碳氫混合冷媒應用於冷凍系統之性能與最佳化研究

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(1)國立臺灣師範大學工業教育學系碩士論文指導教授:鄧敦平博士. 碳氫混合冷媒應用於冷凍系統之性能與最佳化研究 Investigation on Performance and Optimization of Refrigeration System with Hydrocarbon Mixtures. 研究生:游朝傑撰中華民國 102 年 7 月. 1.

(2) 摘要論文名稱：校系別：畢業時間：研究生：. 碳氫混合冷媒應用於冷凍系統之性能與頁數： 136 最佳化研究國立臺灣師範大學工業教育學系碩士班能源組一百零一學年度第二學期學位：碩士游朝傑指導教授：鄧敦平. 關鍵字:碳氫冷媒、丙烷、異丁烷、混合冷媒、冷凍系統、環境溫度本研究針對 R600a/R290 混合冷媒進行小型 R-134a 冷凍系統換裝之性能研究。 R-600a/R-290 冷媒混合比例分別為 35/65(HC1)、50/50(HC2)與 100/0(HC3)，充填比例則是 R-134a 的冷媒充填量的 30%、40%、50%與 60%。各種 HC 冷媒在不更動毛細管長度的情況下以不同充填比例與環境溫度的進行冷凍系統性能實驗。本研究主要探討冷凍系統的性能係數、能源因數、庫內溫度、壓縮比、壓縮機外殼溫度與系統高、低壓壓力。由實驗結果分析各 HC 冷媒的最佳充填量並修正毛細管長度之後再依據 CNS 測試標準進行 24 小時的性能測試。實驗結果顯示 HC1、HC2 與 HC3 的最佳充填量分別為 40%、40%與 40%。在最佳 HC 冷媒充填量之下大部分的實驗結果顯示 HC 冷凍系統的冷凍庫溫與消耗電力高於 R134a 冷凍系統。此外由低壓壓力可以發現所有 HC 冷凍系統的蒸發溫度均有過高的現象。這種現象代表毛細管所提供系統的高低壓力差不足。因此本研究以絕熱毛細管長計算公式搭配 5℃過冷度的設定之下重新計算 HC1、HC2 與 HC3 冷媒的毛細管長度分別為 5.0m、5.4m 與 5.6m。接著將冷凍系統換裝新的毛細管並根據 CNS 標準進行 24hr 的性能測試。實驗結果發現碳氫冷媒與 R134a 冷媒相比較最高能增加下拉溫度的斜率與能源因數分別為 15%與 12%；消耗電力方面最高可以節省 22%。就整個研究結果而言，R134a 冷凍系統要換裝碳氫冷媒必須重新設計毛細管。再者碳氫混合冷媒中的 R600a 所佔比例越高越能夠提升冷凍系統的 EF 與 COP。此外 HC 冷媒的冷凍系統性能受到環境溫度上升的影響比 R134a 冷媒明顯，因此 HC 冷凍系統比較適合使用在環境溫度較低的場所。 i.

(3) ABSTRACT Title： Pages： School： Department: Time：. Investigation on Performance and Optimization of Refrigeration System with Hydrocarbon Mixtures 136 National Taiwan Normal University Industrial Education Degree： July 2013 Master. Researcher： Chao-Chieh Yu Keywords:. Advisor：. Tun-Ping Teng. Hydrocarbon refrigerant; Propane; Isobutane; Mixed refrigerant; Refrigeration system; Ambient temperature. This study adopted hydrocarbon mixtures (R600a/R290) in the small R-134a refrigeration system to evaluate the performance of refrigeration. The mixing ratio by mass of R-600a/R-290 refrigerant were 35/65 (HC1), 50/50 (HC2) and 100/0 (HC3), charged ratio were 30%, 40 %, 50% and 60% base on the charged amount of R-134a refrigerant. The HC refrigeration systems without changing the capillary tube lengths were carried out the performance test at different charged ratios and ambient temperatures. This study investigated the coefficient of performance (COP), energy factor, freezing temperature, compression ratio, compressor housing temperature, high side and low side pressure. To determine the optimal charged ratios of HC refrigerants and corrected capillary lengths, and then performed the 24-hour performance test according to CNS testing standards.. The experimental results showed the optimal charged ratios of HC1, HC2 and HC3 were 40%, 50% and 40%, respectively. The most of the experimental results of HC refrigeration systems with the optimal charged ratios showed that freezer temperature and power consumption was higher than R134a refrigeration system. Moreover, all HC refrigeration systems had higher evaporation temperature ii.

(4) phenomena that could be observed by the low pressure. This phenomenon demonstrated that the capillary tube could be not provided enough pressure difference between the high-pressure side and low-pressure side. Therefore, this study adopted the calculation of adiabatic capillary tube length with subcooling temperature of 5℃ to recalculate the capillary tube length of HC1, HC2 and HC3, and the capillary tube lengths of HC1, HC2 and HC3 were 5.0m, 5.3m and 5.6m, respectively. Next, the refrigeration systems with new capillary tube lengths to perform the 24-hour performance test according to CNS testing standards. Experimental results showed that the highest increased ratio of the slope of pull-down and the energy factor with HC refrigerants was 15% and 12%; electricity consumption can be saved up to 22% compared with R134a refrigerant. The results in terms of the whole, the R134a refrigeration system was retrofitted HC refrigerants must to redesign the capillary tube lengths. Furthermore, higher proportion of R600a in HC mixtures could enhance the EF and the COP of refrigeration system. Moreover, refrigeration system performance of HC refrigerant was affected by the ambient temperature raises significantly than R134a refrigerant, therefore, application of HC refrigeration system is more suitable in the place with lower ambient temperature.. iii.

(5) 謝誌能順利完成這本論文，最先要感謝的，便是我的恩師鄧敦平博士，在這兩年研究所的求學生涯中，他總是細心的指導，但私底下的他，對研究的要求卻比任何人都還要嚴謹，我由衷的感謝在他耐心的包容與細心的指導下，才能讓我的論文順利的產生，對他的感謝真的不是用三言兩語能形容的。其次要感謝口試委員卓清松教授與莫懷恩教授在百忙之中能抽空指導並給予寶貴的意見，讓學生在完成這本論文時，能更臻完善。. 在研究所求學期間，感謝系上諸位教授在學術領域上的學識深廣不吝傾囊相授、在治學態度上嚴謹客觀求真求實，讓學生我由衷的感謝與敬仰。. 接下來要感謝的是同甘共苦的同窗好友，不管在學業上或者是生活上給予鼓勵及關心，儘管課業繁重，但藉由吃飯聊天與四處玩樂的過程中，我們有著相當快樂的研究生生活。. 要感謝的人實在太多了，感謝每位曾經幫助過我的貴人，因為有你們才能有今天的我，在此，衷心的謝謝你們。最後要感謝的是讓我在求學期間一直無後顧之憂的父親與母親以及兩個哥哥，您們辛苦了。. iv.

(6) 目錄摘要................................................................................................................................. i. ABSTRACT ....................................................................................................................... ii. 謝誌............................................................................................................................... iv. 表目錄........................................................................................................................... ix. 圖目錄........................................................................................................................... xi. 符號釋義..................................................................................................................... xix. 第一章. 緒論............................................................................................................ 1. 1.1.. 前言............................................................................................................ 1. 1.2.. 研究目的.................................................................................................... 2. 1.3.. 研究流程.................................................................................................... 3. 1.4.. 研究背景.................................................................................................... 5. 1.5.. 論文架構.................................................................................................... 8. 1.6.. 文獻回顧.................................................................................................... 8. 第二章. 理論分析.................................................................................................. 13. v.

(7) 2.1.. 蒸汽壓縮循環系統之基本理論.............................................................. 14. 2.1.1.. 理想蒸汽壓縮循環...................................................................... 14. 2.1.2.. 實際蒸汽壓縮循環...................................................................... 15. 2.1.3.. 冷媒之熱物理性質分析.............................................................. 16. 2.1.4.. 自然冷媒基本性質介紹.............................................................. 21. 2.1.5.. 丙烷基本性質.............................................................................. 22. 2.1.6.. 異丁烷基本性質.......................................................................... 23. 2.2.. 碳氫混合冷媒.......................................................................................... 23. 2.3.. 共沸與非共沸冷媒之特性...................................................................... 24. 2.4.. 碳氫冷媒安全性評估.............................................................................. 25. 2.5.. 毛細管長度選用...................................................................................... 26. 第三章. 實驗設備與方法...................................................................................... 30. 3.1.. 實驗系統.................................................................................................. 30. 3.2.. 量測方式.................................................................................................. 32. 3.3.. 量測用儀器.............................................................................................. 33. vi.

(8) 3.4.. 實驗用冷媒相關資料.............................................................................. 38. 3.5.. CNS 標準測試條件 .................................................................................. 39. 3.6.. 系統測試環境.......................................................................................... 39. 3.7.. 實驗方法與步驟...................................................................................... 41. 3.8.. 實驗變項.................................................................................................. 44. 3.9.. 實驗數據量測與分析.............................................................................. 44. 第四章. 3.9.1.. 實驗量測狀態點.......................................................................... 45. 3.9.2.. 實驗數據分析.............................................................................. 46. 3.9.3.. 24 小時穩定運轉測試條件 ........................................................ 47. 結果與討論.............................................................................................. 49. 4.1.. R-134a 充填量選擇 ................................................................................. 49. 4.2.. 下拉溫度測試.......................................................................................... 55. 4.3.. 穩定測試.................................................................................................. 71. 4.4.. 加載測試.................................................................................................. 86. 4.5.. 整體性能表現........................................................................................ 101. vii.

