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我们知道，压缩机是帮助气体升压的一种机械设备，需要输入机械能转化为气体的内能。不过，在工业上并不是所有的流程都是升压操作的，尤其是对于一些高压的反应器，反应产物在进行后续的分离处理时，往往会降低压力，当气体减压时，流体的内能就会损失掉，能否有一个将内能转化为机械能的设备呢？（刚好和压缩机相反）这就是今天的主角，透平。 大家在Aspen Plus的压缩机模块一栏也会发现有两个完全相反的图标，从左到右，大进小出就是压缩机，小进大出的就代表透平。很好理解，压缩机在升压的同时，流体的体积会变小，而透平在减压的同时，流体的体积相应变大。 说透平，大家可能会觉得陌生，换个名字：涡轮，可能就不会那么陌生了，至于为什么叫透平呢？其实这是一个外来词，透平的英文名叫Turbine，是音译过来的。我们在压缩机的模拟中，不管选择哪个图标，设置界面都会有两种模式选择，Compressor（压缩机）或者Turbine。 当然，通常我们所说的透平，或者涡轮，概念比这个更广一些，流体不局限于气体，也有液体，比如水电站水从高处流往低处，损失的势能转换为动能，冲击水轮机（涡轮）转动进而带动发电机发电。所以可能我们平时注意不到，在Aspen Plus的泵模块中，模型的选择也有Pump（泵）和Turbine两种选项。在不同的领域，这种设备可能会被称为水轮机、蒸汽轮机、燃气轮机等等，但是它们都属于透平。 以往在化工设计竞赛当中，也有队伍使用透平作为一种节能的方式，例如2017年中国石油大学（北京）碣石观沧海团队在高压反应器出口就使用了汽轮机以利用减压损耗的内能，所以，这种节能的方式是有很多同学已经可以想到的。 我们可能听说过“涡轮增压”这么一个词汇，使用在飞机或者汽车的发动机上。基本原理其实较为简单，在汽车发动机上，发动机排气管的废气连接涡轮室，推动涡轮转动，而涡轮则与发动机空气进气口所连接的增压室的叶轮同轴相连，因此就可以驱动叶轮转动以压缩空气，从而提高发动机燃烧效率，并且空气被压缩，那么燃烧室就可注入更多的燃料，燃烧量的上限也可以增加，从而提高了发动机的功率和效率。 涡轮增压示意图 图源：百度百科透平在能量回收领域有非常重要的应用，例如有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle），它常用于低品位能量的回收，目前工业生产中有50%的低温余热因为不进行利用而直接排入大气浪费掉，造成了能量的浪费和环境的破坏。有机朗肯循环就是一种回收余热的办法，其核心的的设备就包括蒸发器、透平、冷凝器和机泵。有机工质经过蒸发器与低温余热换热变为具有一定压力的蒸汽，然后经透平膨胀做功，带动发电机或者其他动力机械运转，从而达到回收余热的目的。有机朗肯循环发电技术在化工设计竞赛当中也有很多队伍使用，具体可查看文末的往期文章“余热回收”。 有机朗肯循环示意图 图源：中国石化所以说，透平（涡轮）这个设备在发电、汽车、航空航天、化工、节能环保等领域都有很大的应用，对于我国推进节能减排具有重要意义。
注：文章首发公众号“化工研学社”，知乎号“叶上初阳”，欢迎关注！
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发表于 2022-8-15 09:14:59
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