、冷凝器中放出的热量、压缩机所需的理论功率等数据。
上述五个性能指标均是对理论循环而言，虽然它们同实际情况尚有一定差别，但却是理解制冷特性和进行制冷性能计算的基础。
1.7 热交换及压力损失对制冷循环的影响
制冷剂在制冷设备和连接管道中连续不断地流动，使制冷循环得以实现，形成制冷效应。制冷剂沿制冷设备和连接管道流动，将产生摩擦阻力和局部阻力损失，同时制冷剂还将或多或少地与外部环境进行热交换。下面将讨论这些因素对循环性能的影响。
1.吸气管道 从蒸发器出口到压缩机吸气入口之间的管道称为吸气管道。吸气管道中的换热和压力降，直接影响到压缩机的吸气状态。通常认为吸气管道中的换热是无效的，它对循环性能的影响前面已作过详细分析。压力降使得吸气比体积增大、压缩机的压力比增大，单位容积制冷量减小、压缩机容积效率降低、比功增大，制冷系数下降。
在实际工程中，可以通过降低流速的办法来降低阻力，即通过增大管径来降低压力降。但考虑到有些场合，为了确保润滑油能顺利地从蒸发器返回压缩机，这一流速又不能太低。此外，应尽量减少设置在吸气管道上的阀门、弯头等阻力部件，以减少吸气管道的阻力。
2.排气管道 从压缩机出口到冷凝器入口之间的管道称为排气管道。压缩机的排气温度一般均高于环境温度，向环境空气传热不会引起性能的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。排气管道中的压力降增加了压缩机的排气压力及比功，使得容积效率降低，制冷系数下降。在实际中，由于这一阻力降相对于压缩机的吸排气压力差要小得多，因此，它对系统性能的影响要比吸气管道阻力的影响要小。
3.液体管道 从冷凝器出口到节流元件入口之间的管路称为液体管道。热量通常由液体制冷剂传给周围空气，产生过冷效应，使制
冷量增大。由于液体流速较气体要小得多，因而阻力相对较小。但在许多场合下，冷凝器出口与节流元件入口不在同一高度上，若前者的位置比后者低，由于静液柱的存在，高度差要导致压力降。该压力降对于具有足够过冷度的制冷系统，则系统性能不会受其影响。但如果从冷凝器里出来的制冷剂为饱和状态或过冷度不大，则液体管道的压力降将导致部分液体制冷剂汽化，从而使进入节流元件的制冷剂处于两相状态，这将增加节流过程的压力降，对系统性能产生不利的影响，同时，对系统的稳定运行也产生不利影响。为了避免这些影响，设计制冷系统时，要注意冷凝器与节流元件的相对位置，同时，要降低节流前管路的阻力损失。
4.两相管道从节流元件到蒸发器之间的管道中流动着两相的
制冷剂，称之为两相管道。通常节流元件是紧靠蒸发器安装的。倘若将它安装在被冷却空间内，那么传给管道的热量是有效的；若安装在室外，热量的传递将使制冷量减少。管道中的压力降对系统性能几乎没有影响，因为对于给定的蒸发温度而言，制冷剂进入蒸发器之前压力必须降到蒸发压力，这一压力的降低不管是发生在节流元件内还是发生在两相管道上是无关紧要的。但是，如果系统中有多个蒸发器共用一个节流元件，则要尽量保证从液体分配器到各个蒸发器之间的阻力降相等，否则将出现分液不均匀现象，影响制冷效果。
5.蒸发器在讨论蒸发器中的压力降对循环性能的影响时，必须注意到它的比较条件。如果假定不改变制冷剂出蒸发器时的状态，为了克服蒸发器中的流动阻力，必须提高制冷剂进蒸发器时的压力，即提高开始蒸发时的温度。由于节流前后焓值相等，又因为压缩机的吸气状态没有变化，故制冷系统的性能没受到什么影响。它仅使蒸发器中的传热温差减小，要求传热面积增大而已。如果假定不改变蒸发过程中的平均传热温差，那么出蒸发器时的制冷剂压力稍有降低，其结果与吸气管道阻力引起的结果一样。
6.冷凝器假定出冷凝器时制冷剂的压力不变，为克服冷凝器中的流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂的压力，必然导致压缩机排气压力升高，压力比增大，压缩机耗功增大，制冷系数下降。
7.压缩机在理论循环中，曾假定压缩过程为等熵过程。实际上，在压缩的开始阶段，由于气缸壁温度高于吸入的蒸气温度，因而存在着由气缸壁向蒸气传递热量的过程；到了压缩终了阶段，由于气体被压缩后温度高于气缸壁温度，热量又由蒸气传向气缸壁，因此整个压缩过程是一个过程指数在不断变化的多变过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙容积存在，气体经过吸、排气阀及通道处，有热量交换及流动阻力，活塞与气缸间隙处会产生制冷剂泄漏等，这些因素都会使压缩机的输气量下降，功率消耗增大。压缩机的实际工作性能将在第
三篇制冷压缩机中具体介绍。
1.8 不凝性气体对制冷循环的影响
不凝性气体是指在冷凝压力下不能冷凝为液体的气体。不凝性气体一般积存于冷凝器和贮液器上部，因为它不能通过冷凝器或贮液器内的液体部分的液封往下传递。不凝性气体的存在将使冷凝器内冷凝面积减少，冷凝压力升高，导致制冷压缩机排气压力、温度升高；压缩比功增加；制冷系数下降，制冷量减少。在热力计算中由于无法统计且数量小，通常忽略不计。
制冷系统中不凝性气体来源于：系统检修时带入的空气；部分润滑油、制冷剂发生的分解；制冷压缩机负压时低压部分渗透进来的空气。实际应用可采取一些相应的措施减少不凝性气体的影响，如：小型家用分体式空调在安装时，靠室外机内原有的制冷剂压力排出连接管路中的不凝性气体；制冷系统充灌制冷剂之前需进行抽真空处理；中、大型冷库制冷系统中加装空气分离器，定期由空气分离器排出不凝性气体；在一些中央空调系统中，由于使用的制冷机是在高真空度下工作，如溴化理吸收式制冷机、使用R123的离心式制冷机等，因此，在系统中加装抽气装置，及时抽出制冷机中的不凝性气体，维持制冷系统的高真空度。
1.9 冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能的影响
