逆卡诺循环在空气能热泵的应用

卡诺循环的应用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Q；被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量（Q+Q2）释放给进入热换热 器中的冷水，冷水被加热到60C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 Q,在标准工况下：Q2=3.6Q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Q；第二阶段，绝热膨胀过程，系统温 度从L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T。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n均为:21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T,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 k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。在我们songrui版主的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 品中的应用等等，在这就不一一例举了。