第二章制冷及低温工质课件.ppt

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1、第二章制冷及低温工质第二章制冷及低温工质第1页，此课件共127页哦u所谓工质就是制冷机中的工作介质，它在制冷机系统中循环流动变化与外界发生能量交换，从而实现制冷的目的u蒸气制冷机中的制冷工质从低温热源中吸取热量，在低温下气化，再在高温下凝结，向高温热源排放热量。所以，只有在工作温度范围内能够气化和凝结的物质才有可能作为蒸气制冷机的制冷工质使用。多数制冷工质在大气压力和环境温度下呈气态u卤代烃也称氟利昂（Freon，美国杜邦公司过去曾长期使用的商标名称），是链状饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。在18世纪后期，人们就已经知道了这类化合物的化学组成，但当作制冷工质使用是汤姆斯米杰里于1929

2、1930年间首先提出来的。氟利昂制冷工质的种类很多，它们之间的热力性质有很大区别，但在物理、化学性质上又有许多共同的扰点，所以得到迅速推广，成为普冷范围主要的一类制冷工质工质 第2页，此课件共127页哦u1974年美国加利福尼亚大学的莫利纳和罗兰教授首先撰文指出，卤代烃中的氯原子会破坏大气臭氧层u在制冷工质中，R11、R12、R13、R14、R113、R114等都是全卤代烃，即在它们的分子中只有氯、氟、碳原子，这类氟利昂称氯氟烃，简称CFCs（氯与碳均用C表示，但写在最后一位的C表示碳，写在前面第一或第二位的C表示氯）；如果分子中除了氯、氟、碳原于外，还有氢原子（如R22），称氢氯氟烃，简称H

3、CFCs；如果分子中没有氯原子，而有氢原子、氟原子和碳原子，称氢氟烃，简称HFCs；如果分子中只有氢原子和碳原子，称烷烃，简称HCsu根据莫利纳和罗兰的理论，CFCs对人气臭氧层的破坏性最大。这就是著名的CFCs问题。联合国环保组织于1987年在加拿大蒙特利尔市召开会议，36个国家和10个国际组织共同签署了关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书，正式规定了逐步削减并最终禁止CFCs生产与消费。从80年代后期开始，世界各国的科学家和技术专家就一直在寻找新的制冷工质第3页，此课件共127页哦u选用制冷工质应遵循以下原则：1、热力性质方面1）在工作温度范围内有合适的压力和压力比；即希望蒸发压力不低于

4、大气压力，避免制冷系统的低压部分出现负压，使外界空气渗入系统，影响制冷工质的性质，或加剧对设备材料的腐蚀，或引起其他一些不良后果（如燃烧、爆炸等）；冷凝压力不要过高，以免设备过分笨重；冷凝压力与蒸发压力之比也不宜过大，以免压缩终了的温度过高或使往复活塞式压缩机的输气系数过低。2）通常希望单位制冷量qo和单位容积制冷量qv比较大。因为对于总制冷量一定的装置，qo大可减少制冷工质的循环量；qv大可减少压缩机的输气量，故可缩小压缩机的尺寸，这对大型制冷装置是有意义的。但对于离心式压缩机，尺寸过小会带来制造上的困难，因此必须采用qo和qv稍小的制冷工质。3）比功w和单位容积压缩功wv小，循环效率高。4

5、）等熵压缩的终了温度不太高，以免润滑条件恶化（润滑油粘性下降、结焦）或制冷工质自身在高温下分解。第4页，此课件共127页哦2、传输性质方面1）粘度、密度尽量小，这样可减少制冷工质在系统中的流动阻力，以及制冷工质的充注量。2）热导率大，这样可以提高热交换设备的传热系数，减少传热面积，使系统结构紧凑。3、物理化学性质方面1）无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。2）化学稳定性和热稳定性好，制冷工质要经得起蒸发和冷凝的循环变化，使用中不变质，不与润滑油反应，不腐蚀制冷机构件，在压缩终了的高温下不分解。3）对大气环境无破坏作用，即不破坏大气臭氧层，没有温室效应。4、其他要求 原料来源充足，制造工艺简单，价格

6、便宜。第5页，此课件共127页哦u完全满足上述要求的制冷工质是不存在的。各种制冷工质总是在某些方面有其长处，另一些方面又有不足u工业上不用CO作为制冷剂u使用要求、机器容量和使用条件不同，对制冷工质性质要求的侧重面就不同，应按主要要求选择相应的制冷工质。一旦选定制冷工质后，由于它本身性质上的特点，又反过来要求制冷系统在流程、结构设计及运行操作等力面与之相适应。这些都必须在充分掌握制冷工质性质的基础上恰当地加以处理。u由于低温工质主要为无机物，非人工合成产品不存在环境问题。但是，为了使低温制冷机效率更高，寻找合适的新的低温工质，仍然是低温领域研究的重要方向之一。对于制冷工质的有关选用原则，大部分

