中 華 大 學
碩 士 論 文
R404a 冷媒變化量對冷凍(藏)設備節能之研究 An Study of the R404a Refrigerant Variation for
Energy Saving
系 所 別 : 電機工程學系碩士班 學號姓名 : M09801023 王振芳 指導教授 : 王志湖 博士
中華民國 100 年 7 月
I
摘要 摘要 摘要 摘要
台灣自產能源缺乏，99.3％的能源供應需仰賴進口，冷凍空調年耗電量超過 23 億度，冷凍(藏)設備用電時間長，屬高耗電設備，節能空間大；但對應用資 訊網路監測冷凍(藏)設備之運轉狀況及性能，以及 R404R404R404R404aaaa 冷媒填充量變化，對冷 凍(藏)設備循環效能及耗能影響等相關實測報告不多；本報告特針對面積 3.24M2 的組合式冷凍庫使用 R404a 冷媒及庫內溫度由 20℃下降至-20℃的下降速度、耗 電量等進行研究。量測過程係應用市售之網路型遠端監測器及溫度、壓力感測器 構成冷凍庫監測系統，模擬冷凍庫在空載狀況下、R404a 冷媒液態或氣態冷媒洩 漏致冷媒量產生變化，經由網路蒐集冷凍庫各感測點冷媒進、出溫度、壓力數值，
及資料轉換、計算與分析等程序，以探討冷媒量變化對冷凍庫循環性能及節能的 影響。
在實驗過程中，應用資訊網路、感測系統對冷凍(藏)設備之運轉效能分析及 故障排除等確有助益；由實驗結果顯示：面積 3.24M2的組合式冷凍庫使用 R404a 冷媒，當氣態或液態冷媒洩漏致冷媒量變化，確對其庫溫度下降速度有所影響；
若冷媒充填量 5 公斤為基準值，當冷媒填充量為基準值的 60%(含)以上者，其冷冷冷冷 凍能力
凍能力 凍能力
凍能力及庫溫下降時間等差異小，如冷媒量為基準值的 40%時，庫溫降溫速度緩 慢，欲達上述預期值其運轉時間需加長，但若低於基準值的 20%(含)以下時，運 轉時間加長仍無法使庫溫降至 0℃以下。本研究之冷凍庫量測實驗系統，溫度、
壓力感測器安裝位置選定、莫利爾曲線圖莫利爾曲線圖莫利爾曲線圖繪製及運轉狀況、耗能分析等結論，將莫利爾曲線圖 作為建構冷凍(藏)設備智慧型遠端監測及專家診斷系統之初期研究參考。
關鍵字：R404R404R404aR404aaa 冷媒冷媒冷媒冷媒、冷凍能力冷凍能力冷凍能力冷凍能力、莫利爾曲線圖莫利爾曲線圖莫利爾曲線圖莫利爾曲線圖
ABSTRACT
Taiwan is lacking in self-produced energy. 99.3% of the energy supply depends on imports. More than 2.3 billion degrees of power consumption of refrigeration and air conditioning are spent each year. Freezing (refrigeration) equipment for long-time power consumptive may be power-hungry but there is great room for improvement of saving energy; but there is a lack of research on the application of information network monitoring freezer (refrigeration) equipment operating conditions and the cycle performance and how power consumption effects performance of variation on the R404a refrigerant filling volume of freezing (refrigeration) equipment.
This report specifically focuses on the research of area 3.24M2, combined freezer with R404a refrigerant and the temperature of the decline in speed and power consumption in the bank from 20℃ down to -20℃. Measurement process is the application of a freezer monitoring system which constitutes the market selling of web-based remote monitoring and temperature and pressure sensors.
In the situation of a vacuum in the freezer, the variation causes of the leakage of liquid or gaseous R404a refrigerant, and establishes a network to collect the freezer refrigerant into the sensor, the temperature and pressure values, the data conversion, calculation, analysis and other procedures to change volume of refrigerant to the freezer cycle performance and energy impact.
