法國工程師Nicolas Léonard Sadi Carnot于1824年在研究蒸汽機(jī)的熱功轉(zhuǎn)化過程效率時(shí)，總結(jié)提出了卡諾循環(huán)(Carnot cycle)原理?？ㄖZ循環(huán)包括四個(gè)步驟: 等溫吸熱， 絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮。即理想氣體從狀態(tài)1(P₁，V₁，T₁)等溫吸熱到狀態(tài)2(P₂，V₂，T₁)，再從狀態(tài)2絕熱膨脹到狀態(tài)3(P₃，V₃，T₂)，此后，從狀態(tài)3等溫放熱到狀態(tài)4(P₄，V₄，T₂)，最后從狀態(tài)4絕熱壓縮回到狀態(tài)1。這種由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程所構(gòu)成的循環(huán)稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)的四個(gè)具體步驟分別是:（1）等溫吸熱，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩粗形諢崃?/span>; （2）絕熱膨脹，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作功，溫度降低; （3）等溫放熱，系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量; （4）絕熱壓縮，系統(tǒng)恢復(fù)原來狀態(tài)。在等溫放熱和絕熱壓縮過程中系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作負(fù)功?？ㄖZ循環(huán)可以認(rèn)為是工作于兩個(gè)恒溫?zé)嵩粗g的準(zhǔn)靜態(tài)過程，其高溫?zé)嵩吹臏囟葹?/span>T₁，低溫?zé)嵩吹臏囟葹?/span>T₂?？ㄖZ假設(shè)工作物質(zhì)只與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量，滿足沒有散熱、漏氣、摩擦等損耗的理想實(shí)驗(yàn)條件，為使過程滿足準(zhǔn)靜態(tài)過程條件，工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰釕?yīng)是無溫度差的等溫膨脹過程，同樣，向低溫?zé)嵩捶艧釕?yīng)是等溫壓縮過程。因限制只與兩熱源交換熱量，脫離熱源后只能是絕熱過程?？ㄖZ循環(huán)分正、逆兩種，正循環(huán)稱卡諾熱機(jī)，把熱量持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)；逆循環(huán)稱卡諾制冷機(jī)，通過對(duì)系統(tǒng)做功，實(shí)現(xiàn)高低溫?zé)嵩粗g的持續(xù)熱量交換。如圖1，ɑ-b-c-d-ɑ為正卡諾循環(huán)，ɑ-b為等溫吸熱過程，工質(zhì)在溫度T₁下從相同溫度的高溫?zé)嵩次霟崃?/span>Q₁；b-c為絕熱膨脹過程,工質(zhì)溫度自T₁降為T₂；c-d為等溫放熱過程，工質(zhì)在溫度T₂下向相同溫度的低溫?zé)嵩磁欧艧崃?/span>Q₂；d-ɑ為絕熱壓縮過程,工質(zhì)溫度自T₂升高到T₁，完成一個(gè)熱機(jī)循環(huán),對(duì)外作出凈功W（內(nèi)燃機(jī)做功）。逆卡諾循環(huán)與上述正向循環(huán)反向,沿ɑ-d-c-b-ɑ方向,因而Q₂是工質(zhì)從低溫?zé)嵩次氲臒崃?/span>(通稱制冷量)，Q₁是工質(zhì)排放給高溫?zé)嵩吹臒崃浚?/span>W是完成逆向循環(huán)所需的外界輸入的凈功（壓縮機(jī)做功）。正卡諾循環(huán)的熱力學(xué)指標(biāo)用卡諾循環(huán)熱效率η_t表示，逆卡諾循環(huán)的熱力學(xué)指標(biāo)用卡諾制冷系數(shù)ε表示（制冷系統(tǒng)）或用卡諾供暖系數(shù)ε′表示(熱泵系統(tǒng))。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在相同的高、低溫?zé)嵩礈囟?/span>T₁與T₂之間工作的所有熱循環(huán)中,以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理。卡諾循環(huán)具有重要的理論和實(shí)際意義。雖然完全按照卡諾循環(huán)理想條件工作的裝置是難以實(shí)現(xiàn)的，但是卡諾循環(huán)卻為提高應(yīng)用卡諾循環(huán)原理設(shè)計(jì)的熱機(jī)和制冷機(jī)優(yōu)化循環(huán)熱效率指明了方向，并給出了熱效率的理論極限值。

