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)。
88.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。
89. 中压制氧机中空气冷至于-150℃就有部分被液化，低压制氧机中为什么冷到-171℃还是气体? 答：气体的液化温度不仅与气体的种类有关，还与压力的高低有关。压力越高。分子之间的距离越近，越容易互相吸引而转变为液态。因此，液化温度是随压力升高而降低的。对于空气来说，压力为2.45MPa时开始液化的温度为-149℃；而在0.59MPa的压力下，开始液化的温度降为-173℃。对中压制氧机，一般的工作压力在2.45MPa左右，因此，当空气冷至-150℃时，已低于开始液化的温度，就有部分液空产生。对于低压制氧机，工作压力在0.59MPa左右，因此，在主换热器中冷却至-171℃，也未达到该压力对应的液化温度，还处于气体状态。
采用提高压力的方法来提高液化温度并不是没有限度的。对空气来说。温度高于-140.6℃时，即使压力再高也无法使空气液化。也就是说，-140.6℃是使空气液化的最高温度，叫“临界温度”。对每一种物质，都存在这样一个临界温度，氧为-118.4℃；氮为-146.9℃。通常，越容易液化的物质，相应的临界温度也越高。例如，水在一般情况下均以液态存在，它的临界温度高达374.15℃。在临界温度下，能使该物质液化的压力叫“临界压力”。空气的临界压力约为3.87MPa；氧的临界压力为5.079MPa；氮的临界压力为3.394MPa。
90.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。
91.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气。 92. 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?
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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。
93.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。
94. 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
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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。
95. 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。
96. 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比阀门前的压力低得多。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。但是，组成焓的三部分能量：分子运动的动能、分子相互作用的位能、流动能的每一部分是可能变化的。节流后压力降低，质量比容积增大，分子之间的距离增加，分子相互作用的位能增大。而流动能一般变化不大，所以，只能靠减小分子运动的动能来转换成位能。分子的运动速度减慢，体现在温度降低。在空分设备中，遇到的节流均是这种情况，这也是节流降温制冷要达到的目的。
97. 节流温降的大小与哪些因素有关?
答：节流的目的是为了获得低温，因此希望节流温降的效果越大越好。影响节流温降效果的因素有：
1)节流前的温度。节流前的温度越低，温降效果越大。当节流前的压力为=20MPa，节流后压力为=0.1MPa时，根据空气的热力性质图，可以查到不同的节流前温度下的温降效果。见表9。 表9节流前温度对节流温降效果的影响 节流前322222温度086420Tl/K 0 0 0 0 0 0 节流后22211温度6418 1T2/K 8 0 3 4 523 0 节流温344568降2 0 7 6 7 0 48
(T1-T2)/K
2)节流前后的压差。节流前后的压差越大时，温降越大。例如，当节流前的温度和节流后的压力一定，设T1=200K，=0.1MPa，改变节流前的压力时，根据焓不变的规律，由空气的热力性质图可查得节流温降的变化，如表10所示。
表10压差对节流温降效果的影响 节流前压力2112Pl/MPa 0 5 0 5 .5 节流前后11压差94942(pl-)/MP.....a 9 9 9 9 4 节流后温11111度T2/K 235780 2 l 7 9 节流前后温差86421(T1-T2)/0 8 9 3 1 K 要提高节流前压力，则必须提高压缩机的排气压力，相应地要增加压缩机的能耗，这并不是我们所希望的。对于小型高、中压制氧机，节流温降在制冷中起到相当重要的作用。在装置的启动阶段，为了加快冷却速度，往往采用提高压力的方法来增大节流效应制冷量。待设备正常运转后，所需的制冷量减小时，再降低工作压力。
98. 为什么液空、液氮节流后温度会降低，而自来水流经阀门时温度不见变化? 答：下塔的液空节流到上塔时，温度将从-173℃降低至-191℃；液氮节流到上塔时，温度是从-177℃左右降低至-193℃左右。但是，自来水从阀门流出时，并不能见到温度降低的现象。这主要是因为，空分塔中节流的液体是“饱和液体”；而自来水是“过冷液体”。
所谓饱和液体是指该液体的温度已达到当时压力下的气化温度而尚未气化的液体。如果对饱和液体继续加热，就开始有饱和蒸气产生，温度保持饱和温度不变。如果降低压力，则对应的饱和温度也降低，将有部分饱和液体气化而吸热，成为低压下的饱和液体和饱和蒸气的混合物，温度等于该压力下的饱和温度。液空、液氮的节流都是属于这种情况。在下塔时的温度为下塔压力对应的饱和温度；节流到上塔降压后，温度降为上塔压力对应的饱和温度，并有部分液体气化。 自来水的温度远远低于水压所对应的饱和温度，因为水在大气压下的饱和温度就有100℃，所以一般的水是处在低于饱和温度的过冷状态。对于压力水，节流后的最低压力是大气压，仍不可能达到饱和状态，因此不可能产生气化现象，也就不会发生温度降低的情况。
99.为什么设置液空、液氮过冷器可以减少液体节流后的气化率r 为什么设置液空、液氮过冷器可以减少液体节流后的气化率?
