制冷剂的相态变化及其状态图

一、制冷剂的相态变化

众所周知，物质有三种状态，就是固态、液态和气态。通常我们把固态的物体叫固体，固体物质内部的分子成有规则的布置，并在一定的晶格节点上振动。液态的物体叫液体，液态物质的分子彼此密集，相对地说是不可压缩，并具有相互移动位置的趋势。气态的物体叫气体，气态物质的分子处于不规则的运动中，其密度甚小，分子之间有一定的空隙，可以压缩，又能均匀地充满任何形状的空间。物质的三种状态，在一定的压力和温度条件下是可以相互转化的。其转化过程分别称为：

1. 汽化，物质从液态转变为气态的过程称为汽化。

汽化有蒸发和沸腾两种形式。其中，在液体表面进行的汽化过程叫蒸发，在液体内部产生气泡的剧烈汽化过程叫沸腾。在一定压力下，蒸发在任何温度下都可进行，而沸腾只有液体被加热到一定温度才开始进行。当汽液两相共存并且保持平衡状态时称为饱和状态。此时的蒸汽和液体分别叫做饱和蒸汽和饱和液体，处于饱和状态的压力与温度称为饱和压力与饱和温度。饱和压力与饱和温度总是相互对应的，即一定的饱和压力对应着一定的饱和温度，反之亦然。二者之间的对应关系是：饱和温度愈高，饱和压力也愈高。反之，饱和压力愈高，饱和温度也愈高。这是饱和状态的一个重要特点。

2. 冷凝，物质从汽态转变为液态的过程称为冷凝或叫做液化。

汽体的液化温度与压力有关，增大压力，可使汽体在较高的温度下液化。液化的基本方法是降低温度和增加压力。

3. 升华，物质由固态直接转变为气态的过程称为升华。

4. 凝华，物质由气态直接转变为固态的过程称为凝华。例如空气中的水蒸汽在膨胀阀上结霜时发生的过程。

二、制冷剂的压—焓图及热力性质表

制冷剂的热力状态可以用其热力性质表来说明(常用制冷剂的饱和热力性质表见附表)，也可以用压-焓图来表示。压-焓图(lgP-h 图)是一种以绝对压力的对数值lgP 为纵坐标，焓值为横坐标的热工图表。采用对数值lgP（而不采用P）为纵坐标的目的是为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精确度，但在使用时仍然直接从图上读出P的数值即可。

1 ．压-焓图(lgP-h图)的结构

压-焓图中有两条比较粗的曲线，左边一条为饱和液体线(干度χ=0)，右边一条为干饱和蒸汽线(干度χ=1)，两线交于一点K，且将图分成了三个区域。其中K 称为临界点，饱和液体线左侧为过冷液体区，干饱和蒸汽线右侧为过热蒸汽区，两线之间为湿蒸汽区。

压—焓图中有六种等状态参数线，如图2-3 所示：

①等压线P：水平细直线。

②等焓线h：竖直细直线。

③等温线t：点划线，其在过冷液体区为竖直线，在湿蒸汽区为水平线，在过热蒸汽区为稍微向右下方弯曲的曲线。

④等熵线S：为从左到右稍向上弯曲的实线。

⑤等比容线υ：在湿蒸汽区和过热蒸汽区中，为从左到右稍向上弯曲的虚线，但比等熵线平坦，液体区无等比容线，因为不同压力下的液体容积变化不大。

压—焓图

⑥等干度线χ：只存在于湿蒸汽区和过热蒸汽区域内，走向与饱含液体线或干饱和蒸汽线基本一致。

压—焓图上每一点都代表制冷剂的某一状态，在温度、压力、比容、焓、熵、干度六个状态参数中，只要知道其中任意两个独立的状态参数，就可以在图中确定其状态点，从而查出其它几个状态参数。

制冷工程中，高压区和湿蒸汽区的中间部分很少用到，所以有些压一焓图中往往将这两部分删去不画。不同的制冷剂，其压—焓图(lgP-h 图)的形状也有所不同，常用制冷剂R717、R12 及R22 的饱和热力性质表见附表。

