2.1 混 合 冷 媒 的 蒸 發 與 冷 凝 現 象
當將兩種不同成分物質進行混合時，依據熱力學相態定律可，知混合物在熱 力平衡下會包括壓力、溫度、濃度等性質關係都會隨之改變。因此雙 成 份 之 液 氣 相 平 衡 圖 可 用 來 了 解 混 合 冷 媒 蒸 發 與 冷 凝 的 特 性 。
本 實 驗 採 用 的 是 R - 3 2 與 R - 1 3 4 a 兩 種 不 同 成 分 冷 媒 進 行 混 合 ， 由 於 R - 3 2 與 R - 1 3 4 a 在 不 同 濃 度 下 皆 有 不 同 的 沸 騰 或 冷 凝 點 ， 因 此 這 兩 種 冷 媒 混 合 後 即 便 成 為 非 共 沸 混 合 冷 媒 。 圖 2 - 1 為 R - 3 2 / R - 1 3 4 a 相 平 衡 圖 ， 其 中 橫 軸 為 易 揮 發 冷 媒 R 3 2（ 沸 點 較 低 者 ） 之 濃 度 比 例 （ 單 位 為 重 量 百 分 比 ）， 濃 度 變 化 由 0 ﹪ 變 化 到 1 0 0 ﹪ ， 縱 軸 則 表 示 為 溫 度 值 。 在 此 相 平 衡 圖 當 中 可 分 為 三 個 相 態 區 域 即
（ 1 ）氣 相 區（ 2 ）液 氣 共 存 區（ 3 ）液 相 區 。 在 此 相 平 衡 圖 中 當 R - 3 2 氣 態 濃 度 在 3 0 ﹪ （ R - 1 3 4 a 氣 態 濃 度 為 7 0 ﹪ ） 時 ， 若 進 行 冷 凝 過 程 就 如 1 - 2 - 3 - 4 - 5 所 進 行 的 相 態 濃 度 變 化 路 徑 所 示 。
混 合 冷 媒 由 冷 凝 點 2 （ c o n d e n s a t i o n p o i n t 2 ） 開 始 冷 凝 ， 蒸 氣 之 濃 度 隨 著 冷 凝 過 程 沿 2 - 3 g - 4 g 變 化，液 體 之 濃 度 則 沿 著 2 f - 3 f - 4 變 化 ， 冷 凝 溫 度 則 由 TC下 降 至 TE， 溫 度 滑 落 ( t e m p e r a t u r e g l i d e ) 為
， 到 沸 點 4 （ b u b b l e p o i n t 4 ） 冷 凝 完 全 後 則 進 入 過 熱 冷 液 區 。 由 此 可 得 知 此 種 混 合 冷 媒 在 冷 凝 過 程 中 其 液 態 組 成 與 氣 態 組 成 並 不 相 同 ， 與 溫 度 滑 落 同 為 非 共 沸 混 合 冷 媒 之 兩 大 特 徵 。
E
C
T
T T
= −∆
在非共沸混合冷媒方面，因為有濃度偏移的問題因此會造成熱阻抗升高，由 熱阻抗的上昇會導致成熱傳係數衰減。
2.2 傳 統 蒸 氣 壓 縮 循 環 與 勞 倫 茲 循 環 （ Lorenz Cycle）
在 熱 力 學 中 的 卡 諾 熱 機 循 環 中 若 是 對 系 統 進 行 逆 循 環 的 話 ， 即 為 逆 卡 諾 循 環 又 稱 為 冷 凍 循 環 ， 傳 統 冷 凍 系 統 的 四 大 元 件 為 （ 1 ） 壓 縮 機 （ c o m p r e s s i o n ）（ 2 ） 冷 凝 器 （ c o n d e n s e r ）（ 3 ） 膨 脹 閥
（ e x p a n s i o n v a l v e ）（ 4 ） 蒸 發 器 （ e v a p o r a t o r ）。 理 想 蒸 氣 壓 縮 冷 凍 循 環 是 由 四 大 基 本 元 件 所 架 構 而 成 ， 其 可 分 為 高 壓 段 部 分 與 低 壓 段 部 分 如 圖 2 - 2 及 圖 2 - 3 T - S 循 環 圖 所 示 。
