空调基本原理

空调基本原理第1页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第一节制冷与空调的基本概念一、工质的热力状态参数

在工程热力学中，将实现能量转化的物质称为工质。工质在某瞬间所表现的宏观物理状况，称为热力状态，简称状态。描写工质热力状态的物理量，称为工质的状态参数。状态参数的数值仅仅取决于状态，而与状态变化过程无关。常用的状态参数有：压力、温度、比容、内能、焓、熵等。

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第一节制冷与空调的基本概念一、工质的热力状态参数

（一）压力

压力是指单位面积上所承受的垂直作用力，以p表示。第3页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

绝对压力：指系统内部的真实压力，以符号p表示。表压力：用压力表测得的压力。通常是以当时当地大气压力pb作为测量参考点。这样测出的压力就不是绝对压力，而是绝对压力与当时当地大气压力的差值，称为表压力，以pg表示。

当绝对压力大于大气压力时，表压力为正；当绝对压力小于大气压力时，表压力为负。当表压力出现负值时，称为出现真空。真空的程度用真空度表示，符号为pv

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（二）温度

温度是表示工质冷热程度的物理量。温度也是判别工质与外界或两个物体间是否有热量传递的依据。温度的数值表示方法有三种：摄氏温度、绝对温度和华氏温度。

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tF为华氏温度第7页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（三）比容单位质量工质所占的容积称为比容，用符号v表示。（四）内能工质内部所具有的各种能量，总称为“内能”。按照分子运动论的观点，工质的内能就是工质的分子作不规则运动所具有的能量。

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（五）焓

对于开口系统，当工质流进（或流出）系统时，不仅把它所具有的内能带入（或带出）系统，而且还把它从后面工质处获得的推动功也带入（或带进）系统，就是说对于开口系统，当工质流进（或流出）系统时，它的内能和推动功总是同时出现。为计算方便就把工质的内能和推动功的和定义为焓。焓是流动工质带入（或带出）系统的总能量，亦即随工质流动而转移的总能量。第9页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

在制冷与空调等工程中，焓是个非常重要的状态参数，使用非常广泛。

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（六）熵

在作功过程中，压差是作功的动力，状态参数比容的变化是衡量是否作功的尺度。同样，在传热过程中，温差是传热的动力，一定也是一个参数，它的变化是衡量是否传热的尺度，这个参数就定义为熵，用S表示。

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二、功、热量和比热容在制冷设备中工质与外界之间的能量传递是通过作功和热传递的形式实现的，因此功和热量就是能量传递的度量，是非常重要的物理量。

（一）功功是指物体在力的推动下，通过宏观运动的方式传递的能量。第12页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

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二、功、热量和比热容在工程热力学中，通常将所要研究的对象用某些边界与其周围环境分隔开，这个被人为分离出来的研究对象称为热力系统，简称系统。由定量气态工质组成的系统，称为闭口系统。在闭口系统中，当其工质进行膨胀或被压缩时，与外界交换的功，称为膨胀功或压缩功，并统称为容积功。容积功用符号W表示，单位为J或kJ。

第13页，课件共76页，创作于2023年2月膨胀功示意图第14页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第一节制冷与空调的基本概念

（二）热量

在热力学中，系统与外界之间仅仅由于温差不同而传递的能量，称为热量。热量以符号Q表示，单位为J或kJ。对1kg工质来说，热量用符号表示，单位为J/kg或kJ/kg。

当温度不同的系统和外界相互接触时，温度高的一方总是把一部分热量传递给温度低的一方。热力学中规定：工质从外界吸热时，热量为正；工质向外界放热时，热量为负。第15页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第一节制冷与空调的基本概念（三）比热使单位物量的物质，温度每升高（或降低）1度所需要吸收（或放出）的热量，称为比热。

1．定容比热、定压比热在热力装置中，工质的加热和放热一般都是在接近定容（容积不变）或定压（压力不变）的条件下进行的，如在制冷机的蒸发器和冷凝器中的汽化吸热和冷凝放热过程就是在接近定压的条件下进行的。第16页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第一节制冷与空调的基本概念热量是过程量，而在不同的加热过程中比热的数值是不同的，因此在热量计算中常用的是定容和定压过程中的比热，称为定容比热和定压比热。R——气体常数第17页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

