外行学空（274）一一开式热泵精馏的有效能效率（三）

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     热泵是热功转换的卡诺循环的逆循环，在给定环境温度下，通过卡诺循环可以求出一定温度，一定数量的热量（冷量）可以得到的最大功即一定温度，一定数量的热量（冷量）所具有的有效能（热能和冷能）。而热泵则是卡诺循环的逆循环，要得到一定温度，一定数量的热量（冷量）需要输入功，所需要的最小功当然就是一定温度，一定数量热量（冷量）的有效能。而最小功（一定温度，一定数量热量（冷量）的有效能）和热泵实际压缩功耗的比值就是热泵的有效能效率。
    运用于精馏过程的开式热泵（也用于卤水制盐及海水淡化过程，又称为乏蒸汽压缩，当然也是以水蒸汽为循环工质的开式热泵），既不从环境输入热量也不向环境输出热量。这是它和普通常规的开式热泵（用于临界温度在环境温度以上的气体液化），闭式热泵（空调冰箱和空气能热水器）的根本区别，它是从精馏塔顶部输出一定数量一定温度的热量（表现为开式热泵循环工质压力液体过冷减压后的低沸点组分液体气化潜热和气化温度），输送给精馏塔底部（表现为高沸点组分液体的气化潜热和气化温度）。
    标准常规热泵（闭式热泵）包括以下的几个部分，一是热泵循环工质压缩机 ，二是高温高压换热器，又可称为压力循环工质气体冷凝器，压力循环工质气体在其中冷凝放热，当热泵用于制热时，高温高压换热器与受热体系相连，压力循环工质的冷凝潜热输出给受热体系，加热受热体，而低温低压换热器与环境相连接，从环境输入热量使减压后的循环工质液体蒸发气化进入下一个热泵循环。当热泵用于制冷时，高温高压换热器与环境体系相连，压力循环工质的冷凝潜热输出给环境，低温低压换热器与受冷体系相连接，从受冷体系吸收热量使减压后的循环工质液体蒸发气化开始热泵的下一个循环。三是循环工质液体节流减压阀，在高温高压换热器中冷凝的压力循环工质液体经节流减压后进入低温低压换热器。四是低温低压换热器，当热泵用于制热时，低温低压换热器与环境相连，减压后的循环工质液体从环境吸收（输入）热量并蒸发气化。当热泵用于制冷时，低温低压换热器与受冷体系相连，减压后的循环工质液体从受冷体系吸入（输入）热量而气化，并冷却受冷体。在低温低压换热器气化后的循环工质进入下一个循环。当热泵用于制热时，随着热泵循环不断从环境输入热量输送给受热体系。当热泵用于制冷时，随着热泵循环不断从受冷体系吸收热量输送给环境。其作用相当于输送热量（冷量）的水泵故称之为热泵。五是正返流循环工质换热器。
   用于精馏过程（也包括用于制盐和海水淡化的热泵）的热泵和以上的标准常规热泵有很大的不同，有以下的两个显著的特点。一是它不是标准常规热泵，而是所谓的开式热泵。它的循环工质是精馏过程的低沸点产品组分（或者制盐及海水淡化过程中的乏蒸汽），精馏原料气（或者与精馏原料液体平衡的气相）及精馏中间产物。它没有低温低压换热器（又称蒸发器）。二是它不与环境发生热量交换，它的热量循环过程仅限于精馏过程。
    空分装置中共有性质不同的两类热泵，都是开式热泵！其中一个是空气开式热泵一膨胀制冷液化中的空气开式热泵，它是冷量冷能的受体，吸收空分装置返流气中的冷能冷量（本质上来自膨胀机制冷和等温焓差）并液化，经节流减压（是绝热等焓过程，并不产生冷量增量，如果采用液体膨胀机当然会产生冷量，效率更高但差距不是很大）形成温降压力能转化而冷能，开式热泵循环工质的压力空气的压力能转化为开式热泵循环工质空气液体的冷能增量，得到常压的液空，它产生的冷能增量和用于液化的压力空气的压缩功耗比值是空气开式热泵一膨胀制冷液化中的空气开式热泵的有效能效率，如果采用液体膨胀机，空气开式热泵制冷有效能效率非常接近于空气压缩的等温效率，如果采用节流减压开式热泵的制冷有效能效率也只是略低于空气压缩机的等温效率。另外一个则是开式热泵精馏中的用于精馏过程供冷供热开式热泵，它输出的是冷能，更准确的说是温差有效能卡诺功。它既不产生冷量也不输出冷量，在采用复热常温压缩时，不改变空分装置的冷量平衡。