现实生活中，没有温差的传热是不可能实现的。故实际制冷循环中，制冷剂与热源之间必须存在一个传热温差。被冷却介质温度t C 必须大于制冷剂的蒸发温度t0，被冷却介质的热量Q0才能通过蒸发器传递给温度为蒸发温度的制冷剂，才能符合热量从高温物体传向低温物体的热传递规律；同理，环境介质温度t H必须小于制冷剂的冷凝温度t k，环境介质才能带走冷凝器内制冷剂蒸气放出的热量Q k，也才能符合热传递规律。
由于冷凝器与蒸发器中传热温差的存在，会使实际的冷凝温度比理论循环的冷凝温度高，蒸发温度则比理论循环的蒸发温度低，从而使循环的制冷系数下降。制冷循环中制冷剂与热源之间的传热温差越大，制冷循环的效率越低。但传热温差的存在并不影响理论制冷循环的热力计算用于实际制冷循环。因为在理论制冷循环的热力计算中所采用的计算温度已经是蒸发温度t0和冷凝温度t k，并末考虑被冷却介质的温度t C和环境介质温度t H。因此，在这一温差传热方面，前述理论制冷循环的热力计算不用再修正，就可以直接用于实际制冷循环的热力计算。
在实际制冷循环中，制冷剂与热源之间的传热温差须取一个适当的值。因为传热温差太大，制冷循环的效率就会降低；而传热温差太小，制冷循环的效率虽会相应提高，但传递热量所需要的传热面积
（蒸发器面积、冷凝器面积）将大大增加，导致制冷设备庞大且一次
性投资增大。
热力学第一定律就是能量守恒与转换定律，但是它并未涉及能量状态的过程能否自发地进行以及可进行到何种程度。热力学第二定律就是判断自发过程进行的方向和限度的定律，它有不同的表述方法： 克劳修斯的描述①热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，即热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化； 开尔文的描述②不可能从单一热源取出热量使之全部转化为功而不发生其他影响； 因此第二类永动机是不可能造成的。热力学第二定律是人类经验的总结，它不能从其他更普遍的定律推导出来，但是迄今为止没有一个实验事实与之相违背，它是基本的自然法则之一。 由于一切热力学变化（包括相变化和化学变化）的方向和限度都可归结为热和功之间的相互转化及其转化限度的问题，那么就一定能找到一个普遍的热力学函数来判别自发过程的方向和限度。可以设想，这种函数是一种状态函数，又是一个判别性函数（有符号差异），它能定量说明自发过程的趋势大小，这种状态函数就是熵函数。 如果把任意的可逆循环分割成许多小的卡诺循环，可得出 0i i Q r T δ=∑ (1) 即任意的可逆循环过程的热温商之和为零。其中，δＱi 为任意无限小可逆循环中系统与环境的热交换量；Ｔi 为任意无限小可逆循环中系统的温度。上式也可写成 0Qr T δ=? (2) 克劳修斯总结了这一规律，称这个状态函数为“熵”，用Ｓ来表示，即 Qr dS T δ= (3) 对于不可逆过程，则可得 ｄＳ＞δＱr/Ｔ (4) 或 ｄＳ－δＱr/Ｔ＞０ (5) 这就是克劳修斯不等式，表明了一个隔离系统在经历了一个微小不可逆变化后，系统的熵变大于过程中的热温商。对于任一过程（包括可逆与不可逆过程），则有 ｄＳ－δＱ/Ｔ≥０ (6) 式中：不等号适用于不可逆过程，等号适用于可逆过程。由于不可逆过程是所有自发过程之共同特征，而可逆过程的每一步微小变化，都无限接近于平衡状态，因此这一平衡状态正是不可逆过程所能达到的限度。因此，上式也可作为判断这一过程自发与否的判据，称为“熵判据”。 对于绝热过程，δＱ＝０，代入上式，则 ｄＳj≥０ (7) 由此可见，在绝热过程中，系统的熵值永不减少。其中，对于可逆的绝热过程，ｄＳj ＝０，即系统的熵值不变；对于不可逆的绝热过程，ｄＳj ＞０，即系统的熵值
逆卡诺循环在空气能热泵的应用 [摘要]“空气能”热泵热水技术采用目前最先进的新能源技术。产品利用空气压缩机驱动冷媒进行逆卡诺循环，将大量低品位的热源（空气中的热量）通过压缩机和制冷剂，转变为高品位的可利用热能，将水加热制取生活热水，其输出能量是输入电能3倍以上，被业界誉为第四代热水器。 [关键词]空气能；中央热水；逆卡诺循环 这种新型热水器一般由空气能热泵热水机组、保温水箱、水泵及相应的管道阀门等部分组成。而空气能热泵热水机组一般由压缩机、水侧换热器、空气侧换热器、节流装置、低压储液罐、水路调节阀等部分组成，安装不受建筑物或楼层限制，使用不受气候条件限制，既可用作家庭的热水供应中心，也能为单位集体集中供热水。由于使用环境各方面新型专利技术，该产品不仅安全舒适，而且环保节能，实际使用费仅分别相当于电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，将150升水箱中的水加热到65℃，春秋季节需要消耗2 度电，如果采用低谷电价只需要0.6元钱，这箱贮存的热水足够一家3-5口生活热水之用；如果采用一个水龙头放水洗澡，该热水器可以源源不断供应热水。 工作原理 根据逆卡诺循环基本原理： 低温低压制冷剂经膨胀机构节流降压后，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。 制冷原理：逆卡诺循环 8世纪，瓦特发明了蒸汽机，人类找到了把热能转变为机械能的具体方法。蒸汽机的问世使人类进入了工业社会，生产力得到快速发展。但当时蒸汽机的效率非常低，一般只能达到5%左右。于是，改进蒸汽机，提高其热效率，就成为许多科学家和工程师毕生追求的目标。法国工程师卡诺就是其中杰出代表。他认为，要想改进热机，只有从理论上找出依据。卡诺从热力学理论的高度着手研究热机效率，设计了两条等温线，两条绝热线构成的卡诺循环（如右图所示）：第一阶段，温度为T1的等温膨胀过程，系统从高温热源T1吸收热量Q1；第二阶段，绝热膨胀过程，系统温度从T1降到T2；第三阶段，温度为T2的等温压缩过程，系统把热量Q2释放给低温热源T2；第四阶段，绝热压缩过程，系统温度从T2升高到T1。他研究的结论，就是人们总结的卡诺定理，其核心内容是：在相同高温热源T1与相同低温
