外行学空分(191)一一深冷空分流程中的制冷和液化(三)

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2 v1 y/ f7 L1 [0 E    现在冻结法纯化已经退出了深冷空分流程的历史舞台，运用变温变压吸附法净化技术一一纯化器成为了深冷空分装置的标准配备！同时膨胀机制冷也已经成为深冷空分制冷的主要方式，等温焓差制冷虽然仍占一定份额但已经退居次要地位。这就意味着空分装置的冷量平衡和冻结法自清除对空压机出口最低压力的硬约束已经解除，空压机出口压力可以根据深冷空分装置的精馏和制冷液化的需要进行选择！这当然是一个重大的变化！
     和压缩过程一样膨胀机膨胀做功是一个最重要最基本的热力学（热工）过程，膨胀循环工质通过膨胀做功，对外输出功同时自身焓值下降，其最主要的运用是蒸汽高温高压膨胀做功发电！其着眼点在于膨胀功的数量大小。用于深冷空分装置的膨胀制冷膨胀循环工质是空气(也有以氮气作为膨胀循环工质的，这是特例暂不讨论)，其目的不在于膨胀做功，而在于制冷在于循环工质的焓降(制冷量，冷量及相应的冷能增量），循环工质在环境温度以下膨胀做功形成焓降从而生成冷能同时对外输出膨胀功(当膨胀机绝热效率100%时，膨胀制冷生成的冷能和膨胀功之和等于膨胀制冷循环工质的压力能减少值，而在实际膨胀制冷过程中，这个冷能生成量和膨胀功之和只能小于循环工质的压力能减少值，两者之间是比值就是膨胀机出的绝热效率。
; O. z" L* E' o   膨胀做功和膨胀制冷是同一个热力学（热功转换）过程，其区别在于膨胀过程在环境温度以上时，一般叫做膨胀做功其重点在于输出功当然同时也形成循环工质的焓降(那意味着循环工质热能的减少)，膨胀过程在环境温度以下时，一般叫做膨胀制冷其重点在于焓降形成的冷能增加。但本质上是完全一样的，做功和焓降则是膨胀过程的一体两面，绝热膨胀过程输出功等于膨胀循环工质的焓降。在环境温度以上，循环工质的焓降意味着热能的减少，而在环境温度以下，循环工质的焓降意味着冷能的增加！
! I( Q5 v% q4 ]6 r4 y: K   描述膨胀制冷过程的指标有两个，一是制冷系数，二是制冷效率！制冷系数是膨胀制冷过程焓降（膨胀输出功）和膨胀循环工质复热常温压缩功的比值，制冷效率则是膨胀过程由于焓降而形成的冷能和膨胀工质复热常温压缩功和膨胀功差值的比值。如果压缩过程的等温效率和膨胀机的绝热效率不变，毫无疑问膨胀机进口温度越高，膨胀制冷系数越大，膨胀机进口温度越低制冷系数越小，而在膨胀机进口温度相同的情况下，膨胀比越大制冷系数越小！膨胀制冷效率则是膨胀制冷生成的冷能和膨胀制冷循环工质复热常温压缩功和膨胀功差值的比值，和膨胀制冷系数相反，如果循环工质复热常温压缩的等温效率和膨胀机绝热效率相等，则膨胀机进口温度越低，膨胀制冷效率越高！制冷效率是比制冷系数更准确的描述膨胀制冷过程的效率指标。但两个指标都有很重要的意义，不同情况下应慎重选择使用，避免出现混乱。
$ a' {4 C( |; y) X+ |    在给定的膨胀循环工质常温下压缩等温效率及膨胀机绝热效率，涡轮增压等温效率和膨胀循环工质复热常温压缩等温效率一致的情况下，膨胀过程的极限制冷效率用公式表示如下，膨胀制冷效率等于α(1-b)c/1-αbc，其中a是膨胀工质常温下压缩的等温效率，c是膨胀机的绝热效率，b是膨胀过程的做功系数，即在给定的膨胀机进口压力温度膨胀比下，膨胀机绝热效率100%时，膨胀功和膨胀循环工质常温理想压缩功（压力能）的比值。之所以称为极限制冷效率是因为完全不考虑膨胀工质正返流阻力损失及扩大管阻力损失热端温差损失及散冷损失，同时涡轮增压机等温效率和循环工质复热常温压缩机的等温效率一致，当然也完全不考虑机械效率和电机效率，而在实际的膨胀制冷过程中膨胀工质的正返流阻力损失和膨胀机扩大管阻力损失热端温差损失及散冷损失对会显著降低膨胀过程的实际制冷效率。同时涡轮增压机等温效率一般也都低于循环工质压缩机的等温效率，同时机械效率和电机效率一般在97%-98%之间。
; ~$ @0 S5 n+ y3 a. t; O     深冷空分装置的膨胀机空气进口温度一般在100K-160K，膨胀比在10以下，最大膨胀做功系数b值在0.3-0.5之间，简单计算可以得到的结论，空压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，膨胀机最大做功系数取0.3时，计算出的极限制冷效率为50%以内，以上的空压机等温效率都不考虑机械效率和电机效率，也完全不考虑膨胀循环工质的正返流阻力损失及膨胀机扩大管阻力损失的情况下的极限制冷效率，实际的膨胀制冷效率比这要低！
  以上的膨胀制冷极限制冷效率计算公式进一步说明如下，深冷空分装置中的膨胀制冷一般均采用涡轮增压技术，在计算公式中1是膨胀制冷循环工质的复热常温压缩功，αbc是膨胀功，循环工质压缩功扣除膨胀功相当于涡轮增压机等温效率等于空压机等温效率，这也是理想极限情况了，一般情况下涡轮增压机的等温效率总是低于空压机的等温效率。另外其中循环工质的压缩机等温效率完全不考虑机械效率和电机效率。
   另外计算公式中的α是空压机的等温效率也就是膨胀制冷循环工质膨胀机制冷工质的膨胀前具有的压力能(有效能)，α(1-b)是膨胀机绝热效率100%即可逆膨胀条件下生成的冷能最大值！其中包涵了由等温焓差产生的冷能，可逆膨胀制冷产生的冷量是循环工质的焓降，其数量上等于可逆膨胀功αb！当膨胀机的绝热效率不是100%而是c时，膨胀机制冷过程是一个不可逆过程，这个时候其焓降及膨胀功是αbc，生成的冷能当然不是α(1-b)，也不是α(1-b)c而是小于α(1-b)c，计算公式中采用α(1-b)c，应该说这是一个粗略计算而不是精确计算，精确的计算公式应该是α(1-b)cd，d值可以从可逆膨胀过程的膨胀起始温度及终未温度及实际膨胀过程的起始温度及终末温度计算而得出，d值一定小于1，大约在0.95-0.99之间。这里的b值是膨胀机最大做功系数，不是膨胀机的制冷系数，而ab才是膨胀机的制冷系数，是为了计算方便而设定的一个中间参数。其数值等于膨胀机制冷系数除以膨胀循环工质复热常温压缩的等温效率。