During the experiment, the application of information networks, sensor system for frozen (refrigeration) equipment operating performance analysis and troubleshooting, etc. are helpful. The experimental results show that when the area 3.24M2 modular freezer using R404a gaseous or liquid refrigerant, the refrigerant leakage caused by the amount of change, its storage temperature affects the rate of decline. When using the base refrigerant filling volume of 5kg, the refrigerant filling volume of the base 60% (inclusive), the Cooling Capacity Refrigerant of the drop time and storage temperature difference is small, such as the refrigerant capacity of the base 40%, the temperature of an environment and slow cooling, if the expected value of its running time is desired to be longer and is less than the base 20% (inclusive), the running time is still unable to make the environment temperature drop below 0℃.
In this study, experimental measurement of the freezer system, temperature, pressure sensor installation location selected Mo Lier curve and operating conditions, energy analysis conclusions will serve as the baseline of frozen (refrigeration) Smart Device monitoring and diagnosis system of the pre-study reference.
Keywords: R404a refrigerant, Cooling Capacity Refrigerant, Mo Lier curve
III
誌 誌 誌
誌謝 謝 謝辭 謝 辭 辭 辭
誠摯感謝恩師 王志湖博士兩年來的悉心指導，並在研究期間給予充分的建 議、適時的鼓勵與指點迷津，使本論文得以如期順利完成。恩師治學嚴謹、為人 風趣，尤擅於研究發明，不僅是發明界的翹楚，更是國際知名發明展奪金的常勝 軍，學生雖已年過半百，有幸得蒙 名師教導，受益良多，師恩浩瀚，銘感五內！
研究所期間，承蒙電機系與通訊系諸位教授不吝指教，使學生得以增進電 機、通訊等相關領域的專業知識；同時，特別要感謝口試委員蘇朝琴教授、陳 竹一教授，以及田慶誠教授的撥冗蒞臨指導，細心、用心地對本論文提供建議 與匡正，使本論文得以更臻完善，在此獻上最真摯的敬意與謝忱。
此外，要感謝職訓中心正訓練師李居芳先生及盛德節能科技(股)公司副總 經理林良澤先生等良師、益友在研究期間的鼎力相助，以及同學建州、華智、
