外行学空分(97)一一开式热泵循环工质的常温压缩和深冷压缩问题

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    要实现在深冷条件下的空气精馏分离，空气的输送(压缩)纯化换热都不存在大问题，都是常规操作成熟的技术，最大的难点在于如何向精馏塔的再沸器供给热量及如何从精馏塔的冷凝器输出热量。如果可以不计成本不计代价当然可以有很多的办法解决这个问题，但如果要大规模低成本地实现深冷条件下空气精馏分离，唯一可行的办法就是采用开式热泵供冷供热技术实现向空气精馏塔再沸器供热和从空气精馏塔冷凝器输出热量。当然这背后的涵义就是与其它可能的办法相比，开式热泵供冷供热精馏组织方法的效率已经高到无须比较的程度！
( ~5 ]% h+ C$ }, ]2 h3 i$ v3 e& K  既然开式热泵是给空气精馏塔再沸器供热及从空气精馏塔冷凝器输出热量的唯一可行办法，那就是必由之路！不管你喜欢不喜欢它都是必由之路，除此之外你无路可走！虽然空气精馏塔采用开式热泵技术供冷供热是必由之路，但开式热泵供冷供热本身依然有效率的问题。现在我们就来讨论一下开式热泵供冷供热的效率问题。
9 N7 T, t& a) @5 {+ x& U; e1 M5 @, P. J: Y 开式 热泵供冷供热的效率有两个指标，一是开式热泵供冷供热的有效能效率，二是所谓的制冷制热系数（原则上不是效率指标）。这是两个既有联系又存在重大区别的指标。影响开式热泵供冷供热效率的因素主要有以下几项，一是热泵温差即空气精馏塔再沸器输入热量的温度和空气精馏塔冷凝器输出热量的温度之差。决定热泵温差的因素有空气精馏塔再沸器和冷凝器的传热温差，空气精馏塔再沸器高沸点组分的蒸发温度和空气精馏塔冷凝器的低沸点气相组分冷凝温度。热泵温差越小，温度越高，热泵制冷系数越大，反之则小！而热泵有效能效率则和热泵温差无关，而且在换热器（冷凝器）换热温差固定的情况下，热泵温差越大，实际热泵效率越高，只不过需要相应提高热泵循环工质的压缩比而已。二是热泵循环工质压缩机的效率（绝热效率或等温效率），这是设备性能参数决定的，当然是越高热泵效率越高。三是热泵冷凝器和蒸发器的换热温差，换热温差越大，热泵有效能效率越低。四是复热常温压缩和深冷压缩问题，五是循环工质液体减压膨胀是采用液体膨胀机还是简单节流膨胀。下面着重讨论一下深冷压缩和常温压缩问题。
    如果说空气精馏采用热泵技术是必由之路，那么用于空气精馏的热泵循环工质的压缩采用深冷压缩和常温压缩就是必选之路，总不能在高温下压缩罢，这其实是一个利与不利的问题，如果复热常温压缩和深冷压缩任何一个拥有相对于另一个的绝对优势(有利)那就不是必选之路而是必由之路了，因为没得选也不需要选了！如果不是如此，那么就有什么情况下应该采用复热常温压缩，什么情况下应该采用深冷压缩的问题。
   先讨论一下深冷压缩和复热常温压缩的各自利弊的问题。常温压缩的好处是什么呢？最大的好处就是不会给深冷空分装置带来冷量冷能损失（热泵循环工质热端换热温差忽略不计）而且会有一定的等温焓差，有利于深冷空分装置冷量平衡。弊处当然也非常明显，那就是相对于深冷压缩同样的压缩比，压缩功耗大得多！另外还有复热换热器的传热温差热端换热温差损失和阻力等！常温压缩的l好处就是深冷压缩的弊处，而常温压缩的弊处正是深冷压缩的好处！
   那么影响常温压缩和深冷压缩利弊转化的最关健因素是什么呢？一是全装置的冷量平衡状况，如果全装置的冷量充足，只要提高制冷量可以提高制冷效率的情况下，采用深冷压缩为有利，否则则不利。二是压缩比，如果热泵压缩比小则深冷压缩为有利，压缩比大以至于常温压缩可以采用分段压缩则常温压缩为有利。当然这都只是初步判断。

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为什么压缩比越低，深冷条件下压缩越有利呢？其实道理非常简单，因为深冷空分中运用的热泵都是在深冷条件下运行的，如果热泵循环工质要实现在常温条件下压缩，势必需要设置循环工质换热器，将循环工质复热后，再在常温压缩后再换热，这就会造成热端传热温差损失，及阻力损失，以深冷条件下压缩比1.1为例，常温压缩的相应压缩比变为|.3，另外换热器热端传热温差造成的冷损很可能超过深冷条件下压缩所造成的冷损，当然在深冷条件下压缩相对于常温压缩相对有利了。

王凌生

好好学习。天天向上