勞 倫 茲 循 環 ， 如 圖 2 - 4 虛 線 部 分 所 示 ， 其 中 在 相 態 變 化 時 利 用 非 共 沸 冷 媒 溫 度 滑 落 之 原 理 ， 與 單 元 冷 媒 蒸 氣 壓 縮 循 環 不 同 之 處 在 於 蒸 發 與 冷 凝 過 程 ， 單 元 冷 媒 的 相 變 化 是 等 溫 過 程 ， 而 勞 倫 茲 循 環 則 的 非 共 沸 混 合 冷 媒 有 溫 度 滑 落 之 變 化 。 若 配 合 混 合 冷 媒 之 溫 度 落 差 而 使 用 逆 向 流 熱 交 換 器 ， 與 單 元 冷 媒 蒸 氣 壓 縮 循 環 比 較 ， 會 得 減 少 斜 線 部 份 之 熱 傳 不 可 逆 性 ， 並 可 節 省 壓 縮 機 所 作 之 功 ， 進 而 提 高 系 統 之 效 率 。
2.3 二 階 式 自 動 階 層 冷 凍 系 統 之 分 析
圖 2-5 為本研究設計的自動階層式冷凍系統示意圖，二階式自動階層冷凍系 統主要是利用兩組相分離器，當混合冷媒流經第一組相分離器後進行第一次的混 合冷媒液氣分離，分成液、氣兩道流體，氣體先與第一次膨脹後的低溫液體進行 熱交換，冷凝成液體後，隨之會流進第二組相分離器內進行第二次的混合冷媒的 液氣分離，因為 R-32 為低沸點冷媒，所以在此部份 R-32 濃度的比例較高，液氣 分離過後，氣體部分再度與第二次膨脹的低溫液體進行熱交換進行冷凝，冷凝成 液體後，再度膨脹至所需低溫低壓，然後蒸發進行製冷。最後三道流體會合併流 入 LOF-AHX 中，進行壓力平衡後再流回壓縮機。圖 2-6 是系統中 R-134a 與 R-32 溫度-濃度圖，冷凍系統之各狀態點標註在圖2-6，各狀態點的號數則對應圖 2-5 示意圖之編號。
根據圖 2-6 進行理想循環分析。開 始 冷 媒 以 狀 態 點 1 進 入 壓 縮 機 ， 預 設 此 時 低 壓 為 1 5 0 k p a 。 此 系 統 的 冷 媒 組 成 成 分 為 R - 3 2 重 量 分 率 3 0 % ， R - 1 3 4 重 量 分 率 7 0 % 。 此 系 統 冷 媒 經 壓 縮 機 後 壓 力 被 加 壓 至 1 2 0 0 k p a，離 開 壓 縮 機 的 狀 態 點 為 2，從 壓 縮 機 流 到 冷 凝 器 的 冷 媒 只 有 部 分 蒸 氣 被 冷 凝 到 狀 態 點 3 。 氣 態 與 液 態 的 混 合 冷 媒 流 至 第 一 組 相 分 離 器 ， 而 此 時 產 生 分 流 。 其 中 液 態 流 到 狀 態 點 4 ， 氣 態 則 流 往 狀 態 點 7 。 液 態 冷 媒 R - 1 3 4 a 的 濃 度 較 高 ， 氣 態 則 有 較 高 濃 度 的 R - 3 2。液 態 冷 媒 從 狀 態 點 4 流 過 膨 脹 閥 時 壓 力 降 至 2 0 0 k p a，而 狀 態 5 存 在 著 少 許 氣 態 。 此 流 體 流 經 第 一 階 層 熱 交 換 器 的 一 側 ， 蒸 發 後 使 狀 態 點 6 有 若 干 過 熱 度 。