7、适合低温工质*近年来，混合工质研究已成为低温工质研究的重要内容 第6页，此课件共127页哦Ideal properties for a refrigerantuIt will be useful to remind ourselves of the requirements for a fluid used as a refrigerant.A high latent heat of vaporizationA high density of suction gasNon-corrosive,non-toxic and non-flammableCritical temperature and

8、 triple point outside the working rangeCompatibility with component materials and lubricating oilReasonable working pressures(not too high,or below atmospheric pressure)High dielectric strength(for compressors with integral motors)Low costEase of leak detectionEnvironmentally friendlyA.R.Trott and T

9、.WelchRefrigeration and Air-Conditioning第7页，此课件共127页哦2.1 制冷与低温工质的命名制冷与低温工质的命名u为了书写方便，国际上统一规定用字母“R”和它后面的一组数字或字母作为制冷工质的简写符号。字母“R”表示制冷工质，后面的数字或字母则根据制冷工质的分子组成按一定的规则编写。具体参阅制冷剂编号方法和安全性分类（GB/T77782001）。第8页，此课件共127页哦2.1.1 常用命名方式常用命名方式u无机化合物无机化合物 无机化合物的简写符号规定为R7()。括号代表一组数字，这组数字是该无机物分子量的整数部分例如：He-4分子量的整数是4，表示

10、符号为R704；NH3分子量的整数是17，表示符号为R717；氧气的分子量是32，表示符号为R732。氮气的分子量是28，表示符号为R728。对于工质CO2（二氧化碳）和工质N2O（一氧化二氮）分别用R744和R744a表示 第9页，此课件共127页哦u氟利昂和烷烃类氟利昂和烷烃类 烷烃类化合物的分子通式为CmH2m+2炔烃类化合物分子通式为CmH2m-2氟利昂的分子通式为CmHnFxClyBrz（n+x+y+z=2m+2）它们的简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)(z)B(z)，每个括号是一个数字，该数字数值为零时省去不写，同分异构体则在其最后加小写英文字母以示区别正丁烷和异丁烷例外，

11、它们分别用R600和R600a表示 第10页，此课件共127页哦烷烃类和氟利昂命名举例烷烃类和氟利昂命名举例 化合物名称分子式m、n、x、z的值工质表示法一氟三氯甲烷CFCl3m=1、n=0、x=1R11二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1、n=0、x=2R12三氟一溴甲烷CF3Brm=1、n=0、x=3、x=1R13B1二氟一氯甲烷CHF2Clm=1、n=1、x=2R22二氟甲烷CH2F2m=1、n=2、x=2R32甲烷CH4m=1、n=4、x=0R50三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2、n=1、x=3R123四氟乙烷C2H2F4m=2、n=2、x=4R134a乙烷C2H6m=2、n=6、x=0R

12、170第11页，此课件共127页哦u非共沸混合制冷工质非共沸混合制冷工质 非共沸混合制冷工质的简写符号为R4()。括号代表一组数字，这组数字为该制冷工质命名的先后顺序号，从00开始。构成非共沸混合制冷工质的纯物质种类相同，但成分不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别。例如，最早命名的非共沸混合制冷工质写作R400，以后命名的按先后次序分别用R401、R402、R407A、R407C等。由任意两种单工质组成的混合工质在一般情况下均是非共沸的，只有某些特定的单工质按某一比例混合时才有可能形成共沸混合物 第12页，此课件共127页哦u共沸混合制冷工质共沸混合制冷工质 共沸混合工质是由两种或多种制

13、冷剂组成的混合物，在给定的压力下，有均匀的气相和液相组分。简单的说，制冷剂混合物在制冷循环过程中就像单组分工质一样不会发生分馏。共沸混合工质物温度滑移。ASHRAE标准34规定共沸混合工质从R500开始编号。共沸混合制冷工质的简写符号为R5()。括号代表一组数字，这组数字为该制冷工质命名的先后顺序号，从00开始。例如最早命名的共沸制冷工质写作R500，以后命名的按先后次序分别用R501、B502、R507等表示 第13页，此课件共127页哦u环状有机物环状有机物 简写符号用字母“RC”开头，其后的数字排写规则与氟利昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同u不饱和有机化合物不饱和有机化合物 其简写

14、符号用字母“R1”开头、其后的数字排写规则与氟利昂及烷烃类符号表示个的数字排写规则相同。此外，有机氧化物，脂肪族胺，他们用R6开头，其后的数字是任选的。例如，乙醚为R610，甲酸甲酯为R611，甲胺为R630，乙胺为R631。第14页，此课件共127页哦2.1.2 工质的新命名方式工质的新命名方式 u自从CFCs问题提出以来，人们发现破坏大气臭氧层的主要是卤代烃分子中的氯原子，但如果卤代烃分子中同时存在氢和氯原子，则氢原子的存在能减弱氯原子对臭氧层的破坏作用u为了能从代号上直接反映出该种卤代烃对奥氧层的破坏程度，可将卤代烃分成氯氟烃CFC、氢氯氟烃HCFC、氢氟烃HFC、碳氢HC及氟烃FC 5