(9) 4.6.. 第五章. 24 小時穩定運轉測試分析 .................................................................. 123. 結論與建議............................................................................................ 129. 5.1.. 結論........................................................................................................ 129. 5.2.. 後續研究................................................................................................ 131. 參考文獻.................................................................................................................... 132. 略傳............................................................................................................................ 135. viii.

(10) 表目錄 1 表 1.1 市面上各種冷媒 ODP 與 GWP 比較........................................................... 5. 2 表 1.2 常用冷媒可燃性比較..................................................................................... 6. 3 表 1.3 理想冷媒的特性............................................................................................. 6. 4 表 2.1 常用碳氫冷媒性質表................................................................................... 24. 5 表 2.2 常用可燃氣體基本性質............................................................................... 26. 6 表 3.1 實驗用設備規格表....................................................................................... 31. 7 表 3.2 測試流程....................................................................................................... 31. 8 表 3.3 實驗用設備規格表........................................................................................ 33. 9 表 3.4 熱電偶溫度線規格表................................................................................... 34. 10 表 3.5 三相電力分析儀規格 .................................................................................... 35. 11 表 3.6 資料擷取器規格 ........................................................................................... 36. 12 表 3.7 電源供應器規格 ........................................................................................... 37. 13 表 3.8 冷媒相關資料表 ........................................................................................... 38. 14 表 3.9 冷凍負載材料配置表 ................................................................................... 39 ix.

(11) 15 表 3.10 實驗設備操作變項 ..................................................................................... 44. 16 表 3.11 各點量測位置說明 ..................................................................................... 46. 17 表 4.1 R-134a 各種充填量的庫內最低溫度、下拉溫度比、負載溫度比與總消耗電量 .................................................................................................................. 54. 18 表 4.2 各種冷媒下拉溫度比較表 ........................................................................... 69. 19 表 4.3 各種冷媒下拉溫度測試的平均消耗功率比較表 ....................................... 70. 20 表 4.4 各種冷媒穩定測試平均消耗功率比較表 ................................................... 85. 21 表 4.5 各種冷媒加載測試溫度比較表 ................................................................... 99. 22 表 4.6 各種冷媒加載測試平均消耗功率比較表 ................................................. 100. 23 表 4.7 各種冷媒低壓壓力比較表 ......................................................................... 107. 24 表 4.8 各種冷媒壓縮比較表 ................................................................................. 110. 25 表 4.9 各種冷媒壓縮機外殼最高溫度比較表 ..................................................... 113. 26 表 4.10 各種冷媒能源因數比較表 ....................................................................... 116. 27 表 4.11 各種冷媒性能係數比較表 ....................................................................... 119. 28 表 4.12 各種冷媒總消耗電量比較表 ................................................................... 122. 29 表 4. 13 24 小時穩定測試相關數據 ...................................................................... 128 x.

(12) 圖目錄 1 圖 1.1 實驗架構圖 ......................................................................................................... 4. 2 圖 1.2 冷媒飽和性質曲線 .............................................................................................. 7. 3 圖 2.1 基本蒸氣壓縮循環系統圖 ............................................................................... 13. 4 圖 2.2 理想蒸氣壓縮冷凍循環圖 ............................................................................... 15. 5 圖 2.3 實際冷凍循環 P-h 圖 ....................................................................................... 16. 6 圖 2.4 實驗設備熱力分析 P-h 圖 ................................................................................ 17. 7 圖 2.5 非共沸混合冷媒組成變化與溫度關係圖 ....................................................... 25. 8 圖 2.6 毛細管增量長度 ............................................................................................... 28. 9 圖 2.7 R-134a 毛細管增量長度曲線圖 .................................................................... 29. 10 圖 3.1 實驗設備電路配置............................................................................................. 31. 11 圖 3.2 實驗設備與儀器示意圖 .................................................................................... 32. 12 圖 3.3 壓力傳送器外觀圖............................................................................................ 34. 13 圖 3.4 電力分析儀外觀圖............................................................................................ 35. 14 圖 3.5 數據擷取器外觀圖............................................................................................ 36 xi.

(13) 15 圖 3.6 電源供應器外觀圖............................................................................................ 37. 16 圖 3.7 冷媒實體外觀圖................................................................................................ 38. 17 圖 3.8 環境設備放置示意圖........................................................................................ 40. 18 圖 3.9 環境控制箱電路圖............................................................................................ 41. 19 圖 3.10 冷凍系統處理與充填冷媒流程...................................................................... 43. 20 圖 3.11 實驗設備量測位置分布圖 .............................................................................. 45. 21 圖 4.1 R-134a 冷媒不同充填量下拉測試庫內溫度圖 ............................................... 52. 22 圖 4.2 R-134a 冷媒不同充填量穩定測試庫內溫度圖 ............................................... 52. 23 圖 4.3 R-134a 冷媒不同充填量負載測試庫內溫度圖 ............................................... 53. 24 圖 4.4 R-134a 冷媒不同充填量消耗電量圖 ............................................................... 53. 25 圖 4.5 R-134a 不同環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ........................................... 59. 26 圖 4.6 HC1 26℃環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ................................................ 59. 27 圖 4.7 HC2 26℃環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ................................................ 60. 28 圖 4.8 HC3 26℃環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ................................................ 60. 29 圖 4.9 HC1 30℃ CNS 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ..................................... 61. xii.

(14) 30 圖 4.10 HC2 30℃ CNS 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ................................... 61. 31 圖 4.11 HC3 30℃ CNS 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ................................... 62. 32 圖 4.12 HC1 30℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 62. 33 圖 4.13 HC2 30℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 63. 34 圖 4.14 HC3 30℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 63. 35 圖 4.15 HC1 34℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 64. 36 圖 4.16 HC2 34℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 64. 37 圖 4.17 HC3 34℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 65. 38 圖 4.18 HC1 38℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 65. 39 圖 4.19 HC2 38℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 66. 40 圖 4.20 HC3 38℃ 環境溫度下拉溫度測試的庫內溫度 ............................................ 66. 41 圖 4.21 R-134a 下拉溫度測試平均消耗功率 ............................................................. 67. 42 圖 4.22 HC1 下拉溫度測試平均消耗功率 ................................................................. 67. 43 圖 4.23 HC2 下拉溫度測試平均消耗功率 ................................................................. 68. 44 圖 4.24 HC3 下拉溫度測試平均消耗功率 ................................................................. 68. xiii.

(15) 45 圖 4.25 R-134a 不同環境溫度下穩定測試的庫內溫度 ............................................. 75. 46 圖 4.26 HC1 26℃環境溫度穩定測試的庫內溫度 ...................................................... 75. 47 圖 4.27 HC2 26℃環境溫度穩定測試的庫內溫度 ...................................................... 76. 48 圖 4.28 HC3 26℃環境溫度穩定測試的庫內溫度 ...................................................... 76. 49 圖 4.29 HC1 30℃ CNS 環境溫度穩定測試的庫內溫度 ........................................... 77. 50 圖 4.30 HC2 30℃ CNS 環境溫度穩定測試的庫內溫度 ........................................... 77. 51 圖 4.31 HC3 30℃ CNS 環境溫度穩定測試的庫內溫度 ........................................... 78. 52 圖 4.32 HC1 30℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 78. 53 圖 4.33 HC2 30℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 79. 54 圖 4.34 HC3 30℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 79. 55 圖 4.35 HC1 34℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 80. 56 圖 4.36 HC2 34℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 80. 57 圖 4.37 HC3 34℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 81. 58 圖 4.38 HC1 38℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 81. 59 圖 4.39 HC2 38℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 82. xiv.

(16) 60 圖 4.40 HC3 38℃ 環境溫度穩定測試的庫內溫度 .................................................... 82. 61 圖 4.41 R-134a 穩定測試平均消耗功率 ................................................................ 83. 62 圖 4.42 HC1 穩定測試平均消耗功率 ...................................................................... 83. 63 圖 4.43 HC2 穩定測試平均消耗功率 ...................................................................... 84. 64 圖 4.44 HC3 穩定測試平均消耗功率 ...................................................................... 84. 65 圖 4.45 R-134a 不同環境溫度加載測試的庫內溫度 ................................................. 89. 66 圖 4.46 HC1 26℃環境溫度加載測試的庫內溫度 ...................................................... 89. 67 圖 4.47 HC2 26℃環境溫度加載測試的庫內溫度 ...................................................... 90. 68 圖 4.48 HC3 26℃環境溫度加載測試的庫內溫度 ...................................................... 90. 69 圖 4.49 HC1 30℃ CNS 環境溫度加載測試的庫內溫度 ........................................... 91. 70 圖 4.50 HC2 30℃ CNS 環境溫度加載測試的庫內溫度 ........................................... 91. 71 圖 4.51 HC3 30℃ CNS 環境溫度加載測試的庫內溫度 ........................................... 92. 72 圖 4.52 HC1 30℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 92. 73 圖 4.53 HC2 30℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 93. 74 圖 4.54 HC3 30℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 93. xv.

