空气能的原理和在东水西调中的使用

凡是上过高中的人都知道能量守恒定律，能量既不能凭空产生，也不能凭空消亡，但是能量能够相互转化，也能够通过一定的方式集中到某个空间。在炎热的夏季，在中国东部地区和沙漠地区，空气中存在大量的热能，能否通过一种手段把这种热能聚集到一起，然后用来发电，用来蒸发水，让水抬升到高山，翻过高山从而达到既节省能源又能够远距离调水的目的呢？

这种技术目前是存在的，而且是成熟的。家用空调，冰箱，冷柜的原理和技术就是利用空气能的技术。通常情况下，夏季空气的温度只有三十多度，既不能煮熟鸡蛋，也不能变为蒸汽蒸馒头，也不能用来发电，也不能转化为“热生风”的机械的风力动能。但是如果空气的温度达到八十度，甚至一百多度，那么既能够使得水沸腾，从而使得水蒸气能够推动蒸汽轮机转动，然后就能够发电，有了电能就能够抽水，能够淡化海水，能够做许多事情。

那么，空调原理是什么呢？空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。

在这里利用制冷液在高温下容易气化吸收蒸发热（单位质量的某种液体变成气体时所吸收的热量，叫做这种气体的蒸发热）的原理吸收周围的热量，把环境温度变低；而利用制冷液在高强度压力下容易液化放出大量热能的原理把热量排泄到大气中。在这个循环中使用的基本原理是“任何物质在发生相变的时候都会吸收或者放出一定的热量”这个基本原理，也就是说气态物质是含内能最高的物质，固态物质是含内能最少的物质，液态物质的内能含量介于固态和气态之间。只要固态物质变为液态物质都需要吸收热量，这叫熔化热；而液态物质要变为气态物质也需要吸收热量，这叫气化热，而固态物质直接变为气态物质叫升华，升华的时候吸收升华热；相反，液态物质变为固态态物质都需要放出热量，而气态物质要变为液态物质也需要放出热量。蒸发热又叫气化热，与熔化热、升华热 统称为相变热或潜热。水的汽化热为40.8千焦/摩尔，相当于2260千焦/千克。一般地：使水在其沸点蒸发所需要的热量五倍于把等量水从1℃加热到100℃所需要的热量。

而人类在研究不同的物质的时候发现不同的物质的气化热、熔化热、升华热各自不同，尤其是某些物质其熔点很低，沸点也很低，尽管这些物质在液化和气化的时候吸收和放出的热量比较少，但是用来交换空气热能已经足够了。所以就有了空调制冷剂的诞生。气体的液化不仅需要温度条件，而且需要压力条件，一般情况下，压强加大以后液化的温度会升高，而压强下降液化的温度会降低。气化的情况和液化类似。所以在青藏高原地区压力减小，液化温度和气化温度都降低，也就是熔点和沸点降低，所以水温不到100度就会滚开，许多肉类不能煮熟。

制冷剂R22（二氟一氯甲烷）饱和状态下的热力参数如下：

通过以上可以看出水的汽化热基本是R22的13倍。R22（二氟一氯甲烷）的沸点是-40.8 ℃，熔点 是-160.00 ℃，沸点下蒸发潜能，233.5 KJ/Kg。R22是一种在常温下就能够气化的物质，但是这种物质还有一个特点，在较小的压力下会很容易液化。例如标准大气压为：1.013×105Pa（帕斯卡），但是R22在32度时在饱和状态下在13个大气压下就能够液化，在42度时，在饱和状态下在16个大气压下就能够液化。这使得通过机械加压的方式吸收和放出热量成为技术可能。

有了制冷剂，例如R22（二氟一氯甲烷），使得人类利用空气中的热量成为可能。它的工艺过程可以概括如下：

第一步：用高压压缩机把制冷剂压缩为液体，这时候它向周围排出大量的热量，这种热量是液化热。这时候压缩机特别热，通过中间媒体把热量带走，例如用风扇，冷空气等。

第二步，液化后的液体运输到外界，接触在外界，由于外界温度高于沸点，所以再次气化，气化过程吸收环境的热量，环境变冷，这时候吸收的是汽化热。

第三步就是重复第一步的过程。

这个过程就类似于一个运输热能的汽车，通过压缩机这个汽车把热量从一个环境运送到了另一个环境。冬天外界环境寒冷，但是人类需要26度的适宜环境，这时候只要外界空气温度高于-40.8 ℃，空调就能够在外界气化，把外界的热能存储到气体中，通过压缩释放到室内，使得室内温度升高；夏天室内温度太高，高过了人类需要的26度，这时候通过气化作用，把室内的热量带走到外界，使得室内温度降低，而把液化热带到外界。所以无论冬天制热，还是夏天制冷，都只是消耗压缩机压缩需要的电能，它实际上把外界的热能带进了室内，或者把室内的热能带出到室外。所以空调制冷制热都能够节省能源。唯一不同的是冬天外界能量本身不足，需要R22反复多次压缩才能够获得较多能量，使得室内温度升高。而夏天则压缩次数较少，所以夏季比较节省能源。

这个过程就类似于一个运输热能的汽车，通过压缩机这个汽车把热量从一个环境运送到了另一个环境。汽车上的能源不会改变，但是汽车运输却需要消耗一定的能量。在这个过程中空气中的热能实际上是守恒的，不同的是这些热量从热介质中到了冷介质中，尽管这种介质是同一种物质。

需要指出的是空调的设计是根据人类需要而产生的。而利用空气热能却是另外一种思路，另外一种工艺过程。例如利用空气热能发电，我们需要使用制冷剂的反运输过程，把空气加热到100摄氏度以上，这时候把这种热空气通入水中，水就会气化变为水蒸气，而利用水蒸气就能够推动蒸汽轮机的转子进行发电。这时候是把冷空气排泄到空气中。

在炎热的夏季，外界空气的温度超过30多度，这时候空气中存在大量的热能，利用制冷剂的液化气化过程中的排放热量，经过一个累积过程就能够把空气温度在30多度的基础上进一步加热到100多度，这时候就能够发电。而在夏季，可以说热空气的热能是取之不尽的，用之不竭的。实际上如果利用r22制冷剂是不可能把空气温度加到100摄氏度的，因为随着温度的升高液化时需要的压力越大，在60摄氏度的时候液化的压力已经达到26个标准大气压。这时候的压力要求就特别大。所以利用空气能的关键是能否生产处安全的高压，或者能够寻找出一种沸点高于零摄氏度的新的制冷液。这种要求对于机械性能的本身也是一种高要求。也许由于这一点，目前空气能的利用技术还只是处于起步阶段。

在沙漠地区，空气的温度更高，每次压缩能够抬升的温度也更高，所以沙漠有更多的可利用热能来发电。而有了电能，就能够把水输送到更高更远的高原和沙漠，而制冷后的空气也许也不应该直接排泄到大气中，利用它给人类安排一个舒适的消暑环境也是可以的。而用普通的制冷剂尽管很难把空气温度加热到100摄氏度，但是能够加热到60摄氏度附近用来淡化海水也是一种不错的选择。