空分问答,制冷与液化.doc

1、什么叫制冷?答：在日常生活中我们可以看到，一杯热水会自然地冷却到周围的环境温度为止，一块冰会在 0℃以上的环境中自然融化成水但是水不会自发地降低到比周围空气更低的温度而结冰这些现象说明自然界的一个基本规律：热只能自发地从高温物体传给低温物体，而相反的过程不能自发地进行用人为的方法获得比环境更低的温度，是可以实现的但是，这需要花费一定的代价，即消耗一定的能量(功，电能等)才能实现这种人为地获得低温的过程，就叫“制冷”我们常见的冰箱、空调机就是靠制冷机实现制冷过程而获得低温的它必须要消耗电能，带动压缩机工作制冷机中循环工作的物质叫“制冷剂”它是一种低沸点的物质，常用的有氨、氟里昂等将这些工质在气态压缩后，在常温下就能在冷凝器中放出热量而冷凝成液体再通过节流膨胀降压，使其饱和温度降低到比环境更低的温度它就可以通过在蒸发器中蒸发吸热，来冷却别的物质(空气、水、食物等)，达到制冷的目的工质本身则在蒸发器中吸热气化后，又返回到压缩机中再次压缩如此循环地工作，实现连续制冷在制氧机中，要将空气温度降低到液化温度，这也是一个制冷过程，因此，必须有压缩机，并以消耗电能为代 价只是制氧机中是以空气为工质，靠将空气先压缩、再膨胀的方法达到降温的目的。

然后再来冷却空气本身，直 至达到液化温度而被液化2、什么叫热量，什么叫冷量?答：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体会变冷，温度低的物体会变热这是由于高温物体有能量传递给低温物体这种能量变化的大小通常用“热量”这个物理量来度量物体内部能量减少，是因为放出了热量；反之，则是吸收了热量通常体现在温度或物态的变化热物体相对于冷物体来说，具有放出热量的能力；冷物体相对于热物体来说，具有吸收热量的能力因此，热量的单位也就是能量的单位按照国家标准是采用焦耳(J)为单位，工程上常用千焦(kJ) “冷量”是在制冷领域的一种习惯用语因为要获得比环境更低的温度，是要靠制冷机化费电能才能获得的也就是说，要从低温物体取走热量是要花费代价的由于它的温度低于环境温度，就具有了自发从环境吸收热量的能力它所能吸收热量的最大能力，是将它的温度升高到环境温度时所能吸收的热量这个吸热能力的大小就称为冷量物体的温度越低，数量越多，则吸收热量的能力越大，就叫具有的冷量越多由此可见，冷量只是对某一种热量的特殊称呼这种吸热能力是花费代价才得到的，显得更为珍贵在数 量上等于制冷时从低温物体取走的热量，也等于低温物体所能吸收的热量(均以环境温度为基准)。

3、空气为什么也能变为液体?答：通常我们看到的空气是处于气体状态，而水则容易变为气态(水蒸气)和固态(冰)实际上，任何物质都有可能以气、液、固三种状态存在这种状态之间的转变称为“相变”产生相变的温度取决于物质的种类和压力产生相变的内在原因是由于当温度变化时，组成该物质的分子运动情况发生了变化温度降低时，分子运 动减慢，分子之间的距离缩小，相互之间的作用力增强，直至吸引力增大到处于液体状态此时的温度就是液 化温度由于空气在大气压力下的液化温度在-191.3～-194.3℃，所以在常温下均以气态形式存在但是，只要 温度足够低，空气不但能转变为液体，甚至也可能转变为固体4、在空分塔顶部为什么既有液氮，又有气氮?答：在煮开水时我们可以看到，在大气压力下，温度升高到 100℃，水开始沸腾但是，水不是一下子全部变成蒸汽的，而是随着吸收热量，蒸汽量不断增加在汽、液共存的阶段，叫“饱和状态”该状态下的蒸汽叫“饱和蒸汽”，水叫“饱和水”在整个汽化阶段，蒸汽与水具有相同的温度，所以又叫“饱和温度”精馏塔顶部的情况与此类似，气氮与液氮是处于共存的饱和状态，具有相同的饱和温度但是，相同温度 下的饱和液体及饱和蒸气属于不同的状态。