15、类。这些符号分别表示其分子中含有的氯、氟、氢、碳等原子。氯与碳均用C表示，但写在最后一位的C表示碳，写在前面第一或第二位的C表示氯uCFC对臭氧层破坏最大，HCFC则有少量的破坏作用，其余则无破坏性u例如：CFCl2、HCFC22、HFC134a、HC290、FCl4。第15页，此课件共127页哦2.2 二元溶液的相平衡二元溶液的相平衡 u由两个及两个以上组分组成的稳定的均匀液体叫溶液u溶液生成方式：两液体混合；固体溶解于液体；气体溶解于液体。有时将溶液的组分区分为溶剂和溶质。习惯上将占较大比例的组分称为溶剂，占较小比例的组分称为溶质，但这种规定是不严格的。对水溶液，一般将水称为溶剂，当气体或

16、固体溶解于液体中时，不管两者所占的比例如何，通常将气体或固体称为溶质。u根据溶液中组分的多少，可将溶液分为二元溶液与多元溶液。如果溶液是由两种物理性质和化学性质不同的物质组成，则称为二元溶液，如氨水溶液等，多元溶液如液化天然气及石油气等2.2.1 溶液、组成及溶解度溶液、组成及溶解度 第16页，此课件共127页哦u溶质的质量分数分别用w1和w2表示二元溶液中两种组分的质量分数，m1和m1是它们的质量，则 （2-1）对于二元溶液，只要知道其中一种组分的质量分数，就可以确定另一种组分的质量分数。为方便起见，可用w表示第二个组分的质量分数，则第一组分的质量分数即为1-w通常用w表示溶质的质量分数 第

17、17页，此课件共127页哦u摩尔分数分别用 x1 和 x2 表示二元溶液中两种组分的质量摩尔分数，若以 M 表示摩尔质量，表示摩尔数，则 （2-2）类似于质量分数，用表示第二个组分的摩尔分数，则第一组分的摩尔分数即为。质量分数与摩尔分数的换算关系为 （2-3）第18页，此课件共127页哦u按不同物质相互之间的溶解的难易程度，溶液可分为三类：完全互溶；部分互溶；完全不互溶。例如；水与水银、水与苯是完全不互溶的例子；在常温下，石炭酸和水是部分互溶的两种液体，当温度高于68.8时，它们转化为完全互溶的液体；液氧和液氮、水与酒精可以以任意比例溶解，形成均匀溶液。u部分互溶的物质，在单位时间里溶质扩散到

18、溶液中的分子数与回到溶质表面的分子数相等时，溶液达到溶解平衡u在一定的温度下，达到溶解平衡的溶液叫饱和溶液u在一定的温度下，某溶质在一定量的溶剂里达到溶解平衡状态时，所溶解的量叫这种溶质在该溶剂里的溶解度u如果不指明溶剂，通常所说的溶解度就是溶质在水里的溶解度u一种物质在另一种物质中的可溶性，随着物质的性质、温度与压力而变化 第19页，此课件共127页哦2.2.2 溶液的基本定律溶液的基本定律 u理想溶液及拉乌尔定律理想溶液及拉乌尔定律 理想溶液由性质相近的物质构成，两者分子间的相互作用力与纯物质分子间的相互作用力相同，因而混合成理想溶液时无热效应，也无容积变化。实际上理想溶液几乎没有，只有当

19、溶质的摩尔分数很小时，才接近于理想溶液。无限稀释的任何溶液都可看作理想溶液。单组分液体和它的蒸气处于相平衡时，由液面蒸发的分子数和由气相回到液体的分子数是相等的，这时蒸气的压力即为该液体的饱和蒸气压 第20页，此课件共127页哦拉乌尔定律：在给定温度下，溶液液面上的蒸气混合物中每一个组分的分压，等于该组分呈纯净状态并在同一温度下的饱和蒸气压力与该组分在溶液中的摩尔分数的乘积，即 （2-4）式中：xi 液相中第 i 组分的摩尔分数 pi 第 i 纯组分的饱和蒸气压力 同温度下第纯组分的饱和蒸气压力 对于不挥发溶质的溶液，气相中只有溶剂分子，其压力可表示为 （2-5）式中：x 为溶液中溶质的摩尔分

