熱力學的熱泵迴圈（heat pump cycles）或冷凍迴圈（refrigeration cycles）是熱泵、空調以及冷凍系統的概念以及數學模型。熱泵是一個可以將熱從一個較低溫的位置（熱源，heat source）轉移到較高溫的位置（吸熱器，heat sink）的機械裝置 The Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook ASHRAE Inc Atlanta GA 2004。若熱泵的目的是要加熱吸熱器（例如在低溫時使室內變暖），會稱為是「加熱器」，若其目的是要冷卻熱源（像一般使用冰箱的情形），則會稱為是「冷卻器」。不管是哪一個，其運作原理是類似的，都是要將熱從冷溫處轉移到高溫處。 熱力學迴圈 依照熱力學第二定律，系統中的熱無法自發的從低溫處流到高溫度處，需要輸入機械功才能讓熱以此方式流動 Fundamentals of Engineering Thermodynamics by Howell and Buckius McGrawHill New York。冷氣需要作功來使室內變涼快，將熱從室內（熱庫）轉移到室外（吸熱器）。冰箱作用也類似，將熱從冰箱內部（熱庫）轉移到冰箱外的空氣（吸熱器）。熱機是將熱轉換為功的裝置。尼古拉卡諾在 1824 年時將理想熱機的運作原理用卡諾迴圈來說明。理想的冰箱或冷氣也可以視為和理想熱機類似的裝置，但是以逆卡諾迴圈的方式運作，可以將功轉換為熱的轉移。 卡諾迴圈是由四個過程組成的可逆迴圈，其中二個是等溫過程，二個是等熵過程，因此可逆。若反向進行卡諾迴圈，這稱為是以逆卡諾迴圈。若冷凍機或是熱泵以逆卡諾迴圈來進行，這稱為是卡諾冷凍機或是卡諾熱泵。在逆卡諾迴圈的第一階段，冷媒會從低溫源以等溫過程吸收熱量，所吸收的熱量是。接著，會將冷媒等熵壓縮（絕熱壓縮，沒有熱傳遞），使其溫度到達高溫源的溫度。在此高溫下，冷媒會以等溫過程放熱（因為熱從系統流失，以負號表示）。在此階段，冷媒在冷凝器中相變，從飽和蒸氣變成飽和液體。最後冷媒等熵膨脹，其溫度會降到低溫源的溫度。 逆卡諾迴圈是理想的熱泵迴圈及冷凍迴圈。實際上所用的迴圈可以分為蒸氣壓縮（vapor compression）、蒸氣吸收（vapor absorption）、氣體迴圈（gas cycle）及史特靈迴圈（Stirling cycle）四種。 蒸氣壓縮迴圈 蒸氣壓縮迴圈使用在許多冷凍系統、冷氣機以及其他冷卻系統中，也出現在許多加熱應用的熱泵裡。蒸氣壓縮迴圈裡有二個熱交換器，一個是冷凝器，溫度較高，會釋放熱量，另一個是蒸發器，溫度較低，會吸收熱量。若是需要在加熱以及冷卻模式切換的應用，會用來切換這二者的功能。 在熱力學迴圈的開始，冷媒會以低溫低壓蒸氣的形式進入壓縮機，之後冷媒的壓力會增加，冷媒離開壓縮機時會是溫度和壓力都較高的過熱蒸汽。熱的加壓氣體會經過冷凝器，會將熱釋放到外部，冷媒本身會冷卻且完全液化。較冷的高壓液體會進入，其壓力突然降低，而溫度也會顯著下降。低溫低壓的液氣態共存冷媒會進入蒸發器，冷媒在蒸發器中會吸收外界的熱，完全蒸發，最後形成低溫低壓的冷媒蒸氣，再進入壓縮機繼續迴圈。 有些比較簡單，固定操作溫度的應用（例如家用冰箱）會用定速壓縮機以及固定的膨脹閥。若是一些應用需要高效能係數（COP），而且操作環境變化很大（例如外溫和內部熱需求會隨季節有大幅變化的熱泵），一般會用變速的以及可調整的膨脹閥，以精確的控制迴圈中的壓力。 上述討論是以理想的蒸氣壓縮迴圈為基礎，沒有考慮現實世界會有的效應，例如摩擦力帶來的系統壓力降，在冷媒蒸氣壓縮時的輕微熱力學不可逆性，或是可能會有的非理想氣體特性。 蒸氣吸收迴圈 使用水 氨系統的蒸氣吸收迴圈流行於二十世紀初，且當時廣為使用，不過在蒸氣壓縮迴圈發展之後，因為後者的效能係數（COP）是前者的五倍，蒸氣吸收迴圈的重要性就大幅降低。現今蒸氣吸收迴圈只用在一些熱比電力容易取得很多的場合，例如工業廢熱、接收的太陽熱能、或是露營車裡的離網冷凍（offthegrid refrigeration）。 蒸氣吸收迴圈類似蒸氣壓縮迴圈，但主要原理和冷媒蒸氣的分壓有關。蒸氣吸收系統中用吸收器（absorber）和再生器（generator）取代蒸氣壓縮系統的壓縮機。