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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T_k, 則工質的溫度在吸熱過程中為T₀， 在放熱過程中為T_k, 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T_k, 再在T_k下進行等溫壓縮2-3，并向環境介質（即高溫熱源）放出熱量q_k, 最后再進行絕熱膨脹3-4，使其溫度由T_k 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。　

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%。　

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。