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2．用比热计算热量在一般的计算过程中，常把比热看作定值。采用定值比热计算热量，使公式大为简化：

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三、蒸气液体两相转变过程中的几个概念

（一）液体的气化

在密闭容器中，液态转化气态的速率大于气态转变为液态的速率时，液体就逐渐减少而蒸气逐渐增加，这一过程称之为液体的气化。

气化是吸热过程，如果外界没有供给热量，气化的结果会从液体内部分子的平均动能获取，从而使液体温度降低。

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（二）蒸气的液化在密闭容器中，当液体转变为气态的速度小于气态转变为液态的速度时，液体就逐渐增多而蒸气逐渐减小，这就称为蒸气的液化过程。凝结热是单位重量蒸气凝结为液体时所放出的热量，称之为凝结热。

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（三）饱和状态在密闭容器中的液体，在一定的温度下，蒸气压力会自动保持在一定数值上，这时液气两相转变就达到了动平衡，此时空间气态分子的浓度不变。这个状态称之为该液体的饱和状态。相当于饱和状态的蒸气和液体分别称为饱和蒸气和饱和液体。饱和状态时压力称为饱和压力。饱和液体的温度称为饱和温度。

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（四）蒸气的产生制冷工程中所用氨、氟利昂等制冷剂，从液体转变为气体时，均经历了未饱和液体（过冷液体）、饱和液体、湿蒸气和干饱和蒸气及过热蒸气五种状态。

图1-3水的等压汽化过程

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四、逆向卡诺循环

逆向卡诺循环是制冷的理想循环，它与热机的理想循环——卡诺循环是相反的。逆向卡诺循环是由两个可逆的绝热过程和两个可逆的等温过程组成。

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图1-4逆卡诺循环图

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1-2为绝热压缩过程，制冷剂由状态1经过绝热压缩（等熵过程）到状态2，消耗机械功，制冷剂的温度由升高到。

2-3为等温放热过程，制冷剂由状态2向周围介质等温放出热量qk，然后被冷却到状态3。

3-4为绝热膨胀过程，制冷剂由状态3绝热膨胀（等熵膨胀）到状态4，做出膨胀功，制冷剂温度由降到。第25页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

4-1为等温吸热过程，制冷剂由状态4等温向冷却物体吸收热量（即制取单位制冷量），这时制冷剂又回复到初始状态1，完成了一个制冷循环。如果循环继续进行，则要不断消耗循环功，才能不断进行制冷。

由此可见，在制冷循环中，所以能使低温物体中吸收的热量传递给周围介质（如冷却水、空气）的过程进行，不是自发的，而是要消耗一定外界能量，即循环功AL。第26页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第二节制冷原理一、蒸气压缩式制冷的工作原理

由于一些物质在常压下的饱和温度很低，工程上常利用其汽化时吸热的特性来制冷。例如R12在一个大气压下的饱和温度是-29.8℃，所以若将装有R12液体的容器敞开口，放在密闭的被冷却空间内，由于被冷却空间内空气的温度高于R12的沸点，所以R12液体将吸热汽化，使被冷却空间内空气温度逐渐下降，这个降温过程直到容器内的R12液体汽化完为止。

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为了将汽化的R12蒸气回收使用，需要将它再冷凝成液体，如用环境介质（如大气或水）来冷凝，蒸气的冷凝温度就要比环境介质的温度稍高一些。

压力较高的蒸气其冷凝温度也较高，因此只要将R12蒸气用压缩机压缩到所需要的冷凝温度相对应的饱和压力，就能用环境介质来冷凝它，使在被冷却空间吸热汽化的R12蒸气重新冷凝成液体。

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由于冷凝后制冷剂液体的温度高于被冷却空间空气的温度，因此必须让冷凝后的制冷剂液体降压降温，使其温度低于被冷却空间的温度，这样降压降温后的制冷剂液体就可以在被冷却空间内重新吸热汽化。

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制冷剂在一个封闭的系统中，只消耗压缩机的功就能反复地实现制冷剂由液体变蒸气，再由蒸气变液体的相态变化，并通过这种相变将低温处的热量转移到高温处去。这就是蒸气压缩式制冷的工作原理。

