製冷劑的相態變化及其狀態圖

一、製冷劑的相態變化

眾所周知，物質有三種狀態，就是固態、液態和氣態。通常我們把固態的物體叫固體，固體物質內部的分子成有規則的布置，並在一定的晶格節點上振動。液態的物體叫液體，液態物質的分子彼此密集，相對地說是不可壓縮，並具有相互移動位置的趨勢。氣態的物體叫氣體，氣態物質的分子處於不規則的運動中，其密度甚小，分子之間有一定的空隙，可以壓縮，又能均勻地充滿任何形狀的空間。物質的三種狀態，在一定的壓力和溫度條件下是可以相互轉化的。其轉化過程分別稱為：

1.汽化，物質從液態轉變為氣態的過程稱為汽化。

汽化有蒸發和沸騰兩種形式。其中，在液體表面進行的汽化過程叫蒸發，在液體內部產生氣泡的劇烈汽化過程叫沸騰。在一定壓力下，蒸發在任何溫度下都可進行，而沸騰只有液體被加熱到一定溫度才開始進行。當汽液兩相共存並且保持平衡狀態時稱為飽和狀態。此時的蒸汽和液體分別叫做飽和蒸汽和飽和液體，處於飽和狀態的壓力與溫度稱為飽和壓力與飽和溫度。飽和壓力與飽和溫度總是相互對應的，即一定的飽和壓力對應著一定的飽和溫度，反之亦然。二者之間的對應關係是：飽和溫度愈高，飽和壓力也愈高。反之，飽和壓力愈高，飽和溫度也愈高。這是飽和狀態的一個重要特點。

2.冷凝，物質從汽態轉變為液態的過程稱為冷凝或叫做液化。

汽體的液化溫度與壓力有關，增大壓力，可使汽體在較高的溫度下液化。液化的基本方法是降低溫度和增加壓力。

3.升華，物質由固態直接轉變為氣態的過程稱為升華。

4.凝華，物質由氣態直接轉變為固態的過程稱為凝華。例如空氣中的水蒸汽在膨脹閥上結霜時發生的過程。

二、製冷劑的壓—焓圖及熱力性質表

製冷劑的熱力狀態可以用其熱力性質表來說明(常用製冷劑的飽和熱力性質表見附表)，也可以用壓-焓圖來表示。壓-焓圖(lgP-h 圖)是一種以絕對壓力的對數值lgP 為縱坐標，焓值為橫坐標的熱工圖表。採用對數值lgP（而不採用P）為縱坐標的目的是為了縮小圖的尺寸，提高低壓區域的精確度，但在使用時仍然直接從圖上讀出P的數值即可。

1．壓-焓圖(lgP-h圖)的結構

壓-焓圖中有兩條比較粗的曲線，左邊一條為飽和液體線(幹度χ=0)，右邊一條為幹飽和蒸汽線(幹度χ=1)，兩線交於一點K，且將圖分成了三個區域。其中K 稱為臨界點，飽和液體線左側為過冷液體區，幹飽和蒸汽線右側為過熱蒸汽區，兩線之間為溼蒸汽區。

壓—焓圖中有六種等狀態參數線，如圖2-3 所示：

①等壓線P：水平細直線。

②等焓線h：豎直細直線。

③等溫線t：點劃線，其在過冷液體區為豎直線，在溼蒸汽區為水平線，在過熱蒸汽區為稍微向右下方彎曲的曲線。

④等熵線S：為從左到右稍向上彎曲的實線。

⑤等比容線υ：在溼蒸汽區和過熱蒸汽區中，為從左到右稍向上彎曲的虛線，但比等熵線平坦，液體區無等比容線，因為不同壓力下的液體容積變化不大。

壓—焓圖

⑥等幹度線χ：只存在於溼蒸汽區和過熱蒸汽區域內，走向與飽含液體線或幹飽和蒸汽線基本一致。

壓—焓圖上每一點都代表製冷劑的某一狀態，在溫度、壓力、比容、焓、熵、幹度六個狀態參數中，只要知道其中任意兩個獨立的狀態參數，就可以在圖中確定其狀態點，從而查出其它幾個狀態參數。