R - 3 2 濃 度 比 較 多 的 另 一 分 流 從 第 一 組 相 分 離 器 流 經 第 一 階 層 熱 交 換 器 的 另 一 側 進 行 冷 凝 過 程 ， 離 開 時 的 狀 態 點 8 為 次 冷 液 。 此 時 再 進 入 第 二 組 相 分 離 器 進 行 相 分 離 （ 在 此 處 的 R - 3 2 氣 體 濃 度 增 加 ， 比 第 一 組 相 分 離 器 的 氣 體 濃 度 更 高 ）。 第 二 組 相 分 離 氣 分 離 出 液 氣 兩 流 體，氣 態 流 往 狀 態 點 1 2。液 態 流 往 狀 態 9 經 過 膨 脹 閥 降 壓 到 1 7 5 k p a 的 狀 態 1 0，狀 態 1 0 的 液 態 冷 媒 流 入 第 二 階 熱 交 換 器 與 狀 態 為 1 2 氣 體 冷 媒 進 行 熱 交 換 ， 冷 凝 過 後 為 過 冷 狀 態 點 1 3 ， 此 分 率 下 的 混 合 冷 媒 將 是 本 系 統 最 後 需 要 的 冷 媒 。
狀 態 點 1 3 壓 力 經 膨 脹 閥 降 至 1 5 0 k p a ， 而 進 入 蒸 發 器 的 狀 態 點 1 4 是 此 系 統 的 最 低 溫 度 。 蒸 發 過 程 是 由 狀 態 點 1 4 至 狀 態 點 1 5， 同 時 對 系 統 的 二 次 環 路 滷 水 側 進 行 冷 卻 。 蒸 氣 狀 態 6 、 1 1 與 1 5 的 流 體 最 後 合 併 為 同 一 道 流 體 ， 狀 態 為 1 ， 冷 媒 比 例 恢 復 至 3 0 % 。 接 著 混 合 冷 媒 又 再 一 次 進 入 壓 縮 機 ， 一 次 接 一 次 地 重 複 循 環 。
與 多 階 （ m u l t i - s t a g e ） 冷 凍 系 統 或 分 離 階 層 式 冷 凍 系 統 比 起 來 ， 自 動 階 層 式 系 統 只 需 要 一 個 壓 縮 機 即 可 獲 得 低 溫 。 以 圖 2 - 6 的
冷 凝 後 溫 度 為 3 0 ℃ 和 蒸 發 的 最 低 溫 度 約 為 - 4 0 ℃ 為 例 。 相 對 照 冷 凝 溫 度 為 3 0 ℃ 與 蒸 發 溫 度 為 - 4 0 ℃ 的 純 冷 媒 R - 3 2，其 壓 縮 比 是 1 0 . 8 ， 而 純 冷 媒 R - 1 3 4 a 的 壓 縮 比 是 1 5 . 0 4。此 自 動 階 層 式 冷 凍 系 統 在 提 供 相 同 的 溫 差 下 ， 所 需 的 壓 縮 比 僅 為 1 , 2 0 0 / 1 5 0 ＝ 8 。
總 括 來 說 ， 此 系 統 會 使 蒸 發 壓 力 上 升 、 縮 減 壓 縮 比 與 降 低 壓 縮 機 消耗功率。冷凍系統的高壓不致過高，低壓也不至於低於一大氣壓。濃 度 更 高 且 易 揮 發 成 分 與 冷 凍 特 性 好 的 R - 3 2 成 分 流 經 最 後 的 蒸 發 器 ， 更 進 一 步 提 升 冷 凍 能 力 。
2.4 R-32 與 R-134a 的 熱 物 理 性 質
本 實 驗 所 採 用 的 系 統 工 作 流 體 為 H FC 系 列 冷 媒 中 的 R- 3 2 與 R - 1 3 4 a 混 合，此 類 H F C 氟 碳 氫 O D P 皆 為 零。為 了 使 二 階 式 自 動 階 層 冷 凍 系 統 整 體 性 能 夠 提 升 ， 必 須 慎 重 選 擇 適 當 的 混 合 冷 媒 比 例 配 製
【 5 】， 其 中 尤 其 要 考 慮 到 沸 點 與 溫 度 滑 落 。 高 壓 力 成 分 冷 媒 的 沸 點 必 須 在 設 計 蒸 發 溫 度 之 下 ， 低 壓 力 成 分 冷 媒 必 須 能 在 階 層 熱 交 換 器 冷 凝 。 一 般 而 言 ， 兩 成 分 之 間 的 沸 點 差 增 加 ， 其 溫 度 滑 落 亦 增 加 。 在 文 獻 中 R a d e r m a c h e r（ 1 9 8 6 ）【 2 3 】曾 經 指 出 當 溫 度 滑 落 超 過 1 6 . 7
