气液集态变化和蒸气的热力性质

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机械制冷与物质的气液集态变化和蒸气的热力性质紧密相关。本节介绍物质气液集态变化的基本知识和蒸气的热力性质。

一、 汽化与冷凝

物质集态由液态转变为气态，称为汽化；反之，物质集态由气态转变为液态，称为冷凝。

(一)汽化

汽化有蒸发和沸腾两种方式。蒸发在任何温度下都能进行，它是仅在液体表面发生的汽化现象。沸腾是在液体表面和内部同时进行的汽化现象。在一定的压力下，液态工质必须达到一定温度才能沸腾。液态工质沸腾汽化时的温度，称为沸点。

物质汽化需要吸收周围环境（即周围的物体或介质）的热量，因而汽化对周围环境有致冷效应。压缩式制冷就是让液态制冷剂流经蒸发器沸腾汽化吸收周围空间的热量来致冷的。

液态工质沸腾汽化时，它向周围环境吸收的热量完全用于自身的集态变化。因此，在沸腾汽化的过程中，虽然吸热，但液态工质及其蒸气都将保持沸点温度不变。液态工质沸腾汽化时吸收的热量是潜热。

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相同压力下，不同液态工质的沸点不同。同种液态工质，在不同压力下的沸点温度也不同。工质的沸点与其压力有一一对应的关系。例如，要求水在5℃沸腾汽化，其对应的压力必须是0.00989kgf/cm²才行。因此，工质在沸腾汽化时若要保持沸点温度不变，还必须保持与该沸点对应的压力不变。液态制冷剂在蒸发器中进行的沸腾汽化的过程，是一种定温和定压的过程。

(二)冷凝

在一定压力下，气态工质温度降低到与该压力相对应的沸点温度时就会冷凝液化。在整个冷凝过程中，蒸气和冷凝的液体温度及对应的压力都将保持不变，同时释放出一定的冷凝潜热。在同一温度（或压力）下，1kg工质的冷凝潜热与其汽化潜热r的量值是相等的。

二、饱和状态

如图1-4-1所示，密闭容器中的液体吸热汽化时，液面上方蒸气分子的密度将逐渐增大。当单位时间内因汽化逸出液面的分子数与因蒸气分子作无规则热运动而回到液体中的分子数相等，这时液体与蒸气的质量都将不再变化，这气液两种集态达到动平衡的状态，称为饱和状态。

处于饱和状态的蒸气，称为饱和蒸气；处于饱和状态的液体，称为饱和液体；未达到饱和状态的液体，称为未饱和液体。

(一)  饱和压力和饱和温度

在同一饱和状态下，饱和蒸气的压力与饱和液体的压力是相等的。饱和蒸气或饱和液体压力，称为饱和压力，用p_S和p_B表示。

在同一饱和状态下，饱和蒸气的温度和饱和液体的温度也是相等的。饱和蒸气或饱和液体的温度，称为饱和温度，用t_S和t_B表示。

工质的饱和压力和饱和温度有着一一对应的关系，并且，饱和温度随饱和压力的增大而升高；或者，饱和压力随饱和温度的升高而增大。

液体工质只能在与其压力相对应的饱和温度下才能沸腾汽化；同样，气态工质也只能在与其压力相对应的饱和温度下才能冷凝液化。

(二)  湿蒸气及其干度

在制冷系统的蒸发器和冷凝器内进行的气液集态变化过程中，制冷剂的饱和液体与饱和蒸气通常是同时存在的。这种饱和蒸气与饱和液体的混和物，称为湿蒸气。完全不含饱和液体的饱和蒸气称为干饱和蒸气，简称为干蒸气。

湿蒸气中饱和蒸气的含量多少，用湿蒸气的干度x表示。用m_v和m_w分别代表湿蒸气中所含饱和蒸气与饱和液体的质量，则湿蒸气的干度

x= m_v /( m_v + m_w)

显然，0≤x≤1。当x=0，表示完全不含饱和蒸气的液体，称为饱和液体；当x=1时，表示完全不含饱和液体的蒸气，称为干蒸气。

制冷系统的蒸发器中，制冷剂饱和液吸热逐渐汽化为饱和蒸气，干度逐渐增加；而冷凝器中，制冷剂饱和蒸气放热逐渐液化为饱和液体，干度逐渐减少。

(三)  临界温度与临界压力

气态工质的温度越高，要使它液化所需的压力也就越高。事实表明，对给定工质，当温度升高到超过某一特定数值后，即使压力再大也不能从气态液化变成液态了，而只能处于气态。工质这一特定温度，称为临界温度，用t_C表示。与临界温度相对应的工质饱和压力，称为临界压力，用p_C表示。显然，临界温度与临界压力就分别是工质的最高饱温度与最高饱和压力。在工质的状态参数坐标图上，与工质的临界状态（p_C 、t_C）对应的状态点，称为临界点，常以C表示。