吸收器裡會將冷媒溶解在適當的液體（稀溶液）中，溶解後就成為濃溶液。再生器需要熱能輸入，使其中的溶液溫度上昇，釋放出濃溶液中的冷媒蒸氣分壓。不過，再生器需要熱能輸入，除非有廢熱可以使用，不然就會需要額外的能量。吸收式製冷系統中會使用適當的冷媒及吸收劑（absorbent，溶解冷媒的液體）。常見的組合是氨（冷媒）和水（吸收劑），以及水（冷媒）和溴化鋰（吸收劑）。 蒸氣吸收系統的能量來源可以用化石燃料（例如煤、石油、天然氣）的燃燒，也可以用可再生能源（例如廢熱回收、生物質燃燒、或是太陽熱能等）。 氣體迴圈 若使用的是氣體，會壓縮或膨脹，但沒有相變化，此冷凍迴圈會稱為氣體迴圈（gas cycle）。空氣是最常見的工質，因為在氣體迴圈中沒有冷凝以及蒸發，在氣體迴圈中對應冷凝器以及蒸發器的是高溫端及低溫端的氣體換熱器。 在一些極端的溫度下，氣體迴圈的效率會比蒸氣壓縮迴圈的效率要差，因為氣體迴圈是以逆布雷頓迴圈運作，而不是逆朗肯迴圈運作，因此逆布雷頓迴圈下的工質不會在定溫下吸熱或是放熱。在氣體迴圈中，冷凍效果等於氣體的比熱乘以低溫端的溫度上昇。因此，若針對相同的冷凍負載，氣體迴圈的冷凍機需要有較大的質量流率，其體積也會比較大。 因為氣體迴圈裝置的效率低，體積也比較大，氣體迴圈冷卻器不常用在陸地上用的冷凍機中。不過在燃氣渦輪發動機驅動的噴氣式民航客機中，很常使用，因為發動機的壓縮機段可以提供壓縮空氣。噴氣式飛機的冷卻及通風系統也負責內的暖氣以及加壓。 史特靈迴圈 的熱機可以反相運作，以機械能為輸出，輸出是將熱從低溫處轉移到高溫處（類似熱泵、冰箱的作用）。這類裝置有許多不同的設計組態，有些會需要旋轉油封（rotary seal）或滑動油封（sliding seal），不過這些元件就會有摩擦損失以及冷媒洩漏之間的困難取捨。 效能係數 熱泵或是冷凍裝置的特性值可以用稱為效能係數（coefficient of performance，簡稱 COP）的引數表示。其公式為： rm COP frac QW_netin 其中 Q 是一個迴圈下，此係統所帶走（或是所產生）的有用熱能。 W_netin 是一個迴圈下，需要提供給此係統的功。 冷凍機的 COP 可以用下式表示： rm COP_R frac text Desired Outputtext Required Input frac text Cooling Effecttext Work Input frac Q_LW_text netin 熱泵的 COP（有時會稱為是 coefficient of amplification，COA）可以用下式表示，其中根據熱力學第一定律： W_netinQ_LQ_H Delta_cycle U 0 ，且 Q_H Q_H 用在其中一個步驟中： rm COP_HP frac text Desired Output text Required Input frac text Heating Effect text Work Input frac Q_H W_text netin frac W_netin Q_L W_text netin 1 frac Q_L W_text netin 冷凍機和熱泵的 COP 都可以大於一。將以上二式合併可得： rm COP_HP 1rm COP_R 針對和是定值的情形 這表示一定會大於一，因為是正值。若考慮最壞情況，熱泵供應的熱能和其所消耗的能量相等，其為 1，就像是電阻式加熱器的情形。不過，在實際上，部份的會散失到外面的空氣中，可能因為管線、隔熱等因素，因此在外界溫度太低時可能會低於 1。這種情形下，會直接用燃料來為室內加熱。 針對卡諾冷凍機和熱泵，其 COP 可以表示為： rm COP_RCarnot frac T_L T_H T_L frac 1 T_H T_L 1 rm COP_HPCarnot frac T_H T_HT_L frac 1 1 T_L T_H 這是任何操作溫度分別為和系統的效能係數上限。 參考資料 書目 外部連結 The Basic Refrigeration Cycle Category 熱力學迴圈 Category 熱泵 Category 氣體技術