(17) 75 圖 4.55 HC1 34℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 94. 76 圖 4.56 HC2 34℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 94. 77 圖 4.57 HC3 34℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 95. 78 圖 4.58 HC1 38℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 95. 79 圖 4.59 HC2 38℃ 環境溫度加載測試的庫內溫度 .................................................... 96. 80 圖 4.60 HC3 38℃ 環境溫度下加載測試的庫內溫度 ................................................ 96. 81 圖 4.61 R-134a 加載測試平均消耗功率 ..................................................................... 97. 82 圖 4.62 HC1 加載測試平均消耗功率 ......................................................................... 97. 83 圖 4.63 HC2 加載測試平均消耗功率 ......................................................................... 98. 84 圖 4.64 HC3 加載測試平均消耗功率 ......................................................................... 98. 85 圖 4.65 R-134a 不同環境溫度的低壓壓力 ............................................................. 105. 86 圖 4.66 HC1 不同環境溫度的低壓壓力 ................................................................... 105. 87 圖 4.67 HC2 不同環境溫度的低壓壓力 ................................................................... 106. 88 圖 4.68 HC3 不同環境溫度的低壓壓力 ................................................................... 106. 89 圖 4.69 R-134a 不同環境溫度的壓縮比 ................................................................... 108. xvi.

(18) 90 圖 4.70 HC1 不同充填量與環境溫度的壓縮比 ....................................................... 108. 91 圖 4.71 HC2 不同充填量與環境溫度的壓縮比 ....................................................... 109. 92 圖 4.72 HC3 不同充填量與環境溫度的壓縮比 ....................................................... 109. 93 圖 4.73 R-134a 不同充填量與環境溫度的壓縮機外殼最高溫度 ........................... 111. 94 圖 4.74 HC1 不同充填量與環境溫度的壓縮機外殼最高溫度 ............................... 111. 95 圖 4.75 HC2 不同充填量與環境溫度的壓縮機外殼最高溫度 ............................... 112. 96 圖 4.76 HC3 不同充填量與環境溫度的壓縮機外殼最高溫度 ............................... 112. 97 圖 4.77 R-134a 不同充填量與環境溫度的能源因數 ............................................... 114. 98 圖 4.78 HC1 不同充填量與環境溫度的能源因數 ................................................... 114. 99 圖 4.79 HC2 不同充填量與環境溫度的能源因數 ................................................... 115. 100 圖 4.80 HC3 不同充填量與環境溫度的能源因數 ................................................... 115. 101 圖 4.81 R-134a 不同充填量與環境溫度的性能係數 ............................................... 117. 102 圖 4.82 HC1 不同充填量與環境溫度的性能係數 ................................................... 117. 103 圖 4.83 HC2 不同充填量與環境溫度的性能係數 ................................................... 118. 104 圖 4.84 HC3 不同充填量與環境溫度的性能係數 ................................................... 118. xvii.

(19) 105 圖 4.85 R-134a 不同充填量與環境溫度的總消耗電度 ........................................... 120. 106 圖 4.86 HC1 不同充填量與環境溫度的總消耗電度 ............................................... 120. 107 圖 4.87 HC2 不同充填量與環境溫度的總消耗電度 ............................................... 121. 108 圖 4.88 HC3 不同充填量與環境溫度的總消耗電度 ............................................... 121. xviii.

(20) 符號釋義 Qc. 冷凝能力. kW. Qe. 冷凍能力. kW. Wc. 壓縮功. kW. CR. 壓縮比. -. PH. 系統高壓. MPa, abs. PL. 系統低壓. MPa, abs. qcomp. 壓縮熱. kJ/kg. qc. 冷凝效果. kJ/kg. qe. 冷凍效果. kJ/kg. 冷媒質量流率. m3/s. COP. 理論性能係數. -. COPact. 實際性能係數. -. EF. 能源因數. l/ kWh/ month. VR. 冷藏庫內容積. Liter. VF. 冷凍庫內容積. Liter. WM. 冷凍系統整月總耗電量. kWh/ month. Ron. 運轉時間比. -. t. 時間. hour. ton. 壓縮機運轉時間. hour. ttotal. 總實驗時間. hour. x. 冷媒乾度. -. h. 冷媒焓值. kJ/kg. ̇. xix.

(21) V. 冷媒流速. m/s. v. 冷媒比容. m3/kg. ∆L. 長度增量. m. D=ID. 毛細管內徑. m. u. 冷媒黏度. Pa-s. f. 摩擦因數. -. RH. 相對濕度. %. T. 溫度. ℃. RPD. 下拉溫度比. ℃/hour. RHL. 電熱負載溫度比. ℃/hour. xx.

(22) 第一章. 緒論. 1.1. 前言隨著全球氣候日益劇烈，人民對於生活環境要求也越來越高，開始對於南北兩極的臭氧層破壞問題以及全球暖化潛勢（global warming potential, GWP）的問題更加關心。早在 1987 年在加拿大所簽訂的蒙特婁議定書(Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer)中[1]，限制使用會對臭氧層產生破壞的含氯以及含溴物質，例如在冷凍系統中所使用的氟氯碳化物(chlorofluorocarbons, CFCs)，在 1996 年後全面禁止生產使用該冷媒的冷凍系統，往後生產的 CFCs 冷媒只能使用於維修設備使用，而之後代替 CFCs 冷媒的氫氟氯碳化物 (hydrochlorofluorocarbons, HCFCs)或者是氫氟碳化物(hydrofluorocarbon, HFCs)冷媒雖然臭氧層破壞潛勢（ozone depletion potential, ODP）為零，但是這兩種冷媒有著非常高的 GWP 值，對地球的環境仍然會有溫室效應(greenhouse effecct)問題，導致全球氣候異常，南北兩極的冰層逐漸融化，以及沿海地區海平面上升等等的問題[2]。在 1987 年由聯合國在加拿大所制定的蒙特婁議定書與 1997 年聯合國氣候變化綱要公約（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)在日本京都所制定的京都議定書(Kyoto Protocol)中明確指 HCFCs 與 HFCs 冷媒將在 2020 年禁止使用，因此尋找零 ODP 與低 GWP 替代冷媒是當前各國的研究重點，如氨(NH3)、二氧化碳(CO2)、水以及空氣，然而近幾年又以碳氫冷媒（hydrocarbon, HC）最為熱門。除了冷媒以外，還必須考慮到一般冷媒管路所使用到的保溫材料對環境造成的影響，所以近幾年國際上有制定新的指標作為比較的依據，稱為總溫室效應衝擊指數(total environment warming impact, TEWI )，這種指標主要是將保溫材料、電力消耗以及設備所排放出的二氧化碳列為考量因此更具有意義。 1.

(23) 1.2. 研究目的在傳統冷凍系統中，除了冷媒本身具備的特性外，尚需考慮到整的能源消耗的問題，而壓縮機是所有冷凍系統中消耗功率最大，也是最需要被重視的耗能所在，而探討壓縮機性能的指數稱為性能係數（coefficient of performance, COP）然而除了 COP 外有越來越多研究開始重視長期運轉所消耗的總耗電量，在冷凍方面會以能源因數值(energy factor, EF )為指標，所以在冷凍系統方面不單單以 COP 來決定新的替代冷媒的優劣，還必須考慮到 EF。目前空調系統的冷媒主要以 R-410A 與 R-407C，冷凍系統的冷媒以 R-404A 為主，但是當前這幾款替代的冷媒具有非常高的 GWP 所以只能算是過渡時期所使用的冷媒。為了能完全解決 ODP 與 GWP 的問題，找尋自然界中已存在，並且可以被分解的自然冷媒已成為主流的研究方向。然而單一冷媒的特性可能無法滿足冷凍空調系統，所以有許多研究指出將多種冷媒混合後可以得到比單一純冷媒的效率與特性來的更好。這一些混合冷媒中又以 R-290、R-600 與 R-600a 的冷媒為大宗。由冷媒的物理性質來說，HC 有更高(a) 蒸發潛熱（汽化熱），在相同的冷凍能力下，可以減少冷媒的充填量，縮小壓縮機的尺寸；(b) 黏滯度低，可以減少冷媒在輸送時的耗功；熱傳導係數高，比起傳統冷媒有更好的熱傳效率，進而提升整體能力。. 許多替代冷媒如 HFC 冷媒往往有極高的溫室效應，因此馬上又要面臨管制淘汰的命運，碳氫化合物取自於大自然，屬於長久性冷媒則無此情況且對地球環境的危害比合成冷媒低。冷凍空調系統使用 HC 冷媒的特點如下[3]:. (1) 碳氫冷媒化學性質穩定，在空調系統中不易產生變化。 (2) 能源效率佳比 CFC 及 HFC 冷媒約可節省近 10％(充填量較低可以節省輸送耗功)。 (3) 壓縮機噪音低(壓縮比低)。 2.

(24) (4) 使用礦物潤滑油，碳氫冷媒能夠完全與潤滑油相容，無系統回油問題。礦物油吸濕量僅為合成油的 1/3~1/5，可靠度高，長期運轉系統穩定性高且使用年限長。 (5) 設備製程受安全法規要求，加工精度需提高，使冷媒不易洩漏。 (6) 不需變更原設計系統且安裝維護設備與 R-134a 相同，不需另外增添設備。 (7) 碳氫冷媒所使用的壓縮機較 R-134a 或是 R-22 技術簡單，可由一般壓縮機加以改良設計，對已有舊有的壓縮機技術者而言可容易投入生產。. 本研究以丙烷(R-290)與異丁烷(R-600a)以不同比例混合後作為換裝 R-134a 冷凍系統的冷媒，參考 CNS 標準進行混合後的冷媒對於冷凍系統的 COP、EF、系統壓力以及改變環境溫度進行的測試與深入研究，藉以評估替代 R-134a 的可行性與最佳化的組合參數。. 1.3. 研究流程如圖 1.1 所示、本實驗架構分為三部分。首先以不同環境溫度的條件下進行 R-134a 背景實驗，包含環境溫度、無載下拉測試、穩定測試與加載測試，作為換裝 HC 冷媒的實驗基礎，接著以相同的測試條件之下進行 HC 冷媒在不同混合比例與充填量的實驗。詳細實驗方式與流程如圖 1.1 敘述如後：. (1) 進行 R-134a 冷媒系統性能測試，作為本研究的背景。. (2) 進行碳氫冷媒換裝性能測試，以不同的充填量與混合比例進行測試，尋找最佳化充填量與混合比例的碳氫混合冷媒。. 3.