佳偉、ㄧ喬等給予課業上的協助，ㄧ併致上由衷的謝意。
最後，要將這份榮耀與我的家人分享，感謝 家慈水菊女士及內人麗燕小 姐的包容與容忍，讓我無後顧之憂，專心向學，願上蒼賜福每ㄧ位辛勤耕耘者 心想事成、歡喜豐收。
目錄 目錄 目錄 目錄
摘要………I ABSTRACT……….,………II 誌謝辭………III 目錄………IV 表目錄………VI 圖目錄………VII
第一章 緒論………1
1.1 研究動機與目的……….………1
1.2 研究方法與步驟……….………3
第二章 文獻回顧與理論基礎探討…..……….………5
2.1 逆卡諾循環……….………5
2.2 冷凍理論循環原理及分析……….………6
2.2.1 冷凍理論循環原理………..………6
2.2.2 冷凍理論循環冷媒熱力狀態分析……..………7
2.2.3 冷凍理論循環性能指標及計算……..………9
2.3 冷凍實際循環原理及分析………..……..………12
2.3.1 冷凍實際循環性能指標及計算……….………12
2.3.2 冷凍實際循環之特性分析……….………14
2.4 R404a 冷媒特性與充填率研究………16
2.4.1 冷媒特性與充填率………16
2.4.2 資料探勘技術在冷媒研究之應用………18
第三章 實驗設備與量測設計………20
3.1 實驗對象與背景………20
3.2 實驗設備與量測裝置………21
V
3.2.1 系統架構與需求………21
3.2.2 冷凍庫主體………22
3.2.3 冷凍機組………23
3.2.4 控制設備………23
3.2.5 量測診斷設備………24
3.2.6 智慧電錶裝置………29
第四章 實驗結果與分析………32
4.1 冷凍循環溫度、壓力感測點量測數據分析………32
4.1.1 壓縮機入口、出口點溫度及壓力變化………32
4.1.2 冷凝器入口、出口點溫度及壓力變化………37
4.1.3 蒸發器入口、出口點溫度及壓力變化………41
4.2 冷媒填充率變化對冷凍循環之影響分析………43
4.2.1 冷媒填充率與壓縮機入、出口溫度之關係………43
4.2.2 冷媒填充率與冷凝器出口溫度、壓力之關係………45
4.2.3 冷媒填充率與蒸發器入口溫度、壓力之關係………46
4.2.4 冷媒填充率與庫內溫度下降速度之關係………47
4.3 冷媒量與冷凍循環性能最佳化分析………48
4.3.1 冷媒量變化對冷凍能力及壓縮功之關係………48
4.3.2 冷媒量變化對庫溫及冷凍能力之關係分析………49
4.3.3 冷媒量變化對庫溫及散熱能力之關係分析………51
4.3.4 冷媒量變化對冷凍能力及散熱能力之關係分析………52
第五章 結論與未來努力方向.………53
參考文獻………54
表目錄
表 1-1 台灣 2010 年能源消費量分析表………2
表 1-2 冷媒應用發展演變歷程………3
表 2-1 資料探勘技術在冷媒研究之應用………19
表 3-1 研究對象資料背景………20
表 3-2 實驗系統設備規格………21
表 3-3 感測點位置對照表………25
表 3-4 節能控制器接點對照表………27
表 3-5 智慧電表規格………30
VII
圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄
圖 1-1 研究步驟………4
圖 2-1 逆卡諾循環在溫–熵圖上的表示………5
圖 2-2 單一壓縮機冷凍循環系統示意圖………6
圖 2-3 理論冷凍循環溫–熵圖………7
圖 2-4 理論冷凍循環壓–焓圖………7
圖 2-5 冷凝溫度改變時冷凍循環特性變化壓–焓圖………10
圖 2-6 冷凝溫度對冷凍循環性能之影響莫利爾曲線模擬結果.………11
圖 2-7 蒸發溫度改變時冷凍循環特性變化壓–焓圖………11
圖 2-8 蒸發溫度對冷凍循環性能之影響莫利爾曲線模擬結果………12
圖 2-9 實際冷凍循環的壓-焓圖表示.………13
圖 2-10 實際冷凍循環狀態異常現象-閃蒸現象………15
