卡诺循环

卡诺循环分为正卡诺循环和逆卡诺循环，均是由两个可逆定温和两个可逆绝热（定熵）过程组成，属于理想循环。[1]

（1）卡诺循环

卡诺循环是由以下四个过程组成的理想循环：

1）可逆定温吸热：工质从热源T₁可逆定温吸热，a→b

2）可逆绝热膨胀（定熵膨胀）：工质定熵膨胀对外做功，b→c

3）可逆定温放热：工质向冷源T₂可逆定温放热，c→d

4）可逆绝热压缩（定熵压缩）：工质定熵压缩回到初始状态，d→a

图1 卡诺循环的p-v图和T-s图

卡诺循环的热效率：

由卡诺循环热效率公式可得出如下结论：

1）卡诺循环热效率的大小只取决于冷热源温度（T₂、T₁）；

2）卡诺循环热效率总是小于1。只有当T₁ = ∞或T₂ = 0时，热效率才等于1，但是这都是不可能实现的；

3）当只有一个热源时（即冷热源温度相等），卡诺循环效率为0。这说明了单一热源的循环发动机是不可能实现的；

4）卡诺循环的热效率与工质无关，热效率计算公式适用于任何工质的卡诺循环。

（2）逆卡诺循环

逆向进行的卡诺循环称为逆卡诺循环，它是由以下四个过程组成的理想循环：

1）可逆绝热压缩（定熵压缩）：工质被定熵压缩，c→b

2）可逆定温放热：工质向热源T₁可逆定温放热，b→a

3）可逆绝热膨胀（定熵膨胀）：工质定熵膨胀，a→d

4）可逆定温吸热：工质从冷源T₂可逆定温吸热，d→c

图2 逆卡诺循环的p-v图和T-s图

逆卡诺循环既可以用于制冷，也可用于供热。当逆卡诺循环用作制冷时，其制冷性能系数ε_c（或COP_c）如下：

当逆卡诺循环用于供热时，其供热性能系数ε_h（或COP_h）如下：

由逆卡诺循环制冷/供热系数计算式可以得出如下结论：

1）逆卡诺循环的性能系数只决定于热源温度T₁ 及冷源温度T₂，它们（ε_c和ε_h）随热源温度T₁的降低及冷源温度T₂的提高而增大；

2）逆卡诺循环的制冷系数ε_c可以大于1，等于1，或小于1，但其供热系数ε_h总是大于1，且满足“ε_h= ε_c+ 1”；

3）一般情况下T₂ > T₁ – T₂，因此，逆卡诺循环的制冷系数ε_c通常也大于1；

4）逆卡诺循环可以单独用来制冷，也可以单独用来供热，此外也可以在同一设备中交替使用（例如冬季用于供热，夏季用于制冷）。

逆卡诺循环的实现：对于蒸气压缩式制冷系统，其蒸发器中的沸腾气化过程是个等压、等温过程，冷凝器中的凝结过程也是个等压、等温过程，所以在湿蒸气区域进行制冷循环有可能易于实现逆卡诺循环，如下图所示。[2]

图3 湿蒸气区的逆卡诺循环（理想循环）

（a）工作流程，（b）T-s图

（3）卡诺定理

卡诺定理表述为：

1）所有工作于同温冷、热源之间的一切热，以可逆热机的热效率为最高；

2）在同温冷、热源之间的一切可逆热机，其热效率均相等。

参考资料：
[1] 廉乐明, 谭羽非, 吴家正. 工程热力学（第五版）[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007.
[2] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册（第二版）[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007.