答：下塔节流到上塔的液空、液氮是作为参与上塔精馏的回流液，希望进入上塔时尽量减少气化的比例(叫“气化率y”)。
出下塔的液体是下塔压力所对应的饱和液体，液氮的饱和温度约为～177℃；液空的饱和温度约为-173℃。根据节流过程的特点，节流前后的能量(焓)不变，但节流后由于压力降低，对应的饱和温度也降低。低压饱和液体的比焓(h′2)比节流前的液体比焓(h1)要小，所以，必定有部分液体(y)气化成低压饱和蒸气，其焓值为h″2，使气、液二者的能量之和维持不变。即 h1=(1-y)h′2+yh″2 y=(h1-h′2)/(h″2-h′2)
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或者说由于部分液体气化需要吸热，从而使节流后温度降低。一般，空分塔中的饱和液体节流后的气化率y可达17%～18%。
过冷器是利用出上塔的低温气体来冷却出下塔的饱和液体，使之温度降低到低于饱和温度。这种温度低于饱和温度的液体称为“过冷液体”；比饱和温度低的温度叫“过冷度”。通常，经过过冷器后液体有6～7℃的过冷度，相应的液体具有的能量(焓h1)也减小。由于上塔的压力一定，节流后的低压饱和液体的温度和比焓(h′2)以及饱和蒸气的焓(h″2)维持不变。即上式中只使得分子(h1-h′2)的值减小，分母(h″2-h′2)维持不变，相应地使气化率降低。通常在上述的过冷度下，气化率可降至11%左右。
100. 中压流程空分设备中，空气是在节流阀(节-1)前就有部分液化，还是节流后才部分液化?
答：空气在通过节流阀时，总焓值不变，温度、压力降低。至于节流前后是否产生液体，这取决于节流前的状态和节流后的压力。
从空气的热力性质图(图25)可以看出，有一条饱和曲线作为状态的分界线。饱和曲线的左半条为饱和液体线，右半条为饱和蒸气线，顶点叫临界点。状态处于饱和曲线以下的区域内，为湿蒸气区，则为气、液混合物，表示其中有部分是液态。
对中压流程小型空分设备，空气节流后的压力为下塔压力，约为0-6MPa。对应的饱和液体的比焓为-2450J/mol，饱和蒸气的比焓为2550J/mol。如果节流前气体的比焓小于节流后压力所对应的饱和蒸气的比焓，则在节流后会部分液化。例如，当节流前的压力为4.5MPa，温度降低到145K(-128℃)时(图中点1)，比焓将小于上述饱和蒸气的比焓，节流后(图中点2)状态点落在湿蒸气区，表示已有部分液空产生。
另外，空气的临界点(图中点C)的压力约为3.8MPa，临界温度约为132.5K(-140.6℃)。在该点，气、液已无区别。制氧机在启动时，空气压力高于临界压力，如果在主热交换器中温度降至临界温度以下，则空气会直接液化，节流后又有部分气化。在正常生产时，空气压力(例如2.0MPa)已低于临界压力，对应的饱和蒸气的温度为119K(-154℃)，比焓为1760J/mol。空气在主热交换器中温度降至上述温度，也将有部分空气开始被液化，热交换器的下部起到液化器的作用。这种含液的空气经节流后，仍在饱和区内，保持有一定的液化率，与膨胀空气混合后，以含湿的状态进入下塔。
101. 空气在等温压缩后能量发生怎样变化，为什么?
答：空气在压缩过程中，是靠消耗电能来提高空气压力的。同时，气体的温度也会升高。随着气体温度升高，气体体积要膨胀，压缩更困难，要压缩到同样的压力需要消耗更多的能量。因此，为了减少压缩机的耗能量，在压缩过程中应尽可能充分地进行冷却，一般设置有中间冷却器和气缸冷却水套，用冷却水进行冷却。在最理想的情况下，空气压缩后温度不升高，与压缩前的温度相等，称为“等温压缩”。
在等温压缩时，由于温度不变，气体分子运动的动能没有变化。而压力升高后的质量比体积缩小，分子之间的距离缩小，分子相互作用的位能减小。所以，空气等温压缩后内部的能量反而是减少的。从空气的热力性质图可查到，在同样温度下的空气比焓随压力升高而减小。
为什么空气在压缩时消耗了大量的电能，空气压力提高，空气的能量反而减小了呢?这是否违反能量守恒定律呢?实际上，空气在压缩过程中，除了从外界得到能量，对空气做功外，还向冷却水放出了大量的热，被冷却水带走。根据能量平衡，如果能量的支出大于收入，则只能靠减少内部积余来弥补。空气在等温压缩时就是属于这种情况，放给冷却水的热大于压缩机消耗的功。
102. 节流效应制冷量是如何产生的?
答：节流效应制冷量是利用等温压缩后的气体在节流膨胀中产生的温降，由此而具有的吸收热量的能力。如图26所示，节流效应制冷由压缩、节流、吸热三部分组成。1-2为压缩机的压缩过程。空气压缩后压力升高，在充分冷却的理想情况下，温度不变(称为等温压缩)，如图中的实线所示；2-3为节流过程。在压力降低的同时，温度也降低；3-4吸热过程。低温气体流经换热器时，可以从温度较高的气体吸热，将后者冷却，而前者吸热后温度又恢复到节流前的温度。
在换热器中，低温气体所具有的吸收热量的能力，是它恢复到环境温度时能够吸收的热量。在3-4的过程中，气体温度升高，能量(焓h)增加。增加的能量(h4-h3)即为制冷量。由于节流过程气体的焓不变，h2=h3，所以制冷量等于h4与节流前的焓h2之差。这说明，节流降温过程为吸热作准备，而制冷能力在节流前已具备。节流与吸热是一个综合的过程，所以称为“节流效应制冷量”。
对于等温压缩过程，压缩前后的温度T1、T2均为环境温度，而吸热后的状态4也是恢复为环境状
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