作為自然界的現(xiàn)象,正如水由高處流向低處那樣,熱量也總是從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。但人們可以創(chuàng)造機(jī)器,如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣,采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置,熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量,并把它傳遞給被加熱的對(duì)象(溫度較高的物體),其工作原理與制冷機(jī)相同,都是按照逆卡諾循環(huán)工作的,所不同的只是工作溫度范圍不一樣。
熱泵在工作時(shí),它本身消耗一部分能量,把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘,通過(guò)傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)提高溫度進(jìn)行利用,而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分,因此,采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量高品位能源。
在運(yùn)行中,蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì),工質(zhì)蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后溫度和壓力上升,高溫蒸氣通過(guò)冷凝器冷凝成液體時(shí),釋放出的熱量傳遞給了儲(chǔ)水箱中的水。冷凝后的傳熱工質(zhì)通過(guò)膨脹閥返回到蒸發(fā)器,然后再被蒸發(fā),如此循環(huán)往復(fù)。
余熱利用的強(qiáng)力工具--熱泵
水從高處流向低處,熱由高溫物全傳遞到低溫物體,這是自然規(guī)律。然而,在現(xiàn)實(shí)生活中,為了農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水等的需要,人們利用水泵將水從低處送到高處。同樣,在能源日益緊張的今天,為了回收通常排到大氣中的低溫?zé)釟?、排到河川中的低溫?zé)崴戎械臒崃?,熱泵被用?lái)將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中,然后高溫物體來(lái)加熱水或采暖,使熱量得到充分利用。
熱泵的工作原理和家用空調(diào)、電冰箱等的工作原理基本相同,通過(guò)流動(dòng)媒體(以前一般為氟利昂,現(xiàn)在由替代氟利昂所代替)在蒸發(fā)器、壓縮機(jī),冷凝器和膨脹閥等部品中的氣相變化(沸騰和凝結(jié))的循環(huán)來(lái)將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去。
具體工作過(guò)程如下:①過(guò)熱液體媒體在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低溫物體的熱量,蒸發(fā)成氣體媒體。②蒸發(fā)器出來(lái)的氣體媒體經(jīng)過(guò)液壓縮機(jī)的壓縮,變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w媒體。③高溫高壓的氣體媒體在冷凝器中將熱能釋放給給高溫物體、同時(shí)自身變?yōu)楦邏阂后w媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓,再變?yōu)檫^(guò)熱液體媒體,進(jìn)入蒸發(fā)器,循環(huán)初的過(guò)程。
熱泵的性能一般用成績(jī)系數(shù)(COP)來(lái)評(píng)價(jià)。成績(jī)系數(shù)的定義為由低溫物體傳 到高溫牧體的熱量與所需的動(dòng)力之比。通常熱泵的成績(jī)系數(shù)為3-4左右,也就是說(shuō),熱泵能夠?qū)⒆陨硭枘?量的3到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體。現(xiàn)在歐美日都 在競(jìng)相開發(fā)新型的熱泵。據(jù)報(bào)導(dǎo)新型的熱泵的成績(jī)系數(shù)可6到8。如果這一數(shù)值能夠得到普及的話,這意味著能源將得到更有效的利用。熱泵的普及率也將得到驚人的提高。目前熱泵的高出力溫度為110度左右。超過(guò)這個(gè)溫度將有可能出現(xiàn)使媒體分解的危險(xiǎn)。
由于氟利昂對(duì)地球大氣臭氧有破壞作用,為了保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境,除了提高熱泵的成現(xiàn)系數(shù),有效利用能源以外,各國(guó)科學(xué)還致力于新型冷凍媒體的開發(fā)。目前已有替代氟利昂的媒體得到應(yīng)用。
熱泵熱水系統(tǒng)包括熱泵主機(jī)和換熱儲(chǔ)水箱兩部分。熱泵主機(jī)部分包括風(fēng)冷式蒸發(fā)器、壓縮機(jī)及膨脹閥;換熱儲(chǔ)水箱為內(nèi)置冷凝盤管的儲(chǔ)熱水箱。冷媒(工質(zhì))在蒸發(fā)管內(nèi)吸收環(huán)境空氣中的熱量,通過(guò)熱泵循環(huán)由冷凝盤管在水箱內(nèi)釋放熱量,加熱水箱中的水。
要搞清楚熱泵的工作原理,首先要懂得制冷系統(tǒng)的工作原理。制冷系統(tǒng)(壓縮式制冷)一般由四部分組成:壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。其工作過(guò)程為:低溫低壓的液態(tài)制冷劑(例如氟利昂),首先在蒸發(fā)器里從低溫?zé)嵩矗ɡ缋鋬鏊┪鼰岵饣?。然后壓縮機(jī)抽取蒸發(fā)器里氣化后的制冷劑氣體并壓縮到冷凝器內(nèi),此時(shí)制冷劑氣體變成高溫高壓氣體。該高溫高壓氣體在冷凝器內(nèi)被高溫?zé)嵩矗ɡ缋鋮s水)冷卻凝結(jié)成液體,變成高溫高壓液體制冷劑。再經(jīng)節(jié)流閥截流成低溫低壓液態(tài)制冷劑。如此就完成一個(gè)制冷循環(huán)。
對(duì)于一臺(tái)分體式熱泵空調(diào)來(lái)說(shuō),夏天制冷時(shí)就是把冷凝器放在室外,而把蒸發(fā)器放在室內(nèi)。運(yùn)行時(shí)就把室內(nèi)的熱量輸送到了室外。而冬季則把蒸發(fā)器放在室外,把冷凝器放在室內(nèi),這樣就把室外的熱量輸送到了室內(nèi)。當(dāng)然我們不會(huì)換季時(shí)去拆裝設(shè)備了,而是通過(guò)體格轉(zhuǎn)換閥使蒸發(fā)器和冷凝器換位的。
熱泵空調(diào)里面有一個(gè)四通換向閥。在制冷工況下,室內(nèi)熱交換器就是蒸發(fā)器,室外熱交換器(夏天往外呼呼出熱風(fēng)的那個(gè)東西)就是冷凝器。冬季供熱的時(shí)候,四通換向閥切換,改變冷媒的流向,此時(shí),室內(nèi)熱交換器就是冷凝器,室外熱交換器(冬天往外呼呼出冷風(fēng)的那個(gè)東西)就是蒸發(fā)器。由于冬季往外出冷風(fēng),換熱器要結(jié)霜,所以等結(jié)霜到一定程度時(shí),四通換向閥再切換,空調(diào)變成夏季制冷工況,室外熱交換器得到熱量,化霜,化霜完畢后,四通閥再切換到制熱狀態(tài)。除霜時(shí),為了防止向室內(nèi)吹冷風(fēng),故室內(nèi)機(jī)的風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
熱泵是以冷凝器放出的熱量來(lái)供熱的制冷系統(tǒng),它被形象的稱為“熱量倍增器”。目前在市場(chǎng)上廣泛出現(xiàn)的家用冷暖空調(diào)器上,就已經(jīng)廣泛地應(yīng)用了熱泵制熱,其制熱系數(shù)已高達(dá)3以上。那么,利用熱泵的原理來(lái)制取熱水,消耗一度電所獲得的熱水,比普通電熱水器消耗三度電所獲得的熱水還要多,這是傳統(tǒng)熱水器所不能企及的。