1 第二章 制冷技术
为使空气液化，需要获得低温，工业上常用两种方法，即空气通过节流阀或膨胀机的膨胀制冷获得低温，甚至液化。这两种方法是以气体的膨胀为基础的。
2.1 空气的液化
2.1.1 流膨胀效应
通常把高压流体流经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流。节流孔径越小，则局部阻力越大，节流前后的压力变化也越大；反之，就越小。在实际工作中，为了调节，通常用节流阀代替节流孔。
气体在节流时，既无能量输出，也无能量输入，所以气体节流前后的能量保持不变，即节流前后的焓值相等。这是节流过程的基本特点，因此节流过程可看作是近似的绝热过程。
实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流后的温度是发生变化的。这种现象叫节流效应（焦耳－汤姆逊效应）。
空气经过节流，虽然可降低温度，但对外没有热量交换，也没有做功，因此节流过程本身并没有产生冷量。
节流特点：节流效应与节流前的压力和温度有关。节流前的温度降低，节流效应增大。节流前的压力增高，节流效应变小。
等温节流制冷时，气体需经历等温压缩和节流膨胀两过程才具有制冷量。
2.1.2 膨胀制冷
气体对外做功的机器称为膨胀机。气体在膨胀机中一边膨胀，其内位能增加，又一边对外做功，这两部分能量消耗都需要用内动能来补偿，所以气体在膨胀机中等熵膨胀，焓值下降，温度必然降低。
高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量的气体内能（焓值减小）。另外，还由于膨胀时气体体积增大，分子距离也要增大，但是分子间有吸引力，为了克服分子间的吸引力又要消耗气体分子的一些动能（动能减小）。这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度。所以等熵膨胀后，气体温度总是下降的。
气体等熵膨胀产生的温差，不但随着膨胀前后的压力比值增大而增加，而在膨胀前后压力不变的情况下，还随着膨胀前的温度的变化而变化。所以为了获得较大的温降和单位制冷量，可采用增加膨胀比和提高膨胀前温度的方法。但不是无限制的，而是在合理的等熵效应范围内进行。
2.1.3 节流与等熵膨胀的比较
在制冷量和温度效应多寡方面，等熵膨胀比节流膨胀制冷效果显著。但节流过程用节流阀结构简单，调节方便，并且可以工作在气液两相区内。
2.2 膨胀机
绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。而作为用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。
现代空分设备对膨胀机的要求：更高的整机效率；更好的稳定及调节性能；更安全及可靠的保护系统；更长的运行周期及使用寿命等。
对于空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补充、产品产量的有效调节等都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要。
透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称为速度型膨胀机。工质在透平膨胀机的流通部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能 2 和温度。
2.2.1 作用和分类
按结构分有两种，活塞式膨胀机和透平式膨胀机。
按工质在膨胀过程所处的状态，可分为气相透平膨胀机和两相透平膨胀机。
