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逆卡诺循环在空气能热泵的应用

发布时间:2013-02-27

“空气能”热泵热水技术采用目前最进的新能源技术。产品利用空气压缩机驱动冷媒进行逆卡诺循环,将大量低品位的热源(空气中的热量)通过压缩机和制冷剂,转变为高品位的可利用热能,将水加热制取生活热水,其输出能量是输入电能3倍以上,被业界誉为第四代热水器。

这种新型热水器一般由空气能热泵热水机组、保温水箱、水泵及相应的管道阀门等部分组成。而空气能热泵热水机组一般由压缩机、水侧换热器、空气侧换热器、节流装置、低压储液罐、水路调节阀等部分组成, 安装不受建筑物或楼层限制,使用不受气候条件限制,既可用作家庭的热水供应中心,也能为单位集体集中供热水。由于使用环境各方面新型专利技术,该产品不仅安全舒适,而且环保节能,实际使用费仅分别相当于电热水器的1/4,燃气热水器的1/3,将150升水箱中的水加热到65℃,春秋季节需要消耗 2 度电,如果采用低谷电价只需要0.6元钱,这箱贮存的热水足够一家3-5口生活热水之用;如果采用一个水龙头放水洗澡,该热水器可以源源不断供应热水。

 

工作原理

根据逆卡诺循环基本原理:

低温低压制冷剂经膨胀机构节流降压后,进入空气交换机中蒸发吸热,从空气中吸收大量的热量Q2

蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机,被压缩后,变成高温高压的制冷剂(此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分:一部分是从空气中吸收的热量Q2,一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q1

被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器,将其所含热量(Q1+Q2)释放给进入热换热器中的冷水,冷水被加热到60℃直接进入保温水箱储存起来供用户使用;

放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构,节流降压......如此不间断进行循环。

冷水获得的热量Q3=制冷剂从空气中吸收的热量Q2+驱动压缩机的电能转化成的热量Q1,在标准工况下:Q2=3.6Q1,即消耗1份电能,得到4.6份的热量。

 

制冷原理:逆卡诺循环 

8世纪,瓦特发明了蒸汽机,人类找到了把热能转变为机械能的具体方法。蒸汽机的问世使人类进入了工业社会,生产力得到快速发展。但当时蒸汽机的效率非常低,一般只能达到5%左右。于是,改进蒸汽机,提高其热效率,就成为许多科学家和工程师毕生追求的目标。法国工程师卡诺就是其中杰出代表。他认为,要想改进热机,只有从理论上找出依据。 卡诺从热力学理论的高度着手研究热机效率,设计了两条等温线,两条绝热线构成的卡诺循环(如右图所示):第一阶段,温度为T1的等温膨胀过程,系统从高温热源T1吸收热量Q1;第二阶段,绝热膨胀过程,系统温度从T1 降到T2;第三阶段,温度为T2的等温压缩过程,系统把热量Q2释放给低温热源T2 ;第四阶段,绝热压缩过程,系统温度从T2升高到T1。他研究的结论,就是人们总结的卡诺定理,其核心内容是:在相同高温热源T1与相同低温热源T2之间工作的一切可逆卡诺热机(在实现热的动力过程中,不存在任何不是由于体积变化而引起的温度变化的热机),不论用什么工作物质,效率η均为:

而在相同高温热源 与相同低温热源 之间工作的一切不可逆卡诺热机的效率总小于可逆卡诺热机的效率:

 

卡诺从理论上论证了热机存在极限和可逆卡诺热机的效率最大,这为改进蒸汽机做出了重大的理论突破,同时为热力学的进一步发展奠定了坚实的基础。

而逆卡诺循环,它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源(即被冷却物体)的温度为T0,高温热源(即环境介质)的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0, 在放热过程中为Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差,即传热是在等温下进行的,压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为:首先工质在T0下从冷源(即被冷却物体)吸取热量q0,并进行等温膨胀4-1,然后通过绝热压缩1-2,使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3,并向环境介质(即高温热源)放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4,使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4,从而完成一个循环。

逆卡诺循环奠定了制冷理论的基础,逆卡诺循环揭示了空调制冷系数(俗称EER或COP)的极限。一切蒸发式制冷都不能突破逆卡诺循环。 

 

在逆卡诺循环理论中间,要提高空调制冷系数就只有以下两种方式: 

1.提高压机效率,从上面推导可以发现小型空调理论上只存在效率提高空间19%;大型螺杆水机效率提高空间9%。 

2.膨胀功损失与内部摩擦损失(所谓内部不可逆循环):其中减少内部摩擦损失几乎没有空间与意义。在液压马达没有问世之前,解决膨胀功损失的唯一方法是采用比容大的制冷剂,达到减少输送质量的目的。如R410A等复合冷剂由于比容较R22大,使膨胀功损失有所减少,相对提高了制冷系数。但是就目前情况看通过采用比容大的制冷剂,制冷系数提高空间不会超过6%。(极限空间12%)

空气能是一种广泛存在、平等给予和可自由利用的低品位能源,利用热泵循环提高其能源品位后用于加热生活热水,由于使用一份电能可吸收3份空气能,从而供应4份热能加热热水系统, 因而是一项极具开发和应用潜力的节能、环保新技术,极具实用价值。此外,空气能热泵热水器从根本上消除了电热水器漏电、干烧以及燃气热水器工作时产生有害气体等安全隐患,克服了太阳能热水器阴雨天不能工作等缺点,具有高效节能、安全环保、全天候运行、使用方便等诸多优点。

当然除此之外,物理化学在我们生活中的应用也是非常广泛的,例如界面化学和胶体化学与纳米科学联系、热力学第一定律在合成氨过程中的应用、胶体表面化学在洗衣粉、化妆品中的应用等。