外行学空分（242）一一深冷空分的有效能效率的定义和计算

Yb2021

  深冷空分过程所涉及都是纯粹的热力学物理过程，从过程而言则可以分为压缩，膨胀过程，换热过程和精馏分离过程，分别对应压力能，热能（冷能），最小分离功（分离能）等有效能的转化和损耗。
    在讨论深冷空分有效能定义和计算之前，首先明确一下环境状态，深冷空分所有涉及有效能的定义和计算均在这个环境状态下进行，环境状态即是地球大气环境，环境温度25度，压力一个标准大气压，干空气组成为氧20.7%，氩0.9%，氮88.4%，以上的比例是摩尔百分比或者体积百分比！其中温度25度是热能冷能的基准，一个标准大气压，温度25度则是压力能的基准点，干空气组成则是最小分离功（分离有效能）的基准点。当然以上的环境状态只是一个标准状态，实际环境状态和标准状态有出入时，需要进行修正。在讨论有效能问题时，如果没有特别说明，均在以上环境状态下。
& R0 j, I: u* i- G2 K    在热力学中所有的效率术语都是专指有效能效率即所谓的等熵效率，不是有效能效率的则用其它术语表述例如系数等。至于有效能效率则分为过程有效能效率和系统（分系统）的有效能效率，过程有效能效率相对简单，而系统（分系统）有效能效率则极为复杂难以掌握，所以有黑箱，白箱，灰箱的说法，其实就是说系统（分系统）有效能效率的定义和计算的结论不可靠，存在许多可以讨论的问题。
7 ^8 e, g' R6 T. t. s   深冷空分涉及的有效能只有压力能，热能冷能和最小分离功（分离能）三种，基本的过程也只有压缩（膨胀）过程，换热过程，精馏分离过程。其中换热过程是冷能热能有效能的转移及损耗的过程，精馏分离则是冷能热能有效能转换和损耗过程，两者都不存在功的输入输出，而压缩（膨胀）过程则存在功的输出输入！几个过程构成一个系统，过程有过程有效能效率，系统有系统的有效能效率，过程是最小的系统。
   实际的压缩过程都是多变压缩过程，其过程有效能效率称为多变效率当然是有效能效率。而所谓的绝热压缩及等温压缩过程都只存在于思想试验中，实际上是不可能存在的，但大多数的多变压缩过程非常接近于绝热压缩过程，而和等温压缩过程则相去甚运。绝热效率实际上是多变效率的近似和简化。而等温效率则不是等温压缩过程的有效能效率而是空压系统（分系统）的有效能效率，包括多变压缩过程和冷却换热过程的系统有效能效率。
    压缩膨胀过程的有效能效率均称为绝热效率（实际上只是多变效率的近似和简化），压缩过程绝热效率的定义是可逆最小压缩功耗（即等熵压缩功耗）和实际压缩功耗的比值。毫无疑问其数值0至100%之间，既不可能小于零（那就不是压缩过程）也不可能大于1！膨胀过程绝热效率的定义是实际膨胀输出功和可逆最大输出功（即等熵膨胀输出功）的比值。其数值在零和100%之间，理由同上。
   所谓的等温效率并不是等温压缩过程的有效能效率，因为等温压缩过程实际上不存在！而所谓等温效率其实是空压分系统的有效能效率，其实际过程是多变（绝热）压缩（可以分段）后，再冷却至常温！是多变（绝热）压缩过程和冷却过程的组合而成的分系统。等温效率的定义是空压系统得到的压力能和实际压缩功耗的比值。这个等温效率有效能效率的计算方法是有严格的前提条件的，一是压缩起始状态是环境状态，终末状态的有效能只有压力能也没有其它的有效能！其实这个问题在国家标准能量系统有效能分析技术导则中提出目标有效能效率的定义及计算公式后已经基本上得到了解决。当然只要严格遵守目标有效能效率的定义和计算公式，有效能效率就不会再出现白箱，黑箱，灰箱的混乱情况了。虽然能量系统有效能分析技术导则中，仍然保留公式（5）的有效能投入产出率，但目标有效能效率的定义和计算公式（6），已经实际上替代了有效能投入产出率及计算公式（5），这是不言自明的，因为一个过程或者一个分系统不可能有两个有效能效率，只能有一个是正确的。