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2 c: l' \$ h( h“膨胀制冷效率二α(1-b)cc/1-αbc，其中a是膨胀工质常温下压缩的等温效率，c是膨胀机的绝热效率，b是膨胀过程的做功系数，即在给定的膨胀机压力温度膨胀比下，膨胀机绝热效率100%时，压力能转换为功的比例。”
/ W6 `7 ?0 m* k0 T——来自尤总帖子
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有没有人能看懂尤总这个公式？包括尤总自己。
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% D% H$ G! b/ i% y3 y膨胀机绝热效率100%时，压力能转换为功和冷能的效率当然就是100%！膨胀效率100%时，没有损失，气体减少的压力能=输出外功+气体增加的冷能，也就是气体增加的冷能=气体减少的压力能-输出功。

但气体增加的冷量(在数量上)=输出功，输出功可以再转换为气体压力能，空分中都是这样做的，尤总是不是把输出功这部分丢了？

* R+ _4 P  F+ a" G或者尤总是把“冷能”与“冷量”搞混淆了？“冷量”是基于热力学第一定律的，“冷量”本身不是有效能，它只有跟温度结合才能成为有效能；“冷能”是基于热力学第二定律的，“冷能”才是有效能。液化效率50%，说的是得到“冷能”的效率是50%，而不是说得到“冷量”的效率是50%。能质系数=T0/T-1，环境温度300K时，150K以下冷量的能质系数>1，1kW冷量具有的“冷能”多于1kW。

