第一章 緒論
1.2 文獻回顧
西元 1994 年 Lorentzen 開始對 CO2熱泵系統進行研究，並指出 CO2冷媒應用 在汽車空調系統，區域供熱和商用熱泵熱水器是一種非常好的冷媒。CO2與其他冷 媒的比較如表 1.2.1 所示[5]。
表 1.2.1、冷媒特性與性質比較表[5]
跨臨界 CO2循環系統的示意圖以及其工作在壓焓圖上的原理如圖 1.2.1 所示 於。從壓焓圖上可以看出，在固定氣體冷卻器出口條件下，系統製冷能力以及耗 功都可以藉由調整壓縮機的吐出壓力來改變。並且需要在不同的工況下對壓縮機 吐出壓力進行調節，使系統的 COP 能達到最大值。
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圖 1.2.1、跨臨界 CO2循環以及所對應的壓焓圖[5]
Neksa 在研究跨臨界 CO2熱泵的過程中發現，熱泵系統使用 CO2作為冷媒比 起使用傳統的冷媒具有較高的 COP 和更高的熱水出口溫度，並且在系統過程中能 環境低溫的情況下安全地產生高溫熱水，實驗結果如圖 1.2.2、圖 1.2.3 所示[6]。
圖 1.2.2、壓縮機吐出溫度、入口過熱溫度 vs 熱水出水溫度的變化[6]
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圖 1.2.3、壓縮機吐出溫度、入口過熱溫度 vs 蒸發溫度[6]
Kim 等人對 CO2蒸氣壓縮循環進行研究，並且針對 CO2冷媒的特性做出詳細 的分析，圖 1.2.4 顯示各種冷媒的蒸氣壓力與飽和溫度曲線。可以看出 CO2冷媒的 蒸氣壓高出其他冷媒許多，且在靠近臨界點時變得很陡峭，也就是在壓力變化的 情況下只會有很小的溫度變化。
因此，在蒸發器內部的壓力降對溫度變化的影響就會比較小。舉例來說，在 0oC 時，1kPa 的壓力降對 CO2的溫度變化約 0.01K，而在相同的壓降情況下 R-410A 和 R-134a 分別有 0.04 和 0.10K 的溫度變化，也就是高出 CO2冷媒約 4~10 倍，如 圖 1.2.5。
除了以上幾點，CO2 單位體積的冷凍能力比起其他冷媒也相對較高， 如圖 1.2.6 所示。
雖然 CO2高容積的製冷量和高熱傳係數做為系統冷媒的使用上非常具有潛力，
但因高臨界壓力（7.38MPa）和低臨界溫度（31.06℃）是其主要的技術上所面臨的 挑戰。因此，跨臨界 CO2循環中的元件都需要針對其高工作壓力的情況下進行設 計[7]。
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圖 1.2.4、各種冷媒的飽和蒸氣壓力 vs 飽和溫度[7]
圖 1.2.5、各種冷媒在不同溫度下壓降對溫度的影響[7]
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圖 1.2.6、各種冷媒單位體積的冷凍容量 vs 蒸發溫度[7]
為了提升跨臨界 CO2循環的使用效率，必須針對主要的耗功元件與熱交換器 進行設計與改善，Jover 等人針對 CO2冷媒系統開發專用的壓縮機並且也完成的實 驗測試，實驗結果如表 1.2.2，可以看出 CO2系統能操作於非常低溫的工況下運轉 [8]。
表 1.2.2、低蒸發溫度下壓縮機的測試結果[8]
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Cabello 等人提出了實驗評估的方法針對單級 CO2冷凍系統工作於跨臨界區域 的能源效率進行測試。實驗測試了不同的蒸發溫度、氣體冷卻器出口溫度、氣體 冷卻器壓力以及壓縮機轉速。結果用來比較一些作者的建議最佳氣體冷卻器最佳 壓力經驗式，比較的結果如表 1.2.3[9]。
表 1.2.3、最佳氣體冷卻器操作壓力實驗值與其他作者之經驗式比對[9]
Melo 等人針對不同的冷媒充填量在 CO2系統的性能進行研究，實驗結果如圖 1.2.7 所示，因為質量流率的提升，使得壓機耗功也上升，可以看出冷媒填充量與 壓縮機耗功成正比。但隨者冷媒填充量的上升，冷凍能力將會上升趨勢的逐漸平 緩，這也顯示系統存在最佳的冷媒填充量[10]。
圖 1.2.7、冷凍容量、壓縮機耗功、COP vs 冷媒充填量[10]
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Aprea 等人評估了跨臨界 CO2 循環使用內熱交換器在不同的氣體冷卻器入口 溫度下的性能。實驗系統配置圖如圖 1.2.8，內熱交換器主要的功用是將用通過氣 體冷卻器冷媒與蒸發器出口的冷媒進行熱交換，這樣的過程可以提升氣冷器出口 冷媒的過冷度，以及確保進入壓縮機的冷媒為過熱氣態，避免壓縮機液壓縮導致 壓縮機損毀，實驗結果如圖 1.2.9、圖 1.2.10。可以看出使用內熱交換器能明顯提 升系統的製冷能力與系統性能係數[11]。
圖 1.2.8、跨臨界 CO2循環使用內熱交換器[11]
10
圖 1.2.9、製冷能力 vs 氣體冷卻器入口溫度(使用和不使用內熱交換器) [11]
圖 1.2.10、性能係數 vs 氣體冷卻器入口溫度(使用和不使用內熱交換器)[11]
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10.97995 1.06442 1.01404 0.01216
5 35 , 55 80
23.08391 1.22379 0.00407 0.16207
15 5 , 55 80
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