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科普热泵原理

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科普热泵原理
2020-11-27 12:03:12 阅读:15 发布人:纵横智控

传递科技背后的思考

天气越来越冷了,身处北方的电动汽车车主们又开始了八仙过海,各显神通。小伙伴们都在思考如何在电动汽车里度过漫长的寒冬。


面对开空调续航减半的抓狂状况,大家创意不断。有买USB加热护膝的;有自制充电宝和逆变器给暖风供电的,有买柴油发动机供暖的,就差在车里放个烧煤的炉子了!

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就在大家面对寒冬一脸茫然的时候,天空中传来特斯拉Model Y的一声吼:我有热泵,跟我来!

一瞬间车主们沸腾了,有人高呼终于盼来了大救星;有人扼腕叹息Model 3买早了(新款已经搭载了热泵);有行动派开始对比测试并得出热泵比传统PTC加热效率高3倍的结论;有人冷静的指出特斯拉不是创新,热泵不是新鲜事物,特斯拉也不是第一个使用的;

貌似很神奇,把热量从寒冷的车外偷进温暖的车内?这好像和银行一样,通过储蓄把钱从穷人手里收上来,然后再贷给有钱人。

今天我就和读者们一起看看,这个热泵有多神奇,它到底是怎么泵的?

泵和热泵

热泵也是泵,首先我们要搞清楚什么是泵。

泵本质上是通过做功来提高流体的位能,这说的好像有点儿太绕了。

说白话就是把水从低处抽到高处。呼,说人话的感觉真好,这就是科普的乐趣!

所以泵本质上是逆势而为的东西,既然是逆势,就得消耗能量。

热泵,也是逆势而为,它逆的是什么势呢?

高中学过的热力学第二定律表明:热量可以从高温物体传到低温物体,但不能 “自发的” 从低温物体传到高温物体。

所以,热泵就是要通过外力,将热量从车外低温区域传递到车内高温区域!

热泵的原理

知道了热泵是干啥的,还得知道它是怎么干的。

说实话头条上有不少文章说热泵,但是大多是用特斯拉的示意图、八爪鱼阀,还有一些空调领域的图来解释,不能说不好,但始终不够直观。

接下来我就尝试用最简单的道理来说一说热泵的工作原理。

我们先看一个大家都能够理解的现象,如下图:



我们在烧水的时候(左侧),水壶里的水吸收了热量,达到100度,水就沸腾了,开始产生水蒸气。大家都知道,水在一个大气压下沸点是100度,所以我们假设现在是在一个大气压下。

接着我们用一个管子把水蒸气都送到右侧,假设这个传输过程热量不损失。那么100度的水蒸气到了右侧,由于没有了热源,开始冷凝,重新变成水珠。这个过程也把热量释放出来,温度逐渐变低,假设降低到90度。

大家看到了吧,在一个大气压下,我们通过水蒸气把热量从左侧100度区域传递到了右侧90度区域。温度从高到低,这貌似可以理解,平时大家烧水的时候也是这样的现象。

接下来我们要看神奇的现象了,假设我们把左侧的烧水壶拿到了喜马拉雅主峰上。呃,我们就当是请王石帮我们带上去的吧。



喜马拉雅主峰8000多米,差不多0.41个标准大气压。所以,水在山上的沸点变低了,什么意思呢,就是说烧到77度,水就沸腾了,温度不会再高了。产生这个现象也很好理解,因为气压低了,所以大气对水表面的压力小了,这样水分子更容易变成蒸气飘走。

接下来我们还是用一根管子把水蒸气传输出去,这一次不一样了,这根管子很长,真的很长,直接把水蒸气传到了北京,北京可是一个大气压。还是假设这个过程中没有热量跑掉,管子质量很好。水蒸气又到了刚才的盆上方,重复和上面一样的冷凝过程,同样要释放热量,然后变成水,而水还是90度。

大家发现没有,通过这个长长的管子,我们把热量从77度的低温区,传递到了90度的高温区。

热力学第二定律不是说没有外力热量不能从低温物体传给高温物体么?

上面的实验中外力是什么呢?秘密就在这根长长的管子,在喜马拉雅山上,大气压是0.41,那水蒸气肯定也是0.41,可是传递到北京,变成了1。这个过程就要不断的在管子里给水蒸气加压,而加压是要消耗能量的,也就是要有外力做功。

如果我们做一个足够长的管子,就可以把水壶送到太空,在那里水可是在零下40度就能沸腾。也就是说,我们通过水能从零下的环境获取热量,前提是这个环境的大气压力足够小。

然而,理想很丰满,现实很骨感,我们做不出这么长的管子。而且水的沸点也太高了。

但是上面的实验,核心是左右两侧的压力不一样,导致了水蒸气在两侧沸点不同。

那我们只要找到一种物质,在压力变化不那么大的情况下,就能实现沸点变化很大,这样不就很容易从低温区域获取能量了么。

幸运的是,有这种物质,这就是制冷剂、也叫冷媒,有些地方也叫冰种,反正就是空调里面最基本的东西。

我们只要构建一个封闭的循环系统,有两个管道区域:一个低压管道,并把它放到低温区域,另一个是高压管道,并把它放到高温区域。



然后让制冷剂在这个系统中从低压管道向高压管道循环,制冷剂在低压区很容易就吸热沸腾,变成蒸汽,然后加压进入高压区,在高压区放热冷凝,然后重新通过减压阀进入低压区继续吸热。

周而复始,往复不断,热量就这样从低温区进入了高温区。

不管是空调制冷,还是热泵供暖,都是这个原理。

加压和循环,都需要消耗电能,消耗的电能少,搬运的热量多,热泵的效率就好。

可以肯定的说,只要不是很


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