圖 2-11 實際冷凍循環狀態異常現象-冷媒不足………15
圖 2-12 實際循環狀態異常現象-冷媒過量………16
圖 2-13 R404a 冷媒氣態充填冷媒成分隨移充填率的變化………17
圖 2-14 R404a 冷媒氣態充填冷媒成分隨移充填率的變化………18
圖 3-1 系統架構圖………21
圖 3-2 冷凍設備全套實體圖………22
圖 3-3 數位控制、機械控制裝置………24
圖 3-4 溫度及壓力感測器安裝配置圖………25
圖 3-5 節能控制器外觀………26
圖 3-6 溫度感測器外觀及接線………28
圖 3-7 壓力感測器外觀及接線………28
圖 3-8 智慧電表接線圖………31
圖 4-1 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機入口壓力變化圖………32
圖 4-2 模擬液態冷媒洩漏壓縮機入口壓力變化圖.………33
圖 4-3 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機出口壓力變化圖.………33
圖 4-4 模擬液態冷媒洩漏壓縮機出口壓力變化圖.………34
圖 4-5 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機入口溫度變化圖.………35
圖 4-6 模擬液態冷媒洩漏壓縮機入口溫度變化圖.………35
圖 4-7 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機出口溫度變化圖.………36
圖 4-8 模擬液態冷媒洩漏壓縮機出口溫度變化圖.………36
圖 4-9 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器入口溫度變化圖.………38
圖 4-10 模擬液態冷媒洩漏冷凝器入口溫度變化圖………38
圖 4-11 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器出口溫度變化圖………39
圖 4-12 模擬液態冷媒洩漏冷凝器出口溫度變化圖………39
圖 4-13 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器出口壓力變化圖………40
圖 4-14 模擬液態冷媒洩漏冷凝器出口壓力變化圖...40
圖 4-15 模擬氣態冷媒洩漏蒸發器入口溫度變化圖.………41
圖 4-16 模擬液態冷媒洩漏蒸發器入口溫度變化圖………42
圖 4-17 模擬氣模擬態冷媒洩漏蒸發器出口溫度變化圖………42
圖 4-18 模擬液態冷媒洩漏蒸發器出口溫度變化圖………43
圖 4-19 模擬氣態冷媒洩漏蒸發器出口壓力變化圖………43
圖 4-20 冷媒填充率變化與壓縮機入口溫度之關係………44
圖 4-21 冷媒填充率變化與壓縮機出口溫度之關係………44
圖 4-22 媒填充率變化與壓縮機入口壓力之關係………45
圖 4-23 媒填充率變化與壓縮機出口壓力之關係………45
圖 4-24 媒填充率變化與冷凝器出口溫度之關係………46
圖 4-25 媒填充率變化與冷凝器出口溫度之關係………46
圖 4-26 媒填充率變化與蒸發器入口溫度之關係………47
IX
圖 4-27 冷媒填充率變化與蒸發器出口壓力之關係………47
圖 4-28 模擬氣態冷媒洩漏庫內溫度變化圖………48
圖 4-29 模擬液態冷媒洩漏庫內溫度變化圖………48
圖 4-30 氣態冷媒量變化對冷凍能力及壓縮功之關係………49
圖 4-31 液態冷媒量變化對冷凍能力及壓縮功之關係………49
圖 4-32 氣態冷媒量變化對庫溫及冷凍能力之關係分析………50
圖 4-33 液態冷媒量變化對庫溫及冷凍能力之關係分析………50
圖 4-34 氣態冷媒量變化對庫溫及散熱能力之關係分析………51
