热泵
宅在暖气房里,
都不知道外面正经历十年一遇的冷。
出门以前还在写“智能维护”的续篇,
出门以后半分钟就给冻透了,
感慨暖气让“北方的寒夜里四季如春”。
回来以后脑袋里冒出来两个字:
——“热泵”。
先整理一下这个神奇的技术,
希望被我们更多同行了解,
并且推动它在轨道车辆行业的应用。
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(↑↑↑ 放上一行太阳)
热泵是个不符合常理的技术。
举个电水壶的例子:
把10升15℃的自来水烧开,
需要消耗几度电?
可以口算一下,
水的比热容是4.2kJ/kgK,
10升的水从15℃加热到100℃,
需要热量4.2×85×10=3570kJ,
也就是3570/3600=大约1度的热量,
假如水壶没有热量损失,
就是需要1度电;
一份电,换来一份热量,
热力学第一定律,
没毛病。
那对于一辆高铁车厢,
现在从北京开往哈尔滨,
外面零下10℃,
没有暖气也早冻透了……
为了把车厢维持在我们舒适的温度,
比如22℃,
需要每个车厢持续的投入30kW的热量,
如果使用座椅/侧墙电加热器的话,
电功率也同样是30kW,
即1个小时30度电;
同样是一份电换来一份热量。
车厢内、外温度平衡的原理:
热量=温差×换热能力。
画个草图解释,
车厢内外的温差是32℃,
维持这个温差所需的热量是:
32×2.4×车厢表面积= 30kW,
(当然了还有加热新风的那部分)。
第2个问题是,
车厢的温度22℃,
座椅加热器表面的温度要高于22℃,
才能把热量传递给空气;
这里适用同样的传热原理,
电热管表面积越大,温差越小,
这里假设电热管表面温度120℃。
第3个问题,电能向热能的转化,
这是通过电阻丝完成的,
电加热工作时,电流转化为热量,
电阻丝温度200℃,
通过绝缘的氧化镁粉末传递给管表面。
于是,整个传递热量的链条就完整了:
电能 → 电流,
电流 → 电阻丝200℃,
电阻丝200℃ → 电热管表面120℃,
电热管表面120℃ → 车厢空气22℃,
车厢空气22℃ → 外界空气零下10℃。
这个链条里最高温和最低温的差是210℃,
大脑惦记一下这个数据~
看出来没?
热量的传递过程是从高温向低温传递的,
用高(Meng)深(Ren)的专业术语说:
我们利用的是“高品位热源”。
这个热量传递过程的最高效率是1,
就是100%,
一份电最多产生一份热量。
热泵是从“低位热源”取热的,
就是从“零下10℃”的环境取出热量,
传递给“22℃”的车厢。
而且这个过程的效率是可以高于1的~
你就说神奇不神奇吧?!
Heat Pump是它的英文名字。
Pump是泵,加压的意思;
那热泵表面看就是“加温”的意思了。
上面是一个北美习惯使用的热泵室外机,
(国内的产品找不到这么好看的图)
最左面有四根铜管的阀件是四通阀,
是实现空调制冷、制热切换的东东;
除此之外还有风扇、压缩机、管路系统,
以及有关的电控组件构成。
车辆上的热泵产品大同小异,
子组件功能上也没有区别。
它是什么原理呢?
再画一个小图:
热量只能从高温向低温直接传递,
这个原理没法改变,
那我们就增加一种间接的传递媒介:
——冷媒;
把上图中的白色线条看做是铜管,
冷媒就是铜管内流动的介质。
我们在车厢放一个换热器A(图中黄色),
保持它里面的冷媒温度是32℃,
这样的冷媒可以向车厢(22℃)传热;
然后在外界也放个换热器B(图中深蓝色),
保持它里面的冷媒温度是零下20℃,
于是冷媒可以从-10℃的空气吸热了。
现在热量的传递链变成了这样子:
冷媒A32℃ → 车厢空气22℃,
车厢空气22℃ → 外界环境零下10℃,
外界环境-10℃ → 冷媒B零下20℃。
还记得前面电加热器的最大温差吗?
——答对了,210℃;
现在的热泵呢?
——这个温差变成了52℃。
然后一步,
就是如何维持冷媒A和B的温度?
我们小时候就学过了:
蒸发吸热、冷凝放热,
冷媒A所在的换热器看成冷凝器,
冷媒B所在的换热器是蒸发器;
可近似认为蒸发、冷凝是等温过程。
然后在冷媒A和冷媒B中间的铜管上,
增加一段毛细管(图中白实线位置),
冷媒在降压的同时会实现降温;
然后在冷媒B和A中间的铜管上,
增加一个压缩机(图中白虚线位置),
保证冷媒的加压、升温。
压缩机的耗电是主要的电能输入。
上面说的这个过程运转起来,
就是热泵循环了。
热泵循环的效率,
我们行业通常叫“能效比”——COP,
就是产出的热量和输入电能的比值,
COP越大,我们越喜欢。
它受环境因素影响较大,
主要取决的因素是环境和车厢温度,
特别是前面说到的那个“最大温差”。
在上图所示的温度下,
实际的热泵产品的COP在2左右。
即:一个车厢30kW的热量需求,
使用热泵时只需要输入15kW的电能,
每个小时少用15度电哦!
神奇不!
这热泵循环不是我发明的
1824年,
法国青年工程师卡诺Carnot,
(卡诺同学生于1796年,只活了36岁,
死于1832年巴黎的疫情...)
研究了一种理想热机的效率,
这种热机的循环过程叫做“卡诺循环”。
这是一种特殊的,
又是非常重要的循环,
采用这种循环的热机效率最大。
↑↑↑ 逆卡诺循环的温-熵图
而逆卡诺循环,
是与卡诺循环相反的循环,
正是热泵和制冷理论的基础。
在完全理想的情况下,
就是设备机械效率100%、
换热器的换热温差无穷小、
等等等等…时,
车厢22℃,外界-10℃的温度点,
逆卡诺循环的制热COP大约是9。
向聪明的工程师们致敬!
【本文完】