|
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。 ☼☼☼☼☼☼☼☼☼☼☼☼☼☼☼ （↑↑↑ 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：
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：
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】 |
|
|