以双塔流程为例，如果膨胀制冷后的空气不过热，进入下塔的空气也不带液，则液氮，富氧液空的蒸发潜热之和等于主冷凝器液氧气化潜热（主冷凝器热负荷）。上塔得到的用于精馏的冷能（卡诺功温差有效能）是过冷减压后进入上塔的液氮，富氧液空蒸发潜热所含的冷能和主冷凝器输入热量（即液氧气化潜热，从冷量冷能而言就是输出冷量冷能）所含冷能的差值。开式热泵输出的冷能（温差有效能卡诺功）和开式热泵循环工质压缩功耗（常温压缩）的比值就是用于开式热泵精馏的开式热泵供冷供热的有效能效率。在极限工程条件下（无正返流阻力，无换热温度，无散冷损失），如果是直接式（一对一）开式热泵，其有效能效率接近于开式热泵循环工质压缩等温效率。如果是一拖二或一拖三开式热泵，则开式热泵有效能效率等于压缩等温效率和一拖二热泵转换效率的乘积（以双塔流程为例，其一拖二热泵转换效率为75%-80%）。
    开式热泵精馏中的开式热泵的有效能效率决定于以下的几个因素，一是开式热泵循环工质复热常温压缩的等温效率。二是开式热泵的形式，一对一开式热泵还是一拖二，一拖三开式热泵。三是开式热泵的热泵温差（主热泵冷凝器精馏塔侧高沸点组分蒸发气化温度和节流减压后的热泵循环工质蒸发气化温度的差血减去主冷凝器换热温差，其中压力热泵循环工艺方案冷凝温度和主冷凝器精馏塔侧高沸点组分蒸发气化温度之间的差值就是主冷凝器换热温差加平均静压导致的精馏塔侧高沸点组分蒸发气化温度升高）。四是正返流阻力。
' }5 |( I3 V9 R! y  @+ J" W' M0 s    对开式热泵精馏中的开式热泵有效能效率影响最大的因素是循环工质复热常温压缩的等温效率，其次是开式热泵的形式。第三是主冷凝器传热温差和精馏塔侧的静压，第四是开式热泵循环工质的正返流阻力，其中返流阻力影响大于正流阻力。
# X# ]1 G4 v' H1 T) a! W, z    以空分装置为例，设备性能参数循环工质复热常温压缩等温效率70%，正流阻力0.1bar（主换热器阻力），返流阻力0.2bar（上塔和空分塔阻力加主换热器阻力），主冷凝器换热温差2K，主冷凝器精馏塔侧静压产生1K的蒸发气化沸点温度升高。新单塔流程的以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率为50%-55%！双塔流程以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率40%-45%！其中实际工程条件（正返流阻力损失，主冷凝器换热温差和精馏塔侧静压导致的高沸点组分蒸发气化湿度升高）造成开式热泵有效能效率降低75%-80%。而开式热泵形式的不同导致在同样设备性能参数及工程条件下，以空气为循环工质的一拖二开式热泵（双塔流程）有效能效率相对于以氮气为循环工质的开式热泵（新单塔流程）有效能效率降低75%-80%！热泵形式（一拖二热泵）造成了开式热泵有效能效率降低和实际工程条件造成的开式热泵有效能效率降低基本相当。而在实际工程条件造成的开式热泵有效能效率降低中，大约60%由主冷凝器换热温差和精馏塔静压导致高沸点组分沸点升高造成，大约40%由正返流阻力损失造成。
0 Y5 o7 @' R* X7 N' `    双塔流程的上塔是一拖二开式热泵精馏塔，新单塔流程空分塔采用氮气，空气双热泵工艺方案，两者的精馏效率均为70%-80%之间。在目前设备性能参数及工程条件下，双塔流程开式热泵精馏有效能效率在30%-35%之间，而新单塔流程开式热泵精馏有效能效率在40%-45%。如果热泵循环工质复热常温压缩的等温效率80%，而其它条件不变，则双塔流程开式热泵精馏总有效能效率在35%-40%之间，而新单塔流程开式热泵精馏总有效能效率在45%-50%之间。其有效能效率非常接近于同样设备性能参数及工程条件不的空气开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率。这一点和大家的普遍认识出入很大！

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  开式热泵精馏有效能效率是空分装置有效能效率计算的最基础内容，其影响因素对于空分装置能耗的分析具有非常重大的意义。