第四章 實驗結果與分析
4.1 冷凍循環溫度、壓力感測點量測數據分析
32
第四章 第四章 第四章
5 10 15 20 25 30 35 40 45
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 壓
壓 壓 壓 力力 力力 ( ( ( ( p pp p s ss s i ii i ggg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-2 模擬液態冷媒洩漏時壓縮機入口壓力變化圖
另在壓縮機出口壓力方面，當冷媒量低於 20％（含）以下時，進入壓縮機的氣 態冷媒量不足，導致壓縮機冷媒出口壓力(高壓)過低；此外，在模擬冷媒洩漏量相同 狀況下，因氣態冷媒洩漏致冷凍庫冷媒量剩 20％時，壓縮機出口壓力較模擬液態冷 媒洩漏者為高（約 20psig），如圖 4-3、圖 4-4 所示。
圖 4-3 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機出口壓力變化圖 150
170 190 210 230 250
5 6 7 8 9 10 11 12 13時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )
壓 壓壓 壓 力 力力 力 ( ( ( ( p pp p sss s iii i g gg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
34 150
170 190 210 230 250 270
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 壓壓
壓壓 力 力 力 力 ( ( ( ( p pp p s ss s iii i g gg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-4 模擬液態冷媒洩漏壓縮機出口壓力變化圖
基上所述，未來在研製冷凍(藏)設備智慧型遠端監測及專家診斷系統時，在壓縮 機冷媒入、出口端應各設置一支壓力感測器；且可依壓縮機運轉時間、壓差變化等判 斷冷媒量是否異常，並在冷媒量超出預設範圍值時傳送警示訊號，以利查修排除故障。
在壓縮機入口冷媒溫度方面，當模擬氣態或液態冷媒洩漏後，冷媒量在 60％（含）
以上者幾乎一致，且隨運轉時間加長，溫度值均呈下降趨勢；冷媒量剰 20%（含）以 下時，因冷媒不足，冷凍能力下降，壓縮機冷媒入、出口溫度均上升；冷媒量剰 40%
時，壓縮機入口冷媒溫度下降速度緩慢，如圖 4-5、圖 4-6 所示。
另在壓縮機出口溫度方面，冷媒量在 60％(含)以上者均維持在 45℃左右；冷媒 量剰 40%者，壓縮機冷媒出口溫度約在 47℃左右，且溫差小；冷媒量剰 20％時，壓 縮機出口冷媒溫度不降反升至 52℃左右，且運轉時間加長溫度愈上升，如圖 4-7、圖 4-8 所示。
-5-4 -3-2 -10123456789 1011 1213 1415 1617 1819 20
5 6 7 8 9 10 11 12 13 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫溫 溫 度度度 度 ( ( ( (
℃
℃℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-5 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機入口溫度變化圖
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 )時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫 溫 溫 度 度 度 度 ( ( ( (
℃
℃
℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-6 模擬液態冷媒洩漏壓縮機入口溫度變化圖
36 40
45 50 55 60
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫溫
溫 度度度 度 ( ( ( (
℃
℃℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-7 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機出口溫度變化圖
40 45 50 55 60
5 6 7 8 9 10 11 12 13 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫
溫溫 度度 度度 ( ( ( (
℃℃
℃℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-8 模擬液態冷媒洩漏壓縮機出口溫度變化圖 綜上分析:
1.冷媒量剩 20％時，壓縮機入、出口溫度偏高，且呈上升趨勢。
2.冷媒量剩 40%時，壓縮機入口溫度下降緩慢，出口溫度在進入穩定運轉(
約 8 分鐘)後呈定溫現象。
3.未來建構監控感測裝置時，除可依壓縮機入口及出口冷媒的溫差變化作為設 計指標參數外，並注意示警時間點，以避免在冷媒不足下，壓縮機為達預設 值而不停運轉，造成耗電浪費情事，且有危安之虞。
4.1.2 冷凝器入口、出口溫度及壓力變化
蒸氣壓縮製冷屬於相變製冷，在封閉的冷凍循環系統內，氣態冷媒在某ㄧ壓力下 原處於平衡狀態，但為使汽化(相變)之冷凍循環連續進行，壓縮機不斷吸入蒸發器中 產生的低溫、低壓氣態冷媒，以提供蒸發器內的液態冷媒在低溫下沸騰的條件；同時，
並吸入氣態冷媒進行壓縮，提高其壓力與溫度至冷凝壓力(溫度)，當高溫、高壓的氣 態冷媒送至冷凝器時即能在常溫下散熱液化。在相同的蒸發溫度（庫溫）下，冷凝壓 力越高，其冷凍能力越小，又當冷媒閃蒸量增加，蒸發潛熱將會減少，壓縮功則增加，
性能係數因而下降。
本實驗設備的蒸發器係設於冷凍庫內，並設定冷凍循環系統需在 15 分鐘內，使 庫溫由 20℃下降至-20℃，每次定量回收氣態或液態冷媒 1 公斤(20%)，使冷凍庫的冷 媒量逐步下降，實驗結果如次︰
1. 模擬氣態冷媒逐次抽離致冷媒量剩 40％(含)時，冷凝器冷媒入口溫度隨冷凍循環 上升至 32℃後呈水平現象，且與冷媒量在 60％（含）以上者相差約 3℃，當持續 回收氣態冷媒，使冷媒量僅剩 20％時，壓縮機的冷媒入口溫度隨運轉時間上升，
如圖 4-9、4-10 所示；惟模擬液態冷媒洩漏冷媒量雖不同，但冷凝溫度變化差異 性小，約在 2℃左右。
38 27
28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 )時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫
溫溫 度度 度度 ( ( ( (
℃
℃
℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-9 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器入口溫度變化圖