20、数 第21页，此课件共127页哦拉乌尔定律可以用于计算溶液的饱和蒸气压如果溶质是不挥发的，则式（2-5）计算所得的压力即为溶液的饱和蒸气压如果溶质是挥发性的，则溶液的饱和蒸气压为按式（2-4）计算得到的各个分压力之和。如对二元溶液，其饱和蒸气压可表示为 （2-6）上式表明，在一定温度下，按拉乌尔定律计算的溶液饱和蒸气压，与其液相中的摩尔分数成直线关系溶液蒸气压力的数值是在两种纯组分的压力值之间当 时 ；当 时 第22页，此课件共127页哦严格地说，拉乌尔定律只适用于理想溶液。苯与甲苯、甲醇与乙醇、正戊烷与正己烷等溶液，在整个温度范围内都符合拉乌尔定律。氧与氟溶液与理想溶液相近，故氧与氟的分压力

21、可按拉乌尔定律近似求得，这在工程计算中有足够的精确度 1 摩尔浓度 2p第23页，此课件共127页哦实际溶液对拉乌尔定律存在偏差，这种偏差一般有两种情况：一是各组分的分压力大于拉乌尔定律的计算值，称正偏差；二是各组分的分压力小于拉乌尔定律的计算值，称负偏差。但也有少数溶液，在某一浓度范围内为正偏差，在另一浓度范围内为负偏差 与拉乌尔定律有偏差的溶液的p-x图a)偏差不大；b)正偏差；c)负偏差第24页，此课件共127页哦u亨利定律（稀溶液定律）亨利定律（稀溶液定律）它说明理想溶液中气体溶质分压力与溶液中该气体的摩尔分数关系的定律定律：在一定温度和平衡状态下，气体溶质的分压力与它在溶液中的摩尔分

22、数成正比。即 （2-7）式中：p 气体溶质的分压力；xi 气体溶质的摩尔分数；H 亨利常数，其值由实验确定 第25页，此课件共127页哦u康诺瓦罗夫定律及共沸溶液康诺瓦罗夫定律及共沸溶液 康诺瓦罗夫第一定律：如果不同蒸气压的两种纯液体，在给定温度下混合成二元溶液，则气相中的摩尔分数和液相中的摩尔分数并不相同。对较高蒸气压的组分，其在气相中的摩尔分数大于它在液相中的摩尔分数。这就是说，如果不同蒸气压的纯液体在给定温度下混合成二元溶液，则气相里的摩尔分数和液相里的摩尔分数并不相同。对于较高蒸气压的组分，它在气相里的摩尔分数大于它在液相里的摩尔分数。这就是康诺瓦罗夫第一定律。该定律是精馏原理的基础。

23、如果液相摩尔分数和气相摩尔分数完全相同，则两组分不能用精馏法进行分离。在二元溶液中，沸点较低的液体具有较大的挥发性，因此有较高的蒸气压。由于高蒸气压的液体就是低沸点的液体，故得到康诺瓦罗夫第一定律的另一种说法：对于较低沸点的液体，它在气相中的摩尔分数大于在液相中的摩尔分数第26页，此课件共127页哦康诺瓦罗夫第二定律：如果在二元溶液的相平衡曲线中存在极值，则在该极值点上液体和蒸气的组成相同。在相平衡曲线上的极值点称为共沸点，这样组成的溶液称为共沸（恒沸）溶液。共沸溶液的一个显著特点是沸腾时，其液相与气相的组成完全相同，可按单一工质进行分析计算。共沸溶液不能用精馏法进行组分分离。要把共沸溶液加以

24、精馏，必须通过改变总压力，使共沸点发生移动（偏离共沸区）。因此，大气压下不能分离的共沸溶液，往往在受压或真空条件下可以使其分离第27页，此课件共127页哦2.2.3 溶液的相平衡溶液的相平衡 u基本概念基本概念相相 体系中物理性质和化学性质完全均匀的一部分，称为“相（phase）”在多相体系中，相与相之间有着明显的界面，越过此界面时，性质发生突变相与物态不同，物态是物质的聚集态。物态一般分为气态、液态、固态对相来说，通常任何气体均能无限混合、所以体系内不论有多少种气体都只有一个气相。液相则按其互溶程度通常是一相、两相或三相共存。对于固体，如果体系中不同种固体达到了分子程度的均匀混合，就形成了“

25、固溶体”，一种固溶体就是一个固相。如果体系中不同种固体物质没有形成固溶体，则不论这些固体研磨得多么细，体系中含有多少种物质，就有多少个固相第28页，此课件共127页哦Nacl的水溶液，无论在何处取样，Nacl 的浓度总是一样的。物理性质如密度、折光率等也相同，此 Nacl 水溶液就是一个相，称为液相。在溶液上面的水蒸气与空气的混合物称为气相。浮着的冰称为固相。作为相的存在和物质的量的多少无关，也可以不连续存在，例如冰不论是1kg还是0.1kg，是一大块还是许多小块，它们都是同一个相Nacl 相图第29页，此课件共127页哦自由度自由度体系在不改变相的形态和数目时，可以独立改变的强度性质（如浓度