1Nm3/h液氧的冷量是0.16kW，1Nm3/h液氧的冷能是0.25kW，液氧的最小液化功也是0.25kWh/Nm3；1Nm3/h液氮的冷量是0.15kW，1Nm3/h液氮的冷能是0.27kW，液氮的最小液化功是0.27kWh/Nm3。液氮能质系数更大，液氮冷量小但冷能大，液化效率是说冷能不是冷量。

+ Y4 m& b8 y; {- @% ~精力旺盛的话，工作之余玩玩民科无伤大雅，就像有些人喜欢打牌下棋。但如果辞掉工作来打牌下棋玩民科，那就对不起家人对不起自己对不起人民对不起党了。
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我说过东京大学那个单塔制氧流程是个笑话，尤氏单塔也是个虚幻，镜花水月——尤总即使现在不接受，以后也会明白的。

可以!!!!!!!!!!!!!!1111111

  先在的精力很旺盛，追着我这个先生口中的民科不放，实在十分感谢。现在对先生的问题回答如下。
4 V. ?3 f/ ]+ l3 p& A: ^+ j   一，请先生认真看一下帖子的内容，帖子中的膨胀制冷效率计算公式是a（1-b）c/1-abc，而不是a（1-b）cc/1-abc！至于先生讲有没有人能理解，这个我不知道，至于先生讲我也不理解，这个就太过分了！为了让先生理解，我就详细解释一下。这个公式是给定气体压缩涡轮增压等温效率（两者均为70%）及膨胀机绝热效率（85%）设备性能参数及极限工程条件下的膨胀制冷效率计算公式！其中a是膨胀制冷循环工质复热常温压缩的等温效率，c是膨胀机绝热效率，b是膨胀制冷最大做功系数，即膨胀机绝热效率100%时，即膨胀制冷输出功和膨胀制冷循环工质压力能的比值！这个比值和膨胀起始温度及膨胀比有关，膨胀起始温度越高b值越大！在同样膨胀起始温度下，膨胀比越大b值越小。在膨胀机绝热效率100%时，压力能全部转化为输出功和膨胀制冷循环工质的冷能，其中膨胀制冷循环工质的焓降（冷量）等于输出功，都是ab！膨胀制冷循环工质得到的冷能是a（1-b）其中1-b/b就是先生所讲的冷能系数了！在深冷空分中b值在0.3-0.5之间，冷能系数当然大于1！如果膨胀机绝热效率100%，那么膨胀机输出功是ab，膨胀制冷循环工质的焓降（制冷量）也是ab！根据公式计算出的膨胀制冷效率就是a即循环工质复热常温压缩的等温效率70%！如果膨胀机的绝热效率85%，b值取0.3（b低越小制冷效率越高），那么膨胀机输出功是abc，膨胀制冷循环工质的焓降当然也是abc，循环工质增加的冷能是a（1-b）c，实际上冷能增加值比a（1-b）c略小，因为这样情况下冷能系数略小于1-b/b！其道理就不用解释了吧！根据计算公式计算出的膨胀制冷效率50%！如果b值在0.3以上（膨胀起始温度110K以上），计算出的膨胀制冷效率更低！
9 Q; n/ [  c. B. O8 r' T    先生指责的冷量和冷能的问题，我想先生应该清楚了，如果我把冷量当做冷能，那么计算出式就应该是abc/1-abc！
   另外先生又指责把输出功丢了，那么计算公式就应该是a（1-b）c而不是a（1-b）c/1-abc，计算公式中的1-abc就是膨胀制冷循环工质复热常温压缩功减去膨胀机输出功。
. M  p3 y* |6 H8 u" o   请先生认真学习一下能量系统火用分析技术导则的国家标准，再来讨论有效能效率的问题！

我用的复制粘贴，怎么是没看清？你后来才改，但也不知是什么。民科伪科是社会公害