圖 4-35 液態冷媒量變化對庫溫及散熱能力之關係分析………51
圖 4-36 氣態冷媒量變化對冷凍能力及散熱能力之關係分析………52
圖 4-37 液態冷媒量變化對冷凍能力及散熱能力之關係分析………52
第一章 緒論
1.1 研究動機與目的
台灣地區自產能源缺乏，99.3％能源仰賴進口供應，2010 年能源進口總值 453.36 億美元，平均每人負擔能源進口值 69,317 元，較前一年增 29.98%；在能源消費量分 布方面，服務業全年能源消費量 12,885.1 千公秉油當量，，，，占總消費量 10.71%；台灣 地區冷凍空調年耗電量超過 23 億度，台灣 2010 年能源消費量分析表如附表１-1 [1]。 冷凍(藏)庫設備屬高耗能、需長期運轉的用電設備，節能空間大。
此外，環保因素考量，含氯元素的 R22 冷媒即將在 2020 年 1 月 1 日起全面禁用，
R404a 冷媒取而代之，作為冷凍(藏)設備的製冷用途，冷媒應用發展演變歷程如附表 1-2[2]；但國內對組合式冷凍庫使用 R404a 冷媒發生洩漏時，與其冷凍能力及耗能有何 關係，以及應用資訊網路系統自動監測冷凍庫運轉狀況，並即時警示故障以利維修等 研究不多。基此，本論文特配合某職訓單位籌建組合式冷凍庫教學設備案，就應用市 售之資訊網路系統及溫度、壓力感測器自動監測冷凍庫的運轉狀況，並模擬冷媒洩 漏 ， 冷 凍 庫 的 冷 媒 量 改 變 對 庫 內 溫 度 下 降 速 度 及 性 能 係 數 (Coefficient of Performance，簡稱 C.O.P)等影響程度進行實測分析；本報告除供教學運用外，並將 作為建構冷凍(藏)設備智慧型遠端監測及專家診斷系統之初期研究參考。
2 項目
項目項目
項目 總計總計 總計總計
能源 能源 能源能源 部門 部門 部門部門
工業 工業 工業工業 部門 部門 部門部門
運輸 運輸運輸 運輸 部門 部門部門 部門
農業 農業 農業農業 部門 部門 部門部門
住宅 住宅住宅 住宅 部門 部門部門 部門
服務業 服務業 服務業服務業
部門 部門 部門部門
非能源 非能源 非能源非能源
消費 消費消費 消費
消費 量
(千公秉
油當量)
120,308.00 8,381.70 64,735.80 15,546.30 982.00 13,173.30 12,885.10 4,603.70
百分率
%
100.00 6.97 53.81 12.92 0.82 10.95 10.71 3.83
與
2009
年 比較
%
0.25 -0.25 1.28 -0.24 -0.07 -0.58 -0.84 0.71
表 1-1 台灣 2010 年能源消費量分析[1]
1876年首先 使用CO2型 冷媒
1930
1876-1931年陸續使用 CO2、NH3型和HC型冷媒 1830-1930
天然冷媒(NH3、HC5 CO2、水、空氣等)
1930-1990 CFCs和HCFCs 型冷媒
1987年在加拿大 蒙特婁市，26個 國家共同簽署蒙 特婁破壞臭氧層 物質管制議定書
1992年在丹麥哥本哈根 召開之第四次締約國大 會，決議將C F C s禁 產時程提前於1996年1 月實施
1990
1997年京都議定書 歐盟已禁止生產與 進口含HCFC-22的 新設備2007.9.22.
UN協議於2030年全 面禁止生產和使用 HCFC，比原計畫 提前10年
2007 2010 2020
自2010.1.1起，已 開發國家禁止生產 與進口含HCFC-22 的新設備
自2015年起，
開發中國家禁 止生產與進口 含CFC-22的新 設備
自2010.1.1 起，歐盟禁只 使用H C F C s 於持續運轉與 推移之冷凍空 調設備
2020年已開發 國家全面禁用 HCFCs
2030年開發 中國家全面 禁用HCFCs
2030 1990至今
HCFCs和HFCs 型冷媒
R718(水)、R729(空氣)、
R717(NH3)、R744(CO2)、