(25) 1 圖 1.1 實驗架構圖. 4.

(26) 1.4. 研究背景目前在冷凍系統中所使用的冷媒必須要同時考慮 ODP 與 GWP。表 1.1 為各種常用冷媒的 ODP 與 GWP 比較表[4]，由表可以清楚的看出目前家用冷凍系統使用的冷媒 R-134a 雖然無 ODP 值但是具有比 CO2 還高 1700 倍的 GWP，所以 R-134a 只能算是一種中短期的替代性冷媒。在使用ＨＣ冷媒時，還比須考慮到ＨＣ本身易燃的特性(表 1.2)。如表 1.3 所示的冷媒的熱力性質(thermodynamic characteristics) 、物質性質 (physical and chermical characteristics) 以及安全性 (safety)。. 1 表 1.1 市面上各種冷媒 ODP 與 GWP 比較 Refrigerant. ODP. GWP (100years). HCFC. R22. 0.034. 1700. HFC. R-134a. 0. 1300. HFC. R-410A. 0. 2000. HC. R290. 0. ~20. HC. R600a. 0. ~20. 5.

(27) 2 表 1.2 常用冷媒可燃性比較 Refrigerant. LFL%(vol.). UFL%(vol.). 引燃溫度(℃). HC. R-290. 2.1. 9.5. 466. HC. R-600a. 1.85. 8.5. 455. 1.95. 9.1. 430. 15.5. 27.0. 651. 1.1. 7.0. 260. R-290/R-600a HC/HC (50%/50%) NH. R-717. GAS. Gasoline. 註：LFL(Lower Flame Limit)為燃火容積比率下限 UFL(Upper Flame Limit)為燃火容積比率上限 3 表 1.3 理想冷媒的特性性質. 熱力. 內容 1.. 高的蒸發潛熱值. 2.. 低凍結點溫度. 3.. 高的臨界點溫度. 4.. 較高蒸發壓力(高於大氣壓力). 5.. 較低的冷凝壓力（減少系統成本）. 1.. 較高的熱傳導特性. 2.. 與潤滑油有良好的混合性. 3.. 較低的吸濕性. 4.. 性質穩定，不易起化學變化. 1.. 不具可燃性. 2.. 不具毒性、刺激性. 物質. 安全. 6.

(28) 此外，以特定比例混合的碳氫冷媒的飽和特性曲線與 R-134a 非常相近(圖 1.1)，在不變動設備原有的條件下即可替換 R-134a，具有相容性高與節能的優點。雖然碳氫冷媒有著上述的優點，但是在真正的應用上還是有許多問題存在，而目前的問題以洩漏後會有燃燒甚至爆炸的危險為主。根據歐盟規定，室內設備充填量在 150g 以內是符合標準，無安全上的疑慮[5]。此外也可藉由使用無接點式的開關以及加裝洩漏偵測設備以克服 HC 冷媒可燃性的問題。. 2 圖 1.2 冷媒飽和性質曲線. 7.

(29) 1.5. 論文架構本論文共分為五個章節分述如下: 第一章緒論: 主要介紹本論文研究背景，說明研究動機、研究目的、研究流程、研究背景與相關文獻回顧。第二章理論分析: 蒸氣壓縮循環系統理論與性能計算以及冷媒的基本性質。第三章實驗設計: 主要說明實驗規劃、流程、儀器以及環境相關資料。第四章結果與討論: 將相關實驗數據整理分析與討論，說明實驗重要結果。第五章結論與未來展望: 針對實驗結果加以歸納總結，並提出建議與未來方向。. 1.6. 文獻回顧在過去幾年中，大多數的冷凍系統使用氫氟碳化物（HFC）R-134a 作為冷媒。 R-134a 在蒙特婁議定書明確指出，到 2030 年，將被禁止使用，由於近幾年氣候變遷日益嚴重，所以將禁用年限提前到 2020 年。近年來，在設備商方面也逐漸開始用 R404A 代替原有的 R134a 作為新一代的冷媒。而 R-404A，生產成本高，而且比 R-134a 還高的 GWP 值約 3900，使得 R-404A 屬於一種過渡性的物質。此外，R-404A 是一種非共沸混合冷媒的混合物，在洩漏時，會導致冷媒比例改變進而影響整體的性能。由於目前對於環保要求日益嚴謹，此種冷媒，在未來還是必須被禁止。因此，需要一種經濟的替代冷媒，具有零 ODP，低 GWP，低毒性，低價格，高的化學穩定性，良好的熱力學性質。越來越多的科學家和工程師認為，一些長期被忽視的天然冷媒，如氨(NH3)，碳氫化合物（HC），二氧化碳 (CO2)，水(water)和空氣(air)，有機會成為氫氟碳化物（HFC）和氫氟氯碳化物 HCFC 冷媒的替代品。這些冷媒有零 ODP 值、GWP 值低、毒性低、化學穩定性高與合適的熱力性質以及低成本的特性，而使得 HC 冷媒越來越有研究價值。許多國內外研究進行以 HC 冷媒進行現有系統的換裝研究[6-13]。這些研究重點集 8.

(30) 中在 HC 冷媒在小型 VCRS 的換裝實驗研究。. 1998 年 Alsaad 與 Hammad[14]使用丙烷(propane, R-290)、丁烷(butane, R-600)、異丁烷(isobutene, R-600a)以 24.4%、56.4%、17.2%(by mass)的比例混合後，應用在 320 公升的 R-12 家用冰箱。實驗結果表示，庫內溫度-15℃時的 COP 值為 3.4，而在使用碳氫混合冷媒時運作良好，並不需要對系統進行任何調整，即可成功的代替 R-12 作為家用冰箱的冷媒。. 2000 年 Jung et al. [15]將 R-600a 與 R-290 以(20%~60%, by mass)比例混合後應用在 299 與 465 公升兩台商用冰箱進行實驗。結果顯示，在相同的條件下 HC 混和冷媒的 COP 比 R-12 高 2.3%，並且有較低的運轉時間比與壓縮機機殼溫度，並建議 HC 混合冷媒是一個適合取代 R-12 與 R-134a 的新冷媒。 2002 年 Lee 與 Su[16]進行 R-600a 冷凍系統的性能研究。壓縮機消耗介於 230W~300W 之間，冷媒充填量為 150g，毛細管直徑為 0.7mm，長度介於 4m 到 4.5m 之間，冷藏庫與冷凍庫溫度大約設定在 4℃與-10℃，藉以模擬冷凍系統的應用情況。結果顯示使用兩條相互平行(two capillary tubes in parallel)的毛細管特性優於單條毛細管，COP 值在 1.2-4.5 之間，R-600a 比 R-12 與 R-22 有更好的製冷能力。 2005 年 Wongwises 與 Chimres[17]使用 R-290、R600 與 R-600a 以一定比例混合後充填在 239 公升的 R-134a 冰箱上，在環境溫度 25℃時進行實驗，並記錄消耗功率、冷媒溫度、壓縮機出入口溫度與壓力。結果顯示 R-290/R-600 在 60/40(by mass)時最適合代替 R-134a 作為家用冰箱的冷媒。 2006 年 Fatouh 與 Kafafy[18]使用 R134a、R-290、R600、R600a 與正丁烷 (n-butane)混合後進行模擬分析，並考慮冰箱各項性能指標，如性能係數、單位. 9.

(31) 體積製冷能力、冷凝器冷卻能力、壓縮機功率、排氣溫度、壓縮比以及單位冷媒質量流率，結果顯示純 R-290 代替 R-134a 時會造成高系統壓力與低性能係數；在使用商業丁烷(commercial butane, R-600)時必須修改壓縮機藉以符合此種冷媒的特性。使用三種碳氫混合冷媒以 R-290 比例為 50%~70%(by mass)與 R-134a 做比較時，冷媒質量流率比 R-134a 低 50%；之後將 R-134a、R-290 與 R-600 混合，可以明顯看出與 R-134a 有相同的飽和壓力、排氣溫度、冷凝器散熱量、壓縮機功率與冷卻能力。結果顯示 60%的 R-290 丙烷與 R600a 以及 n-butane 混合物最適合代替亞熱帶與熱帶的冰箱系統。 2006 年 Fatouh 與 Kafafy[19]將 propane/commercial butane(40/60,by mass)的液化石油氣(liquefied petroleum gas, LPG) ( propane/commercial butane: 40/60, by mass)在庫內容積 0.283m3，冷媒充填量為 100g 的 R-134a 冰箱進行長時間運轉及不同毛細管長度測試。結果顯示 LPG 在毛細管長度 4-6m、充填 50g 的冷媒時可以使庫內溫度下降-12℃與最低的消耗功率；而毛細管長度為 5m、充填 60g 的冷媒時可以得到最高的冷卻能力以及最低的庫內溫度。在下拉時間、壓縮比與消耗功率方面都分別比 R-134a 低 7.6%、5.5%與 4.3%，COP 比 R-134a 高了 7.6%。經由上面數據可以了解，只要適度的修改毛細管長度與冷媒充填量，LPG 將更適合用於傳統 R-134a 系統。 2008 年 Mani 與 Selladurai[20]使用 R290/R600a 混合冷媒替換 R-12 和 R-134a 的冷凍系統進行比較。實驗結果顯示，R-290/R-600a 冷媒的製冷能力比 R-12 高 19.9％至 50.1％而比 R-134a 高 28.6％至 87.2％。R-290/R-600a 冷媒的消耗功率比 R-12 低 6.8％至 17.4％但是比 R-134a 稍高。在蒸發溫度較高時，R-12 比 R-134a 消耗更多的功率。在 COP 方面，R-290/R-600a 混合冷媒比 R-12 高 3.9%至 25.1%，而 R-134a 的 COP 比 R-12 略低。R-290/R-600a 混合冷媒的排氣溫度與排氣壓力. 10.

