外行学空分（275）一一开式热泵精馏的有效能效率（四）

Yb2021

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7 f, Y* m3 I. \; c# b$ Q    开式热泵精馏总效率是开式热泵有效能效率和精馏过程有效能效率的乘积（多热泵供冷供热时，是加权开式热泵供冷供热有效能效率和精馏效率的乘积），精馏有效能效率的影响前面已经充分讨论过了，可以参阅前面的相关帖子。用于精馏的开式热泵在极限工程条件下（无阻力损失，无换热温差，无散冷损失），其有效能效率略低于开式热泵循环工质常温压缩的压缩等温效率，其原因在于用于精馏的开式热泵一般情况下无法采用液体膨胀机工艺方案，而只能采用节流减压方案，使开式热泵有效能效率低于开式热泵循环工质等温压缩效率，但相差极小（大约5%以内）。除设备性能参数（循环工质压缩等温效率）外，对用于精馏的开式热泵有效能效率的影响因素还有以下的几个方面，一是开式热泵的形式，二是实际工程条件。
..    标准常规热泵中有一个高温高压换热器和一个低压低温换热器，则循环工质压力气体在高压高温换热器的冷凝潜热（输出热量）等于循环工质液体在低压低温换热器气化蒸发潜热（输入热量）。这只是一个不完全准确的说法，当热泵压缩机内置时（普通冰箱空调空气能热水器一般都是如此），这种情况下，高温高压换热器的热负荷等于低温低压换热器热负荷加热泵压缩机压缩功耗。当热泵用于给热（制热）时，以高压高温换热器的热负荷计算给热系数及热泵有效能效率。当热泵用于制冷时，以低温低压换热器热负荷计算制冷系数和热泵有效能效率。如果循环工质常温下压缩并冷却至常温，不考虑换热器的换热温差，则高温高压换热器的热负荷等于低温低压换热器的热负荷。
   但还有另外一种热泵形式，那就是所谓的一拖多的热泵例如分体式空调，这种热泵只有一个高温高压换热器（所谓的外机，热机），压力热泵循环工质在其中冷凝（输出热量）后，热泵循环工质液体分别减压送至两个甚至多个低温低压换热器（冷机）中气化蒸发。循环工质气体汇合后，汇合后的压力当然只能是多个低压低温换热器（蒸发器）中的最低压力，进入下一个循环。毫无疑问一拖二或一拖多热泵的有效能效率大大低于标准常规热泵（一拖一热泵，一个高温高压换热器热机对应一个低温低压换热器冷热）。当然用于精馏的热泵是开式热泵，它只有高温高压换热器（又称为主冷凝器）而没有低压低温换热器，而且热泵循环工质也直接参与精馏过程，与标准常规热泵有所不同，但本质上并无不同！双塔流程就是以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案，其中近似氧氮二元物系精馏工艺方案时下塔是一拖二开式热泵的热泵转换器，把开式热泵循环工质空气的液体一一液空通过下塔冷凝分离分为液氮和富氧液空。其转换效率是75%-80%（这和下塔的理论塔板数，实际回流比，富氧液空中的氧含量有关，是一个范围约数）！而在氧氮氩三元物系精馏工艺方案中下塔则是一拖多开式热泵转换塔。
    实际工程条件对用于精馏的开式热泵有效能效率也有重大的影响，其中最重要的因素是开式热泵循环工质压力气体冷凝器的换热温差（包括由于液体静压而增大的换热温差）。压力循环工质气体液化温度和循环工质液体气化蒸发温度的差值（一般称热泵温差）越小，主冷凝器换热温差对开式热泵供冷供热有效能效率影响越大。其次是正返流阻力对开式热泵有效能效率的影响，其中又以返流阻力损失为主，正流阻力损失次之。至于散冷损失对开式热泵有效能效率也有影响，但影响较小。以双塔流程标准工艺方案为例，在目前实际工程条件下，空压机出口压力5.6bar，极限工程条件下（无正返流阻力，无冷凝器换热温差，无液体静压）空压机出口压力3.8bar，实际工程条件下与极限工程条件下相比空压机压缩功耗增加20%-25%以上。开式热泵有效能效率降低20%-25%左右！