制冷原理： 逆xx 卡诺循环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。 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。 xx进一步证明了下述xx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，为，其中T 1、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。 阐明 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T 1、降低T 2、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。一切蒸发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%） 工作原理 根据逆xx基本原理： 高温高压气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；
卡诺循环与卡诺定理
卡诺循环与卡诺定理 一、卡诺热机 1.卡诺定理的提出 从19世纪起，蒸汽机在工业、交通运输中起到愈来愈重要的作用。但是，蒸汽机的效率是很低的，还不到5%，有95%以上的热量都没有得到利用。在生产需要的推动下，一大批科学家和工程师开始由理论上来研究热机的效率。萨迪·卡诺(Sadi Carnot,1796—1832)，这位法国工程师正是其中的一位。 当时盛行热质说，普遍认为热也是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质。卡诺也信奉热质说，他在他的论文《关于热的动力的思考》中有这样一段话：“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。……瀑布的动力依赖于它的高度和水量；热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度，即交换热质的物体之间的温度差。”在这里，卡诺关于“热只在机器中重新分配，热量并不消耗”的观点是不正确的，他没有认识到热和功转化的内在的本质联系。但是卡诺定理的提出，却是一件具有划时代意义的事。 2.卡诺循环 热力学理论指出，要实现一个可逆循环过程，必须使循环过程中的每一分过程都是可逆的。而要实现过程的可逆，除了要使过程没有摩擦存在以外，更重要 的就是要求过程的进行是准静态的。如下图： 要完成一个双热源的可逆循环，其方式应当是由两个等温过程与两个绝热过程组成，如下图： 卡诺循环的效率为： 其中T2为低温热源的温度，T1为高温热源的温度。 3.卡诺定理及其推论 (1). 卡诺定理（Carnot principle）：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热 机，以可逆热机的热效率为最高。即在恒温T1、T2下，ηt,IR≤ηt,R.
2.2 熵的概念与熵增原理 2.2.1 循环过程的热温商 T Q 据卡诺定理知: 卡诺循环中热温商的代数和为:0=+H H L L T Q T Q 对应于无限小的循环,则有: 0=+H H L L T Q T Q δδ 对任意可逆循环过程,可用足够多且绝热线相互恰好重叠的小卡诺循环逼近.对每一个卡诺可逆循环,均有: 0,,,,=+ j H j H j L j L T Q T Q δδ 对整个过程,则有: 0)( )( ,,,,==+ ∑∑j R j j j H j H j L j L j T Q T Q T Q δδδ 由于各卡诺循环的绝热线恰好重叠,方向相反,正好抵销.在极限情况下,由足够多的小卡诺循环组成的封闭曲线可以代替任意可逆循环。故任意可逆循环过程热温商可表示为: ?=0)( R T Q δ 即在任意可逆循环过程中,工作物质在各温度所吸的热(Q )与该温度之比的总和等于零。 据积分定理可知: 若沿封闭曲线的环积分为,则被积变量具有全微分的性质,是状态函数。 2.2.2 熵的定义——可逆过程中的热温商 在可逆循环过程,在该过程曲线中任取两点A 和B,则可逆曲线被分为两条,每条曲线所代表的过程均为可逆过程.对这两个过程,有: 0)()(=+??B A A B R R b a T Q T Q δδ 整理得: ??=B A B A R R b a T Q T Q )( )( δδ 这表明,从状态A 到状态B,经由不同的可逆过程,它们各自的热温商的总和相等.由于所选的可逆循环及曲线上的点A 和B 均是任意的,故上列结论也适合于其它任意可逆循环过程. 可逆过程中,由于?B A R T Q )( δ的值与状态点A 、B 之间的可逆途径无关,仅由始末态决定, 具有状态函数的性质。同时，已证明，任意可逆循环过程中r T Q ??? ??δ 沿封闭路径积分一周为 p V p
