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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T_k, 则工质的温度在吸热过程中为T₀， 在放热过程中为T_k, 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T_k, 再在T_k下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量q_k, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由T_k 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。