【正文】 流所獲得的溫降就越大。氧、氮氣節(jié)流溫降的計算經(jīng)驗公式也與此類似。利用以上公式，可以指導(dǎo)我們進行空氣節(jié)流制冷的實際應(yīng)用。 (3).等溫節(jié)流制冷量 既然通過節(jié)流可以降低溫度，那么節(jié)流后的工質(zhì)相對于節(jié)流前的溫度就具備一定的制冷能力，我們把這個制冷能力稱為等溫節(jié)流制冷量（圖 5） 單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量 : q=CP1△ T 即： q= CP1 ai（ P1P2）＝ H3 – H2( H1=H2 ， H0=H3) ＝ H0 – H1 (CP1：工質(zhì) 在 P1下的平均定壓比熱 ) 圖 5 一次節(jié)流循環(huán)示意圖 從計算結(jié)果來看，等溫節(jié)流制冷量等于壓縮機等溫壓縮前后的焓差。事實上，如前所述，節(jié)流并不產(chǎn)生冷量，只是通過節(jié)流，把工質(zhì)在等溫壓縮時已具備的制冷量表現(xiàn)出來而已。真正的制冷量是在等溫壓縮過程中產(chǎn)生的，即冷卻水從壓縮機帶走的能量大于驅(qū)動機傳給壓縮機的能量，致使壓縮機出口工質(zhì)的焓值 H1小于入口工質(zhì)的焓值 H0 。 另外，等溫節(jié)流制冷量與節(jié)流前有無換熱器無關(guān)，壓縮工質(zhì)經(jīng)換熱后，在節(jié)流時，并不增加制冷量，而是影響節(jié)流前后的溫度。 單位質(zhì)量的工質(zhì) 節(jié)流后，恢復(fù)到換熱器 I 進口溫度 T1時，吸收的熱量等于 h 3 h h1h2 這部分熱量用來冷卻了壓縮工質(zhì)，因此制冷量； q /＝ (h3 h4)— (h1 h2) 而 h2 = h4 故 q /＝ h3 h1 即制冷量 q /與上面推導(dǎo)出來的沒有換熱器的制冷量 q 相同，都等于 h3— h1。 (4).膨脹制冷 利用透平膨脹機制冷是空分裝置制取冷量獲得低溫的主要途徑，工質(zhì)在膨脹機內(nèi)膨脹，同時對外作功，使膨張后的工質(zhì)大大降溫，膨脹機安置在保冷箱內(nèi)，而且由于過 程進行的很快，來不及與外界進行熱交換．所以膨脹過程近似可以 看成是絕熱過程，在理想狀況下（即工質(zhì)在膨脹機內(nèi)沒有任何摩擦 ） ，膨脹過程 熵 值不發(fā)生變化。 如圖 6 中 1→ 2 所示：實際上，由于氣體與氣體之間，氣體與機器壁面之間不可避免地要產(chǎn)生摩擦，摩擦熱又傳給氣體，使膨脹后氣體的溫度及焓值增加，熵也增加。實際的絕熱膨脹過程應(yīng)如圖 6 中 1→ 3 所示，實際的絕熱膨脹焓降為 i1— i3,它比理想的絕熱膨脹焓降i1— i2要小。 圖 6 T –S 圖 通常把氣體實際的絕熱膨脹焓降與理想的絕熱膨脹焓降之比，稱為膨脹機的 等熵效率，用η s 表示； η s=(i1is)/(i1i2) 透平膨脹機的等熵效率與設(shè)計制造的質(zhì)量有關(guān)，同時與安裝、維修也密切相關(guān)。正常情況下，現(xiàn)在的透平膨脹機的等熵效率一般都能達到 85％以上。 經(jīng)膨脹機膨脹后的降溫效果要比節(jié)流好的多，這是由于當(dāng)氣體經(jīng)膨脹機膨脹時，除了產(chǎn)生節(jié)流降溫效果．氣體還同時在膨脹機中對外作功，消耗氣體自身的能量，使分子的動能進一步減少，因此降溫更顯著。 膨脹機前后的壓差及膨脹機進口的工質(zhì)溫度，直接影響著膨脹機的制冷效果。如果膨脹機的等熵效率保持不變，進口溫度一定時，當(dāng)壓差越大，那么單 位質(zhì)量的工質(zhì)膨脹后的焓降也越大，對外作功也越多，溫度降低越顯著，當(dāng)膨脹機前后的壓差一定時，提高進膨脹機的溫度，膨脹后的工質(zhì)溫度升高，則降溫效果變大，單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量增加。 對于理想氣體，膨脹溫降可以用下面的關(guān)系式精確表達： (雙原子的理想氣體 R=) 對于實際氣體，膨脹過程的溫降常用熱力學(xué)圖（ T 一 S 圖 ） 查找。 (5).膨脹機的制冷量 膨脹機的作用相當(dāng)于 — 個對外作功的節(jié)流閥。