名词解释： 热力过程、比热、定压比热、定容比热、热力系统、状态参数、卡诺循环、膨胀功、导热、热力循环、正向循环、逆向循环、对流换热、黑体、热辐射、辐射换热、升功率、传热过程、过量空气系数、空燃比、平均指示压力、平均有效压力、燃油消耗率、强迫着火、自燃着火、速度密度控制、质量流量控制、节流速度控制、早火、表面点火、爆震、二次喷射、隔次喷射、续断喷射、终*温度（干点）、闪点、辛烷值、十六烷值、汽醇、惊奇马赫数、充气效率、残余废气系数 低热值、高热值、放热规律、燃烧噪声、示功图、示热图。 补充知识：热工基础知识： 1、在最高温度及最高压力一定时，内燃机的混**热循环和定容循环的热效率大小关系是怎样的，利用T-S图进行分析。 2、什么是卡诺循环，请写出它的热效率公式。 3、热机循环的循环净功越大则循环热效率也越高，写出热机循环的计算公式。 第一章、发动机的性能 一、什么是发动机的指示指标和有效指标？主要有哪些？ 二、指出指示热效率、有效效率、机械效率三者间的关系。 三、(1)内燃机的机械损失主要由哪几部分组成？ （2）简要介绍测量内燃机机械损失的几种方法。 四、（1）表示动力性和经济性的指标有哪些？ （2）采取何种措施可提高内燃机的动力性和经济性？ 五、试述内燃机的实际循环与理论循环的差异。 六、平均有效压力和升功率作为评定发动机动力性能方面有何区别？ 七、（1）内燃机的三种基本理论循环是什么？各由哪几个过程组成？它们分别适用于哪种发动机？ 2、指出压缩比e,压力升高比“入”、预胀比p和绝热指数k对循环功W0以及理论热效率n的影响。 （3）为什么柴油机的热效率要显著高于汽油机? 八、内燃机实际循环由哪五个过程组成？试逐个分析各过程的特点。 第二章、发动机的换气过程 一、（1）为什么内燃机进、排气门要早开、迟闭？ （2）各自所对应角度的大小对内燃机的性能有何影响？ （3）增压和非增压内燃机的气门叠开角有何差异？为什么？ 二、什么是进气马赫数？它对充气系数有什么影响？ 三、什么是可变配气定时？其目的是什么？ 四、讨论提高四冲程内燃机充气效率的措施。 五、（1）从哪些方面（指标）来综合评定内燃机配气定时的合理性？ （2）通过哪一配气定时角度可调整上述评定指标？ 六、讨论降低进气系统流通阻力的技术措施。
卡诺循环与卡诺定理 一、卡诺热机 1.卡诺定理的提出 从19世纪起，蒸汽机在工业、交通运输中起到愈来愈重要的作用。但是，蒸汽机的效率是很低的，还不到5%，有95%以上的热量都没有得到利用。在生产需 要的推动下，一大批科学家和工程师开始由理论上来研究热机的效率。萨迪·卡诺 (Sadi Carnot,1796—1832)，这位法国工程师正是其中的一位。 当时盛行热质说，普遍认为热也是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质。卡诺也信奉热质说，他在他的论文《关于热的动力的思考》中有这样一段话：“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。……瀑布的动力依赖于它的 高度和水量；热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度，即交换热质的物体之间的温度差。”在这里，卡诺关于“热只在机器中重新分配，热量并不消耗”的观点是不正确的，他没有认识到热和功转化的内在的本质联系。 但是卡诺定理的提出，却是一件具有划时代意义的事。 2.卡诺循环 热力学理论指出，要实现一个可逆循环过程，必须使循环过程中的每一分过程都是可逆的。而要实现过程的可逆，除了要使过程没有摩擦存在以外，更重要的就 是要求过程的进行是准静态的。如下图： 要完成一个双热源的可逆循环，其方式应当是由两个等温过程与两个绝热过程组成，如下图： 卡诺循环的效率为： 其中T 2 为低温热源的温度，T1为高温热源的温度。 3.卡诺定理及其推论 (1). 卡诺定理（Carnot principle）：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机， 以可逆热机的热效率为最高。即在恒温T1、T2下，η t,IR ≤η t,R.
卡诺的证明基于热质说，是错误的。下面给出克劳修斯在1850年给出的反证法： (2). 卡诺定理的推论： A. 不可能制造出在两个温度不同的热源间工作的热机，而使其效率超过在同样热源间工作的可逆热机。证明如下： B. 在两个热源间工作的一切可逆热机具有相同的效率。证明如下： 结论：由卡诺定理的两个推论我们可以得出——卡诺循环的热效率最大。
《大学物理》作业 No.19 循环过程和卡诺循环 班级 ________ 学号 ________ 姓名 _________ 成绩 _______ 一、选择题 1.定量理想气体经历的循环过程用V —T 曲线表示如图,在此循环过程中,气体从外界吸热的过程是 [ ] (A) A →B. (B) B →C. (C)C →A. (D) B →C 和C →A. 2. 如果卡诺热机的循环曲线所包围的面积从图中的a b c d a 增大为 a b 'c 'd a ，那么循环a b c d a 与a b 'c 'd a 所作的功和热机效率变化情况是： [ ] (A) 净功增大，效率提高。 (B) 净功增大，效率降低。 (C) 净功和效率都不变。 (D) 净功增大，效率不变。 3.一定量某理想气体所经历的循环过程是:从初态(V 0 ,T 0)开始,先经绝热膨胀使其体积增大1倍,再经等容升温回复到初态温度T 0, 最后经等温过程使其体积回复为V 0 , 则气体在此循环过程中 [ ] (A) 对外作的净功为正值. (B) 对外作的净功为负值. (C) 内能增加了. (D) 从外界净吸收的热量为正值. 二、 填空题 1.如图的卡诺循环:(1)abcda ，(2)dcefd ，(3)abefa ，其效率分别为: η1= ; η2= ; η3= . 2.卡诺致冷机,其低温热源温度为T 2=300K,高温热源温度为T 1=450K,每一循环从低温热源吸热Q 2=400J,已知该致冷机的致冷系数ω=Q 2/A=T 2/(T 1－T 2) (式中A 为外界对系统作的功), 则每一循环中外界必须作功A = . 3．以理想气体为工作物质的热力学系统，经历一循环过程，回到初始状态，其内能的增量 = 。