(32) 非常接近 R-12。由上述實驗表示 R-290/R-600a (68/32, by mass)的混合冷媒可以用來取代 R-12 與 R-134a 冷凍系統。 2008 年 Lee et al. [21]使用小型 R-134a 直冷式冰箱進行 R290/R600a(55/45, by mass)的實驗研究。進行實驗時為了將 R-290/R-600a 性能提升而改變毛細管長度增加了 500mm，充填比例約為 R-134a 的 50%。結果顯示 R-290/R-600a 系統消耗功率比 R-134a 低 12.3%左右，將冰箱庫內溫度設定-15℃時，冷卻速度減少 28.8%。由上述可知 R290/R600a (55/45, by mass)效率可以取代 R134a 作為新一代的環保冷媒。 2009 年 Mohanraj et al. [22]提出 R134a 是最廣泛使用在家用冰箱的冷媒。在最新的環境會議京都議定書中，將其列為管制使用的氣體，因此以 HC 混合冷媒（R290/R600a 45.2/54.8, by mass），作為代替 200 L 的 R134a 單蒸發器之家用冰箱。在不同環境溫度下（24，28，32，38 和 43℃）進行連續運行試驗。結果顯示，HC 的消耗功率減少 11.1％，在下拉時間與開機時間比方面分別減少 11.6％與 13.2％，而性能係數約高 3.25-3.6％。壓縮機出口溫度比 R134a 低 8.5~13.4℃。實驗結果顯示，上述 HC 混合冷媒可成為代替 R-134a 系統的冷媒。 2009 年 Jwo 等人[23]將 R-600a/R-290(50/50, by mass)混合冷媒使用在 440 公升 R-134a 充填 150g 的 R-134a 冷媒的家用冰箱。測試結果顯示，消耗功率、運轉時間與冷媒充填量各減少了 4.4% 、 17.4% 與 40% 。而且在使用 R-600a/R-290(50/50,by mass)混合冷媒時對於環境的溫室效應有明顯改善。 2010 年 Dalkilic 與 Wongwises[24]將 R-134a、R-152a、R-32、HC-290、HC-1270、 HC-600 與 HC-600a 以一定比例混合後與傳統冷媒 R-12、R-22 與 R-134a 進行相關性能比較，藉以找尋新的冷媒替代品。儘管碳氫冷媒的高度易燃的特性，但是在許多研究顯示洩漏時不會有安全的問題發生。在理論方面所有的替代冷媒的. 11.

(33) COP 都略低於 R-12、R-22 與 R-134a。而在實驗結果顯示 HC-290/HC-600a (40/60, by mass)可用於替代 R-12 冷媒，而 HC-290/HC-1270 (20/80, by mass)可用於替代 R-22 冷媒。. 2012 年 Rasti et al. [25]將 R-436A(R-290/R-600a, 56/44, by mass )應用在 238 公升單蒸發器的 R-134a 冰箱，根據伊朗國家表準第 4853-2 號進行實驗研究。結果表明，R-436A 充填量比原本 R-134a 的 105g 少了 48%，而系統的運轉時間與消耗功率也分別減少了 13%與 5.3%。. 12.

(34) 第二章理論分析蒸氣壓縮冷凍循環系統(vapor-compression refrigeration cycle system, VCRS) 設備主要元件包含壓縮機(compressor)、冷凝器(condener)、膨脹閥(expansion valve) 或毛細管(capillary tube)與蒸發器(evaporator)，附屬裝置如冷媒管、除霜裝置，如設備屬於強制對流式則會有送風風扇等等，基本冷凍循環如圖 2.1 所示。本實驗主要是用單冷凝器與蒸發器，無強制對流風扇的冷凍空調裝修丙級試教板進行改裝，作為實驗設備。. 3 圖 2.1 基本蒸氣壓縮循環系統圖. 13.

(35) 2.1. 蒸汽壓縮循環系統之基本理論 2.1.1. 理想蒸汽壓縮循環一般最常見的冷凍系統為 VCRS。該循環過程中常使用 P-h 圖進行分析，理想的四個循環過程如圖 2.2 所示，並分述如下:. (1) 過程 1-2 (可逆絕熱壓縮過程) 冷媒由低壓低溫飽和蒸汽狀態進入壓縮機，經由壓縮機絕熱壓縮過程，將冷媒狀態改變成高壓、高溫及過熱的蒸汽狀態(superheat vapor)。. (2) 過程 2-3 (等壓冷卻過程) 高溫、高壓以及汽態的冷媒經由冷凝器以空氣或水冷卻後，使冷媒變成高壓、液態及常溫的狀態，此過程稱為等壓散熱過程(heat rejected at constant pressure)。. (3) 過程 3-4(絕熱膨脹過程) 常溫、高壓以及液態的冷媒進入膨脹閥進行降壓，使冷媒狀態變成低溫低壓液汽混合的狀態，主要目的是降低冷媒溫度，以達到吸熱的目的，此過程為絕熱節流過程(adiabatic throttling)。. (4) 過程 4-1(等溫等壓蒸發過程) 低溫、低壓以及液汽混合的冷媒進入蒸發器，吸收空間的熱量後蒸發成低溫低壓以及飽和的汽態冷媒，使冷凍庫庫內溫度下降，此過程稱為等壓蒸發過程 (evaporated at constant pressure). 14.

(36) 4 圖 2.2 理想蒸氣壓縮冷凍循環圖. 2.1.2. 實際蒸汽壓縮循環在實際冷凍系統循環應用上，有別於理想蒸氣壓縮循環。實際蒸氣壓縮循環如圖 2.3 所示，詳細過程分述如下:. (1) 在實際系統循環上，為了避免負載變動過大，蒸發器內的液態冷媒在未完全蒸發完，在進入壓縮機造成液壓縮情形，損壞壓縮機閥片，所以在設計時會將蒸發器出口的冷媒控制在過熱的狀態，以避免上述情形產生。如圖 2.3 位置 1'。. (2) 在壓縮過程中，由於摩擦與熱傳而會造成熵增加的現象。因此與原本理想循環中所假設的等熵壓縮過程有些差異。如圖 2.3 位置 1'-2'。. 15.

(37) (3) 在實際的蒸汽壓縮循環中，由於管路中的摩擦影響，離開冷凝器與蒸發器的壓力將會略低於進入時的壓力，產生所謂的管路壓降。如圖 2.3 位置 2'-3 與 4'-1'。. (4) 在實際的冷凍循環中，冷媒離開冷凝器時，溫度將會略低於飽和溫度，冷媒的狀態為過冷液體，此狀態在進入節流閥時，將會減少冷媒在降壓時閃氣的發生。如圖 2.3 位置 3'與 3。. 5 圖 2.3 實際冷凍循環 P-h 圖. 2.1.3. 冷媒之熱物理性質分析本節將針對蒸氣壓縮循環系統理論以熱力學第一與第二定律分析，並對於實驗數據的結果進行分析與說明。蒸氣壓縮循環系統各點狀態定義如下:壓縮機入口為狀態 1 出口為狀態 2、冷凝器入口為狀態 3 出口為狀態 4、蒸發器入口為狀態 5 出口為狀態 6。如圖 2.4。 16.

(38) 6 圖 2.4 實驗設備熱力分析 P-h 圖根據圖 2.4 所示並依據熱力學第一定律與第二定律分析，各冷媒循環熱力性質的方程式如下：. (1) 針對壓縮機出入口狀態可由下列方程式表示:. 依熱力學第一定律:能量守恆為 ̇. ̇(. ̇. ). (2.1). 依熱力學第二定律:不可逆性為. ̇. ̇(. ). 過熱度 Tsup 為:. 17. (. ̇. ). (2.2).

(39) (2.3). Tsup = 過熱度，T1:壓縮機入口溫度(℃) Ts,gas : 壓縮機入口壓力對應之飽和溫度(℃). 壓縮比為:. (2.4). PH,abs：高壓側絕對壓力(MPa, abs)， PL,abs：低壓側絕對壓力(MPa, abs)。. 單位冷媒之壓縮熱 qcomp 為:. (. ). (2.5). h1:壓縮機入口焓值(kJ/kg)， h２:壓縮機出口焓值(kJ/kg)。. (2) 冷凝器所量測的出入口狀態可由下列方程式表示:. 依熱力學第一定律:能量守恆為 ̇. ( ̇. ). ̇. (2.6). ). (2.7). 依熱力學第二定律:不可逆性為. ̇. ̇(. ). 18. (. ̇.