製冷工程中，高壓區和溼蒸汽區的中間部分很少用到，所以有些壓一焓圖中往往將這兩部分刪去不畫。不同的製冷劑，其壓—焓圖(lgP-h 圖)的形狀也有所不同，常用製冷劑R717、R12 及R22 的飽和熱力性質表見附表。

在工程計算中，根據需要可以查取製冷劑的飽和熱力性質表，根據一個狀態參數，再查取製冷劑的飽和液體或幹飽和蒸汽的其它狀態參數。

2.壓-焓圖(lgP-h圖)的應用

壓-焓圖(lgP-h圖)是進行製冷循環分析和計算的重要工具，在進行製冷循環的熱力分析和計算之前，必須首先確定循環的工作參數，以便利用壓—焓圖再來確定循環的各有關狀態點的參數值，如圖2所示。

圖2-4

點1：為製冷劑蒸汽進入壓縮機的狀態。如不考慮管路的冷量損失，則壓縮機的吸汽溫度t1 即為製冷劑出蒸發器時的溫度t0，即t1=t0，在理想情況下，進壓縮機的製冷劑蒸汽為飽和狀態。如已知蒸發溫度t0，便能知道製冷劑蒸發壓力P0，這樣便能根據P0＝C 的等壓線和幹飽和蒸汽線的交點得出點1。

點2：為製冷劑出壓縮機的狀態，也是進冷凝器的狀態。過程l-2 為製冷劑在壓縮機中絕熱壓縮過程。絕熱過程中熵不變，即S1＝S2，該過程沿點1 的等墒線進行，它與Pk=C的等壓線的交點即為點2。

點5：為製冷劑在冷凝器中凝結成飽和液體的狀態。它可由Pk=C 的等壓線與飽和液體線相交得到。

點3：為製冷劑液體過冷後的狀態。因為製冷劑液體在過冷過程中的等於冷凝壓力Pk，它的溫度低於冷凝溫度，所以Pk=C 的等壓線和tg=C 的等溫線交點即為點3。

點4：為製冷劑出節流閥(膨脹閥)的狀態，也是進蒸發器的初態。因為節流前後的焓值不變，而壓力降低至蒸發壓力P0，溫度為蒸發溫度t0，所以由點3 作垂線（即等焓線）與t0=C 的等溫線相交即得點4。

4—1：為製冷劑在蒸發器中的汽化吸熱過程。這樣根據圖上所得的狀態點，即可查得各狀態點的熱力參數值。

例2-1 絕對壓力為2bar，比容為0.7m3／kg 的氨呈何種狀態？

解：所求的狀態是1gP-h 圖上P＝2bar 的水平線和υ＝0.7m3／kg 的等比容線的交點A(見圖2—4)。因為A 點在過熱區內，所以這時氨的狀態是過熱蒸汽，該狀態點的溫度為20℃，焓值約為1470 kJ／kg。

例2-2 絕對壓力為10bar，溫度為20℃的氟利昂-22 呈何種狀態？

解：所求狀態可由10bar 的等壓線和20℃等溫線的交點B 來表示(見圖2-5)。因為B 點在過冷區內，所以這時氟利昂-22 的狀態為過冷液體，其焓值為224.08 kJ／kg。

例2-3 氟利昂-22 壓縮機吸入的汽體為-5℃的幹飽和蒸汽，如將其絕熱壓縮到PK為12bar時，其壓縮終態的溫度是多少？

解: 壓縮機吸入狀態可由-5℃等溫線與幹飽和蒸汽線的交點C 來確定(見圖2—6)。點C 的熵值S=1.76 kJ／kg·K，因其為絕熱壓縮過程，故壓縮過程熵值不變。因此壓縮終點D 是壓力PK=12bar 的等壓線與S=1.76 kJ／kg·K 的等熵線的交點。由圖上查得此點的溫度Td=47℃即為所求壓縮終態溫度。

綜上所述，壓-焓圖不僅可以簡便地確定製冷劑的狀態參數，並且能表示出製冷循環及過程中參數的變化和能量變化，它可以用線段的長短來表示能量多少。由於製冷劑在蒸發器和冷凝器中的吸熱和放熱過程都是在定壓下進行，而定壓過程中熱量的變化以及壓縮機在絕熱壓縮過程中所消耗的功都可以用焓差來計算，並且製冷劑在節流閥前後的焓值又保持不變，所以利用1gP-h 圖來分析製冷循環及進行熱力計算最為方便。

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