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逆卡諾循環(huán)在空氣能熱泵的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2013-02-27

“空氣能”熱泵熱水技術(shù)采用目前最進(jìn)的新能源技術(shù)。產(chǎn)品利用空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)冷媒進(jìn)行逆卡諾循環(huán)，將大量低品位的熱源（空氣中的熱量）通過(guò)壓縮機(jī)和制冷劑，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏目衫脽崮?，將水加熱制取生活熱水，其輸出能量是輸入電?倍以上，被業(yè)界譽(yù)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(jī)組、保溫水箱、水泵及相應(yīng)的管道閥門(mén)等部分組成。而空氣能熱泵熱水機(jī)組一般由壓縮機(jī)、水側(cè)換熱器、空氣側(cè)換熱器、節(jié)流裝置、低壓儲(chǔ)液罐、水路調(diào)節(jié)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(yīng)中心，也能為單位集體集中供熱水。由于使用環(huán)境各方面新型專利技術(shù)，該產(chǎn)品不僅安全舒適，而且環(huán)保節(jié)能，實(shí)際使用費(fèi)僅分別相當(dāng)于電熱水器的1/4，燃?xì)鉄崴鞯?/3，將150升水箱中的水加熱到65℃，春秋季節(jié)需要消耗 2 度電，如果采用低谷電價(jià)只需要0.6元錢(qián)，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(gè)水龍頭放水洗澡，該熱水器可以源源不斷供應(yīng)熱水。

工作原理

根據(jù)逆卡諾循環(huán)基本原理：

低溫低壓制冷劑經(jīng)膨脹機(jī)構(gòu)節(jié)流降壓后，進(jìn)入空氣交換機(jī)中蒸發(fā)吸熱，從空氣中吸收大量的熱量Q₂；

蒸發(fā)吸熱后的制冷劑以氣態(tài)形式進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮后，變成高溫高壓的制冷劑（此時(shí)制冷劑中所蘊(yùn)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(jī)中的電能在壓縮制冷劑時(shí)轉(zhuǎn)化成的熱量Q₁；

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

放熱后的制冷劑以液態(tài)形式進(jìn)入膨脹機(jī)構(gòu)，節(jié)流降壓......如此不間斷進(jìn)行循環(huán)。

冷水獲得的熱量Q₃=制冷劑從空氣中吸收的熱量Q₂+驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電能轉(zhuǎn)化成的熱量Q₁,在標(biāo)準(zhǔn)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(huán)　

8世紀(jì)，瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，人類(lèi)找到了把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的具體方法。蒸汽機(jī)的問(wèn)世使人類(lèi)進(jìn)入了工業(yè)社會(huì)，生產(chǎn)力得到快速發(fā)展。但當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率非常低，一般只能達(dá)到5%左右。于是，改進(jìn)蒸汽機(jī)，提高其熱效率，就成為許多科學(xué)家和工程師畢生追求的目標(biāo)。法國(guó)工程師卡諾就是其中杰出代表。他認(rèn)為，要想改進(jìn)熱機(jī)，只有從理論上找出依據(jù)。 卡諾從熱力學(xué)理論的高度著手研究熱機(jī)效率，設(shè)計(jì)了兩條等溫線，兩條絕熱線構(gòu)成的卡諾循環(huán)（如右圖所示）：第一階段，溫度為T(mén)₁的等溫膨脹過(guò)程，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩碩₁吸收熱量Q₁；第二階段，絕熱膨脹過(guò)程，系統(tǒng)溫度從T₁ 降到T₂；第三階段，溫度為T(mén)₂的等溫壓縮過(guò)程，系統(tǒng)把熱量Q₂釋放給低溫?zé)嵩碩₂ ；第四階段，絕熱壓縮過(guò)程，系統(tǒng)溫度從T₂升高到T₁。他研究的結(jié)論，就是人們總結(jié)的卡諾定理，其核心內(nèi)容是：在相同高溫?zé)嵩碩₁與相同低溫?zé)嵩碩₂之間工作的一切可逆卡諾熱機(jī)（在實(shí)現(xiàn)熱的動(dòng)力過(guò)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(jī)），不論用什么工作物質(zhì)，效率η均為：

而在相同高溫?zé)嵩?與相同低溫?zé)嵩?之間工作的一切不可逆卡諾熱機(jī)的效率總小于可逆卡諾熱機(jī)的效率：

卡諾從理論上論證了熱機(jī)存在極限和可逆卡諾熱機(jī)的效率最大，這為改進(jìn)蒸汽機(jī)做出了重大的理論突破，同時(shí)為熱力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

而逆卡諾循環(huán)，它由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。假設(shè)低溫?zé)嵩矗幢焕鋮s物體）的溫度為T(mén)₀，高溫?zé)嵩矗喘h(huán)境介質(zhì)）的溫度為T(mén)_k, 則工質(zhì)的溫度在吸熱過(guò)程中為T(mén)₀， 在放熱過(guò)程中為T(mén)_k, 就是說(shuō)在吸熱和放熱過(guò)程中工質(zhì)與冷源及高溫?zé)嵩粗g沒(méi)有溫差，即傳熱是在等溫下進(jìn)行的，壓縮和膨脹過(guò)程是在沒(méi)有任何損失情況下進(jìn)行的。其循環(huán)過(guò)程為：首先工質(zhì)在T₀下從冷源（即被冷卻物體）吸取熱量q₀，并進(jìn)行等溫膨脹4-1，然后通過(guò)絕熱壓縮1-2，使其溫度由T₀升高至環(huán)境介質(zhì)的溫度T_k, 再在T_k下進(jìn)行等溫壓縮2-3，并向環(huán)境介質(zhì)（即高溫?zé)嵩矗┓懦鰺崃縬_k, 最后再進(jìn)行絕熱膨脹3-4，使其溫度由T_k 降至T₀即使工質(zhì)回到初始狀態(tài)4，從而完成一個(gè)循環(huán)。

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

在逆卡諾循環(huán)理論中間，要提高空調(diào)制冷系數(shù)就只有以下兩種方式：　

1．提高壓機(jī)效率，從上面推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)小型空調(diào)理論上只存在效率提高空間19%；大型螺桿水機(jī)效率提高空間9%?！?/p>

2．膨脹功損失與內(nèi)部摩擦損失（所謂內(nèi)部不可逆循環(huán)）：其中減少內(nèi)部摩擦損失幾乎沒(méi)有空間與意義。在液壓馬達(dá)沒(méi)有問(wèn)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(dá)到減少輸送質(zhì)量的目的。如R410A等復(fù)合冷劑由于比容較R22大，使膨脹功損失有所減少，相對(duì)提高了制冷系數(shù)。但是就目前情況看通過(guò)采用比容大的制冷劑，制冷系數(shù)提高空間不會(huì)超過(guò)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(huán)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(yīng)4份熱能加熱熱水系統(tǒng), 因而是一項(xiàng)極具開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力的節(jié)能、環(huán)保新技術(shù)，極具實(shí)用價(jià)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?xì)鉄崴鞴ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生有害氣體等安全隱患，克服了太陽(yáng)能熱水器陰雨天不能工作等缺點(diǎn)，具有高效節(jié)能、安全環(huán)保、全天候運(yùn)行、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)然除此之外，物理化學(xué)在我們生活中的應(yīng)用也是非常廣泛的，例如界面化學(xué)和膠體化學(xué)與納米科學(xué)聯(lián)系、熱力學(xué)第一定律在合成氨過(guò)程中的應(yīng)用、膠體表面化學(xué)在洗衣粉、化妝品中的應(yīng)用等。