(40) 過冷度 Tsub 為:. (2.9). Tsub:過冷度，T4:冷凝器出口溫度(℃)， Ts,liquid:冷凝器冷媒壓力對應的飽和液體溫度(℃). 單位質量冷媒之凝結熱為:. (. ). (2.10). h2:冷媒冷凝器入口焓值(kJ/kg)， h４:冷媒冷凝器出口焓值(kJ/kg)。. (3) 膨脹閥所量測到的狀態可由下列方程式表示:. 依熱力學第一定律絕熱毛細管:能量守恆為 ̇. ̇(. ). (2.11). ). (2.12). h4:冷媒在冷凝器出口焓值， h5:冷媒在膨脹閥出口焓值。. 依熱力學第二定律:不可逆性為 ̇. ̇(. (4) 蒸發器所量測到的狀態可由下列方程式表示:. 依熱力學第一定律:能量守恆為 19.

(41) ̇. ̇(. ). (2.13). 依熱力學第二定律:不可逆性為. ̇. ̇(. ). (. ). (2.14). 單位質量冷媒冷凍效果為:. (. ). (2.16). (5) 整體系統而言，冷凍負荷與壓縮機的耗能比值稱為性能係數(COP)，是冷凍系統中的一個重要指標，當比值越高，表示系統整體的效率也越高。. 理論性能係數為:. (. ). (2.17). 實際性能係數為:. (2.18). (6) 對整體冷凍系統而言，庫內有效容積與整體運轉耗電的比值為能源因數 EF，為判斷冷凍系統效率高低的重要指標，當比值越高，則代表整體的效率越高，單位容積所需的消耗功率越少。能源因數為:. (l/ kWh/ month). VR:冷藏庫內容積. 20. (2.19).

(42) VF:冷凍庫內容積 WM:冷凍系統整月總耗電量 (7) 對整體冷凍系統而言，壓縮機運轉時間的長短為消耗功率的重要因素，當運轉時間比越大表示運轉時間越長。運轉時間比為:. (. ). (2.20). ton:壓縮機運轉時間 ttotal:總實驗時間. 2.1.4. 自然冷媒基本性質介紹在發明蒸氣壓縮循環系統初期，冷媒成分主要為自然(natural)冷媒，所以並沒環境破壞或是汙染的問題，但是這些被使用的自然冷媒中，往往含有一些缺點，例如具有毒性、腐蝕性或是具有燃燒性的問題存在，因此在使用時必須審慎考慮使用的地點，所以在 1928 年 Charles 發展出無毒、無味與無可燃性的 CFC 冷媒，漸漸地取代了自然冷媒，此種冷媒不管是在物理或是化學特性上，都具有非常優越的性能，但是在 1987 的蒙特婁議定書(Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer)中明確的指出了幾種對於環境破壞嚴重的氣體並明確限定幾種冷媒的使用以及禁用的措施，因而 CFC 冷媒在 1998 年全面禁止使用於新設備，僅用於維修使用，而取代 CFC 冷媒的 HFC 冷媒也在最新生效的京都議定書中列為管制的氣體，將在 2020 禁用，所以，找尋最新的替代型冷媒已經是各國研究的重點之一。目前最廣泛應用的幾種自然冷媒敘述如下： 21.

(43) (1) 水(H2O, R-718): 優點非常容易取得、價格低廉、應用廣泛，如冰水主機的冷凝端與蒸發端，都以水為介質，在吸收式冷凍機中與溴化鋰分別為吸收劑與冷媒。. (2) 空氣(air, R-729): 用於一般散熱風扇以及飛機上所使用的之逆布雷頓循環空調系統。. (3) 氨(NH3, R-717): 因為具有毒性，暴露在濃度 0.5~1%之間 30 分鐘會致命，室內空間濃介於 16~25%將有高可燃性．但是因為具有極高的蒸發潛熱特性，所以目前只使用於工業空調或是冷凍系統等等安全條件較低的地方。. (4) 二氧化碳(CO2, R-744): 具有無毒、無臭、不可燃等等的優點，但是由於 CO2 屬於超高壓力的冷媒，對於材料以及技術要求非常嚴格，而且設備大而笨重，限制了應用範圍，但是隨著科技日益進步，在未來 CO2 將會潛力無窮。. (5) 碳氫化合物(HxCx, 乙烷 R-170、丙烷 R-290、丁烷 R600、異丁烷 R-600a 等): 隨著 CFC 冷媒受到禁用後，與 CFC 性質相近的 HC 冷媒漸漸地又受到重視。. 2.1.5. 丙烷基本性質丙烷(Propane)，冷媒編號 R-290，一大氣壓下沸點-42.07℃，凝固點-187.7℃，臨界溫度 96.8℃、臨界壓力 4254kPa、潛熱值 427.8kJ/kg，分子式為 C3H8，分子量為 44，因為並沒有含氯(Cl)原子與氟原子，所以 0ODP 值與 20GWP 值。但是丙烷具有可燃性，所以在 ASHRAE 中被分類為 A3 等級的冷媒。. 當使用在冷凍系統時，因為丙烷只能吸收極少量的水汽，所以在使用丙烷的冷凍系統中，比較不常出現腐蝕的現象；在冷凍油方面，丙烷可以使用吸濕性較. 22.

(44) 低的礦物油，進而減低酸性物質的產生，提升壓縮機與整體機器的壽命。. 2.1.6. 異丁烷基本性質異丁烷(Isobutene)，冷媒編號 R-600a，一大氣壓下沸點-11.73℃，凝固點-160 ℃，臨界溫度 135℃、臨界壓力 3650kPa、潛熱值 329.7kJ/kg，分子式為 C4H10，分子量為 58.12，因為不具有氯與氟原子，所以不會破壞臭氧層或是造成溫室效應。. 2.2. 碳氫混合冷媒目前碳氫化合物廣泛應用於家用電冰箱以及小型熱泵為主，在工業上主要應用於間接熱交換製冷系統，作為 CFC、HCFC 以及 HFC 的替代品。在目前國內與國外都已經開始普遍的使用 HC 作為冷媒．家用冰箱主要是以 R-600a 冷媒為主，而 R-290 主要研究重點在空調系統，其整體效率不管是在冰箱或式空調方面都有顯著的性能提升，表 2.1 為常用的碳氫冷媒特性一覽表[26]。在某些情況下可將兩種以上的純碳氫冷媒依使用者需求混合後即為碳氫混合冷媒。. 23.

(45) 4 表 2.1 常用碳氫冷媒性質表 Name. refrigerants. Formula. NBP(℃). Tcrit (℃). Pcrit(bar). Ethane. R-170. C2H6. -88.60. 32.20. 48.70. Cyclopropane. R-C270. C3H6. -32.90. 124.70. 54.90. Propane. R-290. C3H8. -42.10. 96.70. 42.50. Isobutane. R-600a. C4H10. -11.70. 134.70. 36.40. Butane. R-600. C4H10. -0.50. 152.00. 38.00. Propene. R-1270. C3H6. -47.70. 91.80. 46.10. (DME). C2H6O. -24.7. 126.9. 53.7. Dimethyl ether. 2.3. 共沸與非共沸冷媒之特性混合冷媒主要是由多種純物質冷媒以一定比例混合而成，混合後相同壓力之下液化溫度與汽化溫度溫度相同的沸點稱做共沸(azeotropic)冷媒，如 R500 系列冷媒;如果混合後相同壓力之下液化溫度與汽化溫度不同者稱為非共沸(zeotropic or non-azeotropic)冷媒，如 R-400 系列冷媒。. 非共沸冷媒的特性主要是指在多種成分組成的混合冷媒中的沸騰與凝結的溫度會隨著蒸發或冷凝的過程而變，而開始冷凝的溫度稱為露點(dew point)，開始沸騰的溫度稱為起泡點(bubble)或是沸點兩者溫度並不相同，這兩點之間的溫度差又稱為滑落溫差。非共沸混合冷媒變化與溫度關係如圖 2.5。. 24.

(46) 7 圖 2.5 非共沸混合冷媒組成變化與溫度關係圖. 2.4. 碳氫冷媒安全性評估使用多年的碳氫化合物標準逐漸被調整，在美國冷凍空調學會 ASHRAE standard 34[27]與歐洲國家 proEN378 認為可燃性氣體可分為三級，第 1 級為非易燃性，第 2 級為低可燃性，第 3 級為高可燃性，而目前所使用碳氫化合物做為冷媒的物質，皆屬於第 3 級高的高可燃性氣體。. 在有充分安全防護裝置下，ASHRAE standard 15[28]與 BS 4434 標準下規定，洩漏濃度不可超過可燃濃度的 20%，而 DIN7003 規定當冷媒洩漏時不能高於燃燒下限濃度(LFL)的 25%，表 2.3 為常用可燃氣體基本性質[29] 。. 25.

(47) 5 表 2.2 常用可燃氣體基本性質 Refrigerant. LFL%(vol.). UFL%(vol.). Ignition Temp. (℃). Propane R-290. 2.1. 9.5. 466. 0.00025. Isobutane R-600a. 1.3. 8.5. 455. 0.00025. Cyclopropane RC-270. 2.4. 10.4. 495. 0.00017. Dimethyl ether DME. 3.4. 17. 235. R-152a. 3.9. 16.9. Ammomia R-717. 15.5. 27. Ignition energy (J). 0.22 651. 0.68. 由於碳氫冷媒具有高度可燃性，因此在使用時必須特別注意下列幾點：. (1) 注意冷媒充填量，充填的量越少，相對的也會降低洩漏時的危險性。. (2) 在安裝冷凍系統時，要注意銅管接頭的密封性，減少洩漏的可能性，必要時盡量以焊接的方式來取代接頭的使用。. (3) 在電路方面盡量使用不會產生火花的元件，例如像是室內外送風機，與空調機電路板都比須強化無火花功能，以減少洩漏時的危險性。. 2.5. 毛細管長度選用毛細管在冷凍系統的選用佔了非常重要的過程，長度選用過長或過短時，會造成冷凍系統能力不足或是蒸發溫度過高，因此在本研究主要使用公式 2.21~2. 配合 NIST. REFPROP 的冷媒性質與 NIST CYCLE D 得到冷媒質量流率後，計. 算研究用的毛細管長度，計算時假設冷凍循環無過冷過熱的現象的理想過程：. (. ) (. 26. ). (2.20).