按透平膨胀机的制动方式，可分为风机制动膨胀机、增压机制动膨胀机、电机制动透平膨胀机、油制动透平膨胀机。
根据透平膨胀机的轴承不同形式，可分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平膨胀机和磁轴承透平膨胀机。
根据工质在工作轮中流动的方向，透平膨胀机可分为径流式、径－轴流式、轴流式。现代空分设备普遍采用的是向心径－轴流反动式透平膨胀机，它具有焓降大、允许转速高、结构简单和热效率高的特点。
2.2.2 工作原理及基本方程
1、工作原理
透平膨胀机是一种高速旋转的机械，它是利用工质流动时速度的变化来进行能量转换的，因此称为速度型膨胀机。它由膨胀机通流部分（由蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器组成）、制动器及机体三部分组成。
工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。
膨胀工质由进气管进入蜗壳，被均匀地分配进入喷嘴；经过喷嘴膨胀，降低了压力和温度后进入工作轮，在工作轮中工质进一步膨胀做功；然后经由扩压器排入膨胀机的出口管道，而膨胀功则由工作轮相连的主轴向外输出。由膨胀机主轴输出的能量可被用来驱动一台压缩机或一台发电机。以使透平膨胀机有一个稳定的运行条件。
2、基本方程
⑪ 状态方程
相对来说，在空分设备用透平膨胀机的计算中，利用压缩性系数Z来对理想状态方程进行修正是最方便的，精度也能满足要求。
pv=ZRT
式中：p－绝对压力，Pa；
v－气体比体积，m3/kg；
R－气体常数，J/（kg·K）；
T－气体温度，K。
压缩性系数可由Z－p图表中查得。
⑫ 连续性方程
在透平膨胀机流道中，一般流动过程可简化为一元稳定流动时，如果在流体流经的任意两截面间即没有流体加入，也没有流体排出，则在该管道内的每一个与流速方向垂直的横截面上单位时间内流过的流体质量始终不变。
m222111fcfc
式中：m－质量流量（膨胀气量），kg/s；
－气体密度，kg/m3；
1c、2c－气体在两个状态下的速度，m/s； 3 f－垂直c的流道截面积，m2；
从上式中可看出，当流体体积流量一定时，流道截面积和气体速度成反比关系。
⑬ 动量方程
在透平膨胀机的固定流道（如喷嘴和扩压器）中，对于一元稳定流动，下面方程得到广泛的应用。
21（2122cc）=1kkZRT11121nnPP
上式适用于有摩擦的不可逆的绝热流动过程。
⑭ 能量守恒方程
根据能量守恒定律，当工质在绝热过程中，与外界既无热量交换，又无动能传递，则膨胀过程从始到终的单位质量能量是不变的，即：
22222211chch常数
式中：221c、222c－工质在两个状态下的动能，J/kg
2.2.3 透平膨胀机的损失、产冷量及效率
透平膨胀机的损失基本上分为两大类：内部损失和外部损失。内部损失影响膨胀机的等熵效率；外部损失只对膨胀功的回收和利用率有影响。内部损失又可分为流道损失和非流道损失。在气流流经的通道中，因气流与壁面、气流与气流之间的摩擦和冲击而引起的损失等统称为流道损失。而工作轮与静止件之间的气体摩擦、气体内泄漏等损失称为非流道损失。综合起来，影响透平膨胀机等熵效率的主要损失有5种。
1、喷嘴损失
膨胀气体流经喷嘴时，会产生流道表面的阻力、局部涡流和气流冲击等损失。它与气体流动速度、喷嘴叶片叶型、叶片高度，叶片表面粗糙度及叶片出口边缘（尾部）厚度等因素有关。
2、工作轮损失
气体在叶轮流道中的流动损失。当气体流经叶轮流道时，由于叶片型线、表面粗糙度等因素引起的摩擦损失，气体流动时的涡流和冲击损失等。
3、余速损失
