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熱泵及冷氣原理大解析,小職人說給你懂

小職人在冷氣篇與冰箱篇都有簡易的說明,此篇適合想了解熱泵及冷氣原理更深的人,這篇文章中將會講解更多專業知識。。

冷氣的歷史及運作原理 :

影片來源 : 亮生活 / Bright Side

冷凍空調基本概念 :

常用單位表 :

常用單位表

市場上…
台灣 8000 Btu 為 1 噸 ( 2000 kcal / h )
日本 10000 Btu 為 1 噸 ( 2500 kcal / h )
美國 12000 Btu 為 1 噸 ( 3000 kcal / h )

※1 噸 = 2500kcal/Hr 或 10000BTU (一般說法)
※換算公式 : 1kcal/Hr ≒ 4 BTU
冷氣噸數換算公制與英制換算
1Kcal = 3.968BTU ≒ 4BTU。
1KW( 電功率 ) ≒ 860Kcal/h r≒ 3412BTU/Hr

熱交換原理 :

基本上冷氣原理所做的只是把冷媒送到室內吸熱,再把熱帶走到室外空氣或水塔中,依此循環著所以室內會慢慢降溫。

例如今天把一塊高溫的鐵丟到一桶水裡,鐵的溫度被傳遞到水裡而導致降溫,因熱傳遞到水裡,所以水溫會上升,以上這些都遵守著質量守恆定律。

冷與熱的關係 :

  • 熱能會由高溫度流向低溫度。
  • 若兩物體有溫差,會有能量的傳遞。

冷凍之運用工程 :

冷卻工程 :

利用簡單的冷卻裝置,以空氣、水或油等流體去冷卻物質或空間,目的是將物質或空間的熱能量移除掉,使溫度降低,但無法低於流體溫度。

冷藏工程 :

將物質或空間的熱量移除,使溫度降低,不得低於0 ℃

低溫冷凍工程 :

將物質或空間的熱量移除,使溫度降低到低於0 ℃以下,-60 ℃ 以上

超低溫冷凍工程 :

將物質或空間的熱量移除,使溫度降低到低於60 ℃以下

空調介紹 :

很多人以為空調就是冷氣,其實這是錯誤的觀念,嚴格來講冷氣只能算是空調的一部份,空調是空氣調解的簡稱,簡單來說就是利用一套空氣調節設備來控制室內的空氣狀態,調節空氣的溫度、濕度、清淨度、空氣的循環與分配及氣壓等……適合人類居住或產業需求的環境。

空調的運用 :

溫度調節 :

利用冷氣幫助室內降溫或升溫。

濕度調節 :

利用冷氣中的蒸發器來增加室內溼度,或者將空氣中多餘的水份排出。

清淨度調節 :

利用濾網或換氣幫助室內過濾灰塵、除臭。

氣流調節 :

使空氣循環且均勻流暢。

空調之運用工程 :

冷氣工程 :

將所處的空間溫度降低,使溫度低於外界

暖氣工程 :

將所處的空間溫度提升,使溫度高於外界

除溼工程 :

將所處空間的空氣水份排出,使濕度低於外界環境的濕度,維持在一個舒適的濕度環境下。

加濕工程 :

將水分加入所處空間環境,使濕度高於外界濕度

恆溫恆濕控制工程 :

同時控制所處空間的濕度、溫度,維持在恆定需求條件上。

潔淨室工程 :

將所處空間所含的空氣雜質做過濾,其控制在需求標準上,又稱「無塵室」

通風工程 :

將所處環境維持在需求新鮮空氣量及氣流速度,避免空氣汙染

冷媒 :

一次冷媒 :

在冷凍空調系統中用來吸收周圍空氣與物質的熱能,當熱能被帶走後空氣溫度下降而達到製冷效果的工作流體, 也有人稱為製冷劑。冷媒是一種極容易在較低溫處從液態氣化成為氣態,而又極容易在較高溫處從氣態凝結成為液態的物質。

一次冷媒的特性 :

  1. 無腐蝕性。
  2. 漏氣易檢查。
  3. 容易蒸發、液化。
  4. 不易燃燒、爆炸。
  5. 氣體時體積要小。
  6. 液體密度高;臨界溫度高。
  7. 含水分時不易變質,冰點低。
  8. 具有高度絕緣性,不易導電。
  9. 流動率高,不易黏滯於銅管,粘黏性小。
  10. 不易與冷凍油發生作用,需易於分離且具有潤滑性。
  11. 較不會破壞臭氧層,符合環保概念,減緩溫室效應。
  12. 安全性高、化學性質需穩定(只有物理變化無化學變化)且不會因使用環境的溫度而變質。

二次冷媒 :

以「顯熱型態」搬運熱量的工作流體,例如中央空調系統的冰水與儲冰系統的滷水。

補充 :若不知道顯熱及潛熱這兩大名詞,可至下列網站看詳細解說。

全熱、顯熱、潛熱、濕負荷是什麼意思?

