結果與討論

本實驗最主要以一台壓縮機進行兩階層的循環，以達到低溫環境。其中冷媒 流體選擇純 R134a 與混合冷媒 R-32/R-134a 二種，分別在基本循環、一階自動階層 循環、二階自動階層循環中進行分析。在本實驗過程中，以調整各個膨脹閥 EV(1)

、EV(2)、EV(3)的大小，以配合各階層負載需求。

4.1 R-134a 與 R-32/R134a 之基本循環分析

由於基本循環(搭配 LOF)系統之冷媒填充量，在文獻中【25】已做過相關分 析與討論，發現冷媒填充量在 2.1Kg 最為恰當。因此本論文實驗中，基本循環分 別採取填充 2.1kg 之 R-134a 與 R-32/R-134a 進行循環。

4.1.2 R-134a 與 R-32/R-134a 在基本循環分析

圖 4-1 到圖 4-6 環境控制為：滷水出口溫度 19℃、滷水出口流量 19L/min；

冷卻水出口溫度 20℃、冷卻水出口流量 25L/min。進行膨脹閥(1)由 0turn 旋轉 至 2.25 turn，觀測 R-134a 與 R-32/R-134a 在系統中不同膨脹閥開口度時的變 化與效能。

圖 4-1 為膨脹閥(1)開口度與冷媒質量流率的關係圖。圖中表示出當膨脹閥 (1)的開口度變大時，冷媒質量流率隨之上升。由圖可知，混合冷媒 R-32/R-134a 整體質量流率大於純冷媒 R-134a，由於 R-32 的氣態密度大於 R-134a，所以在 質量流率的比較下，混合冷媒 R-32/R134a 會來得比較高一些。

圖 4-2 為膨脹閥(1)開口度與冷凍能力的關係圖。由於混合冷媒中 R-32 的潛 熱值較 R-134a 高，所以在混合冷媒的冷凍能力表現上會來得比純 R-134a 來得

好，由於膨脹閥(1)開口度變大時，冷媒質量流率會隨之變大，因此冷凍能力會 隨之變大。

圖 4-3 為膨脹閥(1)開口度與壓縮功的關係圖。上述，R-32 的氣體密度較 R-134a 高，除了會使冷凍能力、冷媒質量流率數值變高以外，壓縮功也會隨之 變高。當氣體密度變高時，壓縮機所壓縮之氣體量變多，壓縮機所消耗壓縮功亦 變大。當膨脹閥(1)開口度大時，冷媒質量流率亦變大，所以壓縮功隨膨脹閥(1) 開口度變大而升高。

圖 4-4 為膨脹閥(1)開口度與 COP 的關係圖。當膨脹閥(1)開口度變大時，

冷媒質量流率會變大，因此，也會使得壓縮功與冷凍能力隨之變大。由於，冷 凍能力上升的幅度大於壓縮功增加的比例，使得系統 COP 值會呈現上升趨勢。

圖中可看出系統內為混合冷媒時，整體 COP 值較大於使用純冷媒的情況。

原因是混合冷媒所能提高的冷凍能力較優於純冷媒。

圖 4-5 為膨脹閥(1)開口度對蒸發溫度的影響的關係圖。本實驗使用混合 冷媒主要是考量混合冷媒所產生的高冷凍能力以外，還期待混合冷媒在熱交換 進行相變化時，所產生的溫度滑落。而將溫度降至更低溫，這是一般純冷媒無 法達到之特性。圖中可很明顯的看出，當膨脹閥(1)開口度在 0turn 時，使用 混合冷媒時所對應到的蒸發溫度是-38℃左右，而純冷媒所對應到的大約為-35

℃左右。兩者有著約 3℃左右的溫度差，這與當初預期的 3.65 溫度滑落相差 不遠。

圖 4-6 為膨脹閥(1)開口度對壓縮比的影響。圖中，發現純冷媒 R-134a 在 膨脹閥(1)開口度 0turn 壓縮比遠大於混合冷媒 R-32/R-134a，這是因為 R-32 本 屬於高壓冷媒，因此基本循環系統在使用混合冷媒的壓力會大於純冷媒。也因為 此項特色，所以使得純冷媒高壓與低壓的比值會較使用混合冷媒高。