HCs(R-600a 異丁烷和 R- 290丙烷
自然 冷媒
R23、R134A、R404A、
R407A、R407B、R407C、
R410A、R507、R508
HFCHFC HFCHFC
R22、R123、R124、
R401A、R410B、R402A、
R402B、R403B、R406A、
R409A HCFC
R11、R12、R13、R13b1、
R113、R114、R500、
R502、R503 CFC
種類 型號
R718(水)、R729(空氣)、
R717(NH3)、R744(CO2)、
HCs(R-600a 異丁烷和 R- 290丙烷
自然 冷媒
R23、R134A、R404A、
R407A、R407B、R407C、
R410A、R507、R508
HFCHFC HFCHFC
R22、R123、R124、
R401A、R410B、R402A、
R402B、R403B、R406A、
R409A HCFC
R11、R12、R13、R13b1、
R113、R114、R500、
R502、R503 CFC
種類 型號
冷媒應用發展演變歷程 冷媒應用發展演變歷程 冷媒應用發展演變歷程 冷媒應用發展演變歷程
未來天然冷媒
表 1-2 冷媒應用發展演變歷程[2]
1.2 研究方法與步驟
本實驗設備係以市售面積 3.24M2的組合式冷凍庫及資訊網路系統與溫度、
壓力感測器所構成。實驗過程中使用冷媒回收機採取定量減少 R404a 液態或氣態 冷媒方式，模擬冷媒洩漏，冷凍庫的冷媒量變化；各項量測作業，均自冷凍庫的 庫內溫度為 20℃時，啟動壓縮機空載運轉，以驗證庫內溫度在 15 分鐘內，下降 至-20℃；本實驗排除 R404a 冷媒量改變，其冷媒混合比例亦隨之變化及外氣溫 度、環境等變因。
冷凍庫系統運轉狀況係應用資訊網路系統及溫度、壓力感測器，自動蒐集冷 凍循環各狀態點冷媒的進、出溫度與壓力數值，並經資料彙整、計算及分析、比 較等程序，以探討 R404a 冷媒量變化對冷凍庫的庫溫下降速度及 C.O.P 值等運轉 性能的影響，並分析該冷凍庫之監(感)測系統的感測點部署、數據擷取等規劃作 業的可行性，俾作為未來建構數據型遠端監測及專家診斷系統之初步研究，研究 步驟如圖 1-1。
4 實驗量測
前置作業 完成與否
1.儀器設備校正、歸零。
2.安裝真空泵、複合壓力表、冷媒回收桶、
電子秤及溫度、壓力感測器。
3.紀錄庫溫及外氣溫度值。
1.庫內溫度是否已達 20℃？
2.檢查複合壓力表、高、低壓表及系統是否 真空、電腦傳輸線連線與否？
3.電子磅秤接電、歸零，並按比例回收液態 或氣態冷媒量。
量測數據 資料轉檔
1.模擬冷凍庫液態及氣態冷媒洩漏，進行性 能量測各 5 次，第 1 次冷媒量 5 公斤為基 準值(即冷媒充填率 100%)。
2.第 2-5 次量測作業，則依冷媒量比例回收 氣態或液態冷媒方式，遞減冷媒填充率。
3.壓縮機運轉 15 分鐘內，庫溫下降至-20℃
時，停止壓縮機及量測資料搜集。
1.電腦監測系統自動記錄運轉期間各狀態 點溫度、壓力值。
2.量測結果，經轉檔後分析、比較運轉性能。
數據分 析比較
冷凍性能 指標計算
莫利爾曲線 等圖表調繪
實驗結束
實驗結果 實驗結果實驗結果 實驗結果
1.當冷媒量在 60%(含)以上者，冷凍 庫的性能係數及庫內溫度下降速 度等差異性小。
2.冷媒量在 40%者，降溫速度緩慢。
3.冷媒量在 20%以下時，無法下降至 0℃以下。
1.運轉後自 5 分鐘起至 13 分鐘取每隔１分鐘 之時間點，進行各冷媒量運轉狀況性能指 標數據計算與性能分析。
2.運用 REFPROP 及 REFUTIL 等軟體計算冷凍 循環性能指標，繪製各冷媒量變化狀態點 溫度、壓力特性圖及冷媒循環圖，以供性 能狀況分析判讀。
啟動真空泵，系統抽真空。 冷凍庫管
路抽真空
是否在誤 差範圍內
NO YES
YES NO
實驗 量測
實驗開始
圖 1-1 研究方法及步驟
