Het denken achter technologie
Het weer wordt kouder en kouder en de eigenaars van elektrische auto's in het noorden steken de zee weer over om te pronken met hun magische krachten. Iedereen denkt na over hoe de lange winter door te brengen in elektrische auto's.
Geconfronteerd met de idiote situatie dat de batterij half zo lang meegaat als de airco aanstaat, is iedereen voortdurend creatief. Sommigen kopen USB-verwarmde kniebeschermers; sommigen maken hun eigen powerbank en omvormer om de verwarming van stroom te voorzien; sommigen kopen een dieselmotor voor verwarming, wat alles is wat ze nodig hebben om een kolenkachel in de auto te plaatsen!
Net toen iedereen de koude winter niet meer aankon, kwam er een brul van Tesla Model Y uit de lucht vallen: Ik heb een warmtepomp, volg mij!
Even waren de autobezitters opgewonden. Sommigen riepen dat de redder eindelijk was gearriveerd; sommigen klaagden dat ze de Model 3 te vroeg hadden gekocht (het nieuwe model is al uitgerust met een warmtepomp); sommige activisten begonnen vergelijkende tests en concludeerden dat de warmtepomp efficiënter is dan traditionele PTC-verwarming3 keer conclusie; iemand wees er rustig op dat Tesla geen innovatie is, warmtepompen niet nieuw zijn en Tesla niet de eerste was die ze gebruikte;
Het lijkt magisch, warmte stelen van de koude buitenkant naar de warme binnenkant? Dit is als een bank, die geld van de armen verzamelt door middel van spaargeld en het vervolgens uitleent aan de rijken.
Vandaag neem ik samen met de lezers een kijkje om te zien hoe geweldig deze warmtepomp is en hoe hij werkt?
Pompen en warmtepompen
Een warmtepomp is ook een pomp. Eerst moeten we begrijpen wat een pomp is.
Een pomp verhoogt in wezen de potentiële energie van een vloeistof door arbeid te verrichten, wat een beetje te ingewikkeld lijkt.
Om het bot te zeggen, het betekent water van een lage naar een hoge plek pompen. Oef, het voelt zo goed om menselijke woorden te spreken. Dit is het plezier van populaire wetenschap!
De pomp is dus in wezen iets dat tegen de trend ingaat. Omdat het tegen de trend ingaat, moet het energie verbruiken.
Warmtepompen gaan ook tegen de trend in. Tegen welke trend gaat het in?
De tweede wet van thermodynamica die we op de middelbare school hebben geleerd, stelt dat warmte kan worden overgedragen van een voorwerp met een hoge temperatuur naar een voorwerp met een lage temperatuur, maar niet "spontaan" kan worden overgedragen van een voorwerp met een lage temperatuur naar een voorwerp met een hoge temperatuur.
Daarom gebruikt de warmtepomp een externe kracht om warmte van het gebied met een lage temperatuur buiten de auto over te brengen naar het gebied met een hoge temperatuur binnenin de auto!
Het principe van een warmtepomp
Nu je weet wat een warmtepomp doet, moet je ook weten hoe hij werkt.
Eerlijk gezegd zijn er veel artikelen over warmtepompen op de voorpagina's, maar de meeste gebruiken Tesla's schema's, octopuskleppen en wat schema's uit de airconditioningsector om ze uit te leggen. Ik kan niet zeggen dat ze niet goed zijn, maar ze zijn niet intuïtief genoeg.
Vervolgens zal ik proberen het werkingsprincipe van de warmtepomp zo eenvoudig mogelijk uit te leggen.
Laten we eerst eens kijken naar een fenomeen dat iedereen kan begrijpen, zoals hieronder weergegeven:
Wanneer we water koken (linkerkant), absorbeert het water in de ketel warmte en bereikt het 100 graden, het water kookt en begint waterdamp te produceren. Zoals we allemaal weten is het kookpunt van water bij één atmosfeer 100 graden, dus we nemen aan dat het bij één atmosfeer is.
Vervolgens gebruiken we een pijp om alle waterdamp naar de rechterkant te sturen, ervan uitgaande dat er geen warmte verloren gaat tijdens dit overdrachtsproces. Dan bereikt de waterdamp van 100 graden de rechterkant. Omdat er geen warmtebron is, begint het te condenseren en verandert het weer in waterdruppels. Bij dit proces komt ook warmte vrij en de temperatuur wordt geleidelijk lager, laten we zeggen tot 90 graden.
Zoals je kunt zien, verplaatsen we onder één atmosferische druk warmte van het gebied van 100 graden links naar het gebied van 90 graden rechts door middel van waterdamp. De temperatuur gaat van hoog naar laag, wat begrijpelijk lijkt. Dit is ook het geval wanneer iedereen water kookt.