所以單位質(zhì)量的膨脹工質(zhì)的制冷量分為兩部分：見圖 7 圖 7 膨脹機制冷循環(huán)示意圖 q＝等溫節(jié)流制冷量 +膨脹機的輸出功 =(i1 – i4)+(i2 – i3)． (6).膨脹機工作時的能量轉(zhuǎn)移 壓力工質(zhì)進入膨脹機進行絕熱膨脹后，以較低的溫度和壓力排出機外，同時膨脹機對外作功。過去常用電機或風(fēng)機作為膨脹機的制動設(shè)備?，F(xiàn)在往往用單級離心壓縮機 (增壓器 )作為制動裝置。增壓器獲得膨脹功后，將送入膨脹機的工質(zhì)進一步升壓。隨著膨脹機入口壓力增加，單位質(zhì)量的工質(zhì)制冷量也將增大。當(dāng)空分裝置的冷量要求一定時，膨脹量就可以因此減少。 圖 8 膨脹機工作能量轉(zhuǎn)移示意圖 另外，采用增壓器這種制動方式還避免了機械能轉(zhuǎn)變成電能所導(dǎo)致的損失，提高了膨脹功的回收效率。所以說它是先進的。 膨脹機在絕熱條件下工作，根據(jù)能量守恒： G 膨 i1 = W 膨十 G 膨 i2 所以 ： W 膨 = G 膨 (i1 i2) (7).節(jié)流制冷與膨脹制冷的比較 : ，膨脹制冷要比節(jié)流制冷強烈得多。 ，節(jié)流閥結(jié)構(gòu)很簡單，操作也方便，而膨脹機是一套機組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作、 維修要求高。 ，節(jié)流閥適用于氣液兩相區(qū)內(nèi)工作，即節(jié)流閥出口可以允許有很大的帶液量，但目前帶液的兩相膨脹機，其帶液量尚不能很大。 根據(jù)以上特點，在全低壓空分裝置中．一般都同時采用節(jié)流制冷與膨脹制冷，互補所缺。 (8).裝置的冷量平衡 維持系統(tǒng)的冷量平衡，是空分裝置正常運行的基本保證，空分裝置的冷量損失主要包括以下幾項： ：透過保冷層，周圍大氣傳遞給冷箱內(nèi)低溫設(shè)備及管道的熱量，即相對冷箱而言損失了的冷量，叫跑冷損失。 ：低溫氣體離開冷箱時，在理想狀態(tài)下它應(yīng)復(fù)熱到 正流工質(zhì)進入冷箱的溫度，這樣冷量可全部回收，但由于存在傳熱溫差，在換熱器熱端，復(fù)熱工質(zhì)不能達到正流工質(zhì)的進口溫度而帶走的冷量損失。 （如果不生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品，就沒有這項冷損 ） 。 ：當(dāng)裝置有泄漏時，損失了一部分低溫液體或氣體，這種損失屬于其它冷損。 在正常生產(chǎn)過程中，空分裝置處于穩(wěn)定流動狀態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，則有：等溫節(jié)流制冷量 +膨脹機制冷量 =跑冷損失 +熱交換不完全損失 +液體產(chǎn)品帶走的冷損。 如圖 9 所示。 (注：對于內(nèi)壓流程而言，冷損中還包括高壓氧氣帶走的 冷，該項冷量相當(dāng)于等溫壓縮制冷的逆過程。 ) 圖 9 空分裝置其它冷損示意圖 該等式也可以用焓值來表示： 跑冷損失十進入冷箱各項工質(zhì)的焓值之和 = 離開冷箱的各項工質(zhì)的焓值之和十膨脹機的輸出功，即： 空氣在低溫下變成液體，由于其中氧和氮的蒸發(fā)溫度不同，就可以通過專門設(shè)備（精餾塔），將它們彼此分離。 在第二節(jié)開始介紹了空氣是混合物，其中氧和氮占了 99% ，因此在一般情況下可以近似地把空氣當(dāng)成二元混合物，將氬 歸到氮組分中去。其他微量氣體可以忽略不計，即認(rèn)為空氣中含氧 %，含氮%（體積比） 在介紹精餾分離過程中，為方便起見，我們把空氣當(dāng)做兩元體系。 (1).氧 氮二元體系氣液平衡 某物質(zhì)在一定溫度、壓力下，如果單位時間內(nèi)離開液體的分子數(shù)目和回到液體內(nèi)的分子數(shù)目相等，這是整個氣液系統(tǒng)便處于平衡狀態(tài)。當(dāng)氣 液處于平衡狀態(tài)時，液面上方的蒸汽叫飽和蒸汽，飽和蒸汽壓力稱為飽和壓力，其對應(yīng)溫度稱飽和溫度，也叫沸點。 對于單一物質(zhì)，例如氧、氮等，其飽和蒸汽壓與沸點相對應(yīng)，而沸點隨飽和蒸汽壓的升高而升高，反之亦然。 不同的物質(zhì)，在同一溫度