27 28 29 30 31 32 33 34 35
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫溫
溫 度 度度 度 ( ( ( (
℃℃℃
℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-10 模擬液態冷媒洩漏冷凝器入口溫度變化圖
2. 模擬氣態冷媒洩漏，冷凍庫的冷媒量剰 40％時，冷凝器冷媒出口溫度上升，且與 冷媒量 60％(含)以上者相反，如圖 4-11 所示。
3. 模擬液態冷媒洩漏，冷媒量剰 20％時，冷凝器冷媒出口溫度上升約 2℃左右；剰 40％時，溫升約 1℃左右，且近似水平線；當冷媒量在 60％(含)以上者，冷凝器 冷媒出口溫度呈下降趨勢，且與冷媒量多寡關係不大，如圖 4-12 所示。
30.0 32.0 34.0 36.0 38.0 40.0 42.0
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫
溫溫 度度 度度 ( ( ( (
℃℃
℃℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-11 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器出口溫度變化圖
26 28 30 32 34 36 38 40
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫 溫 溫 度 度 度 度 ( ( ( (
℃℃
℃℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-12 模擬液態冷媒洩漏冷凝器冷凝器出口溫度變化圖
4. 模擬液態或氣態冷媒洩漏，冷媒量剩 20％（含）以下時，冷凝器出口壓力均處於 低壓狀態。
5. 模擬液態冷媒洩漏冷媒量剰 20％（含）時，其冷凝器出口壓力與基準值差異加大，
氣態洩漏尤為明顯，二者相差約 10psig；但當冷媒量在 60％(含)以上時，冷凝器 冷媒出口壓力差異小，且隨冷凍循環而下降，如圖 4-13、圖 4-14 所示。
40 150
160 170 180
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 壓壓
壓壓 力力 力力 ( ( ( ( p pp p s ss s iii i g gg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-13 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器出口壓力變化圖
140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
5 6 7 8 9 10 11 12 13時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )時 間 ( 分 ) 壓
壓 壓 壓 力 力 力 力 ( ( ( ( ppp p sss s i ii i g gg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-14 模擬液態冷媒洩漏冷凝器冷媒出口壓力變化圖 綜上分析:
1. 冷媒流經冷凝器入口及出口壓力、溫度高、低與冷凍庫的散熱能力有關。
2. 冷凝器溫度及壓力與冷凍庫的冷媒量有關，冷媒不足會使冷凝器冷媒出口溫度上 升、出口壓力處於偏低狀態。
3. 冷凝器冷媒出口端的冷媒溫度及壓力狀態，係冷凍循環過程中冷媒流經冷凝器與 外界進行冷卻、冷凝等熱交換的程度；在設計冷凍庫自動監測診斷系統時，冷凝 器冷媒出口處應裝設溫度及壓力感測器；至於冷凝器冷媒入口端，則因接近壓縮 機出口處，且及易受外氣、環境因素所影響，故可視狀況省略之。
4.1.3 蒸發器入口、出口溫度及壓力變化
在冷凍循環過程中，冷凝溫度或壓力維持不變，則蒸發溫度越高、壓縮比變小，
容積效率大，冷媒質量流率增加，冷凍效果增加，性能係數越佳。反之，蒸發溫度越 低、冷凍效果越差，蒸發壓力降低，吸入蒸汽的比體積越大，冷媒循環量越少，閃蒸 氣體越多，流入蒸發器的液態冷媒不足，將會影響冷凍庫之冷凍效果。
本實驗設計排除冷凍循環過程中與外氣環境溫度之間存在漏熱及管路壓降等因 素，有關模擬冷媒量變化之實測結果如次︰
1. 模擬氣態洩漏冷媒量下降至 20%（含）以下時，蒸發器冷媒出口溫度隨運轉時間 加長，均維持在高溫(16 )℃ 狀態，如圖 4-15、圖 4-16、圖 4-17、圖 4-18 所示。
2. 由於蒸發器冷媒出口壓力與氣態冷媒進入壓縮機狀態有關，影響壓縮機的運轉效 率；本實驗係模擬氣態冷媒洩漏(即回收低壓氣態冷媒)進行該狀態點之壓力量 測，當冷媒量剩 20%時蒸發器出口壓力維持在低壓狀態。
3. 在設計冷凍庫自動監測系統時，蒸發器入口及出口處均應安裝溫度感測器；另蒸 發器出口處亦應裝設壓力感測器，俾利判斷氣態冷媒流經蒸發器的吸熱程度，及 避免壓縮機吸入液態冷媒，造成液壓縮之疑慮。
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 )時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫溫
溫 度 度度 度 ( ( ( (
℃
℃℃
℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-15 模擬氣態冷媒洩漏蒸發器入口溫度變化圖
42
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫溫 溫 度 度度 度 ( ( ( (
℃
℃℃
℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-16 模擬液態冷媒洩漏蒸發器入口溫度變化圖
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫 溫 溫 度度 度度 ( ( ( (
℃
℃
℃
℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-17 模擬氣態冷媒洩漏蒸發器出口溫度變化圖
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫 溫 溫 度度 度度 ( ( ( (
℃
℃
℃
℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-18 模擬液態冷媒洩漏蒸發器出口溫度變化圖
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 壓
壓 壓 壓 力力 力力 ( ( ( ( p pp p s ss s i ii i ggg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-19 模擬氣態冷媒洩漏蒸發器出口壓力變化圖