第二章 文獻回顧
2.2 蒸汽壓縮冷凍循環系統之基本理論
所謂蒸氣壓縮冷凍循環（vapor-compression refigeration cycle）簡 稱VCR，是一般分析冷媒之冷凍循環模式（賴瑩栩,2004）。其基本原 理乃利用冷媒的熱交換來達到增溫或降溫的目的，再將冷媒透過增減 壓力的方式來恢復原來的狀態，以進行下一次的循環。
基本的冷凍循環過程圖如圖 2-5 所示，主要的元件包含壓縮機、
冷凝器、膨脹閥和蒸發器，其冷凍循環過程為：壓縮機利用馬達來驅 動運轉，把低溫低壓的氣態冷媒，壓縮成為高壓高溫的氣態冷媒之後，
經冷凝器冷却散熱使氣態冷媒凝結成為高壓常溫的液態冷媒，再經膨 脹閥降壓後，使液態冷媒在低壓之狀態下，進入蒸發器蒸發吸熱，成 為低溫低壓的氣態冷媒之後流回壓縮機，再進行另一次的冷凍循環。
2.2.1 標準蒸氣壓縮冷凍循環
冷媒在密閉的冷凍系統內，不斷地經由壓縮機、冷凝器、冷媒 控制器及蒸發器等四各主要組件循環運作，改變本身相態，作熱傳遞 的功用以達到冷凍的效果。因此，基本的冷凍循環過程，依序為壓縮、
冷凝、膨脹及蒸發四個過程，其冷凍循環運作情形如圖2-6 和圖 2-7 所示，敘述如下：
1. 壓縮機（過程 1→2）：可逆絕熱壓縮過程
冷媒以低壓低溫飽和蒸氣的狀態進入壓縮機，藉由外界提供之壓 縮機能量，透過一可逆絕熱壓縮過程（又稱等熵壓縮過程）後，以高 壓高溫過熱蒸氣的狀態離開壓縮機。
2. 冷凝器（過程 2→3）：等壓放熱過程
冷媒離開壓縮機後，即以高壓高溫過熱蒸氣的狀態進入冷凝器，
於此過程中，一方面保持冷媒處於等壓狀態，一方面將其熱能傳輸給 其他物質（水或空氣），以降低冷媒本身之熱能，使其離開冷凝器時，
變成高壓飽和液態冷媒。
3. 膨脹裝置（過程 3→4）：絕熱膨脹降壓過程
當冷媒以高壓飽和液態離開冷凝器後，即被導入膨脹閥或毛細 管。於此過程中，冷媒經歷一不可逆等焓膨脹過程，而迅速降低其本 身壓力，以至於部分冷媒因此發生汽化現象，最後以低壓低溫液氣共 存的二相狀態離開膨脹裝置。
4. 蒸發器（過程 4→1）：等溫吸熱過程
此一過程為一等壓蒸發過程，冷媒以低溫低壓液氣共存的二相狀 態離開膨脹裝置後，進入蒸發器。於此過程，冷媒一方面保持其等壓 態，另ㄧ方面由其他物質處吸收熱量，以增加自身的熱能，藉由此能 量的提升，達到低壓低溫飽和氣態，脫離蒸發器後，再進入壓縮機，
再沿著前述1→2→3→4 的過程繼續下一次的循環。而與冷媒進行熱 交換而散失熱能的物質因為散熱而溫度降低，該物質如為空氣而散佈 於封閉空間內，即為一般所謂的冷氣。
2.2.2 實際蒸氣壓縮冷凍循環
如前述，標準蒸氣壓縮冷凍循環是由絕熱等熵之壓縮過程，等壓 之熱交換過程，以及等焓的絕熱膨脹過程所組成。然而實際之冷凍循 環系統並非如此；亦即加壓過程並非絕熱可逆，且熱交換過程亦非等 壓，實際VCR 過程亦與前述標準過程不同，茲分述如下：
1. 變壓過程並非絕熱可逆：
當冷媒經過壓縮機或毛細管時，不論如何該壓縮機或膨脹閥裝置 均會與外界進行熱交換，且由於流體之黏滯性與壓縮機之間摩擦力等
因素之影響，該過程並非絕熱可逆過程，其熵必定增加，而並非理想 VCR 所假設之絕熱可逆等熵過程。對膨脹裝置而言，由於不可免地 與外界存有熱交換過程，即非理想VCR 所假設之絕熱節流過程。
2. 熱交換過程亦非等壓：
由於冷媒進行熱交換時，不論是在蒸發器或冷凝器中，其本身之 黏滯性以及熱交換器之構造所造成之阻力，因為摩擦之緣故，故在進 行熱交換之過程必因之而產生壓降，所以並非理想VCR 所假設之等 壓熱交換過程。
3. 其他：
通常冷媒離開冷凝器時之液態溫度，皆在低於飽和液體溫度時成 為過冷液體，而非理想VCR 循環中所假設之飽和液體。實際上，由 於壓縮機運轉速度相當快，如有液體進入壓縮機，常常會造成壓縮機 本身的損傷，且液態冷媒進入壓縮機亦容易降低壓縮機中的潤滑油效 果，上述雙重因素將造成壓縮機壽命減短與造成運轉上之不順暢。因 此，在設計上蒸發器出口處之冷媒應控制為過熱蒸氣狀態，以避免液 壓縮現象之產生。
2.2.3 實際冷凍循環與標準冷凍循環之差異
在實際應用上，空調系統的冷凍循環，有別於理想之冷凍循環；
如圖2-8 所示，將實際蒸氣壓縮循環的壓焓圖(P-h 圖)和標準蒸氣壓縮 循環疊合，其差異分述如下：
1. 在實際應用上，為避免液體冷媒被吸入壓縮機內造成液壓縮現象 而損壞壓縮機，使壓縮機磨損增加，冷凍循環常控制在點1′時即已 達過熱蒸氣狀態，甚至會在壓縮機入口安裝液氣分離器，以避免 造成液壓縮。
2. 在壓縮機過程1′- 2′ 中，由於流體黏性造成摩擦損失，導致壓降並 且有熱損失，所以輸入給壓縮機的能量並未完全被冷媒吸收，又 因為冷媒進入壓縮機前可能為過熱蒸氣狀態，冷媒與環境間存在 著熱傳之現象，而造成熵增加或減少，所以並非等熵過程，因此 與理想冷凍循環所假設之等熵絕熱壓縮過程有所差異。
3. 在實際上之冷凝過程 2′ -3′中，由於管路摩擦而造成壓降，使得冷 凝器出口點3′之壓力會略小於入口之點2′ ，與理想冷凍循環中的 假設等壓冷凝散熱過程不同。
4. 通常冷媒離開冷凝器時之液態溫度，皆低於當時壓力之飽和液體 溫度，而成為過冷液，並不是理想循環中假設之飽和液狀態。
5. 實際上，在蒸發過程 4′ -1′中，由於管路摩擦而造成壓降，使蒸發 器出口點1′之壓力會略小於入口點 4′，與理想冷凍循環中的等壓蒸 氣吸熱過程有所不同。