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1、简述逆卡诺循环特点：热泵地暖空调大讲堂（1）：热泵与逆卡诺循环

01热泵的概念

热泵，英语名称：Heat Pump（[hiːt] [pʌmp]）。它是一种通过消耗少量驱动能，将低位热能流向高位热源的高效功能技术。同时，也是利用这类技术，将低位热能转移到高位热能的装置的统称。

热泵示意图

就其本质，热泵是一种热量提升的技术和装置，作用是从周围环境中吸取热量并把它传递给被加热的对象。

之所以称作 “热泵 ”，是因为这种转移热能的技术与将水从低处送到高处的水泵功能相似，于是取 “泵”字命名之。不同的是，通过耗能和做功，水泵是驱使水从低处流向高处，热泵是驱使热能从低位流向高位。

02 热泵的工作原理及过程

工作原理

热泵遵循逆卡诺循环，消耗少量驱动能（电能或热能），利用热循环过程，有效收集难以利用的低品位热能（主要来源于室外空气、循环水或地热能），并迫使去传递到高温物体中，用来加热水或采暖，同时达到节能的目的。

工作过程

热泵在运行中，蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质（主要为制冷剂），工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了热泵系统末端。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，后再被蒸发，成一次热能搬运过程。如此循环往复，即可实现供热。

热泵机组管道中的特殊阀门（四通换向阀）可使循环反向进行，因而同一设备既能加热，也能制冷。

热泵工作示意图

03 热泵的发展简史

1824年，法国科学家萨迪 .卡诺提出“卡诺循环 ”理论，成为热泵技术的起源。

1852年，英国科学家开尔文认为，利用逆卡诺循环可使冷冻装置用于加热，并首次提出了热泵系统。

1912年，第一套早期水源热泵系统在瑞士苏黎世成功安装并用于供暖，也成为世界上第一套热泵系统。

20世纪40、50年代，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场。

20世纪70年代，欧美制定热泵发展计划，新技术层出不穷，热泵开始广泛应用于空调和工业领域。

进入21世纪，高效、热回收的热泵登上历史舞台，热泵技术在全球推广。国际、国内多方力量的加入，热泵技术的研究不断创新。

2015年至今，前沿技术在热泵机组上的应用主要表现为，针对不同使用场景的功能性热泵机组层出不穷。低环温机组、高出水温机组、一级能效机组、变频机组、全热回收机组、四管制冷暖一体式机组等都是个中新品。

04 卡诺循环与逆卡诺循环

与热泵关联度较大的理论基础，主要是逆卡诺循环。而要讲清楚逆卡诺循环，得先大致搞清什么是卡诺循环。

卡诺循环的概念

卡诺循环，英语名称：Carnot cycle。由法国工程师尼古拉 ·莱昂纳尔 ·萨迪 ·卡诺于1824年提出的，用来分析热机的工作过程。

萨迪·卡诺

这种循环是在理想条件下进行研究的，主要由两个绝热过程和两个等温过程组成。假定工作物质只与两个热源（高温热源和低温热源）交换热量，既没有散热，也不存在摩擦。

卡诺循环的原理

卡诺循环的工作物质可以是理想气体，气、液二相系统，磁介质等。卡诺循环是用来分析热机的工作过程，包括四个步骤：等温吸热、绝热膨胀、等温放热和绝热压缩。

*卡诺循环分析图

理想气体从状态1（P1/V1/T1）恒温吸热膨胀到状态2（P2/V2/T1），再从状态2绝热膨胀到状态3（P3/V3/T2），此后从状态3等温放热到状态 4（P4/V4/T2），最后从状态 4 绝热压缩回到状态 1。

*卡诺循环坐标示意图

逆卡诺循环

卡诺循环是一种既特殊又重要的循环，采用这种循环的热机效率最大。其力求解决的是，热量最大效率地从高品位向低品位传递。

逆卡诺循环是与卡诺循环相反的循环，是制冷理论的基础。其力求解决的是，热量从低品位向高品位传递。这一循环假定压缩过程是可逆的；除了两个换热器外，其余部分是绝热的；在冷凝与蒸发的过程中与两个恒温热源间没有传热温差；工质（制冷剂）在流动中不存在压力损失。

很显然，这一循环属于理想状态下得出的理论，并不具备实用价值，但它是实际制冷循环的改进方向。

实际应用中，制冷循环主要存在过热损失和节流损失，导致功耗增加、制冷量和制冷系数下降，而使其偏离逆卡诺循环的理想状态。而引发这两种损失出现的主因在于制冷剂的性能和节流循环的优劣。

因此，强化制冷剂性能、改进或优化节流和制冷循环，是提升空调热泵性能的两个核心方向。对应在实际应用，多如牛毛的制冷剂型号、不同形式的压缩机、包括双极压缩、复叠式等的制冷循环等等，都是制冷界针对这两个主因的做出的技术突破。

逆卡诺循环与实际制冷循环之间的关系，大致可以做如下类比：

逆卡诺循环类似拥有完美身材的型男，实际制冷循环类似于一个体态臃肿的胖子，暴饮暴食+不爱运动（类似过热损失和节流损失）让他一直偏离完美身材。当他开始减脂和塑身后（类似强化制冷剂性能、改进节流和制冷循环等），身材将开始接近完美身材。

关于卡诺循环、逆卡诺循环、过热损失和节流损失等，都是制冷循环中的重要内容，过程相对复杂，理论性较强。

建议做一般概念性了解即可，在此不做延伸。想深入了解的朋友可自行搜索资料学习。

2、简述逆卡诺循环特点，卡诺循环和卡诺定理

卡诺循环是一种只有两个热源（高温热源温度T1，低温热源温度T2）的简单循环。由于工作物质只能与两个热源交换热量，所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。下图表示了完成正向卡诺循环的热机中能量转换情况及其p-V图。

可逆的卡诺循环由四个过程组成：由状态A到B的等温膨胀过程（吸热Q1和对外做功WAB）；由状态C到D等温压缩过程（放热Q2和对外做功WCD）；由状态B到C的绝热膨胀过程（系统对外做功WBC）；由状态D到A的绝热压缩过程（外界对系统做功WDA）。显然，按上列四步完成的正向卡诺循环对外界所作的净机械功为W=WAB WBC－|WCD|－|WDA|。显然数值等于在p-V图上循环曲线ABCDA所包围的面积。应用热力学第一定律可求得，以理想气体为工作物质的正向卡诺循环的效率为：η=W/Q1=1－(│Q2│/Q1)=1－(T2/T1)由上式可知，改变相同的温度数值，低温热源对热机效率的影响比高温热源的要大。由于式中未包含任何与理想气体性质有关的量，仅是两热源温度的函数，故可认为此式应是一个普遍成立的公式，与工质性质和做功的数值无关。卡诺热机的这一性质构成了卡诺定理的第一个内容：相同的高温热源（温度T1）和低温热源（温度T2）间工作的一切可逆热机，无论用什么工质其效率都相等。卡诺定理的第二个内容说：相同的高温热源（温度T1）和低温热源（温度T2）间工作的一切不可逆热机的效率，不大于可逆机的效率。

卡诺循环

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