26、、温度、压力等）的最大数目或确定平衡体系的状态所需要的独立的强度变量数称为体系的自由度（degree of freedom），用符号 f 表示。例如，当水以单一液相存在时，在一定的范围内、温度 T 及压力 p 都可任意改变，要确定液体水的状态时，要指定温度，同时还要指定压力。因此，我们说该体系有两个独立可变的因素，或者说它的自由度f2当水与水汽两相平衡时，压力与湿度之间具有函数关系，则在温度和压力两个变量之中只有一个是可以独立变动的。要确定此体系的状态，指定了温度就不能再指定压力，压力即平衡蒸气压由温度决定而不能任意指定。反之，指定了压力，温度就不能任意指定，而只能由平衡体系自己决定，体系只有

27、一个独立可变的因素，此自由度 f1 第30页，此课件共127页哦组分数组分数体系中所含的化学物质数称为体系的物种数，体系中有几种物质，则物种数就有几种、用符号s表示。足以表示平衡体系中各相的组成所需要的独立物种数，称为体系的独立组分数（number of independent component），简称组分数，用符号 c 表示。“独立”的含义是各组分的数量在一定条件下可任意变更。应注意组分数和物种数是两个不同的概念。如果体系中没有化学反应发生，则组分数与物种数相等。第31页，此课件共127页哦相律相律相律是物理化学中最具有普遍性的规律之一，它为多相平衡体系的研究建立了热力学基础。相律就是在平

28、衡体系中，联系体系内相数、组分数、自由度数及影响体系性质的外界因素（如温度、压力、电场、磁场、重力场等）之间关系的规律。表示为 （2-8）式中：f 体系的自由度数；c 组分数 表示相数 n 能够影响体系平衡状态的外界因素的个数 第32页，此课件共127页哦通常情况下外界因素只考虑压力和温度二个变量，式中 n 用 2 代之。则 （2-9）上式是吉布斯（Gibbs）1875 年首先提出，故称为吉布斯相律，吉布斯相律的文字描述是：只受到外界温度和压力等影响的物系处于相平衡时，其自由度数等于物系的组分数减去相数，再加上 2 第33页，此课件共127页哦关于相律应该指出以下几点公式是平衡条件，因此相律只

29、适用于平衡的系统。相律所关联的是系统内的强度状态，当各相中的强度参数已确定时，系统的状态也就确定了。又因强度参数与备相的数量无关，所以不论系统大小都同样适用。在相律的推导过程中，虽然曾假设在 个相中部存在着 c 个组分，但当某些相内并不含有全部组分时相律仍然有效。因为，虽然某一相内少了某一种组分，因而这个相内的成分变量少了一个，但相应地所需满足的相平衡方程式也减少了一个，结果差数还是一样，所以相律也就保持不变。在推导过程中外部变量只有温度和压力，这表明电场、磁场、表面效应和重力等影响都没有考虑，因而相律仅适用于简单可压缩系统。第34页，此课件共127页哦u溶液相平衡条件溶液相平衡条件 单组分工

30、质（一元物系）的相平衡条件是：系统的自由焓最小，或物系中各相的化学势相等，即或 （2-10）对由多个组分组成的溶液，其相平衡条件是：在温度和压力不变的情况下，溶液相平衡的条件是每种组分在各相中的化学势相等。由c个组分组成的、具有个相的多相物系，当处于相平衡时，需具备以下条件：（2-11）第35页，此课件共127页哦2.2.4 二元溶液的相平衡图二元溶液的相平衡图 u对于二元两相混合物，由吉布斯相律可知，该平衡系统的自由度为2，即只需要两个参数就可以确定混合物（系统）的状态u一般选择下列组合作为已知参数，画出相应的相平衡图，即压力-摩尔分数图（p-x图），压力-质量分数图（p-图），温度-摩尔分

31、数图（T-x图)，温度-质量分数（T-图），摩尔焓-摩尔分数（H-x图），比焓-质量分数图（h-图）等 第36页，此课件共127页哦T-x 图图 u图 a 是一种典型的混合物，其每种组分的临界压力都在图线的上部。例如，液空可以看作是O2和N2的混合物，它在很宽的压力范围内都属于这一类u如果混合物中各组分的临界压力低于系统的总压力，则混合物的T-x图变成图 b 的形状，压力为2.0MPa的N2-He混合物即属于这一类 典型二元混合物的T-x图（p=常数）第37页，此课件共127页哦uA 为易挥发组分，B为难挥发组。tA和tB分别为易挥发组分（低沸点工质）和难挥发组分（高沸点工质）的沸点，溶液的沸