论卡诺循环 一．引言 通过将近一学期物理化学的学习，对物理化学这一学科有了粗略的认识以及肤浅的理解。其中，对卡诺循环，卡诺热机这一方面比较感兴趣，并且查阅了相关材料，还有自己对其的理解，写了此篇物化小论文。 二．尼古拉·雷奥纳德·卡诺 尼古拉·雷奥纳德·卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823）法国物理学家、军事工程师。卡诺提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅36岁。 三．卡诺热机的由来 随着蒸汽机的发明，第一次工业革命在欧洲逐渐兴旺起来。蒸汽机在法国和英国等国家创造了极大的价值，使工业话生产极大的代替了手工生产，增加了国力和财力。作为法国人的卡诺亲自经历了这次巨大的变革，然而，他也切实的看到人们仅仅是能运用热机代替人力，但是对热机效率及工作原理的理论认识还不够深入。为了解决当时对热机的两个集中的问题：（1）热机效率是否有一极限？（2）什么样的热机工作物质是最理想的？卡诺不是盲从但是主流的工程师们就事论事，从热机的适用性、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。卡诺是采用了截然不同的途径，他不是研究个别的热机，而是寻求一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。 卡诺抛弃“热质”学说的原因，首先是受菲涅耳（A．J．Fresnel，1788－1827）的影响。菲涅耳认为光和热是一组相似的现象，既然光是物质粒子振动的结果，那么热也应当是物质粒子振动的结果，是物质的一种运动形式，而不是什么虚无缥缈没有质量的东西。卡诺接受了菲涅耳的设想，他一方面运用热的动力学新概念重新审度他在1824年提出的热机理论，发现只要用“热量”一词代替“热质”，他的理论仍然成立。另一方面，他又深入研究伦福德伯爵（C．Rrmford）和戴维（H．Davy）的磨擦生热的实验，并计划用实验来揭示在液体或气体中的磨擦热效应的定量关系，他计算出热功当量为3.7焦耳/卡，比焦耳（J．P．Joule）的工作超前将近20年。
卡诺循环 一．关键字：卡诺热机、物理、化学、卡诺循环、等温压缩、绝热膨胀、状态、压缩、效率、温度、原理、定温。 二．引言 通过将近一学期物理的学习，对物理这一学科有了粗略的认识以及肤浅的理解。其中，对卡诺循环，卡诺热机这一方面比较感兴趣，并且查阅了相关材料，还有自己对其的理解，写了此篇文章。 物理学与化学，作为自然科学的两个分支，关系十分密切，任何一种化学变化总是伴随着物理变化，物理因素的作用也都会引起化学变化，自然科学中化学和物理历来是亲如兄弟、相辅相成的两个基本学科，它们虽曾有过约定俗成的分工，各司其职，但非各自为战,“化学和物理合在一起，在自然科学中形成了一个轴心”。就拿卡诺循环来说，卡诺循环在物理学与化学方面都有重要应用。下面我从三方面介绍卡诺循环。 三．尼古拉·雷奥纳德·卡诺 尼古拉·雷奥纳德·卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823）法国物理学家、军事工程师。卡诺提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅36岁。 四．卡诺循环的定义 卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。即理想气体从状态1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等温膨胀到状态2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2），再从状态2绝热膨胀到状态3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3），此后，从状态3等温压缩到状态4（Ｐ4，Ｖ4，Ｔ4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。 五．卡诺热机的原理 设一热机中有一定量的工质，工作在温度分别为T1和T2的两恒温热源间。卡诺循环由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程（定熵）组成 四个过程的顺序如下：
第一章 蒸气压缩式制冷的热力学原理 蒸气压缩式制冷的工作原理是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩、放热冷凝、节流和吸热蒸发四个主要热力过程，从而完成制冷循环，实现对被冷却介质的制冷效果。 第一节 理想制冷循环 一、逆卡诺循环 卡诺循环（Carnot Cycle ）是在两个温度不相同的定温热源之间进行的理想热力循环。图1-2所示的1→2→3→4→1是逆卡诺循环（Reverse Carnot Cycle ），也是理想循环。 0k q q w =+∑ （1-1） 0 q w ε= ∑ （1-2） 00T T T k c ' -'' = ε （1-3） 200)(T T T T k k c '-'' ='??ε 200)(T T T T k k c '-'' ='??ε 因此 k c c T T ' ??>'??εε0 热泵的经济性用供热系数μ表示，供热系数为单位耗功量所获取的热量，即 图1-1 液体气化制冷原理图 图 1-2 逆卡诺循环 T k ?T T 0?