Vervolgens moeten we een magisch fenomeen zien. Stel dat we de ketel links naar de top van de Himalaya brengen. Nou, laten we gewoon doen alsof we Wang Shi hebben gevraagd om ons te helpen hem omhoog te brengen.
De hoogste top van de Himalaya is meer dan 8.000 meter hoog, met een druk van bijna 0,41 standaard atmosfeer. Daarom ligt het kookpunt van water lager op de berg. Wat betekent dat? Het betekent dat wanneer het water wordt verwarmd tot 77 graden, het water gaat koken en de temperatuur niet hoger wordt. Dit fenomeen is gemakkelijk te begrijpen omdat de luchtdruk laag is, dus de druk van de atmosfeer op het wateroppervlak is kleiner, waardoor watermoleculen gemakkelijker in stoom veranderen en wegdrijven.
Vervolgens gebruikten we nog steeds een pijp om de waterdamp te transporteren, maar deze keer was het anders. De buis was heel lang, echt heel lang, en bracht de waterdamp rechtstreeks over naar Peking, dat een druk van één atmosfeer heeft. Laten we nog steeds aannemen dat er geen warmte ontsnapt tijdens dit proces en dat de kwaliteit van de buis erg goed is. De waterdamp bereikt weer de bovenkant van het bassin, herhaalt hetzelfde condensatieproces als hierboven, en geeft ook warmte af, en verandert dan in water, maar het water is nog steeds 90 graden.
Heb je gemerkt dat we door deze lange buis warmte van het lage temperatuurgebied van 77 graden overbrengen naar het hoge temperatuurgebied van 90 graden?
Zegt de tweede wet van thermodynamica niet dat warmte niet kan worden overgedragen van een voorwerp met een lage temperatuur naar een voorwerp met een hoge temperatuur zonder externe kracht?
Wat is de externe kracht in het bovenstaande experiment? Het geheim zit in deze lange pijp. In de Himalaya is de atmosferische druk 0,41, dus moet de waterdamp ook 0,41 zijn, maar wanneer het Peking bereikt, wordt het 1. Voor dit proces moet de waterdamp in de buis voortdurend onder druk worden gezet en het onder druk zetten kost energie, dat wil zeggen dat er een externe kracht nodig is om arbeid te verrichten.
Als we een buis maken die lang genoeg is, kunnen we een waterkoker naar de ruimte sturen, waar water kan koken bij min 40 graden Celsius. Met andere woorden, we kunnen warmte uit een omgeving onder nul halen via water, op voorwaarde dat de atmosferische druk van deze omgeving klein genoeg is.
Het ideaal is echter erg vol en de werkelijkheid is erg mager. Zo'n lange buis kunnen we niet maken. En het kookpunt van water is te hoog.
Maar de kern van het bovenstaande experiment is dat de druk aan de linker- en rechterkant verschillend is, wat leidt tot verschillende kookpunten van waterdamp aan beide kanten.
Dan hoeven we alleen maar een stof te vinden die een grote verandering in het kookpunt kan bereiken wanneer de drukverandering niet zo groot is. Zou het niet gemakkelijk zijn om energie te halen uit gebieden met een lage temperatuur?
Gelukkig is er deze stof, namelijk koelmiddel, ook wel koudemiddel genoemd. Op sommige plaatsen wordt het ook wel ijs genoemd. Hoe dan ook, het is het meest elementaire in airconditioners.
We hoeven alleen maar een gesloten circulatiesysteem te bouwen met twee pijpleidingen: een lagedrukpijpleiding en deze in het gebied met lage temperaturen leggen, en de andere is een hogedrukpijpleiding en deze in het gebied met hoge temperaturen leggen.
Laat vervolgens het koudemiddel van de lagedrukleiding naar de hogedrukleiding in dit systeem circuleren. Het koelmiddel kan gemakkelijk warmte absorberen in het lagedrukgebied en koken, waardoor het stoom wordt. Vervolgens wordt het onder druk gezet in het hogedrukgebied, waar het warmte afgeeft en condenseert, waarna het weer door de verlagingsbuis gaat. De drukklep komt in het lagedrukgebied en blijft warmte absorberen.
Keer op keer verplaatst de warmte zich van het gebied met de lage temperatuur naar het gebied met de hoge temperatuur.
Of het nu gaat om airconditioning of warmtepompverwarming, dit is hetzelfde principe.
Zowel voor de drukregeling als voor de circulatie is elektrische energie nodig. Hoe minder elektrische energie er wordt verbruikt en hoe meer warmte er wordt getransporteerd, hoe efficiënter de warmtepomp zal zijn.
Het kan met zekerheid gezegd worden dat zolang het niet erg