32、点应介于tA和tB之间。相交于tA和tB的两条线为汽液平衡曲线，上方为汽相线，下方为液相线。汽相线在液相线的左上方，是因为易挥发组分在汽相中的相对含量大于它在液相中的相对含量。液相线以下的区域为液相区，汽相线以上的区域为气相区。液相线与汽相线之间的区域为汽液两相平衡共存区 第38页，此课件共127页哦u在两相区的3点，气相状态点为点，液相状态点为3点。u若将状态为5点的液相溶液恒压升温，达到液相线上的4点（对应温度为t4）时，液相开始起泡沸腾，t4称为该液相的泡点，此时产生的气泡的状态点为4g点。液相线表示了液相组成与泡点的关系，所以也叫泡点线。若将状态为1点的蒸气恒压降温，到达汽相线上的2点

33、（对应温度为t2）时，汽相开始凝结出露珠似的液滴，2点称为该汽相的露点。此时液滴的状态点为2l点。汽相线表示了汽相组成与露点的关系，所以也叫露点线 第39页，此课件共127页哦u当混合物达到气液平衡时，气相中聚集较多的是易挥发、低沸点的组分。两相区的液相摩尔分数由温度线与泡点线的交点确定，而气相摩尔分数由温度线与露点线的交点确定。混合物刚开始冷凝点的液相摩尔分数由点2给出，而气相摩尔分数基本上是原混合物的摩尔分数。继续冷却到3点，液相摩尔分数下移到点3l给出，而气相摩尔分数下移到点3g。当混合物全部冷凝时，液相摩尔分数基本上是原混合物的摩尔分数（点4），而最后一点蒸汽的摩尔分数由点4g给出。显

34、然，混合物的冷凝（或蒸发）不是一个等温过程，这不同于纯流体，因为纯流体的蒸发或冷凝是一个等温过程 第40页，此课件共127页哦u一个体系有几个相平衡共存时，虽各相的组成可直接由相应的相点表示出来，但各相所含物质的数量有多少，相律无法作出回答，利用杠杆规则可解决此问题。u设物系点为 C 的体系处在气液二相平衡区，体系的总物质量为 n，其中物质 A 的物质的量分数为xA，两相的组成可分别由水平线DE 的两端读出。DE 线称为连接线（tie line）。液相的相点为 D点，液相含有物质的量为nl，物质A的物质的量分数为 x1；气相的相点为E点，气相合有物质的量为ng，含有物质A的物质量分数为 x2

35、第41页，此课件共127页哦u由于两相物质的量之和必与体系中总的物质量相等，因此 又因两相中物质 A 的物质的量之和必与体系中物质 A 的量相等，所以 或 u可以把图中的DE比作一个以 C 点为支点的杠杆，液相的物质的量乘以 CD，等于气相的物质的量乘以 CE。这个关系叫做杠杆规则（level rule）u在多组分体系的相图中，任意两个平衡相的物质数量反比于它们的相点到物系点的距离 第42页，此课件共127页哦 N2-Ar混合物的 T-x 图 O2-Ar混合物的 T-x 图uT-x 图的形状取决于混合物分子之间的相互作用力，对每一种二元系统，需由实验来确定 T-x 图的形状。u从图中可以看出，

36、压力对曲线的形状有较大的影响，不仅仅是混合物的泡点线与露点线随着压力的升高而上升，而且一般情况下液相与气相的摩尔分数差也减少了 第43页，此课件共127页哦p-T-x 图第44页，此课件共127页哦共沸混合工质 T-x 图a）具有最低共沸点；b）具有最高共沸点 xa xb第45页，此课件共127页哦u二元共沸混合工质二元共沸混合工质图 a 表示组分 A 与 B 组成的混合工质。在某压力下当组成为 xA 时在 a 点存在共沸现象。共沸点的温度 ta（露点与泡点合一）比纯工质 A 及 B 的沸点为低。另一类共沸混合工质的共沸温度比纯工质 A 与 B 的沸点为高（图 b）。可见，共沸混合工质在沸腾或

37、凝结过程中温度维持不变（温度滑移为零）。共沸工质气液两相共存时气相与液相的浓度相同，其热力学行为与单一工质类似，可按纯工质进行热力计算。一般认为，当温度滑移1K时可称它为近共沸混合工质，而非共沸混合工质则具有较大的温度滑移值。非共沸混合工质的温度滑移现象可在热泵系统的换热器设计时于以合理的利用，以改善其经济性 第46页，此课件共127页哦2.3 制冷与低温工质的物理化学性质制冷与低温工质的物理化学性质 u安全性 毒性 燃烧性和爆炸性 安全分类 u热稳定性 u对材料的作用 u对润滑油的互溶性 u对水的溶解性 u泄漏性 u大气友好 第47页，此课件共127页哦2.3.1 安全性安全性u安全性对操作

