第五章 热力学第二定律（五）---逆卡诺循环与制冷系数

5.5 逆卡诺循环与制冷系数前面讨论的卡诺循环是一种热机循环。其目的是工质从高温热源吸收热量经过循环后对外输出机械功并向低温热源放出剩余热量。如果将整个循环反向运行就得到逆卡诺循环Reversed Carnot Cycle。逆卡诺循环不是输出机械功而是需要外界输入机械功使工质能够将热量从低温热源转移到高温热源。因此它是制冷机和热泵分析的理论基础。5.5.1 逆卡诺循环的能量关系逆卡诺循环中的工质完成一个循环时工质从低温热源吸收热量外界向工质输入机械功W工质向高温热源放出热量。根据第一定律其能量关系如下高温热源 ▲ │ 工质放热 QH │ ┌────────────────┐ │ 工质 │ │ 逆卡诺循环 │ └────────────────┘ ▲ 外界输入功 W │ │ │ 工质吸热 QL │ 低温热源需要注意的是工质并不是制造冷量而是借助外界输入的机械功将热量从低温热源搬运到高温热源。因此制冷机的本质不是产生冷而是转移热。5.5.2 制冷系数COP热机关注的是输入多少热量能够输出多少机械功。因此采用热效率Efficiency评价性能。而制冷机关注的是输入一定机械功能够从低温热源移走多少热量。因此采用制冷系数Coefficient of PerformanceCOP评价性能。定义为其中工质从低温热源吸收的热量W外界输入给工质的机械功。由于所以对于逆卡诺循环可进一步得到可以看到制冷机的理论性能同样只与高、低温热源温度有关。5.5.3 热泵性能系数如果系统的目的是向高温侧供热而不是获得低温环境则称为热泵Heat Pump。热泵关注的是工质向高温热源放出的热量。因此定义结合第一定律可得因此热泵的性能系数始终比制冷机大 1。对于逆卡诺循环5.5.4 工程意义卡诺循环和逆卡诺循环分别给出了热机效率的理论上限制冷机和热泵性能的理论上限。实际设备由于存在摩擦、有限温差传热、流动损失等不可逆因素其性能均低于对应的卡诺极限。因此在工程设计中提高热机效率本质上是尽可能接近卡诺效率提高制冷机 COP本质上是尽可能接近逆卡诺循环的理论 COP。例如空调提高换热器效率可以减小换热温差提高 COP热泵降低压缩机损失可以减少不可逆损失提高供热性能。本节小结逆卡诺循环是卡诺循环的逆过程是制冷机和热泵的理论模型。制冷机依靠外界输入功将热量从低温热源转移到高温热源。制冷机采用制冷系数 COP 表征性能热泵采用供热 COP 表征性能。卡诺 COP 是制冷与热泵设备的理论性能上限。