饱和蒸气放出热可冷凝成饱和液体，温度保持不变，这部分热量称 为“冷凝潜热” ；饱和液体吸收热可气化成饱和蒸气，温度也维持饱和温度不变，这部分热量称为“蒸发潜热” 对同一种物质，在相同的压力下，二者在数值上相等5、为什么液氮过冷器中能用气氮来冷却液氮?答：液氮过冷器利用上塔引出的低温气氮来冷却从下塔引出的液氮，以减少液氮节流进入上塔时的气化率为什么气氮的温度反而会比液氮温度低呢?这是因为对同一种物质来说，相变温度(饱和温度)与压力有关 压力越低，对应的饱和温度也越低(见图 8)在上塔顶部，处于气氮和液氮共存的饱和状态，二者具有相同的 饱和温度氮气出上塔的绝对压力在 0.13MPa 左右，对应的饱和温度为-193℃，出塔的氮饱和蒸气的温度也为 该温度而下塔顶部的绝对压力为 0.55MPa 左右，对应的氮饱和温度为-177℃左右抽出的饱和液氮也为该温 度该液氮的温度要比上塔气氮的温度高 16℃左右，因此，两股流体在流经液氮过冷器时，经过热交换，液氮 放出热而被冷却成过冷液体，气氮因吸热而成为过热蒸6、冷凝蒸发器中为什么液氧温度反而比气氮温度低才会吸热蒸发?答：在冷凝蒸发器中，来自上塔底部的液氧被来自下塔顶部的气氮加热而蒸发，部分作为氧产品而引出，部分作为上升气参与上塔的精馏；气氮则放出热而冷凝成液氮，部分作为回流液参与下塔的精馏，部分节流至上塔顶部参与上塔的精馏。

这说明在冷凝蒸发器中，气氮的温度是高于液氧的我们知道，在同样的压力下，氮的饱和温度是比氧的饱和温度要低在标准大气压(0.1013MPa)下，氮的液化(气化)温度为-195.8℃，氧的液化(气化)温度为-183℃但是，该饱和温度是与压力有关的，随着压力提高而提高由于下塔顶部的绝对压力在 0.58MPa 左右，相应的气氮冷凝温度为-177℃；上塔液氧的绝对压力约为0.149MPa，相应的气化温度为-179℃所以，在冷凝蒸发器中，气氮与液氧约有的 2℃的温差热量是由气氮传给液氧需要注意的是，1kg 液氧的蒸发潜热与 lkg 气氮的冷凝潜热是不相等的在上述温度下，氧的气化潜热为 207kJ/kg，氮的冷凝潜热为 168kJ/kg因此，热量由气氮传给液氧后，氮的冷凝量约为氧的蒸发量的 1.23 倍7、节流膨胀及膨胀机膨胀的温降有限，空气在空分设备中是如何被液化的?答：在空分装置中要实现氧氮分离，首先要使空气液化，这就必须设法将空气温度降至液化温度空分塔下塔的绝对压力在 0.6MPa 左右，在该压力下空气开始液化的温度约为-172℃因此，要使空气液化，必须有一个比该温度更低的冷流体来冷却空气我们知道，空分设备中是靠膨胀后的低温空气来冷却正流压力空气的。

空气要膨胀，首先就要进行压缩，压缩就要消耗能量空气膨胀可以通过节流膨胀或膨胀机膨胀但是，这种膨胀的温降是有限的对 20MPa、30℃的高压空气，节流到 0.1MPa 时的温降也只有 32℃空气在透平膨胀机中从 0.55MPa 膨胀至 0.135MPa 的温降最大也只有50℃，还远远达不到空气液化所需的温度空分设备中的主热交换器及冷凝蒸发器对液体的产生起到关键的作用主热交换器是利用膨胀后的低温、低压气体作为换热器的返流气体，来冷却高压正流空气，使它在膨胀前的温度逐步降低同时，膨胀后的温度相应地逐步降得更低，直至最后能达到液化所需的温度，使正流空气部分液化空分设备在启动阶段的降温过程就是这样一个逐步冷却的过程膨胀后的空气由于压力低，所以在很低的温度下仍保持气态例如，空气绝对压力为 0.105MPa 时，温度 降至-190℃也仍为气态它比正流高压空气的液化温度要低对于小型中、高压制氧机，在启动阶段的后期， 在主热交换器的下部，就会有部分液体产生，起到液化器的作用；对于低压空分设备，另设有液化器，利用膨 胀后的低温低压空气来冷却正流高压(0.6MPa 左右)低温空气，使之部分液化同时，冷凝蒸发器在启动阶段后 期也起到液化器的作用。