1+== ∑ εμw q k （1-4） 二、劳仑兹循环 劳仑兹循环（Lorenz Cycle ）是由两个等熵绝热过程和两个可逆多变过程组成的理想制冷循环。 劳仑兹循环的制冷系数 m km m k l T T T q q q w q 00000'-''= -==∑ε （1-5） 第二节 蒸气压缩式制冷的理论循环 一、蒸气压缩式制冷的理论循环 图1-4 蒸气压缩式制冷的理论循环 （a ）工作过程；（b ）理论循环 （a ） （b ） s T T o T a d T'0T'图1-3 劳仑兹循环
热力学第二定律与卡诺循环 203 汪艺塍 各位看到这个标题时，麻烦等下再翻下一版。毕竟有（tao ）趣（yan ）的热力学第二定律，可以被讨（you ）厌（qu ）的人们拿去发展为宇宙的“热寂说”、买彩票中奖的几率甚至是离婚的原因blabla 的。由此可见其重要性。而且2016年全国卷涉及热学内容，希望有兴趣的同学能继续看下去。 热力学第零定律和第一定律向来没有太多质疑，而对于热力学第二定律，却自提出之日起却争议不断。最有影响力的质疑当属麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”① 。不过目前尚未能否定此定律的正确性。 热力学第二定律实际上是对热力学过程不可逆性的表述，即物质总是趋向于混乱的，一切自发进行的过程都不可自发复原。 早在1824年，卡诺提出的卡诺定理②已十分接近热力学第二定律，但卡诺是已当时流 行的“热质说”③加上能量守恒定律解释。如果不从“热质说”而正确推导出卡诺定理，那么就缺乏一条定律。克劳修斯据此提出热力学第二定律。 热力学第二定律有两种主要表述： （1）克劳修斯表述（1850年） 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化； （2）开尔文（汤姆孙）表述（1851年） 不可能从单一热源吸取热量，使之完全转化为有用功而不产生其他影响 或表述为：第二类永动机④不可能存在。 我们想要论证二者等价性，此时引入卡诺循环。 这是卡诺提出的一种理想的可逆热机，其工作时的V -p 图象如下所示： ①过程B A →为等温膨胀，温度为1T ，吸热ab Q ； ②过程C B →为绝热膨胀，温度由1T 降为2T ， =ab Q 吸热为0； ③过程D C →为等温压缩，温度为2T ，放热cd Q ； ④过程A D →为绝热压缩，温度由1T 升为2T ，放 热为0。 由理想气体状态方程、热力学第一定律和绝热过程泊松公式⑤ ?????=+?=?=)(常数C pV W Q U RT pV γν 可以得到： （1）对于等温过程①和③：
概述卡诺循环 摘要：本文简述了卡诺当时是如何提出这一理想循环过程的，以及卡诺热机理论---热机只能在具有温差的两个热源之间工作；热机的效率于工作介质无关而主要取决于两个热源之间的温差。卡诺循环的基本原理，P-V图，热机效率。卡诺循环是理想化的可逆循环，其效率是最高的，但是实际热机的效率都比理想化的可逆卡诺热机效率低得多。 关键词：卡诺循环；绝热过程；卡诺循环原理；P-V图；热机效率 一、卡诺循环的提出 尼古拉·雷奥纳德·卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823）生于巴黎，是法国物理学家、军事工程师。其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。卡诺提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅36岁。按照当明的防疫条例，霍乱病者的遗物一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来，其中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》，其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文。 卡诺当时是如何提出这一理想循环过程的？他研究的方法是什么？具体地说就是，为什么卡诺认为理想热机的循环过程中，从高、低温热源吸、放热过程一定要是等温过程？卡诺为何要选气体(理想)作为理想热机的工质？具体分析如下：随着蒸汽机的发明，第一次工业革命在欧洲逐渐兴旺起来。蒸汽机在法国和英国等国家创造了极大的价值，使工业化生产极大的代替了手工生产，增加了国力和财力。作为法国人的卡诺亲自经历了这次巨大的变革，然而，他也切实的看到人们仅仅是能运用热机代替人力，但是对热机效率及工作原理的理论认识还不够深入。蒸汽机发明以后，它的效率很低。到18世纪末，只有3％左右，即有约97％的热量得不到利用。当时有不少人为提高其效率而继续进行研究。为了解决当时对热机的两个集中的问题：（1）热机效率是否有一极限？（2）什么样的热机工作物质是最理想的？卡诺不是盲从当时主流的工程师们就事论事，从热机的适用性、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。卡诺是采用了截然不同的途径，他不是研究个别的热机，而是寻求一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。 卡诺的父亲是法国大革命中“胜利的组织家”拉萨尔·卡诺。1816年，因其父被流放而从军中退役，专心研究热机理论。他给自己提出的目标是，阐明热机的工作原理，找出热机不完善的原因，以提高热机的效率。当时，卡诺相信热质说。于是，他把热量从高温热源经过热动力机传入低温热源时能够做功，看作水从高
第1章空调制冷原理与基础 采用压缩机使气态制冷剂增压的制冷机称蒸气压缩式制冷机（简称蒸气制冷机）。对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级压缩。单级蒸气压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机。这类制冷机设备比较紧凑，可以制成大、中、小型，以适应不同场合的需要，能达到的制冷温度范围比较宽广，从稍低于环境温度至-150℃，在普通制冷温度范围内具有较高的循环效率，被广泛地应用于国民经济的各个领域中。 蒸气压缩式制冷循环，根据实际应用有单级、多级、复叠式等循环之分，在各种蒸气压缩式制冷机中，单级压缩制冷机应用最广，是构成其他蒸气压缩式制冷机的基础，据不完全统计，全世界单级蒸气压缩式制冷机的数量是制冷机总数的75%以上。因此，我们的介绍主要针对单级压缩式制冷机。
