熱泵工作原理

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，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，通過傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)提高溫度進(jìn)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(shù)可以節(jié)約大量高品位能源。
　　
　　
　　
　　在運行中，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(zhì)通過膨脹閥返回到蒸發(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，通過流動媒體(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(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)器出來的氣體媒體經(jīng)過液壓縮機(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^熱液體媒體，進(jìn)入蒸發(fā)器，循環(huán)初的過程。
　　
　　熱泵的性能一般用成績系數(shù)(COP)來評價。成績系數(shù)的定義為由低溫物體傳 到高溫牧體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的成績系數(shù)為3-4左右，也就是說，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?，F(xiàn)在歐美日都 在競相開發(fā)新型的熱泵。據(jù)報導(dǎo)新型的熱泵的成績系數(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。超過這個溫度將有可能出現(xiàn)使媒體分解的危險。
　　
　　由于氟利昂對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；換熱儲水箱為內(nèi)置冷凝盤管的儲熱水箱。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Ｈ缓髩嚎s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。如此就完成一個制冷循環(huán)。
　　
　　對于一臺分體式熱泵空調(diào)來說，夏天制冷時就是把冷凝器放在室外，而把蒸發(fā)器放在室內(nèi)。運行時就把室內(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)然我們不會換季時去拆裝設(shè)備了，而是通過體格轉(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)的那個東西）就是冷凝器。冬季供熱的時候，四通換向閥切換，改變冷媒的流向，此時，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，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，為了防止向室內(nèi)吹冷風(fēng)，故室內(nèi)機(jī)的風(fēng)機(jī)停止運轉(zhuǎn)。
　　
　　熱泵是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(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。