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熱泵空調的工作原理
來源:  作者:  發布于:2013/5/10 10:18:30  點擊量:
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熱泵是一種將低溫熱源的熱能轉移到高溫熱源的裝置。通常用于熱泵裝置的低溫熱源改是我們周圍的介質——空氣、河水、海水,或者是從工業生產設備中排出助工質,這些工質常與周圍介質具有相接近的溫度。熱泵裝置的工作原理與壓縮式制冷機是一致的;在小型空調器中,為了充分發揮它的效能,在夏季空調降溫或在冬季取暖,都是使用同一套設備來完成的。在冬季取暖時,將空溫器中的蒸發器與冷凝器通過一個換向閥來調換工作,見圖2一17。
 
熱泵工作原理圖
[1]
  由圖2—17中可看出,在夏季空調降溫時,按制冷工況運行,由壓縮機排出的高壓蒸汽,經換向閥(又稱四通閥)進入冷凝器,制冷劑蒸汽被冷凝成液體,經節流裝置進入蒸發器,并在蒸發器中吸熱,將室內空氣冷卻,蒸發后的制冷劑蒸汽,經換向閥后被壓縮機吸入,這樣周而復始,實現制冷循環。在冬季取暖時,先將換向閥轉向熱泵工作位置,于是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽,經換向閻后流入室內蒸發器(作冷凝器用),制冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱,將室內空氣加熱,達到室內取暖目的,冷凝后的液態制冷劑,從反向流過節流裝置進入冷凝器(作蒸發器用),吸收外界熱量而蒸發,蒸發后的蒸汽經過換向閥后被壓縮機吸入,完成制熱循環。這樣,將外界空氣(或循環水)中的熱量“泵”入溫度較高的室內,故稱為“熱泵”。上海冰箱廠生產的CKT一3A型窗式空調器,就是一種熱泵式空調器。
 
  在圖2—17的熱泵循環中,從低溫熱源(室外空氣或循環水,其溫度均高于蒸發溫度to)中取得Q。kcal/h的熱量,消耗了機械功ALkcal/h,而向高溫熱源(室內取暖系統)
 
  供應了Qlkcal/h的熱量,這些熱量之間的關系是符合熱力學第一定律的,即
 
  Q1=Q0十AL kcal/h
 
  如果不用熱泵裝置,而用機械功所轉變成的熱量(或用電能直接加熱高溫熱源,則所得的熱量為ALkcal/h,而用熱泵裝置后,高溫熱源(取暖系統)多獲得了熱量:
 
  Q1—AL=Q0, kcal/h
 
  此一熱量是從低溫熱源取得的,如果不用熱泵裝置,就無法取得這一熱量。故用熱泵裝置旨可節省燃料,又可利用余熱。
 
  熱泵的工作循環與熱機的工作循環正好相反,熱機是利用高溫熱源的能量來產生機械功的,而熱泵是靠消耗機械功將低溫熱源的熱量轉移到高溫物體中去。若熱泵與熱機具有兩個相同的熱源溫度,則
 
  熱機循環的熱效率η=AL╱Q1
 
  熱機循環的能量指標----熱量轉換系數φ=Q1╱AL
 
  故φ=1╱η 。η值總是小于1的,故φ值是大于1的。
 
  若制冷機與熱泵具有兩個相同的熱源溫度,則它們之間的關系為:
 
  φ=Q1╱AL=Q0+AL╱AL=ε+1,ε 是制冷機的制冷系數。由此可看出,熱量轉換系數的最小值是吁=1,在此極限情況下Q。=o,即沒有從低溫熱源吸取熱量。
 
  
 
 
 
  作為自然界的現象,正如水由高處流向低處那樣,熱量也總是從高溫區流向低溫區。但人們可以創造機器,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。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置,熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量,并把它傳遞給被加熱的對象(溫度較高的物體),其工作原理與制冷機相同,都是按照逆卡諾循環工作的,所不同的只是工作溫度范圍不一樣。
 
  熱泵在工作時,它本身消耗一部分能量,把環境介質中貯存的能量加以挖掘,通過傳熱工質循環系統提高溫度進行利用,而整個熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分,因此,采用熱泵技術可以節約大量高品位能源。
 
  
 
 
在運行中,蒸發器從周圍環境中吸取熱量以蒸發傳熱工質,工質蒸汽經壓縮機壓縮后溫度和壓力上升,高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時,釋放出的熱量傳遞給了儲水箱中的水。冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發器,然后再被蒸發,如此循環往復。
 
  余熱利用的強力工具--熱泵
 
  水從高處流向低處,熱由高溫物全傳遞到低溫物體,這是自然規律。然而,在現實生活中,為了農業灌溉、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熱氣、排到河川中的低溫熱水等中的熱量,熱泵被用來將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中,然后高溫物體來加熱水或采暖,使熱量得到充分利用。
 
  
 
熱泵蒸發流程圖
熱泵的工作原理和家用空調、電冰箱等的工作原理基本相同,通過流動媒體(以前一般為氟利昂,現在由替代氟利昂所代替)在蒸發器、壓縮機,冷凝器和膨脹閥等部品中的氣相變化(沸騰和凝結)的循環來將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去。?
 