1．单级蒸气压缩式制冷循环——逆卡诺循环 在日常生活中我们都有这样的体会，如果给皮肤上涂抹酒精液体时，就会发现皮肤上的酒精很快干掉，并给皮肤带来凉快的感觉，这是什么原因呢？这是因为酒精由液体变为气体时吸收了皮肤上热量的缘故。由此可见，液体汽化时要从周围物体吸收热量。单级蒸气压缩式制冷，就是利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量，被冷却介质因失去热量而降低温度，达到制冷的目的。制冷剂 1.1 逆卡诺循环——理想制冷循环 几个概念 焓h=U+PV 表示工质流动能和内能之和。 熵S=△Q/T 表示工质热量变化与工质温度之商。 温熵图 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T k, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为T k, 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
逆卡诺循环是理想的可逆制冷循环，它是由两个定温过程和两个绝热过程组成。循环时，高、低温热源恒定，制冷工质在冷凝器和蒸发器中与热源间无传热温差，制冷工质流经各个设备中不考虑任何损失，因此，逆卡诺循环是理想制冷循环，它的制冷系数是最高的，但工程上无法实现。(见笔记，关键在于运动无摩擦，传热我温差) 2）：工程中，由于液体在绝热膨胀前后体积变化很小，回收的膨胀功有限，且高精度的膨胀机也很难加工。因此，在蒸汽压缩式制冷循环中，均由节流机构（如节流阀、膨胀阀、毛细管等）代替膨胀机。此外，若压缩机吸入的是湿蒸汽，在压缩过程中必产生湿压缩，而湿压缩会引起种种不良的后果，严重时产生液击，冲缸事变，甚至毁坏压缩机，在实际运行时严禁发生。因此，在蒸汽压缩式制冷循环中，进入压缩机的制冷工质应是干饱和蒸汽（或过热蒸汽），这种压缩过程为干压缩。 2．对单紦骠汽压缩制冷理论循环作哪些假设？与实际循环有何区别？ 答：1）理论循环假定：①压缩过程是等熵过程；②节流过程是等焓过程；③冷凝器内压降为零，入口为饱和液体，传热温差为零，蒸发器内压降为零，入口为饱和蒸汽，传热温差为零； ④工质在管路状态不变，压降温差为零。 2）区别：①实际压缩过程是多变过程；②冷凝器入口为过冷液体；③蒸发器入口为过热蒸汽； ④冷凝蒸发过程存在传热温差tk=t+Δtkto=t-Δto。 3．什么是制冷循环的热力完善度？制冷系数？C.O.P值？E.E.R？什么(_shen me)是热泵的供热系数？ 答：1）通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数εs与逆卡诺制冷循环的制冷系数εk之比，称为热力完善度，即：η=εs/εk。 2）制冷系数是描述评价制冷循环的一个重要技术经济指标，与制冷剂的性质和制冷循环的工作条件有关。通常冷凝温度tk越高，蒸发温度to越低，制冷系数ε0越小。公式：ε0=T0 /（Tk—T0） 3）实际制冷系数（εs）又称为性能系数，用C.O.P表示，也可称为单位轴功率制冷量，用Ke值表示。注：εs=Q0/Ne=Q0/N0·ηs=ε0·ηs。Q0是制冷系统需要的制冷量；制冷压缩机的理论功率N0、轴功率Ne；ε0是理论制冷系数；ηs是总效率（绝热效率）。 4）E.F.R是指热力完善度，既是指在工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数εs与逆卡诺制冷循环的制冷系数εk之比。 E.F.R=q0/wel=ε0·ηel=ε0·ηiηmηeηd 式中：wel—电机输入比功； 5）热泵(_re4 beng4)的供热系数是描述评价热泵循环的一个重要技术经济指标。 4．制冷系数. 答：(da1 _)φ=QH/W= Th/（Th—T）=1+ε＞1 同一台机的相同工况下作热泵使用与作制冷机使用的热泵系数与制冷系数关系。 5．为什么要采用回热循环？液体过冷，蒸汽过热对循环各性能参数有何影响？ 答：1）采用回热循环，使节流前的常温液体工质与蒸发器出来的低温蒸汽进行热交换，这样不仅可以增加节流前的液体过冷度提高单位质量制冷量，而且可以减少甚至消除吸气管道中的有害过热。 2）液体过冷，可以使循环的单位质量制冷量增加，而循环的压缩功并未增加，故液体过冷最终使制冷循环的制冷系数提高了。 蒸汽过热循环使单位压缩功增加了，冷凝器的单位热负荷也增加了，进入压缩机蒸汽的比容也增大了，因而压缩机单位时间内制冷工质的质量循环量减少了，故制冷装置的制冷威力降
卡诺循环 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。 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，为，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。 阐明 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。一切蒸发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%） 工作原理 根据逆卡诺循环基本原理：
卡诺循环与汽车发动机 摘要：卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年 提出的。该循环以理想气体为工质，由两个等温循环和两个绝热循环组成，而按照卡诺循环工作的热机叫做卡诺热机。1862年法国一位工程师首先提出四冲程循环原理，1876年德国工程师尼古拉斯·奥托利用这个原理发明了发动机，因这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，故把这种循环命名为奥托循环。 关键字：卡诺循环汽车发动机奥托循环 正文： 随着对热力学这一部分物理知识了解的不断深入，我感觉到了物理学中的循环之美。而卡诺循环便是热力学这一部分知识中几近完美的表现。 卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程。要完整的了解卡诺循环，我们就需要从卡诺循环的四个过程入手，只有详细在详细了解这四个过程的基础上，我们才能更加深刻地了解卡诺循环。卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。首先是等温膨胀，即理想气体从状态1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等温膨胀到状态2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2）在这个过程中，理想气体与高温热源接触，由状态1等温膨胀到状态2，从高温热源吸收热量，吸收的热量为 Q1=νRT1ln（V2/V1）（1） 其次是绝热膨胀，即从状态2绝热膨胀到状态3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3）， 然后是等温压缩，即从状态3等温压缩到状态4（Ｐ4，Ｖ4，Ｔ4），在这个过程中，理想气体与低温热源接触，由状态3等温压缩到状态4，向低温热源放出热量，放出的热量为 Q2=νRT2ln（V3/V4）（2） 最后从状态4绝热压缩回到状态1如图（一）。