冷凍油 :

冷凍油位於壓縮機中。主要功能為在壓縮機運轉時,發揮潤滑的功用,會跟隨著冷媒的循環一起流動著,並被帶到整個製冷系統中。

製冷系統 :

一般是由壓縮機、冷凝器、毛細管或膨脹閥、蒸發器這四大元件組成的。冷媒是一種能在低壓低溫沸騰的液體,在沸騰時吸收熱量,會在系統中不斷循環。

壓縮機 :

將低壓低溫之氣態冷媒變成高壓高溫之氣態冷媒,製冷系統中的心臟就是壓縮機,是冷媒在系統中循環的動力來源。壓縮機有分成兩大類,又細分成五種,分別為 : 迴轉式、往復式、渦卷式、螺旋式、離心式。

冷凝器 :

冷媒會在此設備散熱,藉由冷凝器的風扇或利用水塔的冷卻水能將冷媒熱能散去。

膨脹閥 :

膨脹閥會使冷媒降壓,降壓目的是為了配合蒸發器蒸發,促使冷媒能在低壓下可以低溫蒸發。

蒸發器 :

冷媒將在蒸發器吸熱。 當室內空氣流經蒸發器時,冷媒會吸收室內空氣熱量而蒸發且完成製冷目的,再藉由風扇送出冷風達到室內降溫效果。此股冷媒再進入壓縮機,以此循環。

下圖為四大元件循環圖。

冷氣原理圖

初始先藉由壓縮機把低壓低溫之氣態冷媒變成高壓高溫之氣態冷媒,同時壓縮機也是促使冷媒循環的動力,經過冷凝器時再藉由空氣或水幫助冷媒降溫,使冷媒變成高壓中溫之液態冷媒,經由控制閥(毛細管、膨脹閥)把冷媒變成低壓低溫的液、氣混合狀態,冷媒再以低壓低溫之液、氣混合狀態進入到蒸發器,經吸熱後蒸發轉為低壓低溫之氣態冷媒,此股冷媒再進入壓縮機,以此周而復始。

熱泵系統 :

全球平均溫度逐年升高,一年比一年還要更高溫,當夏日來臨時,人類一樣享受著空調所帶來的舒適感,但是否也曾想過冷氣室外機排放的「廢熱」正在造成環境的破壞?

室外溫度越來越高,熱島效應的炎熱環境更讓人為難受。尤其在人口密集的城市而言,空調的使用率更是高的驚人。空調猶如一把雙面刃,雖然可以使人類感受到冷氣帶來的舒適度,卻也無形中破壞了地球環境。使用空調系統的同時利用室外機所產生的廢熱,將是空調系統中必要的突破。

近幾年為了打造出能利用熱能的空調系統,結合熱能以及儲能裝置的熱泵系統是目前最佳方案。熱泵主要有水對水及空氣對水系統,可直接從空氣或水源吸收熱能,在應用上不受日夜與天候影響,且冷熱能源效率比 (COP)達9.3以上、節能率約60%,機組連續使用效率快、壽命長。慢慢取代掉傳統電熱、瓦斯的加熱系統,提升能源使用效率約50~75%左右,因為壓縮機的用電不多,每天燒熱水所需的時間只需1-2小時,電費比起傳統的電熱系統更加為省電。

熱泵的工作原理 :

熱泵是吸收環境中的熱空氣進去燒熱水,再把製熱過程中產生的冷空氣排出去。讓原本在低溫低壓的冷媒,利用蒸發器所吸收的熱氣,變成高溫冷媒,再經由壓縮機的壓縮,變成高溫高壓的冷媒,再流經熱交換器,把熱能傳給冷水,冷水吸收了熱能,使水溫升高,達到製造熱水的目的,高溫高壓的冷媒把熱能傳遞給冷水後,又回復成低溫低壓的冷媒,反覆的循環工作。若天氣溫度越高,燒熱水速度則越快,熱泵相對的越省電。

熱泵的製熱是利用冷媒,冷煤的蒸發溫度低於零下20℃,與外界溫度存在著溫差,因此冷煤可吸收外界的熱能,在蒸發器內蒸發汽化,利用熱泵設備中的壓縮機變成高壓高溫的冷媒,再通過冷凝器(熱泵中的熱交換器)使冷煤從汽化狀態轉換成液化狀態,在轉化過程中,釋放出熱能傳遞給水,使水溫升高,達到製造熱水的目的。

工作原理如下圖 :

熱泵的運作原理圖
圖片來源 : 能源教育資源總中心

熱泵與冷氣的差別:

基本上原理相同,但用途相反, 冷氣要製冷排熱,熱泵要製熱排冷。

冬天寒流時熱泵還能有用嗎?

通常熱泵設備中會加裝電加熱器,若因環境溫度過低而無法製造熱水,通常這時候就會啟用電加熱器幫助熱泵製造出熱水。

至此小職人上列所說的或許不是很完全的資料,但傾向於能讓人淺顯易懂,若打出更完全更專業的資料此篇文章也可能長到讓人看不下,所以有些地方都是稍微介紹帶過,請多多包涵。

此篇文章若有錯誤請在底下留言告訴小職人,讓小職人更為進步,有任何問題也可以留言讓小職人幫你解答喔!

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