(48) (. ). (2.21). ̇. (2.22). ̇. (2.23). (2.24). (. (. (. ). ). ). (2.25). (2.26). (2.27). (2.28). x=fraction of vapor in mixture of liquid and vapor. h= enthalpy, kJ/kg. hg= enthalpy of saturated liquid, kJ/kg. hf= enthalpy of saturated vapor, kJ/kg. ̇ =mass rate of flow, kg/s. V=velocity of refrigerant, m/s. 27.

(49) v=specific volume, m3/kg. vf= specific volume of saturated liquid, m3/kg. vg= specific volume of saturated vapor, m3/kg. ∆L=length of increment, m. D=ID of tube, m. u=viscosity, Pa-s. =viscosity of saturated liquid, Pa-s. =viscosity of saturated vapor, Pa-s. f=fraction factor, dimensionless. 8 圖 2.6 毛細管增量長度. 根據上述公式計算出 R-134a 冷凍系統在冷凝溫度 40℃且蒸發溫度在-25℃時，毛細管所需長度為 2.05m，其增量如圖 2.7 所示。. 28.

(50) 9 圖 2.7 R-134a 毛細管增量長度曲線圖. 29.

(51) 第三章實驗設備與方法本實驗以市售的 R-600a/R-290 碳氫混合冷媒比例分別為 35/65、50/50 以及 100/0(by mass)取代 R134a 冷凍系統所使用的冷媒。在不改變任何設備元件下，以不同充填量的 HC 冷媒替代原本的 R134a 冷媒，根據測試前後的數據分析，藉以了解取代前後整體系統性能變化的差異，並判斷最佳替換冷媒的混合比例與充填量。. 3.1. 實驗系統本實驗使用單箱體開放式冰箱(表 3.1)。由於設備本身保溫不足，因此在冷凍庫外圍包上大約 40mm 厚度的保溫板，在壓縮機回流管包上厚度約為 20mm 的圓形保溫管，增加系統的保溫效果。在電路方面，將原有的傳統機械式電路更換為數位溫度控制，以達到準確控制與避免設備誤差，相關電路圖如圖 3.1 所示。在量測各點溫度方面，本研究主要使用 T-type 熱電偶溫度線，利用錫銲的方式將溫度線皆在銅管表面，並在外圍貼上一層鋁膠帶，以減少溫度量測時的誤差。在實驗流程方面，為了將實驗自動化，在電路設計上，利用計時繼電器控制溫度控制開關，在下拉溫度時間結束後，才讓溫度開關介入，開始穩定測試。最後將電源供應器設定，在穩定實驗結束後，才介入開始加載測試。詳細測試流程如表 3.2。. 30.

(52) 6 表 3.1 實驗用設備規格表名稱. 數據. 冷凍庫內容積毛細管規格乾燥器規格溫度控制器. 29L ID 0.66mm Length 1/4" 分子篩 TTM-J4 R-AB. 7 表 3.2 測試流程 Test type. Time (hour). Pull down test. 4. Cycling test. 3.5. Heat load test. 1. 10 圖 3.1 實驗設備電路配置. 31. 2.2m.

(53) 3.2. 量測方式本研究測試系統所使用的設備儀器主要有一部筆記型電腦、一部乙太網路通訊介面 12channel 的無紙式紀錄儀(TRM-20, TOHO)、以及一部 NI-488.2 介面多功能電力分析儀(TW-230, YOKOGAWA)，如圖 3.2。. 溫度與壓力分別採用 T-type 熱電偶線以及輸出訊號為 0~5V 的壓力傳送器 (JPT-131S, Jetec)，再利用無紙式紀錄儀擷取所有量測點的數據。電力方面數據是利用電力分析儀，擷取冷凍系統相關的電壓、電流、消耗功率、功率因素、頻率以及電度等等的相關數值。筆記型電腦利用相關設備軟體程式，透過乙太網路以及 NI-488.2 轉 USB 進行儀器直接通訊，並將相關數據儲存至筆記型電腦，以利後續數據分析。. 11 圖 3.2 實驗設備與儀器示意圖. 32.

(54) 3.3. 量測用儀器本實驗所使用的量測儀器包括壓力傳送器、溫度感測器、電力分析儀、資料擷取器與筆記型電腦．詳細規格如下：. 壓力傳送器：. 量測空調系統中的高低壓力是使用兩支壓力傳送器(pressure. transducer)將. 數據傳送到資料擷取器中做長時間紀錄使用．高壓端壓力傳送器量測範圍為 -1~50bar，低壓端壓力傳送器量測範圍為-1~5bar，精度為±0.5%，詳細規格如表 3.3。實體外觀如圖 3.3 所示。. 8 表 3.3 實驗用設備規格表. 型號. 量測範圍. 輸出. 電源電壓. 溫度範圍. 精確度. JPT-131S(H). -1~50bar. 0-5V. 24VDC. -10~85℃. ±0.5%. JPT-131S(L). -1~ 5bar. 0-5V. 24VDC. -10~85℃. ±0.5%. 33.

(55) 12 圖 3.3 壓力傳送器外觀圖熱電偶線: 採用 T-type 熱電偶線(Thermocouple)，精確度為±0.5℃，詳細規格如表 3.4．在量測溫度時需要將外皮剝除後將裡面的兩條金屬線焊成一點，再熱電偶線放置需要量測的地方，用電烙鐵將其銲上或是鋁膠帶固定．再將熱電偶線的訊號接至資料擷取器，即可做長時間的溫度記錄使用。. 9 表 3.4 熱電偶溫度線規格表型號. 材料. 溫度範圍. 精確度. -160℃~400℃. ±0.5℃. 正極:銅 T-type 負極:銅鐮合金. 34.

(56) 電力分析儀:. 本實驗研究需要電力分析儀(digital power meter, WT-230, YOKOGAWA)測量實驗設備之電工消耗，分析換裝前後的性能特性能特性變化對於實驗設備的電工消耗影響：本電力分析儀如表 3.5 所示，主要安裝於冷凍系統電源端，量測電壓、電流、瞬時耗電量與總耗電量。實體外觀如圖 3.4 所示。. 10 表 3.5 三相電力分析儀規格範圍電壓. 15/30/60/150/300/600 V 直接輸入. 0.5/1/2/5/10/20 A. 電流外接輸入. 2.5/5/10 V or 50/100/200 mV. 電壓與電流: 精度. ±讀數的0.1%+量程的0.1% 功率:. 13 圖 3.4 電力分析儀外觀圖. 35.

(57) 數據擷取器：. 本實驗設備所使用的數據擷取器(paperless recorder, TRM-20, TOHO)主要是將溫度感測器與壓力傳送器的資料擷取後儲存在記憶體做長時間紀錄使用。詳細規格如表 3.6 所示。實體外觀如圖 3.5 所示。. 11 表 3.6 資料擷取器規格廠牌型號. 量測通道數. 量測種類熱電偶. 精確度紀錄週期. K, E, J, T, C, N, PL II, U, L, R, S, B, PR40-20, AU-Fe. RTD. Pt100, JPt100. 直流電壓. －10 ～＋10mV. TOHO. 0 ～20mV. 12chanel. 0 ～50mV. TRM20. －0.2 ～＋0.2V －1～＋1V －10～＋10V 0～5V 直流電流. 4~20mA(外在分流電阻). 14 圖 3.5 數據擷取器外觀圖 36. ±0.1%. 1s~60min.

(58) 電源供應器:. 本實驗設備使用電源供應器(power supply, MP-3AP, major science)為主要是供應冷凍庫內的電熱器，在進行電熱加載實驗時，供給電熱絲電源，做為模擬庫內負載變動使用。詳細規格如表 3.7 所示。實體外觀如圖 3.6 所示。. 12 表 3.7 電源供應器規格型號. MP-3AP. 操作電壓. 100~240V. 範圍. 操作型態. 電壓. 300W/1W. 恆定電壓. 電流. 10~3000mA/1mA. 恆定電流. 功率. 300W/1W. 恆定功率. 15 圖 3.6 電源供應器外觀圖. 37.

(59) 3.4. 實驗用冷媒相關資料本實驗分別使用冷媒為 R-134a、R600a(HC3)、R-600a/R-290(35/65, by mass, HC1)與 R-600a/R-290(50/50, by mass, HC2)，相關資料如表 3.8。實體外觀如圖 3.7 所示。. 13 表 3.8 冷媒相關資料表. manufacturers. Mixing ratio. Weight. (% by mass). (kg). Number. Purity. Water. (%. Content. w/w). (ppm w/w). Solchem. R-134a. 100. 13.6. 99.90. 10. Generic. R-600a. 100. 6.5. 99.5. <10. HyChill. R-600a/R-290. 50/50. 9. -. -. ColdloC. R-600a/R-290. 35/65. 9. 99.9. 5. 16 圖 3.7 冷媒實體外觀圖. 38.