  具體工作過程如下:①過熱液體媒體在蒸發器內吸收低溫物體的熱量,蒸發成氣體媒體。②蒸發器出來的氣體媒體經過液壓縮機的壓縮,變為高溫高壓的氣體媒體。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、同時自身變為高壓液體媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓,再變為過熱液體媒體,進入蒸發器,循環最初的過程。
 
  熱泵的性能一般用制冷系數(COP)來評價。制冷系數的定義為由低溫物體傳 到高溫牧體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的制冷系數為3-4左右,也就是說,熱泵能夠將自身所需能 量的3到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體。現在歐美日都 在競相開發新型的熱泵。據報導新型的熱泵的制冷系數可6到8。如果這一數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。
 
  由于氟利昂對地球大氣臭氧有破壞作用,為了保護地球的生態環境,除了提高熱泵的成現系數,有效利用能源以外,各國科學還致力于新型冷媒的開發。目前已有替代氟利昂的冷媒得到應用。
 
  熱泵熱水系統包括熱泵主機和換熱儲水箱兩部分。熱泵主機部分包括風冷式蒸發器、壓縮機及膨脹閥;換熱儲水箱為內置冷凝盤管的儲熱水箱。冷媒(工質)在蒸發管內吸收環境空氣中的熱量,通過熱泵循環由冷凝盤管在水箱內釋放熱量,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的工作原理。制冷系統(壓縮式制冷)一般由四部分組成:壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器。其工作過程為:低溫低壓的液態[評浼羀ɡ綬海紫仍謖舴⑵骼锎擁臀氯仍矗ɡ繢潿乘┪炔⑵傻脫拐羝H緩籩評浼療逶諮顧躉諮顧醭篩呶賂哐溝惱羝酶呶賂哐蠱逶誒淠髂詒桓呶氯仍矗ɡ繢淙此├淙茨岢篩哐掛禾濉T倬諏髟腹堋⑷攘ε蛘頭А⒌繾優蛘頭У齲┙諏鞒傻臀碌脫掛禾評浼痢H绱司屯瓿梢桓鮒評溲貳?
 
  對于一臺分體式熱泵空調來說,夏天制冷時就是以室外機為冷凝器、室內機為蒸發器,運行時就把室內的熱量輸送到了室外。而冬季則以室內機為冷凝器、室外機為蒸發器,這樣就把室外的熱量輸送到了室內,通常這些是通過四通換向閥來實現的。
 
  
 
 
熱泵空調里面有一個四通換向閥。在制冷工況下,室內[冉換黃鱗褪欽舴⑵鰨彝餿冉換黃鰨ㄏ奶焱夂艉舫鋈確緄哪歉齠鰨┚褪搶淠鰲6竟┤鵲氖焙潁耐ɑ幌蚍謝唬謀淅涿降牧饗潁聳保夷諶冉換黃骶褪搶淠鰨彝餿冉換黃鰨ǘ焱夂艉舫隼浞緄哪歉齠鰨┚褪欽舴⑵鰲S捎詼就獬隼浞紓琜蝗繞鱗崴緣冉崴揭歡ǔ潭仁保耐ɑ幌蚍г僨謝唬盞鞅涑上募局評涔た觶彝餿冉換黃韉玫餃攘浚甌蝦螅耐ǚг僨謝壞街迫茸刺3保朔樂瓜蚴夷詿道浞紓適夷諢姆緇V乖俗?當然這種逆向除霜對舒適性有一定影響,所以又有了熱氣旁通除霜、蓄熱除霜等不需要切換工況的方式)
 
  熱泵是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統,它被形象的稱為“熱量倍增器”。目前在市場上廣泛出現的家用冷暖空調器上,就已經廣泛地應用了熱泵制熱,其制熱系數已高達3以上。那么,利用熱泵的原理來制取熱水,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,這是傳統熱水器所不能企及的。


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