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特斯拉熱泵,是如何把熱量從寒冷的車外偷進(jìn)車

時(shí)間:2021-01-27 16:01來源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
傳遞科技背后的思考天氣越來越冷了,身處北方的電動(dòng)汽車車主們又開始了八仙過海,各顯神通。小伙伴們都在思考如何在電動(dòng)汽車?yán)锒冗^漫長的寒冬。面對開

傳遞科技背后的思考

天氣越來越冷了,身處北方的電動(dòng)汽車車主們又開始了八仙過海,各顯神通。小伙伴們都在思考如何在電動(dòng)汽車?yán)锒冗^漫長的寒冬。

特斯拉熱泵,是如何把熱量從寒冷的車外偷進(jìn)車內(nèi)的?科普熱泵原理

面對開空調(diào)續(xù)航減半的抓狂狀況,大家創(chuàng)意不斷。有買USB加熱護(hù)膝的;有自制充電寶和逆變器給暖風(fēng)供電的,有買柴油發(fā)動(dòng)機(jī)供暖的,就差在車?yán)锓艂€(gè)燒煤的爐子了!

特斯拉熱泵,是如何把熱量從寒冷的車外偷進(jìn)車內(nèi)的?科普熱泵原理

就在大家面對寒冬一臉茫然的時(shí)候,天空中傳來特斯拉Model Y的一聲吼:我有熱泵,跟我來!

一瞬間車主們沸騰了,有人高呼終于盼來了大救星;有人扼腕嘆息Model 3買早了(新款已經(jīng)搭載了熱泵);有行動(dòng)派開始對比測試并得出熱泵比傳統(tǒng)PTC加熱效率高3倍的結(jié)論;有人冷靜的指出特斯拉不是創(chuàng)新,熱泵不是新鮮事物,特斯拉也不是第一個(gè)使用的;

貌似很神奇,把熱量從寒冷的車外偷進(jìn)溫暖的車內(nèi)?這好像和銀行一樣,通過儲蓄把錢從窮人手里收上來,然后再貸給有錢人。

今天我就和讀者們一起看看,這個(gè)熱泵有多神奇,它到底是怎么泵的?

泵和熱泵

熱泵也是泵,首先我們要搞清楚什么是泵。

泵本質(zhì)上是通過做功來提高流體的位能,這說的好像有點(diǎn)兒太繞了。

說白話就是把水從低處抽到高處。呼,說人話的感覺真好,這就是科普的樂趣!

所以泵本質(zhì)上是逆勢而為的東西,既然是逆勢,就得消耗能量。

熱泵,也是逆勢而為,它逆的是什么勢呢?

高中學(xué)過的熱力學(xué)第二定律表明:熱量可以從高溫物體傳到低溫物體,但不能 “自發(fā)的” 從低溫物體傳到高溫物體。

所以,熱泵就是要通過外力,將熱量從車外低溫區(qū)域傳遞到車內(nèi)高溫區(qū)域!

熱泵的原理

知道了熱泵是干啥的,還得知道它是怎么干的。

說實(shí)話頭條上有不少文章說熱泵,但是大多是用特斯拉的示意圖、八爪魚閥,還有一些空調(diào)領(lǐng)域的圖來解釋,不能說不好,但始終不夠直觀。

接下來我就嘗試用最簡單的道理來說一說熱泵的工作原理。

我們先看一個(gè)大家都能夠理解的現(xiàn)象,如下圖:

特斯拉熱泵,是如何把熱量從寒冷的車外偷進(jìn)車內(nèi)的?科普熱泵原理

我們在燒水的時(shí)候(左側(cè)),水壺里的水吸收了熱量,達(dá)到100度,水就沸騰了,開始產(chǎn)生水蒸氣。大家都知道,水在一個(gè)大氣壓下沸點(diǎn)是100度,所以我們假設(shè)現(xiàn)在是在一個(gè)大氣壓下。

接著我們用一個(gè)管子把水蒸氣都送到右側(cè),假設(shè)這個(gè)傳輸過程熱量不損失。那么100度的水蒸氣到了右側(cè),由于沒有了熱源,開始冷凝,重新變成水珠。這個(gè)過程也把熱量釋放出來,溫度逐漸變低,假設(shè)降低到90度。

大家看到了吧,在一個(gè)大氣壓下,我們通過水蒸氣把熱量從左側(cè)100度區(qū)域傳遞到了右側(cè)90度區(qū)域。溫度從高到低,這貌似可以理解,平時(shí)大家燒水的時(shí)候也是這樣的現(xiàn)象。

接下來我們要看神奇的現(xiàn)象了,假設(shè)我們把左側(cè)的燒水壺拿到了喜馬拉雅主峰上。呃,我們就當(dāng)是請王石幫我們帶上去的吧。

特斯拉熱泵,是如何把熱量從寒冷的車外偷進(jìn)車內(nèi)的?科普熱泵原理

喜馬拉雅主峰8000多米,差不多0.41個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。所以,水在山上的沸點(diǎn)變低了,什么意思呢,就是說燒到77度,水就沸騰了,溫度不會再高了。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象也很好理解,因?yàn)闅鈮旱土?,所以大氣對水表面的壓力小了,這樣水分子更容易變成蒸氣飄走。