现代透平膨胀机中，气体多以较高的气流速度排出叶轮后进入扩压器，经扩压器来进一步降低介质的速度（压力和温度升高），使其达到允许值。实际上，气体在扩压器中的流动是一种压缩过程，需要消耗部分能量。对透平膨胀机来说，同样减少了有效能量。这两部分能量的损失称余速损失。
4、轮背摩擦鼓风损失
轮背摩擦鼓风损失是有叶轮轮背、轮盖和静止元件之间间隙中的气体而产生的。紧靠轮背、轮盖的那部分气体附着在叶轮上，以和轮背、轮盖相同的圆周速度运动，而紧靠壳体的那部分气体则和壳体一样，是静止不动的，在这个间隙中形成了一个速度梯度。这一速度梯度是由于气体的粘性引起的，因而要消耗一定的摩擦功。这部分摩擦功又转换成热量，通过叶轮把热量传给气体，提高了工作气体出工作轮时的比焓值，因而降低了制冷量。
5、泄漏损失
泄漏损失包括内漏损失和外漏损失两种。
对闭式叶轮，在轮盖处采用迷宫密封，有一小股工作轮前未经喷嘴的气流，经密封器与叶轮间的缝 4 隙漏出，它与经工作轮喷嘴后的低比焓气体在叶轮出口处汇合，从而使叶轮出口处气体的比焓升高，降低了膨胀机的制冷量，这种损失称为内泄漏损失。
在半开式工作轮中，由于没有轮盖，无法设置密封器，这时希望尽量减少叶片和固定件的间隙。工作轮的一小股气流，经轮盘外侧与壳体之间的缝隙，沿轴向外界泄漏，这种损失称为外泄漏损失。它不会影响膨胀后气体的比焓，仅仅是减少了有效膨胀气体量，影响了膨胀机的总制冷量。
透平膨胀机组
2.2.4 拆装说明
膨胀机的拆装必须在十分清洁的条件下进行，所有零件特别是轴承、密封、叶轮和喷嘴叶片等必须特别小心地处理。
膨胀机的冷箱、蜗壳、紧急切断阀、喷嘴调节机构等，一般是不拆卸的，因为可以从膨胀机热端拆卸内部零件。
拆卸膨胀机内部零件的步骤如下：
先拆卸增压机进出口管道，再拆去进出油管、轴承温度计、测速头、密封气管、仪表管等，而后松开并取出增压机与底架间的紧固螺栓（注意别松动支撑增压机下部的支撑螺栓），松开并取出机身与前隔板的紧固螺栓，钩住机身上的吊环螺钉，并托住膨胀机端，最后将机身徐徐退出（此时当心不要碰坏膨胀叶轮），并将它放在清洁的工作台上水平垫稳，准备进一步解体。
将放在工作台上的增压机蜗壳及后隔板拆下，再将装在机身上的转子两端的膨胀叶轮和增压叶轮、密封拆下，托住主轴一端将其另一端的轴承取出。
膨胀机的装配程序和拆卸程序相反。
在进行装拆工作时，必须注意如下事项：
1、拆卸的各零部件应做好对应标记，复装时按标记进行装配。
2、每次安装都必须对轴承间隙进行检查，保证径向和止推间隙值在规定范围之内。
3、转子更换零部件或对转子动平衡有怀疑时（运转时可根据其声音的变化及机器振动情况，判断其平衡性），必须按转子结合部的要求重新校正动平衡。
4、必须按透平膨胀机总图要求进行调整，使喷嘴叶片和膨胀叶轮的中心对齐。
5、注意保护测速传感器探头表面，避免碰伤；调整测量距离在规定范围内。
6、注意保护喷嘴叶片两端面及滑动盘的配合面，避免拉毛划伤。
7、如果必须拆装可调喷嘴和喷嘴调节机构，可按透平膨胀机总图进行。
2.2.5 透平膨胀机的调节
1、性能曲线
将透平膨胀机中一些主要参数之间的相互关系用曲线形式表示出来，称为透平膨胀机的性能曲线。
2、制动器形式
每台膨胀机都配制动器。制动器作用是消耗透平膨胀机的功，控制其转速，维持膨胀机在最高效率点运行，同时也防止透平膨胀机“飞车”。
⑪ 风机制动
即在工作轮同轴上装有风机轮，风机轮吸入空气，压缩后放空。优点是设备简单，机组紧凑，造价低，维护操作方便。缺点是不能回收功，而且噪声大。
⑫ 电机制动
是在工作轮同轴装上发电机转子，将膨胀机的功转换为电能送入电网。优点是回收电能，制动无噪音。缺点是设备成本高。
⑬ 增压机制动
增压机的叶轮装在膨胀机的同轴的另一侧，气体对工作轮做功使之转动，增压器的叶轮也同速转动，将气体增压后再送入膨胀机的工作轮。优点是增加单位制冷量。