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蒸气压缩式制冷机主要有压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四部分组成，并用管道连接成一个封闭的循环系统，如图所示。其工作过程如下：图1-5蒸气压缩式制冷机原理图第31页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（1）低温低压的制冷剂液体在蒸发器中吸收被冷却空间的热量而汽化成低温低压的蒸气后被压缩机吸入。（2）压缩机消耗一定的机械功将制冷剂压缩成压力、温度较高的蒸气并排入冷凝器。（3）高压、高温的制冷剂蒸气在冷凝器内被环境空气或水冷却，制冷剂蒸气放出热量而被冷凝成液体。（4）高温、高压的制冷剂液体经过节流装置节流降压，同时温度也降低，然后再进入蒸发器。第32页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（5）在蒸发器中，低压、低温的制冷剂液体又吸收冷却空间的热量，蒸发成低压、低温的蒸气，再被压缩机吸入，如此周而复始地循环。制冷剂在封闭的制冷系统中经历压缩、冷凝、节流和蒸发这四个过程就完成一次制冷循环。第33页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

R12的压焓图除有上述水蒸气图中的“一点”和“两线”外，还分布有等压、等温、等熵、等干度等六组等参数线群。

“一点”系指临界点，即饱和液体线和干饱和蒸气的交点，如图1-6中的K点。

“两线”系指饱和液体线和干饱和蒸气线，亦称低界线和高界线。这“一点”、“两线”将图面划分成“三区”、“五态”。第34页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

“三区”为未饱和液态区（低界线左侧）、湿饱和蒸气区（低界线与高界线之间）及过热蒸气区（高界线右侧）。“五态”为未饱和液状态（未饱和液态区内任一点）饱和液状态（饱和液体线上任一点）湿饱和蒸气状态（湿饱和蒸气区内任一点）干饱和蒸气状态（干饱和蒸气线上任一点）

过热蒸气状态（过热蒸气区内任一点）。第35页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

六组等参数线群为：等压（p=常数）线群

——与横坐标轴平行的水平线；等比焓（h=常数）线群——与纵坐标轴平行的垂直线；等温（T=常数）线群——在未饱和液态区近于垂直轴；在湿蒸气区，因为制冷剂的状态变化是在等压、等温下进行的，故与各温度相应的饱和压力线重合，为水平线；在过热蒸气区则弯曲向下；等比熵（s=常数）线群——向右上方倾斜的实线；等比容（v=常数）线群——向右上方倾斜但比等比熵线平缓的虚线；等干度线（x=常数）线群——仅在湿蒸气区内存在的近似平行于饱和液体线或干饱和蒸气线的线。第36页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

图1-6制冷剂的压焓图结构示意图第37页，课件共76页，创作于2023年2月解读压焓图一点：临界点C三区：液相区、两相区、气相区。五态：过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态。八线：等压线p（水平线）等焓线h（垂直线）饱和液线x=0，饱和蒸气线x=1，无数条等干度线x等熵线s等比体积线v等温线t液相区两相区气相区第一章空调基本原理

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二、蒸气压缩式制冷的理论循环图1-7蒸气压缩式制冷的理论循环第39页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

图中5-1过程表示制冷剂在蒸发器中进行的等压蒸发吸热过程。

1-2过程表示制冷剂在压缩机中进行的等熵（绝热）压缩过程。

2-3-4过程是表示制冷剂在冷凝器中的等压冷却（2-3）、冷凝（3-4）过程。

4-5过程表示制冷剂在节流装置中进行的节流降压过程。

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三、蒸气压缩式制冷的实际循环

由于上述因素的影响，使蒸气压缩制冷机的实际循环与理论循环相比，压缩机的实际压缩比增大，循环所消耗的压缩功增加，实际输气量将减小。

图1-8实际制冷循环

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实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循环，它与蒸气压缩式制冷的理想循环相比，有以下三个特点：用膨胀阀代替膨胀机；蒸气的压缩采用干压缩代替湿压缩；两个传递过程均为定压过程，并且具有传热温差。第42页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

四、制冷剂

（一）对制冷剂的要求

定义：在制冷系统中，将被冷却介质的热量转移到环境介质（空气或水）中去的工作物质称为制冷剂。如在蒸气压缩式制冷装置中，是通过制冷剂在蒸发器中吸收被冷却介质的热量而汽化，然后在冷凝器中向环境介质放出热量而冷凝的相态变化过程来实现制冷的。第43页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