38、人员是非常重要的，尤其是在制冷机长期连续运转的情况下。制冷与低温工质的毒性、燃烧性和爆炸性，都是评价制冷与低温工质安全程度的性质，各国都规定了最低安全程度的标准，如ANSI/ASHRAE151992等 第48页，此课件共127页哦u毒性毒性 毒性通常是根据对动物的试验和对人的影响的资料来确定的美国工业与环境卫生专家大会用 TLVs 指标作为毒性标准，美国杜邦公司用AEL指标作为毒性标准，这两个指标在数量上非常接近。它们都反映了人们在较长时间内接触制冷与低温工质而不至于产生不良反应如果这些指标的数值为1000或1000以上，则可认为这种制冷与低温工质是无毒的TLVs（安全阈值，Threshold

39、 Limit Values）：表示各种工作人员可以日复一日地暴露在这种条件下，而免受任何对健康不利的影响。对挥发性物质，如制冷剂，其安全阈值以容器中每百万分之几的制冷剂容积浓度表示 第49页，此课件共127页哦制冷与低温工质的毒性指标制冷与低温工质的毒性指标 值得指出的是，虽然一些氟利昂制冷工质其毒性都较低，但它们在高温或火焰作用下，会分解出极毒的光气，这一点在使用时要特别注意。此外，除氧以外的所有工质，几乎都可以引起窒息，在进行有关操作时要保持比较好的通风条件工质代号TLVS或AEL工质代号TLVS或AEL工质代号TLVS或AEL工质代号TLVS或AELR12R22R23R32R501000

40、1000100010001000R123R124R125R134eR142b10500100010001000R143aR152aR290R502R600a10001000100010001000R702R704R717R718R7281000100011001000第50页，此课件共127页哦u燃烧性和爆炸性燃烧性和爆炸性 可燃性代表一种化学物质助燃的能力，在实验室里可以测量制冷剂通常分为不可燃、弱可燃和强可燃。这些分类是由制冷剂的浓度需要多高才能维持火苗来决定的。而且火焰释放能量的大小也要考虑易燃的制冷与低温工质在空气中的含量达到一定范围时，遇明火就会产生爆炸使用时必须要有防火防爆安全措施

41、第51页，此课件共127页哦制冷与低温工质的易燃易爆特性制冷与低温工质的易燃易爆特性 工质代号爆炸极限体积分数（%）工质代号爆炸极限体积分数（%）工质代号爆炸极限体积分数（%）工质代号爆炸极限体积分数（%）R12R22R23R32R50不燃烧不燃烧不燃烧14-314.8-16.3R123R124R125R134aR142b不燃烧不燃烧不燃烧不燃烧6.7-14.9R143aR152aR290R502R600a6.0(未知)3.9-16.92.3-7.3不燃烧1.8-8.4R702R704R717R718R7284.0-75.0不燃烧16.0-25.0不燃烧不燃烧爆炸极限表示在空气中发生燃烧或爆炸

42、的体积百分比的范围。这一范围的下限值越小，表示越易燃 第52页，此课件共127页哦u安全分类安全分类 对制冷与低温工质的安全分类规定了6个安全等级 条件可燃性TLVS值确定或一定的系数，工质体积分数410-4TLVS值确定或一定的系数，工质体积分数410-4无火焰传播不 燃A1B1工质LFL0.1kg/m燃烧热19000kj/kg低度可燃性A2B2工质LFL0.1kg/m燃烧热19000kj/kg高度可燃性A3B3毒 性低毒性高毒性工质代号安全分类工质代号安全分类工质代号安全分类工质代号安全分类R12R22R23R32R50A1A1A1A2A3R123R124R125R134aR142bB1A

43、1A1A1A2R143aR152aR290R502R600aA2A2A3A1A3R702R704R717R718R728A3A1B2A1A1制冷与低温工质的安全分类制冷与低温工质的安全分类 ASHRAE34-1992以毒性和可燃性为界限的工质安全分类以毒性和可燃性为界限的工质安全分类 第53页，此课件共127页哦2.3.2 热稳定性热稳定性 u通常制冷与低温工质因受热而发生化学分解的温度，大大高于其工作温度，因此在正常运转条件下，制冷与低温工质是不会发生裂解的u温度较高又有油、钢铁铜存在时，长时间使用会发生变质甚至热解氨在温度超过250时分解成氮和氢丙烷含有氧气时，在460时开始分解，660时

44、分解43%，830时完全分解R12与铁、铜等金属接触时，在410430时分解，并生成氢、氟和极毒的光气R22与铁相接触时，550开始分解。第54页，此课件共127页哦2.3.3 对材料的作用对材料的作用 u氢、氦、氮及其他惰性气体工质、碳氢化合物工质等，对金属无腐蚀作用。但氢很容易扩散到其他工程材料中，使材料的力学性能下降，称为氢脆。u在正常情况下，卤素化合物制冷工质与大多数常用金属材料不起作用。但在某种情况下，一些材料将会和制冷工质发生作用，例如水解作用、分解作用等u制冷工质与金属材料接触时，发生分解作用强弱程度的次序（从弱到强）是铬镍铁耐热合金、不锈钢、镍、纯铜、铝、青铜、锌、银（分解作用