接下來我們還是用一根管子把水蒸氣傳輸出去,這一次不一樣了,這根管子很長,真的很長,直接把水蒸氣傳到了北京,北京可是一個(gè)大氣壓。還是假設(shè)這個(gè)過程中沒有熱量跑掉,管子質(zhì)量很好。水蒸氣又到了剛才的盆上方,重復(fù)和上面一樣的冷凝過程,同樣要釋放熱量,然后變成水,而水還是90度。

大家發(fā)現(xiàn)沒有,通過這個(gè)長長的管子,我們把熱量從77度的低溫區(qū),傳遞到了90度的高溫區(qū)。

熱力學(xué)第二定律不是說沒有外力熱量不能從低溫物體傳給高溫物體么?

上面的實(shí)驗(yàn)中外力是什么呢?秘密就在這根長長的管子,在喜馬拉雅山上,大氣壓是0.41,那水蒸氣肯定也是0.41,可是傳遞到北京,變成了1。這個(gè)過程就要不斷的在管子里給水蒸氣加壓,而加壓是要消耗能量的,也就是要有外力做功。

如果我們做一個(gè)足夠長的管子,就可以把水壺送到太空,在那里水可是在零下40度就能沸騰。也就是說,我們通過水能從零下的環(huán)境獲取熱量,前提是這個(gè)環(huán)境的大氣壓力足夠小。

然而,理想很豐滿,現(xiàn)實(shí)很骨感,我們做不出這么長的管子。而且水的沸點(diǎn)也太高了。

但是上面的實(shí)驗(yàn),核心是左右兩側(cè)的壓力不一樣,導(dǎo)致了水蒸氣在兩側(cè)沸點(diǎn)不同。

那我們只要找到一種物質(zhì),在壓力變化不那么大的情況下,就能實(shí)現(xiàn)沸點(diǎn)變化很大,這樣不就很容易從低溫區(qū)域獲取能量了么。

幸運(yùn)的是,有這種物質(zhì),這就是制冷劑、也叫冷媒,有些地方也叫冰種,反正就是空調(diào)里面最基本的東西。

我們只要構(gòu)建一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng),有兩個(gè)管道區(qū)域:一個(gè)低壓管道,并把它放到低溫區(qū)域,另一個(gè)是高壓管道,并把它放到高溫區(qū)域。

特斯拉熱泵,是如何把熱量從寒冷的車外偷進(jìn)車內(nèi)的?科普熱泵原理

然后讓制冷劑在這個(gè)系統(tǒng)中從低壓管道向高壓管道循環(huán),制冷劑在低壓區(qū)很容易就吸熱沸騰,變成蒸汽,然后加壓進(jìn)入高壓區(qū),在高壓區(qū)放熱冷凝,然后重新通過減壓閥進(jìn)入低壓區(qū)繼續(xù)吸熱。

周而復(fù)始,往復(fù)不斷,熱量就這樣從低溫區(qū)進(jìn)入了高溫區(qū)。

不管是空調(diào)制冷,還是熱泵供暖,都是這個(gè)原理。

加壓和循環(huán),都需要消耗電能,消耗的電能少,搬運(yùn)的熱量多,熱泵的效率就好。

可以肯定的說,只要不是很冷,熱泵的效率是大于100%的,而PTC電加熱的方式,效率是小于100%的。

補(bǔ)充:這里說的有些模糊,應(yīng)該說只要不是很冷,熱泵工作的電能,如果按現(xiàn)有技術(shù)直接轉(zhuǎn)化為熱能,是要小于熱泵從外界吸收到的熱能!

所以,只要熱泵的綜合成本足夠低,它就比PTC好!

熱泵的產(chǎn)業(yè)

特斯拉是一個(gè)奇怪的現(xiàn)象,它和蘋果一樣,能引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)走向。

盡管在特斯拉之前,日產(chǎn)聆風(fēng)、雷諾ZOE、寶馬i3、豐田普銳斯、捷豹I-PACE、奧迪E-tron,以及部分大眾e-Golf都使用了熱泵,包括上汽、蔚來ES6、長安CS75 PHEV也都用了熱泵。

可只有特斯拉用了,熱泵才受重視,甚至很多人開始琢磨熱泵這個(gè)產(chǎn)業(yè)是不是價(jià)值洼地。

通過上面的分析,我們就能看出,這和傳統(tǒng)的空調(diào)沒啥差別,壓縮機(jī)是核心,想要節(jié)能就再加上變頻,想要車用就再小型化,真的沒有其他的了。

國內(nèi)熱泵的生產(chǎn)廠家很多,但是用于汽車的可能不多,畢竟之前的市場太小。奧特佳、三花智控、銀輪、空調(diào)國際、華域三電都有熱泵,像三花智控,已經(jīng)成立了針對新能源汽車的三花能源。

特斯拉帶火熱泵,短期空調(diào)廠家能獲利,但從長期看,有市場就會有競爭,這是一個(gè)充分競爭的行業(yè),沒有黑科技能夠讓大家形成技術(shù)壟斷。

所以,最終市場一定趨于平常!

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