4.1.3 純冷媒 R-134a 與混合冷媒 R-32/R-134a 之基本循環結論

1. 冷媒質量流率、冷凍能力、壓縮功、蒸發溫度、COP 會隨膨脹閥(1)開口

度增加而上升，而壓縮比則是相反。這是因為膨脹閥(1)開口度變大時，

低壓會慢慢升高，使得壓縮比隨膨脹閥(1)開口度增加而減少。

2. 使用純冷媒 R-134a 或是混合冷媒 R-32/R-134a 於同樣的系統中，可得知 混合冷媒中因有 R-32 的成分，使得冷凍能力、COP 與蒸發溫度效果較使 用純冷媒佳。

4.2 R-32/R134a、R-134a 在基本循環和一階自動階層循環比較

在進行一階自動階層循環時，環境控制為：滷水出口溫度 19℃、滷水出口 流量 19L/min；冷卻水出口溫度 20℃、冷卻水出口流量 25L/min。此系統冷媒填 充量為 4Kg【25】。

4.2.2 R-32/R134a、R-134a 在一階自動階層循環和基本循環中之性能分析

由於，一階自動階層循環與基本循環操作變因相同，因此圖 4-7 到 4-10 為 兩循環之間的冷凍能力、壓縮功、COP、蒸發溫度等四項比較。

圖 4-7 為膨脹閥(1)開口度對冷凍能力的影響。在圖中可看出當使用混合冷 媒時且在一階自動階層循環中，所產生的冷凍能力為最高，而純冷媒在基本循 環或是一階自動階層循環中冷凍能力都不及使用混合冷媒。這是因為進行階層 式循環有相分離器將氣體與液體分離，所以使得流經蒸發器中的 R-32 濃度提 高，冷凍能力因此提昇。

圖 4-8 為膨脹閥(1)開口度對壓縮功的影響。可由圖看出當混合冷媒進行 一階自動階層循環時，所產生的壓縮功最大。其中當膨脹閥為 2.25turn 時，

混合冷媒進行一階自動階層循環比基本循環高出 5.9%壓縮功，比起純冷媒在一 階自動階層循環與基本循環中分別高出有 32.9%與 41.1%的壓縮功。

這是因為當混合冷媒流經壓縮機時，一階自動階層循環提供較高濃度 R-32 進入 壓縮機內，因此使得混合冷媒進行一階自動階層循環會有較高的壓縮功產生。

圖 4-9 為膨脹閥(1)開口度對 COP 的影響。當膨脹閥開口度變大時，COP 值 隨之上升。混合冷媒 COP 在膨脹閥開口度為 2.25turn 一階自動階層循環比起基 本循環高出 6.5%，比起純冷媒在一階自動階層循環與基本循環中分別高出有 10%

與 11.9%。

圖 4-10 為膨脹閥(1)開口渡對蒸發溫度的影響。由圖中可看出，當混合冷 媒進行一階自動階層循環在最低溫可達到-41℃左右。由於非共沸混合冷媒在 相變化時，就會產生溫度滑落現象，再加上進行一階自動階層循環分離出較高 濃度 R-32，因此可使溫度下降至更低溫狀態，純冷媒進行基本循環最低溫僅 有-35℃左右。當膨脹閥開口到了 2.25turn 時混合冷媒一階自動階層循環與純冷 媒基本循環有 11℃的溫差，可見當冷媒量變大時，混合冷媒比純冷媒的較優異 熱物理特性更加的顯著。

4.2.3 混合冷媒與純冷媒之基本循環和一階自動階層循環結論

1. 使用混合冷媒進行一階自動階層循環有較高的冷凍能力與壓縮功，原因是 系統增置積液式熱交換器有助於蒸發器 100%之盤管產生潛熱，而混合 冷媒中的 R-32 因濃度偏移而大部分流向蒸發器，在 R-32 的潛熱高於 R-134a 的條件下，混合冷媒一階自動階層循環搭配積液式熱交換器對 冷 凍能力的增益高於純冷媒基本循環許多。圖 4-9 中四種循環中，混合冷 媒一階自動階層循環之 COP 達 2.13，高於純冷媒 R-134a 一階自動階層循 環 10%，高於純冷媒 R-134a 基本循環 11.9%。