对制冷剂的要求具体如下：（1）对人类生态环境无破坏作用，即不破坏大气臭氧层，不产生温室效应。（2）常温下具有较低的冷凝压力就能液化。第44页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（3）在工作温度范围内，具有适宜的饱和蒸气压力，即蒸发压力不宜低于大气压力，以免外部空气渗入制冷机系统；冷凝温度不宜过高，否则会引起压缩机耗功增加，要求设备具有承压能力，使设备过分笨重，增加金属材料消耗量。（4）单位容积制冷量大。对制取一定的制冷量而言，它可以减少压缩机的输气量，即可减少压缩机的结构尺寸。第45页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（5）粘度和密度小，以减少制冷剂在系统中的流动阻力损失。（6）热导率高。它可提高换热器的传热系数，减少换热设备的传热面积和金属材料消耗量。（7）不燃烧、不爆炸、无毒、对金属材料不腐蚀、对润滑油不发生化学作用，高温下不分解。（8）等熵指数小。可降低排气温度，减少压缩过程耗功，有利于机器的安全运行和寿命的提高。第46页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（9）凝固温度低。以免制冷剂在蒸发温度下凝固。（10）具有良好的电绝缘性能。这对封闭式压缩机尤为重要。（11）价格低廉、易于获得。（12）单位容积压缩功小。第47页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（二）制冷剂的种类及分类可作为制冷剂的物质较多，其种类如下：（1）无机化合物。如水、氨、二氧化碳等。（2）饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物，俗称氟里昂。主要是甲烷和乙烷的衍生物，如R12、R22、R134a等。（3）饱和碳氢化合物，如丙烷、异丁烷等。（4）不饱和碳氢化合物，如乙烯、丙烯等。（5）共沸混合制冷剂，如R502等。（6）非共沸混合制冷剂，如R407C等。第48页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（三）几种常用制冷剂的性质

1．氨（R717）氨属于无机化合物制冷剂，氨的工作压力适中，单位容积制冷量较大，放热系数高，管道流动阻力损失小，且价格低，易获得。氨的蒸气无色，但有强烈的刺激性气味，对人体有较大的毒性；氨蒸气容积浓度达11%～14%即可点燃，若达到16%～25%时可引起爆炸。

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现在为了保护大气中的臭氧层，逐步禁止使用“CFCs”，如何提高氨的应用范围，已越来越引起人们的注意，因为它是对大气臭氧层无破坏作用、对全球温室效应毫无作用的极少数工质之一。

2．氟里昂氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯衍生物，即用氟、氯原子取代饱和的碳氢化合物中的氢原子所得的化合物.第50页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

氟里昂大多无毒，没有燃烧和爆炸的危险；对金属没有腐蚀作用；绝热指数小，压缩机的排气温度低；化学稳定性高，凝固点低。氟里昂的单位容积制冷量较小，同氨相比，在相同制冷量下其制冷剂的循环量就比较大。（1）R12（氟里昂12）氟里昂12——二氟二氯甲烷，其化学分子式是CCl2F2。R12无色、带轻微气味,因此R12是一种使用安全的制冷剂。R12不燃烧、不爆炸，

R12对大气臭氧层有严重破坏作用，并产生温室效应，因此它已受到限用与禁用。但它目前仍是国内应用较广的中温制冷剂之一，2010年1月1日起在我国完全停止生产和消费。第51页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

R12的标准蒸发温度为－29.8℃，有较广的制冷温度范围，而且压力适中，在同一温度下，其饱和压力要比氨和R22稍低，风冷时常温下冷凝压力不超过1.18MPa。

R12的单位容积制冷量较小；R12对金属没有腐蚀作用；R12对大气臭氧层破坏严重，是最早被提出禁用的制冷剂之一。

第52页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（2）R22（氟里昂22）氟里昂22——二氟一氯甲烷，其分子式为。R22与R12一样也是一种使用安全的制冷剂，不燃烧、不爆炸，无色、无味，但毒性比R12稍少。

R22的标准蒸发温度为－40.8℃，也属中温制冷剂。比R12更适于低温。

R22对大气臭氧层有轻微破坏作用，并产生温室效应。它是第二批被列入限用与禁用的制冷剂之一。我国将在2040年1月1日起禁止生产和使用。第53页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

R22的单位容积制冷量比R12大40%～60%，沸腾和凝结时的放热系数也比R12大25%～30%，所以采用R22作制冷剂的比采用R12作制冷剂的制冷装置，在制冷量相同的情况下尺寸要小很多。

