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逆卡諾循環在空氣能熱泵的應用

發布時間:2013-02-27

“空氣能”熱泵熱水技術采用目前最進的新能源技術。產品利用空氣壓縮機驅動冷媒進行逆卡諾循環,將大量低品位的熱源(空氣中的熱量)通過壓縮機和制冷劑,轉變為高品位的可利用熱能,將水加熱制取生活熱水,其輸出能量是輸入電能3倍以上,被業界譽為第四代熱水器。

這種新型熱水器一般由空氣能熱泵熱水機組、保溫水箱、水泵及相應的管道閥門等部分組成。而空氣能熱泵熱水機組一般由壓縮機、水側換熱器、空氣側換熱器、節流裝置、低壓儲液罐、水路調節閥等部分組成, 安裝不受建筑物或樓層限制,使用不受氣候條件限制,既可用作家庭的熱水供應中心,也能為單位集體集中供熱水。由于使用環境各方面新型專利技術,該產品不僅安全舒適,而且環保節能,實際使用費僅分別相當于電熱水器的1/4,燃氣熱水器的1/3,將150升水箱中的水加熱到65℃,春秋季節需要消耗 2 度電,如果采用低谷電價只需要0.6元錢,這箱貯存的熱水足夠一家3-5口生活熱水之用;如果采用一個水龍頭放水洗澡,該熱水器可以源源不斷供應熱水。

 

工作原理

根據逆卡諾循環基本原理:

低溫低壓制冷劑經膨脹機構節流降壓后,進入空氣交換機中蒸發吸熱,從空氣中吸收大量的熱量Q2;

蒸發吸熱后的制冷劑以氣態形式進入壓縮機,被壓縮后,變成高溫高壓的制冷劑(此時制冷劑中所蘊藏的熱量分為兩部分:一部分是從空氣中吸收的熱量Q2,一部分是輸入壓縮機中的電能在壓縮制冷劑時轉化成的熱量Q1;

被壓縮后的高溫高壓制冷劑進入熱交換器,將其所含熱量(Q1+Q2)釋放給進入熱換熱器中的冷水,冷水被加熱到60℃直接進入保溫水箱儲存起來供用戶使用;

放熱后的制冷劑以液態形式進入膨脹機構,節流降壓......如此不間斷進行循環。

冷水獲得的熱量Q3=制冷劑從空氣中吸收的熱量Q2+驅動壓縮機的電能轉化成的熱量Q1,在標準工況下:Q2=3.6Q1,即消耗1份電能,得到4.6份的熱量。

 

制冷原理:逆卡諾循環 

8世紀,瓦特發明了蒸汽機,人類找到了把熱能轉變為機械能的具體方法。蒸汽機的問世使人類進入了工業社會,生產力得到快速發展。但當時蒸汽機的效率非常低,一般只能達到5%左右。于是,改進蒸汽機,提高其熱效率,就成為許多科學家和工程師畢生追求的目標。法國工程師卡諾就是其中杰出代表。他認為,要想改進熱機,只有從理論上找出依據。 卡諾從熱力學理論的高度著手研究熱機效率,設計了兩條等溫線,兩條絕熱線構成的卡諾循環(如右圖所示):第一階段,溫度為T1的等溫膨脹過程,系統從高溫熱源T1吸收熱量Q1;第二階段,絕熱膨脹過程,系統溫度從T1 降到T2;第三階段,溫度為T2的等溫壓縮過程,系統把熱量Q2釋放給低溫熱源T2 ;第四階段,絕熱壓縮過程,系統溫度從T2升高到T1。他研究的結論,就是人們總結的卡諾定理,其核心內容是:在相同高溫熱源T1與相同低溫熱源T2之間工作的一切可逆卡諾熱機(在實現熱的動力過程中,不存在任何不是由于體積變化而引起的溫度變化的熱機),不論用什么工作物質,效率η均為:

而在相同高溫熱源 與相同低溫熱源 之間工作的一切不可逆卡諾熱機的效率總小于可逆卡諾熱機的效率:

 

卡諾從理論上論證了熱機存在極限和可逆卡諾熱機的效率最大,這為改進蒸汽機做出了重大的理論突破,同時為熱力學的進一步發展奠定了堅實的基礎。

而逆卡諾循環,它由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。假設低溫熱源(即被冷卻物體)的溫度為T0,高溫熱源(即環境介質)的溫度為Tk, 則工質的溫度在吸熱過程中為T0, 在放熱過程中為Tk, 就是說在吸熱和放熱過程中工質與冷源及高溫熱源之間沒有溫差,即傳熱是在等溫下進行的,壓縮和膨脹過程是在沒有任何損失情況下進行的。其循環過程為:首先工質在T0下從冷源(即被冷卻物體)吸取熱量q0,并進行等溫膨脹4-1,然后通過絕熱壓縮1-2,使其溫度由T0升高至環境介質的溫度Tk, 再在Tk下進行等溫壓縮2-3,并向環境介質(即高溫熱源)放出熱量qk, 最后再進行絕熱膨脹3-4,使其溫度由Tk 降至T0即使工質回到初始狀態4,從而完成一個循環。

逆卡諾循環奠定了制冷理論的基礎,逆卡諾循環揭示了空調制冷系數(俗稱EER或COP)的極限。一切蒸發式制冷都不能突破逆卡諾循環?!?/p>

 

在逆卡諾循環理論中間,要提高空調制冷系數就只有以下兩種方式: 

1.提高壓機效率,從上面推導可以發現小型空調理論上只存在效率提高空間19%;大型螺桿水機效率提高空間9%?!?/p>

2.膨脹功損失與內部摩擦損失(所謂內部不可逆循環):其中減少內部摩擦損失幾乎沒有空間與意義。在液壓馬達沒有問世之前,解決膨脹功損失的唯一方法是采用比容大的制冷劑,達到減少輸送質量的目的。如R410A等復合冷劑由于比容較R22大,使膨脹功損失有所減少,相對提高了制冷系數。但是就目前情況看通過采用比容大的制冷劑,制冷系數提高空間不會超過6%。(極限空間12%)

空氣能是一種廣泛存在、平等給予和可自由利用的低品位能源,利用熱泵循環提高其能源品位后用于加熱生活熱水,由于使用一份電能可吸收3份空氣能,從而供應4份熱能加熱熱水系統, 因而是一項極具開發和應用潛力的節能、環保新技術,極具實用價值。此外,空氣能熱泵熱水器從根本上消除了電熱水器漏電、干燒以及燃氣熱水器工作時產生有害氣體等安全隱患,克服了太陽能熱水器陰雨天不能工作等缺點,具有高效節能、安全環保、全天候運行、使用方便等諸多優點。

當然除此之外,物理化學在我們生活中的應用也是非常廣泛的,例如界面化學和膠體化學與納米科學聯系、熱力學第一定律在合成氨過程中的應用、膠體表面化學在洗衣粉、化妝品中的應用等。

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