膨胀后进入上塔的低温空气在冷凝蒸发器中冷却来自下塔的低温压力气体，部分产生 冷凝后又节流到上塔，进一步降低温度，成为低温、低压返流气体的一部分，使积累的液体量逐步增加8、什么叫制冷量?答：制冷就是要从比环境温度低的装置内取走热量，以平衡由外部传入的热量，使装置保持低温状态，或使内部温度不断降低，直至不断积累起低温液体热量只能从高温物体传给低温物体，要从低温物体取走热，首先要用人工的方法，造成一个更低温度的状态，使它具有吸收、并带走热量的能力理论上讲，制冷量就是指这个带走热量能力的大小根据制冷造成低温的方式不同，制冷量可分为以下三种，如图 22 所示1)节流效应制冷量进入空分装置压力较高的空气，在装置内经过节流阀及管路、设备等压力降低而膨胀通常，节流过程将造成温度降低，气体所具有的带走热量的能力，就是低压气体在离开装置时恢复到进口温度相同时所能带走的热量这说明，在同样的温度下，压力高的气体具有的能量(焓)比低压时要小，二者能量(焓)的差值就是所能吸收的热量，即叫做节流效应制冷量2)膨胀机制冷量压力较高的气体经过膨胀机膨胀时，由于气体推动叶轮旋转，对外输出功，因而气体本身的能量(焓)减小，温度显著降低。

它所具有的带走热量的能力，就是吸热后恢复到膨胀前的能量因此，膨胀机膨胀前后的能量(焓)之差就是膨胀机制冷量3)冷冻机提供的制冷量采用分子筛净化的空分设备，往往用冷冻机的低温工质来预冷空气，以提高吸附净化效果这是由空分设备外部提供的制冷量，就是指冷冻水从空气带走的热量，它可使所需的节流效应和膨胀机制冷量减少制冷量与冷量两个概念有区别又有联系制冷量是装置的属性，冷量是物质的属性通过制冷机(包括空 分设备的空气压缩、膨胀)制冷，能使物质温度降低；物质在温度降低后具有了吸热的能力，即通过装置制冷， 使物质具有了冷量9、冷冻机是如何产生制冷量的?答：冷冻机利用人工的方法，依靠消耗能量(功或热)，不断从被冷却物质带走热量，实现获得低于环境温度的过程目前最常用的冷冻机是压缩式冷冻机，它的基本组成如图 23 所示它以沸点低的物质(氨、氟里昂等)作为工质，叫“制冷剂”，在蒸气压缩机 1 中消耗外功 w，将制冷剂压缩到一定的压力，相应的饱和温度将高于环境温度在经过冷凝器 2 时，向冷却水放出热 Q1 后，本身被冷凝成液体，再经过节流阀 3 节流降压，将有部分液体气化，并且随着压力降低，对应的饱和温度也降低。

它的温度可低于被冷介质(冷冻水等)的温度，因此可以在蒸发器 4 中从被冷介质吸收热量 Q2，制冷剂又蒸发成低压蒸气，重新返回到压缩机循环工作所以，制冷机的制冷与制氧机内的制冷相比，共同点是都有压缩机需要消耗功不同点是制冷机需要靠低沸点工质的相变，而制氧机内压缩、膨胀的是空气本身制冷机的制冷量是指单位时间内从低温物质(冷冻水)带走的热量 Q2(kw)需要注意的是，在空分设备内是 间接的用冷冻水来冷却空气，所以制冷机的制冷量并不等于空分装置获得的冷量但是，可以根据冷冻水的流 量及进、出口温度，确定所需制冷机的制冷量大小一般，冷冻水进蒸发器的温度在 16～18℃，出口温度为 5～7℃在这样的温度范围，常用的制冷剂为 R11、R12 等10、什么叫节流，为什么节流后流体温度一般会降低?答：当气体或液体在管道内流过一个缩孔或一个阀门时，流动受到阻碍，流体在阀门处产生漩涡、碰撞、摩擦，如图 24 所示流体要流过阀门，必须克服这些阻力，表现在阀门后的压力 P2 比阀门前的压力 P1 低得多这种由于流动遇到局部阻力而造成压力有较大降落的过程，通常称为“节流过程”实际上，当流体在管路及设备中流动时，也存在流动阻力而使压力有所降低。

但是，它的压力降低相对较小，并且是逐渐变化的而节流阀的节流过程压降较大，并是突然变化的例如，空气流经主热交换器的压降约在 0.01MPa 左右，而液空从下塔通过节流阀节流到上塔时，节流前后的压降可达 0.45MPa在节流过程中，流体既未对外输出功，又可看成是与外界没有热量交换的绝热过程，根据能量守恒定律， 节流前后的流体内部的总能量(焓)应保持不变。