R22对大气臭氧层的破坏作用比R12小得多，大约是R12的5%，它正作为某些禁用制冷剂的过渡性替代物质被使用，但最终将被停止使用。第54页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

（3）R134aR134a——四氟乙烷，其化学分子式为。

R134a是一种新型的制冷剂，它的标准蒸发温度为-26.5℃，凝固点为-101℃。

R134a的主要热力性质与R12非常相近，对金属的腐蚀性比R12小，化学稳定性好。R134a的特点是对大气臭氧层没有破坏作用，安全无毒。第55页，课件共76页，创作于2023年2月（四）关于臭氧Ozone(O3)：指氧的三原子同素异形体。能使雷雨过后或电器设备周围的空气带有特殊的臭味。臭氧是有刺激性气味的淡蓝色气体，有毒，易爆。地球大气层中天然存在很少量的臭氧，能够吸收太阳的紫外线辐射。第一章空调基本原理

第56页，课件共76页，创作于2023年2月臭氧层（Ozonesphere):指距地表约10-50公里间的高空大气层，该层中臭氧浓度相当高，起着保护地球防止紫外线辐射的作用。否则，这种辐射会严重地伤害地面上的有机体。第一章空调基本原理

第57页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第58页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第59页，课件共76页，创作于2023年2月2000年臭氧空洞的形状2002年臭氧空洞变形了第一章空调基本原理

第60页，课件共76页，创作于2023年2月

CFCS、HCFCS的限制与替代问题的提出：CFC又称氯氟烃，是氟利昂制冷剂家族中的一员，当CFCs受强烈紫外线照射后，将产生下列反应（以CF2Cl2为例）：CF2Cl2---CF2Cl＋Cl；Cl＋O3---ClO＋O2；ClO＋O-----Cl＋O2空洞现象：循环反应产生的氯原子不断与臭氧分子作用，使一个CFC分子可破坏成千上万个O3，致臭氧层出现“空洞”，这一现象已被英国南极考察队和卫星观测所证实。据UNEP（联合国环境规划署）资料显示，臭氧每减少1％,紫外线辐射量约增加2％。臭氧层破坏的影响：①危及人类健康，皮肤癌、白内障的发病率增加，破坏人体免疫系统；②危及植物及海洋生物，农作物减产，不利于海洋生物的生长与繁殖;③产生附加温室效应，加剧全球气候转暖；④加速聚合物（如塑料等）的老化。因此保护臭氧层已成为当前一项全球性的紧迫任务。第61页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

第三节空气调节原理一、湿空气的组成及物理性质(一)湿空气的组成

由干空气和水蒸气组成的混合物，称为湿空气。第62页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

(二)湿空气的状态参数

湿空气的物理性质是由它的组成成分和所处的状态来决定的。 湿空气的状态通常用压力、温度、湿度及焓等参数来描述，这些参数称为湿空气的状态参数。

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(二)湿空气的状态参数

湿空气中干空气的分压力和水蒸气的分压力分别指当干空气和水蒸气单独占有湿空气的容积，并具有与湿空气相同的温度时，所具有的压力。通常干空气的分压力是稳定的，而水蒸气的分压力是变化的。在一定的温度条件下，水蒸气分压力的大小直接反映了水蒸气含量的多少，是衡量水蒸气含量即湿空气干燥或潮湿的基本指标。

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在一定的温度下，空气中水蒸气含量越多，空气就越潮湿，水蒸气分压力也越大；当空气中水蒸气的数量超过某一含量时，空气中就有水分析出。就是说，在一定的温度条件下，湿空气中容纳水蒸气的数量有一个最大限量。湿空气中水蒸气含量达到最大限度时的水蒸气，被称为饱和水蒸气，此时的湿空气，称为饱和湿空气。饱和湿空气中水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压力，它是该温度下水蒸气分压力的最大值。第65页，课件共76页，创作于2023年2月第一章空调基本原理

若湿空气中水蒸气的分压力低于该温度下饱和水蒸气分压力值，则此时的水蒸气处于过热状态，相应的湿空气称为未饱和湿空气。显然，饱和湿空气不再有吸湿能力。未饱和湿空气还具有吸湿能力。第66页，课件共76页，创