45、最大）。第55页，此课件共127页哦u有水分存在时，氟利昂水解成酸性物质，对金属有腐蚀作用。当制冷工质在系统中与铜或铜合金部件接触时，铜便溶解到混合物中，当和钢或铸铁部件接触时，被溶解的铜离子又会析出，并沉浸在钢铁部件上，形成一层铜膜，这就是所谓的“镀铜”现象。这种现象对制冷机的运行极为不利，因此，制冷系统中应尽量避免有水分存在。u氨制冷机中不能用黄铜、纯铜和其他铜合金，因为有水分时要引起腐蚀。但磷青铜与氨不起作用。u某些非金属材料，如一般的橡胶、塑料等，与氟利昂制冷工质会起作用。橡胶与氟利昂相接触时，会发生溶解；而对塑料等高分子化合物，则会起“膨润”作用（变软、膨胀和起泡），在制冷系统中要选

46、用特殊的橡胶或塑料。第56页，此课件共127页哦2.3.4 对润滑油的互溶性对润滑油的互溶性 u在大多数制冷机里，工质与润滑油相互接触是不可避免的。各种工质与润滑油之间的溶解程度不同，有的完全互溶，有的几乎不溶解，而有的是部分溶解u若制冷工质与油不相溶解，可以从冷凝器或贮液器将油分离出来，避免油带入蒸发器中，降低传热效果u制冷工质与油溶解会使润滑油变稀，影响润滑作用，且油会被带人蒸发器中，影响到传热效果u通常，润滑油进入蒸发器会使蒸发压力降低。第57页，此课件共127页哦2.3.5 对水的溶解性对水的溶解性 u不同制冷与低温工质溶解水的能力不同，氨可以溶解比它本身大许多倍的水，生成的溶液冰点比

47、水的冰点低，因此在运转的制冷系统中不会引起结冰而堵塞管道通路，但会对金属材料引起腐蚀u氟利昂很难与水溶解，烃类制冷与低温工质也难溶解于水。例如在25时，水在R134a液体中只能溶解0.11%（质量百分比）。当制冷与低温工质中水的含量超过上述百分数时，就会有纯水存在。当温度降到0以下时，水就会结成冰，堵塞节流阀或毛细管的通道，形成“冰堵”，致使制冷机不能正常工作。u水溶解制冷工质后会发生水解作用，生成酸性产物，腐蚀金属材料。含有氯原于的制冷工质会水解并生成盐酸，不但会腐蚀金属材料，而且还会降低电绝线性能u制冷系统中不允许有游离的水存在第58页，此课件共127页哦2.3.6 泄漏性泄漏性 u制冷机

48、工作时，不允许有工质向系统外泄漏，因此需要经常在设备、管道的接合面处检查有无工质漏出u氨有强烈的臭气，人们依靠嗅觉就容易判别是否有泄漏。由于氨极易溶于水，因此不能用肥皂水检漏。通常用酚酞试剂和试纸检漏，如有泄漏，试剂或试纸会变成红色u氟利昂是无色无臭的物质，泄漏时不易发觉。检漏的方法有卤素喷灯和电子检漏仪等。卤素喷灯是通过燃烧酒精去加热一块纯铜，空气被吸入喷灯，当空气内含有氟利昂时，气流与纯铜接触就会发生分解，并使燃烧的火焰变成黄绿色（当泄漏量小时）或紫色（当泄漏量大时）u用电子检漏仪检漏是一种较精密的方法氦气具有很强的渗漏性，在使用氦作工质时，要进行特别仔细的检漏 第59页，此课件共127页

49、哦4.3.7 大气友好性大气友好性 u制冷工质中，凡分子内含有氯或溴原子的制冷工质对大气臭氧层有潜在的消耗能力。为描述对臭氧的消耗特让及其强度分布，通常使用ODP值。除此之外，这类制冷工质不仅要破坏大气臭氧层，还具有全球变暖潜能（GWP），具有全球变暖效应的气体称为温室气体。uODP（Ozone depletion potential）值表示对大气臭氧层消耗的潜能值，以R11（CFC11）作为基准值，其值被人为地规定为1.0uGWP（Global warming potential）值表示全球变暖潜能值，作为基准，人们也选用R11的值为1.0，其符号为HGWP。以前，也曾经用二氧化碳作为基准，

50、规定：二氧化碳的值为1.0，其符号为GWP。两者的换算关系为前者是后者的3500倍第60页，此课件共127页哦一些制冷与低温工质的一些制冷与低温工质的ODP值和值和GWP值值 工质代号GWP（CO2=1.0）ODP工质代号GWP（CO2=1.0）ODP工质代号GWP（CO2=1.0）ODPR11R12R22R23R32R50123350071001600650701.01.00.0550000.02R124R125R134aR142bR143aR152aR29035029408751470266010500.022000.065000R500R502R600aR702R704R717R7186