℃ 時 ， 濃 度 偏 移 過 大 反 而 造 成 效 率 的 減 低 ， 因 此 混 合 冷 媒 的 配 製 需 要 慎 選 之 。
表 2 - 1 是 利 用 R E F P R O P 6 . 0 （ N I S T ）【 2 4 】 所 得 到 H F C 冷 媒 之 溫 度 滑 落 ， 以 5 0 / 5 0 重 量 分 率 來 計 算 在 1 2 0 0 k p a 飽 和 壓 下 的 蒸 發 與 冷 凝 溫 度 差 。 雖 然 R - 2 3 與 R - 1 5 2 a 的 滑 落 溫 度 最 大 ， 但 是 R - 2 3 在 一 般 常 溫 下 壓 力 相 當 大 ， 而 R - 1 5 2 a 在 冷 凍 系 統 上 並 不 常 用 。 故 此 論 文 選 用 混 合 冷 媒 R - 3 2 / R - 1 3 4 a 為 工 作 流 體 。
再探討重量分率與溫度滑落在 R-32/R-134 混合冷媒之關係，如表 2-2【24】
所示。雖然 R-32 重量分率為 40％時，溫度滑落 5.91 最大，但其冷凝壓力仍然 偏高。故本系統選擇混合冷媒為 R-32/R-134a（30/70 wt％），其溫度滑落為 5.9
℃。
表 2 - 3 【 2 4 】 為 R - 3 2 與 R - 1 3 4 a 的 熱 物 理 性 質 。 以 下 就 一 些 重 要 的 熱 物 理 性 質 對 系 統 性 能 的 影 響 評 估 如 下 ：
（ 1 ） 比 熱 ： 一 般 而 言 ， 冷 媒 氣 態 比 熱 小 容 易 導 致 壓 縮 機 吐 出 溫 度 與 入 口 溫 度 過 高 的 情 形 發 生 。 相 對 的 比 熱 大 又 容 易 造 成 液 壓 縮 與 膨 脹 閥 效 率 降 低 。 氣 態 比 熱 在 4 0 ～ 1 0 0（ J / m o l‧ K ）是 適 當 範 圍 。
（ 2 ） 密 度 ： 氣 態 密 度 小 ， 代 表 在 相 同 的 排 氣 量 下 壓 縮 機 壓 縮 較 少 質 量 的 氣 體，使 的 冷 凍 能 力 下 降，但 消 耗 的 壓 縮 功 率 也 減 少 。 另 一 方 面 密 度 小 的 冷 媒 也 會 使 系 統 所 需 充 填 量 較 少 。 R - 3 2 的 氣 態 密 度 大 ， 可 預 期 的 是 壓 縮 機 消 耗 功 率 也 隨 著 增 大 。
（ 3 ） 潛 熱 ： 冷 凍 能 力 取 決 於 冷 媒 流 率 與 其 潛 熱 的 大 小 。 R - 3 2 的 潛 熱 比 R - 1 3 4 a 高 的 多，又 因 上 述 氣 態 密 度 大，所 以 冷 媒 流 率 大。
這 兩 項 優 點 都 使 R - 3 2 的 冷 凍 能 力 高 很 多 。
（ 4 ） 黏 滯 係 數 ： 冷 媒 的 黏 滯 係 數 越 小 ， 會 使 在 系 統 中 的 循 環 壓 力 損 失 降 低 。 R - 1 3 4 a 的 黏 滯 係 數 高 ， 將 使 其 壓 降 比 R - 3 2 明 顯 。
（ 5 ） 熱 傳 導 係 數 ： 熱 傳 導 係 數 表 示 直 接 傳 導 能 力 的 大 小 。 R - 3 2 的 熱 傳 導 係 數 比 R - 1 3 4 a 高 。
若 冷 凍 循 環 中 使 混 合 冷 媒，其 中 R - 3 2 成 分 流 過 壓 縮 機 少 一 些 ， 流 過 蒸 發 器 成 分 多 一 些 ， 既 能 降 低 壓 縮 機 消 耗 功 率 ， 又 能 提 升 冷 凍 能 力 ， 將 使 整 個 系 統 的 C O P 明 顯 提 升 ， 自 動 階 層 式 冷 凍 系 統 即 有 此 優 點 。