Коротко и по делу — термодинамический разбор холодильного цикла, COP и распределение энтропии в идеальном (Карно) и реальном циклах, основные потери и методы повышения эффективности при заданном температурном напоре.

1) Основные определения и соотношения

Коэффициент полезного действия (для холодильника): (COP=\dfrac{QL}{W{net}}), где (QL) — теплотa, отводимая от охлаждаемого тела, (W{net}) — затраченная работа.Закон сохранения энергии цикла: (W_{net}=Q_H-Q_L).Второй закон (обобщённо): (\dfrac{Q_H}{T_H}-\dfrac{Q_L}{TL}=S{gen}\ge0), где (S_{gen}) — суммарное производство энтропии в цикле, (T_H,T_L) — абсолютные температуры нагревателя и охладителя (K).Для обратимого (Карно) цикла (S{gen}=0) и тогда
[
COP{Carnot}=\dfrac{T_L}{T_H-T_L}.
]Отношение реального COP к идеальному часто характеризуют второй степенью эффективности:
[
\eta{II}=\dfrac{COP{real}}{COP{Carnot}}\quad(0<\eta{II}\le1).
]Связь энтропии с потерями эксергии: эксергетические потери (уничтожаемая работа) равны
[
I=T0 S{gen},
]
где (T_0) — опорная (окружающая) температура.

2) Идеальный (Карно) цикл — распределение энтропии

В Карно: процессы обратимы, (S_{gen}=0). Теплообмен между холодильником и окружающими происходит при бесконечно малыми температурными разностями (идеальные теплообменники), поэтому нет внутренней генерации энтропии.Все превращения обратимы; весь «напор» температур (T_H-TL) даёт предел эффективности: никакие реальные меры не превзойдут (COP{Carnot}).

3) Реальный парокомпрессионный цикл (типичный пример): термодинамическая схема и формулы

Обозначим точки: 1 — вход в компрессор (пар, после испарителя), 2 — выход компрессора, 3 — конденсатор (жидкость), 4 — после расширительного клапана (смесь/жидкость) — в испарителе снова 1.Рабочие величины (энтальпии):
[
q_L=h_1-h_4\quad(\text{холодопроизводительность на кг}),
]
[
w_c=h_2-h_1\quad(\text{работа компрессора на кг}),
]
[
COP=\dfrac{q_L}{w_c}=\dfrac{h_1-h_4}{h_2-h_1}.
]Источники генерации энтропии (необратимости):
компрессор: адиабатическая, но не изоэнтропическая компрессия (\Rightarrow) увеличение энтропии и дополнительная работа;конденсатор/испаритель: конечные температурные разности при теплообмене (эксергетические потери), потери при неполном теплообмене (pinch);дросселирование (расширительный клапан): изоэнтальпический процесс с ростом энтропии (необратимость) — теряется часть эксергии;гидравлические потери, утечки, трение, теплопритоки в корпусах, неполная испарение/перегрев и т.д.Суммарно:
[
S{gen} = S{gen,comp}+S{gen,heat\ exch}+S{gen,throttle}+S_{gen,other}>0.
]

4) Типичное распределение потерь (какое уходит на что)

Конкретные доли зависят от конструкции и режима; типичные тенденции:
компрессор (неизоэнтропичность, механические потери): значимая доля (часто 30–50% суммарных потерь);теплообменники (конденсатор/испаритель) из‑за конечного ∆T: 20–40%;дросселирование/расширение: 5–20% (можно сократить заменой на экспандер или рекуперацию);прочие (трение, утечки, потери в линиях): оставшаяся часть.
(Это ориентировочные доли; у высокооптимизированных систем доля потерь в теплообменниках и компрессоре обычно снижается.)

5) Как конкретно потери ограничивают эффективность

Неизоэнтропичность компрессора увеличивает (h_2) → растёт (w_c) → COP падает.Большая ∆T на теплообменнике требует большего конденсаторного давления (или уменьшает теплообмен), влияет на (T_H) эффективную, увеличивая температурный напор.Дросселирование уничтожает эксергию без извлечения работы — ухудшает отношение (q_L/w_c).Утечки и неполная конденсация/испарение снижают полезную (q_L) при том же (w_c).

6) Методы повышения эффективности при заданном температурном напоре (T_H-TL)
(для фиксированного температурного напора нельзя уменьшить теоретический предел (COP{Carnot}), но можно приближаться к нему)

Повысить изоэнтропическую эффективность компрессора (лучшие конструктивные решения, масляная/всасывающая системы, оптимальная частота) → уменьшить (w_c).Многоступенчатая компрессия с промежуточным охлаждением (intercooling): уменьшает суммарную работу при том же давлении перегиба.Экономайзеры / паровая инжекция (flash injection, vapor injection): увеличивают холодовую способность и снижают работу на единицу холода.Субохлаждение конденсата (subcooling) — увеличивает (q_L) без существенного роста (w_c).Рекуперативные теплообменники (между линиями всасывания и жидкости): повышают теплообменную эффективность, уменьшают перегрев/суперхит и тем самым работу компрессора и потери.Заменить дросселирование на работу извлекающий элемент (турбогенератор/экспандер, эжектор) → вернуть часть эксергии.Увеличить площадь и улучшить конструкцию теплообменников, уменьшить «pinch» — снизить S_gen в теплообменниках.Снизить гидравлические потери и утечки, оптимизировать трубопроводы и орбитальный менеджмент масла.Использовать инверторы/регулирование частоты для работы компрессора на оптимальном режиме (снижение непроизводительных частотных потерь).Подбор более подходящего хладагента (меньшее давление, лучшая термодинамическая линия, меньшая температурная скользкость).Для больших напоров: каскадные или двухступенчатые схемы, позволяющие работать в более благоприятных давлениях на каждой ступени.Регулировка перегрева/субохлаждения до оптимума (избыточный перегрев уменьшает (q_L), недостаточный перегрев рискует жидким ударом).

7) Количественная связь энтропии и эффективности (практический ориентир)

Для заданного (Q_L) дополнительная уничтоженная эксергия минимально равна (T0 S{gen}). Приближённо, увеличение работы относительно обратимой даёт
[
W{real}\approx W{rev}+T0 S{gen},
]
и, следовательно,
[
COP_{real}\approx \dfrac{QL}{W{rev}+T0 S{gen}}.
]
Это показывает прямую роль (S{gen}) в снижении COP: сокращая (S{gen}), вы уменьшаете дополнительную «платёжную» работу.

Заключение (коротко)

Идеальный предел задаёт Карно: (COP_{Carnot}=\dfrac{T_L}{T_H-TL}). В реальности S{gen}>0: основная генерация энтропии идёт в компрессоре, теплообменниках и при дросселировании. Для заданного температурного напора улучшать COP нужно через снижение необратимостей: повышение изоэнтропичности компрессора, уменьшение ∆T в теплообменниках, внедрение многоступенчатой компрессии/экономайзеров, рекуперация энергии (экспандеры/эжекторы), оптимальный выбор хладагента и конструктивная оптимизация системы.