浅谈卡诺循环 ——热机的效率研究 李鑫 11社会工作 2011425020 循环过程应用非常常见，如汽车发动机、蒸汽机等，还有冰箱、空调等，它们分别以不同的方式利用了不同种类的循环过程，最终具有了各自不同的功能。那么，这些机器和设备是怎样利用循环过程来达到各自的目的？对于它们什么是最关键的指标？工程师设计高性能的机器和设备以及提高其性能的依据是什么？卡诺循环不是双热源可逆循环的唯一循环，广义卡诺循环是双热源可逆循环的普遍方式；广义卡诺循环对实际热机的理论意义在于，指出采用回热装置，可以提高热机效率；广义卡诺循环使卡诺定理的内涵更为深刻，适用范围更加广泛。 一、卡诺循环 （一）基本介绍 卡诺循环是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温吸热，绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。即理想气体从状态1（P1，V1，T1）等温膨胀到状态2（P2，V2，T2），再从状态2绝热膨胀到状态3（P3，V3，T3），此后，从状态3等温压缩到状态4（P4，V4，T4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为卡诺循环。 卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，在这个过程中系统从高温热源中吸收热量，对外作功；绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功，温度降低；等温压缩，在这个过程中系统向环境中放出热量，体积压缩；绝热压缩，系统恢复原来状态，在等温压缩和绝热压缩过程中系统对环境作负功。卡诺循环可以想象为是工作于两个恒温热源之间的准静态过程，其高温热源的温度为T1，低温热源的温度为T2。这一概念是1824年N.L.S.卡诺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、摩擦等损耗。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。 （二）工作原理 热力学理论指出，要实现一个可逆循环过程，必须使循环过程中的每一分过程都是可逆的，而要实现过程的可逆，除了要使过程没有摩擦存在以外，更重要的就是要求过程的进行是准静态的。这就要求在工作物质与热源接触的过程中基本上不存在温度差，也就是在热交
建环《制冷原理与设备》课程 部分思考题、练习题参考解答 08年10月 一、判断题 1．湿蒸气的干度×越大，湿蒸气距干饱和的距离越远。 (×) 2．制冷剂蒸气的压力和温度间存在着一一对应关系。 (×) 3．低温热源的温度越低，高温热源的温度越高，制冷循环的制冷系数就越大。(×) 4．同一工质的汽化潜热随压力的升高而变小。(√) 5．描述系统状态的物理量称为状态参数。 (√) 6．系统从某一状态出发经历一系列状态变化又回到初态，这种封闭的热力过程称为热力循环。 (√) 7．为了克服局部阻力而消耗的单位质量流体机械能，称为沿程损失。(×) 8．工程上用雷诺数来判别流体的流态，当Re＜ 2000时为紊流。 (×) 9．流体在管道中流动时，沿管径向分成许多流层，中心处流速最大，管壁处流速为零。(√) 10．表压力代表流体内某点处的实际压力。 (×) 11．流体的沿程损失与管段的长度成正比，也称为长度损失。 (√) 12．使冷热两种流体直接接触进行换热的换热器称为混合式换热器。 (×) 13．制冷剂R717、R12是高温低压制冷剂。 (×) 14．氟利昂中的氟是破坏大气臭氧层的罪魁祸首。 (×) 15．混合制冷剂有共沸溶液和非共沸溶液之分。 (√) 16．氟利昂的特性是化学性质稳定，不会燃烧爆炸，不腐蚀金属．不溶于油。 (×)
17．《蒙特利尔议定书》规定发达国家在2030年停用过渡性物质HCFC。 (√) 18．二元溶液的定压汽化过程是降温过程，而其定压冷凝过程是升温过程。 (×) 19．工质中对沸点低的物质称作吸收剂，沸点高的物质称作制冷剂。 (×) 20．盐水的凝固温度随其盐的质量分数的增加而降低。 (×) 21．R12属于CFC类物质，R22属于HCFC类物质，R134a属于HFC类物质。 (√) 22．CFC类、HCFC类物质对大气臭氧层均有破坏作用，而HFC类物质对大气臭氧层没有破坏作用。 (√) 23．市场上出售的所谓“无氟冰箱”就是没有采用氟利昂作为制冷剂的冰箱。(×) 24．R134a的热力性质与R12很接近，在使用R12的制冷装置中，可使用R134a替代R12而不需对原设备作任何改动。 (√) 25．比热容是衡量载冷剂性能优劣的重要指标之一。 (×) 26．对蒸气压缩式制冷循环，节流前制冷剂的过冷可提高循环的制冷系数。 (√) 27．半导体制冷效率较低，制冷温度达不到0℃以下温度。 (×) 28．压缩制冷剂要求“干压缩”，是指必须在干度线X＝1时进行压缩。 (×) 29．螺杆式压编机和离心式压缩机都能实现无级能量调节。 (√) 30．当制冷量大干15KW时，螺杆式压缩机的制冷效率最好。 (√) 31．风冷冷凝器空气侧的平均传热温差通常取4~6℃。 (×) 32．满液式蒸发器的传热系数低于干式蒸发器。 (×) 33．两级氟利昂制冷系统多采用一级节流中间完全冷却循环。 (×) 34．回热器不仅用于氟利昂制冷系统，也用于氨制冷系统。 (×) 35．从冷凝器出来的液体制冷剂，已经没有热量，经过节流才能吸热。(×) 36．在制冷设备中，蒸发器吸收的热量和冷凝器放出的热量是相等的。(×)