2. 混合冷媒一階自動階層循環可將溫度降到-41℃左右，亦是四種循環中最 低溫的一種組合。

綜合以上二點的整理，使用混合冷媒一階自動階層循環可達到較低溫且較高 COP 效果。

4.3 R-32/R134a、R-134a 在二階自動階層循環各項比較

圖 4-11 到圖 4-14 為二階自動階層循環填充純 R-134a，討論膨脹閥(1)開口度 在 2.25 與 1.25turn 時，所產生的不同影響情形與性能比較。冷媒填充量由 4kg 增 加到 5kg，每次紀錄增加 0.2kg。在此實驗環境控制為：滷水出口溫度 19℃、滷水 出口流量 19L/min；冷卻水出口溫度 20℃、冷卻水出口流量 25L/min。

圖 4-11 為冷媒填充量對冷媒質量流率的影響。由此圖可看出，當冷媒填充 量增加時，冷媒質量流率變化起伏不大，但是當膨脹閥(1)開口度由 1.25 增 加至 2.25turn 時，可以很明顯看出冷媒質量流率升高，會直接影響冷媒質量流 率的改變是膨脹閥(1)開口度的大小。這是因為冷媒量進入蒸發器多寡是操縱在 膨脹閥開口度大小，與冷媒填充量多寡並無直接的相關。

圖 4-12 為冷媒填充量對冷凍能力的影響。當冷媒填充量增加時，冷凍能力 是往上提昇的，可得知有較高的冷媒填充量會有較高的冷凍能力，不過，在此系 統相分離器因設計容量有限，為了防止相分離時產生過多的液態冷媒流進氣相管 路中，因此，本系統冷媒填充量只到 5kg。

圖 4-13 為冷媒填充量對壓縮功的影響。當冷媒填充量增加時，系統中冷媒 量增加，相對的壓縮機所須產生的推動能力也會隨之增加。

圖 4-14 為冷媒填充量對 COP 的影響。可以看出當冷媒填充量增加時，COP 值會隨之上升，由於本實驗有設計上的限制，因此冷媒 R-134a 只能填充到 5kg ,在膨脹閥全開 2.25turn 所對應到的 COP 值為 2.038。

4.3.2 R-32/R-134a(30/70)於二階自動階層循環各膨脹閥的搭配

當系統進行到二階自動階層循環時，因為有兩組中間熱交換器及一組蒸發器，

所以會使用到三組的膨脹閥分別為圖 3-1 系統圖中的 EV(1)、EV(2)、EV(3)，如何 搭配膨脹閥的開口度會影響到整體系統的運作與效能，所以實驗中必須找出最適合 系統運作時的膨脹閥開口度大小，以達到最佳的 COP。

表 4-1 為膨脹閥(1)、(2)、(3)之間開口度對於 COP 的比較，由表中可看出當 EV(1)開口度大於 EV(2)和 EV(3)時，可以對應到的 COP 為最大值，膨脹閥開口度 依序分配為 EV(1)=2.25、EV(3)=2、EV(2)=1.75。在此之外的膨脹閥搭配，無法 搭配出可使系統 COP 有高於 2.208 的組合。

這是因為蒸發器入口前的膨脹閥為 EV(1)，若是 EV(1)開口度小於 EV(2)與 EV(3)時，會使得大部分的混合冷媒流向一階自動階層循環與二階自動階層循環中 間熱交換器，進而使得蒸發器段冷媒流量減少，冷凍能力降低使得 COP 變小。所 以想要得到較高值的 COP，必須調整 EV(1)為最大、EV(3)為其次、EV(2)為最小的 開口度，每個開口度相差 0.25turn。

4.4 膨脹閥對 R-32/R-134a(30/70)混合冷媒於二階自動階層循環的 影響

以下實驗環境控制條件皆為：滷水出口溫度 19℃、滷水出口流量 19L/min；

冷卻水出口溫度 20℃、冷卻水出口流量 25L/min。

本實驗重心將以討論 R-32/R-134a(30/70)於二階自動階層循環為主，圖 4-15 到圖 4-22 皆為膨脹閥(1)開口度對二階自動階層循環的影響，而控制膨脹閥 EV(1)為系統主要控制參數，同時調整 EV(2)、EV(3)開口度大小，以配合達到良 好的 COP 與較佳的蒸發溫度。

4.4.1 膨脹閥開口度對系統壓力的影響

圖 4-15 到圖 4-17 為膨脹閥(1)開口度大小與系統中的冷凝壓力、蒸發壓力、

一階自動階層循環與二階自動階層循環壓力分布關係圖。

一階自動階層循環與二階自動階層循環壓力分布關係圖。