+ k$ N% U' V7 I  I   以双塔流程标准工艺方案为例，热泵形式（一拖二）和实际工程条件对开式热泵有效能效率的影响基本相当。
    对于开式热泵精馏的有效能效率总结如下，
% p) f) L$ Q% x" o/ D     一，精馏过程并不消耗热量冷量。在环境温度以上的精馏过程，精馏过程消耗的是广义的热能，更准确地说是温差有效能，卡诺功。在环境温度以下的精馏过程，精馏过程消耗的是广义的冷能，更准确的说是温差有效能卡诺功。当然在环境温度上下的精馏过程（高沸点组分沸点高于环境温度，低沸点组分沸点低于环境温度）消耗的更是温差有效能卡诺功而不是热能和冷能。
+ K7 I$ A3 e" H4 U! U0 L$ j   二，精馏过程的有效能效率是精馏过程得到的分离功增量和输入精馏过程的温差有效能卡诺功（广义的热能或冷能即温差有效能或卡诺功）的比值。开式热泵的供冷供热有效能效率是开式热泵输出的温差有效能卡诺功和开式热泵循环工质复热常温压缩功的比值（用于深冷空分精馏的开式热泵以循环工质复热常温压缩功耗计算开式热泵有效能效率），其输入输出精馏过程的冷量（表现为过冷减压后的进入上塔的液氮，富氧液空的气化潜热）和输出精馏过程的冷量（输入热量）等于主冷凝器的热负荷，两者数量相等。开式热泵精馏总效率是开式热泵有效能效率和精馏有效能效率的乘积。
+ Q) p" w) E/ l% U$ ~( R' y. q. w& M   三，完全自热的开式热泵精馏，其精馏过程的有效能效率决定于精馏原料高低沸点组分的比例，实际回流比和最小回流比的比值及单热泵，双热泵，多热泵工艺方案。在极限工程条件下（无限理论塔板数，无阻力损失，最小回流比），当采用单热泵精馏工艺方案时，受精馏原料高低沸点组分比例的不同，精馏过程有效能效率相差极大！当采用低沸点组分和精馏原料气（如果在环境温度以上，则是精馏原料组分相同的气相）为循环工质的双热泵工艺方案时，优化后的工艺方案在理论塔板数无限多的情况下（即最小回流比下的精馏过程）精馏过程有效能效率基本上不受精馏原料高低沸点组分比例不同的影响。可以稳定在80%以上，在有限理论塔板数及实际回流比情况下一般也能达到70%以上。通过采用多热泵工艺方案，虽然还可以进一步提高精馏过程有效能效率，但提高的幅度有限，同时又受到主冷凝器换热温差的限制，导致开式热泵加权平均有效能效率降低，如果要实现完全可逆的精馏过程，不但需要极限工程条件（无限理论塔板数，无阻力损失，最小回流比），而且需无限多的热泵设置。多热泵精馏一般情况下，只有在理论塔板数有限又要制取高纯产品时，才会采用多热泵精馏。
   四，用于精馏过程的开式热泵有效能效率首先决定于开式热泵循环工质压缩机的等温效率，其次是开式热泵的形式，直接式开式热泵相对于一拖二或一拖多开式热泵有效能效率高很多。实际工程条件对开式热泵有效能效率也有非常重要的影响。
/ P, Q3 r7 S/ H  五，在循环工质压缩等温效率70%时，新单塔流程采用双热泵工艺方案时，开式热泵精馏的极限有效能效率可以接近55%，实际工程条件下，一般情况也能达到35%-40%左右！
    六，双塔流程采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案，当循环工质压缩机（空压机）等温效率70%时，开式热泵精馏的极限效率可以达到40%-45%，在实际工程条件下，也能达到30%-35%。
, I6 Z4 V8 m& o9 L% I1 m   七，当压缩机，涡轮增压机等温效率80%，膨胀机绝热效率90%时（基本上是极限设备性能参数了），极限工程条件下（无正返流阻力损失，无换热温差损失，无散冷损失）开式热泵一膨胀制冷液化效率50%！而在同样设备性能参数下，在双热泵工艺方案极限工程条件下，开式热泵精馏的效率可以达到60%以上！