对于制冷剂，要求它的临界温度应远高于环境温度。这样，可使制冷循环不在临界点附近进行，便于用常温的空气和水来冷却，并能更有效地利用工质的汽化潜热，提高制冷系统的经济性。如氟利昂R12：t_C=112℃,p_C=40.6bar ;R22：t_C=96℃,p_C=49.2bar。它们的临界温度都远高于环境温度。

三、过热蒸气与过冷液体

(一)  过热蒸气

蒸气在某压力p下的温度（t_p）若高于该压力所对应的饱和温度（t_p,B）时，这种蒸气就称为过热蒸气。过热蒸气所处的状态，称为过热状态。

干饱和蒸气保持饱和压力不变，继续定压吸热时，其温度就会上升，变为过热蒸气。过热蒸气比同压力下干饱和蒸气温度高出的值，称为过热度，用△t_H表示，则

△t_H=t_p- t_p,B                           （1-4-1）

在压缩式制冷系统中，常使从蒸地器排出的制冷剂蒸气稍过热，然后再被压缩机吸入压缩，这样可以防止压缩机吸入液态制冷剂，从而避免因压缩液态制冷剂而造成的液击冲缸事故。

以R22为例，若制冷剂在蒸发器中沸腾深化汽化时的温度t₀=5℃，压缩机的吸气温度t₁=15℃，理论上假定压缩机的吸气压力与制冷剂在蒸发器中沸腾汽化进的压力是相等的，因此，压缩机的吸气状态处于过热状态。由式（1-4-1），压缩机的吸气过热度为△t_H=t₁- t₀=15-5=10℃。

(二)  过冷液体

液体在某压力p下的温度（t_p）下，若低于该压力所对应的饱和温度（t_p,B）时，这种液体就称为过冷液体。过冷液体未达到饱和状态，因而是未饱和液体。过冷液体所处的状态，称为过冷状态，或称未饱和状态。

饱和液体保持饱和压力不变，继续定压放热冷却时，其温度就会下降，变为过冷液体。过冷液体比同压力下饱和液体温度所低的值，称为过冷度，用△t_C表示，则

△t_C=t_p,B-t_p               （1-4-2）

在压缩式制冷系统中，若使从冷凝器得到的制冷剂饱和液过冷，可不增加消耗压缩功而提高单位质量制冷量，从而提高制冷系统的经济性。

以R12和R22作制冷剂时，若制冷剂在冷凝器中冷凝液化时的温度t_k=40℃，过冷温度t_G =35℃，则制冷剂液体在进入节流装置前的过冷度，由式（4-2）：△t_C=t_k-t_G=40-35=5℃。

二、 蒸气的热力性质图

对制冷系统进行热力计算，用得最多的是制冷剂的压焓图。压焓图是根据由实验测定和分析计算得到的有关数据和规律而绘制的工质热力特性图。下面介绍制冷剂压焓图的组成。

如图1-4-2，制冷剂压焓图以焓（h）为横坐标，压力（p或lgp）为纵坐标制成，图上用不同的线簇将工质在不同状态下的温度、比容、熵及蒸气的干度同时表示出来。

1． 饱和液线与干蒸气线将图面分为三个区：过冷液区、湿蒸气区或饱和区、过热蒸气区。

2． 在压焓图上，代表各参数的等值线的分布情况如下：

①等压线为水平线簇；等焓线为竖直线簇。

②等干度线为介于x=0的饱和液线与X=1的干蒸气线之间的较陡曲线簇，所有的等干度线都相交于临界点C。

等温线在过冷液区为竖直线簇；在湿蒸气区内为与等压线重合的水平线簇；在过热蒸气区内为略向右凸近似竖直的曲线簇。即同一条等温线为一折线，自左向右由过冷液区、湿蒸气区到过热蒸气区，经历了竖直——水平——近似竖直的转折变化。因为无论制冷剂是沸腾汽化，还是冷凝液化，都是既定温又定压的过程，并且饱和温度与饱和压力有一一对应的关系，所以在湿蒸气区内定温线与定压线重合。

④等比容线为自左下向右上延伸的、陡度较小的曲线簇。

⑤等熵线为自左下向右上延伸的、陡度很大的曲线簇。