(60) 3.5. CNS 標準測試條件在實驗研究中，為了符合 CNS 標準，在進行標準實驗時，必須放置模擬冷凍系統內部的負載。根據 CNS2062-C4048 所標示的材料(表 3.9)進行配置，首先將純水的燒杯中，接著放入氯化钠 (sodium chloride) 與 4 氯 3 甲基苯酚 (para-chlorometa-cresol)利用磁石攪拌器(PC-420D, Corning)進行攪拌，攪拌均勻後才放入甲基纖維素(oxyethylmethylecellulose)，在放入配置過程中主要利用電子天秤(GX-6100, A&D)秤重以確保配置的準確性。詳細比例如表 3.8。本冷凍系統容積為 29L，依據 CNS 標準每 100L 內容積需放入 4.5kg 以上的標準負載物，所以經過計算後必須放置 1.3kg 以上，最後決定放置 CNS 負載量為 2kg。. 14 表 3.9 冷凍負載材料配置表 Material. Weight (g). Oxyethylmethylecellulose. 230.0. Water. 764.2. Sodium chloride. 5.0. Para-chlorometa-cresol. 0.8. Note: Filling material containing, per 1000g. 3.6. 系統測試環境測試環境主要提供穩定的恆溫與恆濕的測試空間，依據中國國家標準 CNS-2062-C4048 冷凍系統測試條件，在電力方面：電壓為單向交流 110V 或 220V，頻率為 60Hz。在環境控制上採用空調機實驗室，溫度變動在設定值的±0.5℃，濕度方面為設定值的±2.5%，符合 CNS 要求，溫度為±１℃，濕度為±5%。詳細測試環境設備放置如下圖 3.8 所示。環境控制箱主要針對溫度與濕度進行控制， 39.

(61) 控制方式由溫溼度傳送器(JHTW3020)傳送訊號至可以調整數值的控制器，在進行研究時可以依照所需環境調進進行調整。詳細環境控制箱電路如圖 3.9 所示。. Symbol. Equipment. Symbol. Equipment. 1 ○. humidifier. 4 ○. environmental controller. 2 ○. air conditioner. 5 ○. experimental equipment. 3 ○. heater. 17 圖 3.8 環境設備放置示意圖. 40.

(62) 18 圖 3.9 環境控制箱電路圖. 3.7. 實驗方法與步驟冷凍系統的測試流程圖如圖 3.10 所示，各測試的步驟與流程分述如下：. 冷凍系統性能測試:. (1) 進行冷凍系統處理與充填冷媒操作步驟如下:. i.. 利用氮氣將系統壓力充填至 10kg/cm2。. ii.. 站壓 10 分鐘後，確認系統內有無洩漏的情形發生．如過有發現洩漏，利用探漏劑找出洩漏點，並加以修復後，重複 i 步驟。. 41.

(63) iii.. 將系統內的氮氣排放至表壓 0 為後，進行系統抽真空。. iv.. 當系統抽至真空度達 76cmHgVac 後站空，讓系統保持在真空狀態下，確認系統有無洩漏，如果發生洩漏請重複 i 步驟。. v.. 依照測試後最佳值再利用電子磅秤將冷媒充填至定值。. (2) 依照標準冷凍系統處理程序，將系統換裝不同充填量的碳氫混合冷媒。. (3) 進行冷凍系統性能測試，改變環境溫度，並記錄測試時的數據。. (4) 更換實驗冷媒與冷媒充填量，重複步驟(1)。. 42.

(64) 19 圖 3.10 冷凍系統處理與充填冷媒流程. 43.

(65) 3.8. 實驗變項 (1) 碳氫冷媒充填量為 HC 混合冷媒與純 R600a 冷媒分別以 R134a 充填量 180g 的 30%、40、50%與 60%進行充填。 (2) 環境溫度分別為 26℃、30℃、34℃與 38℃，濕度維持在 75±5%。 15 表 3.10 實驗設備操作變項實驗變項. 數值. 備註. 30%(54g) 40%(72g) 碳氫冷媒 HC1、HC2與HC3. mass fraction 50%(90g) 60%(108g) 26℃ 30℃. 環境溫度℃. RH 75% 34℃ 38℃. 3.9. 實驗數據量測與分析本研究探討的冷凍系統性能變化包括: 壓縮機入出口溫度、冷凝器入出口溫度、毛細管入出口溫度、蒸發器入出口溫度、系統高低壓、庫內溫度、壓縮機外殼溫度、消耗功率、性能係數、壓縮比與能源效率值，故在計算前必需要先量測一下數據。. 44.

(66) 3.9.1. 實驗量測狀態點本實驗空調系統所需的量測狀態點分布如圖 3.4 所示：. 20 圖 3.11 實驗設備量測位置分布圖. 45.

(67) 16 表 3.11 各點量測位置說明設備. 位置與代號. 壓縮機冷凝器蒸發器壓力感知器冷凍庫 T為溫度感測器. 入口入口入口高壓庫溫. 出口 T1 出口 T3 出口 T5 低壓 P8 隔板 T9. T6 T2 T4 P7 T12. 外殼T10. T11. P為壓力傳送器。. 3.9.2. 實驗數據分析本實驗所量測的各項數據配合美國國家標準實驗室(National Institute of Standards and Technology, NIST)所推出的 REPROP 8.0 冷媒性質軟體可以得到更詳盡的冷媒特性數據，EF 則根據 CNS 標準各性能參數計算分述如下：. (1) 冷凍效果(refrigerating effect ,qe): 單位質量冷媒吸收冷凍庫空間的熱量稱為冷凍效果，主要是液體蒸發的蒸發潛熱。. (3.1). (2) 性能係數(coefficient of performance, COP): 用來表示冷凍循環效率的一種方式，主要是在說明吸收空間的熱量所需要的壓縮機輸入功。. 冷凍效果. (3.2). 壓縮熱. (3) 能源因數值（energy factor, EF），，每月消耗電度與冷凍庫容積的比。. 𝐸𝐹. 𝑅 消秏電度(kwh. VR （公升）：冷藏室有效內容積 46. 𝐹 nth). (3.3).

(68) VF （公升）：冷凍室有效內容積 K 值：冷凍室等效內容積換算係數，二星級為 1.56；超二星級者為 1.67；三星級及四星級為 1.78。. (4) 壓縮比(compression ratio, CR): 空調系統的冷媒高壓端與低壓端得比值，以絕對壓力計算，當數值越高容積效率會越差。. 系統中高壓絕對壓力系統中低壓絕對壓力. (3.4). (5) 下拉溫度比 pull down ratio, RPD): 下拉溫度差(Tmax-Tmin)與時間∆h 的比值， RPD 數值越大，表示單位時間所下降的溫度越低，相同庫內溫度下，所需時間越短。. (. ). (℃/hour). (3.5). (6) 電熱負載溫度比(heater load ratio, RHL): 電熱負載實驗前後溫度差∆T 與實驗時間∆t 的比值，數值越大，表示單位時間所上升的溫度越高，相同實驗條件下，冷媒對於負載變化越敏感。. (3.6). 3.9.3. 24 小時穩定運轉測試條件根據下拉、穩定以及負載測試結果，評估原機毛細管的適用性，並視狀態進行管長修正。選擇各冷媒最佳的充填量進行 24 小時穩定運轉測試，測試條件與 CNS 測試條件相同，分別為環境溫度 30±1℃、濕度 75±5%與冷凍庫內放置 2kg 的 CNS 標準負載物。由於本研究選用的壓縮機為中高溫型壓縮機，因此將溫度 47.

(69) 開關設定在-8±1℃，以了解不同混合比例的 HC 冷媒在長期穩定運轉時的特性。. 48.

(70) 第四章結果與討論本研究主要針對三種不同比例 HC 冷媒(R-600a/R290 , 35%/65%、50%/50% and 100%/0%)，依原有 R-134a 系統充填量 180g 的 30%(54g)、40%(72g)、50%(90g) 以及 60%(108g)進行實驗研究，並評估替換 R-134a 冷媒與最佳化性能分析。本實驗主要是在有控制溫度與濕度的環境條件下進行實驗並測試 R-134a 冷媒系統與 HC 冷媒系統的性能。實驗過程中沒有改變冷凍系統任何元件。環境溫度控制在 26±1℃、30±1℃、34±1℃與 38±1℃，濕度固定控制在 75±5%。冷凍系統庫內負載主要在 30℃時有固定放置 CNS 標準測試負載物 2kg，其餘測試標準皆無 CNS 負載；不同環境溫度下庫內變動電熱負載方面，操作範圍主要為 0W 至 50W。. 4.1. R-134a 充填量選擇由於實驗設備為單箱體冷凍系統經由系統處理，更換壓縮機、乾燥過濾器、加裝壓力傳送器與修理閥等等，為了確定原有 R-134a 冷媒充填量，進行了 140g~200g 充填量的測試，測試環境為 CNS 標準溫度 30±1℃、濕度 75±5%與庫內有冷凍測試負載(CNS 標準)其結果如下:. (1) 圖 4.1 中顯示在固定環境溫度 30℃時，不同充填量的系統中的下拉溫度表現。由此圖是可以明顯看出，140g~160g 之間的充填量無法達到一般冷凍系統溫度-10℃的要求；在 170g 中雖然最低溫度可以到達-10℃以下，但是在下降斜率方面，比起 180g~200g 來的平緩，在相同的時間下，所下降的溫度幅度較小。在充填量為 180g 時可以明顯看出，在相同時間下可以達到最低的溫度，相較之下可以減少壓縮機運轉的時間。由於 140g~160g 經由判斷由. 49.