在工程计算中，根据需要可以查取制冷剂的饱和热力性质表，根据一个状态参数，再查取制冷剂的饱和液体或干饱和蒸汽的其它状态参数。

2. 压-焓图(lgP-h图)的应用

压-焓图(lgP-h图)是进行制冷循环分析和计算的重要工具，在进行制冷循环的热力分析和计算之前，必须首先确定循环的工作参数，以便利用压—焓图再来确定循环的各有关状态点的参数值，如图2所示。

图2-4

点1：为制冷剂蒸汽进入压缩机的状态。如不考虑管路的冷量损失，则压缩机的吸汽温度t1 即为制冷剂出蒸发器时的温度t0，即t1=t0，在理想情况下，进压缩机的制冷剂蒸汽为饱和状态。如已知蒸发温度t0，便能知道制冷剂蒸发压力P0，这样便能根据P0＝C 的等压线和干饱和蒸汽线的交点得出点1。

点2：为制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器的状态。过程l-2 为制冷剂在压缩机中绝热压缩过程。绝热过程中熵不变，即S1＝S2，该过程沿点1 的等墒线进行，它与Pk=C的等压线的交点即为点2。

点5：为制冷剂在冷凝器中凝结成饱和液体的状态。它可由Pk=C 的等压线与饱和液体线相交得到。

点3：为制冷剂液体过冷后的状态。因为制冷剂液体在过冷过程中的等于冷凝压力Pk，它的温度低于冷凝温度，所以Pk=C 的等压线和tg=C 的等温线交点即为点3。

点4：为制冷剂出节流阀(膨胀阀)的状态，也是进蒸发器的初态。因为节流前后的焓值不变，而压力降低至蒸发压力P0，温度为蒸发温度t0，所以由点3 作垂线（即等焓线）与t0=C 的等温线相交即得点4。

4 —1：为制冷剂在蒸发器中的汽化吸热过程。这样根据图上所得的状态点，即可查得各状态点的热力参数值。

例2-1 绝对压力为2bar，比容为0.7m ³ ／kg 的氨呈何种状态？

解：所求的状态是1gP-h 图上P＝2bar 的水平线和υ＝0.7m ³ ／kg 的等比容线的交点A(见图2—4)。因为A 点在过热区内，所以这时氨的状态是过热蒸汽，该状态点的温度为20℃，焓值约为1470 kJ／kg。

例2-2 绝对压力为10bar，温度为20℃的氟利昂-22 呈何种状态？

解：所求状态可由10bar 的等压线和20℃等温线的交点B 来表示(见图2-5)。因为B 点在过冷区内，所以这时氟利昂-22 的状态为过冷液体，其焓值为224.08 kJ／kg。

例2-3 氟利昂-22 压缩机吸入的汽体为-5℃的干饱和蒸汽，如将其绝热压缩到PK为12bar时，其压缩终态的温度是多少？

解: 压缩机吸入状态可由-5℃等温线与干饱和蒸汽线的交点C 来确定(见图2—6)。点C 的熵值S=1.76 kJ／kg·K，因其为绝热压缩过程，故压缩过程熵值不变。因此压缩终点D 是压力PK=12bar 的等压线与S=1.76 kJ／kg·K 的等熵线的交点。由图上查得此点的温度Td=47℃即为所求压缩终态温度。

综上所述，压-焓图不仅可以简便地确定制冷剂的状态参数，并且能表示出制冷循环及过程中参数的变化和能量变化，它可以用线段的长短来表示能量多少。由于制冷剂在蒸发器和冷凝器中的吸热和放热过程都是在定压下进行，而定压过程中热量的变化以及压缩机在绝热压缩过程中所消耗的功都可以用焓差来计算，并且制冷剂在节流阀前后的焓值又保持不变，所以利用1gP-h 图来分析制冷循环及进行热力计算最为方便。