圖1卡諾循環(huán)示意圖

   現(xiàn)代商用的制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)都是采用逆卡諾循環(huán)原理的卡諾制冷機(jī)系統(tǒng)，圖2闡釋了單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的制冷機(jī)理。單級(jí)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，由蒸發(fā)器、制冷壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥四個(gè)基本部件組成。它們之間用釬焊依次連接制成循環(huán)管道，形成一個(gè)密封的制冷系統(tǒng)，充注入壓縮機(jī)中的制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動(dòng)，發(fā)生氣態(tài)和液態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，與外界進(jìn)行熱量交換。制冷壓縮機(jī)吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽，提高壓力后將高溫高壓蒸汽輸送到冷凝器，使制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)?？捎糜谥评湎到y(tǒng)和熱泵系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)從被冷卻介質(zhì)吸熱，向環(huán)境介質(zhì)放熱，蒸發(fā)溫度低于被冷卻介質(zhì)溫度，冷凝溫度高于環(huán)境介質(zhì)溫度。熱泵系統(tǒng)從大氣吸熱，向需要溫度較高的區(qū)域供熱，蒸發(fā)溫度低于大氣溫度，冷凝溫度高于供熱區(qū)溫度。但壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)中發(fā)揮的功能毫無差別。

圖2 單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖

     如圖2所示，蒸氣壓縮式制冷循環(huán)可概括為四個(gè)過程：（1））絕熱膨脹節(jié)流過程：經(jīng)壓縮冷凝的制冷劑經(jīng)過毛細(xì)管膨脹閥絕熱節(jié)流，降壓降溫至濕蒸汽狀態(tài)；（2））等溫吸熱蒸發(fā)過程：濕蒸汽狀態(tài)的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器（冷凍室），進(jìn)行定壓蒸發(fā)汽化,吸收待冷卻的物體熱量，形成干飽和蒸汽狀態(tài)；（3）絕熱壓縮過程：從蒸發(fā)器出來的制冷劑干飽和蒸汽被吸入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，升壓升溫至過熱蒸汽狀態(tài)；（4）等溫放熱冷凝過程：過熱蒸汽狀態(tài)的制冷劑進(jìn)入冷凝器，進(jìn)行定壓放熱，制冷劑凝結(jié)為液體狀態(tài)；從冷凝器出來的制冷劑液體再經(jīng)過毛細(xì)管膨脹閥節(jié)流降壓至濕蒸汽狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器（冷凍室）吸熱，不斷進(jìn)行以上四個(gè)過程的制冷循環(huán)，從而達(dá)到連續(xù)制冷的目的，將冷凍室中的熱量不斷傳遞到外部環(huán)境中，保持冷凍室獲得低于環(huán)境溫度的制冷溫度。

制冷壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的“心臟”，制冷劑是制冷系統(tǒng)中不斷循環(huán)的“血液”，壓縮機(jī)按照制冷劑壓縮型式分為速度式和容積式兩種，大型冷庫和中央空調(diào)系統(tǒng)普遍采用速度式的離心壓縮機(jī)，小型工業(yè)產(chǎn)品所用的制冷壓縮機(jī)則基本上都是容積式的。實(shí)驗(yàn)室冷凍離心機(jī)采用的制冷壓縮機(jī)屬于全封閉容積式活塞往復(fù)型小功率低溫壓縮機(jī)，由于制冷系統(tǒng)中的制冷劑是不容許泄漏的，因此系統(tǒng)中凡與制冷劑接觸的部件都應(yīng)絕對(duì)密封。全封閉式壓縮機(jī)將壓縮機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組裝在一個(gè)密閉的薄壁機(jī)殼中。使用時(shí)只要焊接管路，與冷凝器、毛細(xì)管節(jié)流閥、蒸發(fā)器形成密封系統(tǒng)，然后抽真空，充注入合適的制冷劑，就可以形成制冷系統(tǒng)。圖3為全封閉式容積型活塞往復(fù)壓縮機(jī)的示意圖

圖3 全封閉式容積型活塞往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