第二章 文獻回顧與理論基礎探討
2.1 逆卡諾循環(Reversed Carnot Cycle)
逆卡諾循環係假設其熱力過程由兩個等熵過程及兩個等溫過程所組成，且均在 可逆過程條件下進行；工程熱力學指出，將低溫熱源溫度 T1(K)傳遞至高溫熱源溫度 T2(K)的理想循環即是逆卡諾循環[4]。逆卡諾循環在溫-熵圖(T-s 圖)上表示如圖 2-1。
圖 2-1 逆卡諾循環在溫-熵圖上的表示[4]
綜上，逆卡諾循環特點包括：
1.逆卡諾循環的性能係數與高溫及低溫熱源溫度的接近程度有關，與壓 縮機使用的冷媒性質無關。
2.高、低溫熱源溫度越接近，C.O.P 越大。
3.逆卡諾循環的性能係數隨低溫熱源溫度(Tl)的升高而增加，隨高溫熱
3 2
1 4
Th
Tl
a
Sa Sb
b
熵值(Entropy)
溫 度
等熵壓縮等熵壓縮等熵壓縮等熵壓縮
等溫壓縮
等溫壓縮 等溫壓縮 等溫壓縮
等熵膨脹等熵膨脹等熵膨脹等熵膨脹
等溫膨脹 等溫膨脹 等溫膨脹 等溫膨脹
6 源的溫度(Th)升高而降低。
4..低溫熱源（蒸發器）溫度變化對 C.O.P 的影響程度，比高溫熱源（冷 凝器）溫度為大[5]。
2.2 冷凍理論循環原理及分析
2.2.1 冷凍理論循環原理
壓縮製冷屬於相變製冷，乃利用冷媒由液態轉變成氣態(汽化)時吸收汽化熱 的原理，達成熱量轉移傳遞、製冷的目的。單一壓縮機冷凍循環系統係由壓縮 機、冷凝器、節流裝置及蒸發器所組成，其冷凍循環過程及冷媒在各狀點的特 性如圖 2-4 所示：
1 2
3
4 蒸發器
蒸發器蒸發器 蒸發器 吸收被冷卻物體(或 空間)熱量，冷媒由液 態蒸發成氣態
膨脹閥 膨脹閥 膨脹閥 膨脹閥 降壓後，低壓液 態(含閃蒸氣體) 進入蒸發器。
冷凝器 冷凝器 冷凝器 冷凝器
高溫、高壓的氣態冷媒進入冷凝 器，向高溫、高壓的熱源散熱，並 經冷卻、冷凝過程成為高壓、飽和 液態冷媒。
壓縮機壓縮機壓縮機 壓縮機
吸入低溫、低壓的氣態 冷媒，壓縮成高溫、高 壓的氣態冷媒排出。
圖 2-2 單一壓縮機冷凍循環系統示意圖
2.2.2 冷凍理論循環冷媒熱力狀態分析
在冷凍循環過程中，冷媒經壓縮、冷卻(凝)、節流及蒸發等四個狀態變化過程，
單一壓縮機理論循環是建立在以下的假設基礎上〔6〕： 1.壓縮過程為等熵過程，無任何不可逆損失。
2.冷媒的冷凝溫度等於冷卻介質的溫度，蒸發溫度等於被冷卻介質的溫度，且均為定 值。
3.進入壓縮機的冷媒為蒸發壓力下的飽和氣態冷媒，進入膨脹閥的冷媒為冷凝壓力下 的飽和液態冷媒。
4.冷媒在管道內流動時，無流動阻力損失，除蒸發器與冷凝器之內管外，冷媒與管外 介質間無熱交換。
5.冷媒流經節流裝置時，流速變化小，可忽略不計，且與外在環境間無熱交換。
圖 2-3 理論冷凍循環溫–熵圖〔6〕 圖 2-4 理論冷凍循環壓–焓圖〔6〕 壓
力
0
5 1
w Q0
4 3 2
P0 Pk
x=1 X=0
1’ 2’ 焓 值 2
3
1
熵 值 a
b c
7 5 4 X=0
X=1
Tk
T0 6
溫 度
0
8
圖 2-3 溫–熵圖及圖 2-4 壓–焓圖上點 1 表示壓縮機吸入口的飽和蒸氣；1–2 表示 冷媒在壓縮機中等熵壓縮過程；2–3–4 表示冷媒在冷凝器中冷卻與冷凝過程，在冷卻 過程(2–3)中冷媒與外在環境有溫差，在冷凝過程(3–4)中冷媒與外在環境無溫差，在 冷卻與冷凝過程中冷媒壓力保持不變，且等於冷凝溫度 Tk下的飽和蒸氣壓力 Pk ；4–5 表示節流過程，冷媒在節流過程中壓力與溫度均降低，但焓值不變，且進入液、氣態 兩相區；5–1 表示冷媒在蒸發器中的蒸發過程，冷媒在溫度 T0、飽和壓力 P0保持不 變的情況下吸熱蒸發，吸收被冷卻物體的熱量〔6〕
單一壓縮機冷凍理論循環各個過程有下列關係：
l.壓縮過程
壓縮過程為等熵過程，w=h2-h1………(2.1) 式中，w 為理論壓縮功，在溫–熵圖上用面積 1-2-3-4-c-b-5-1 表示，在壓–焓圖上 以橫坐標軸上的線段 1’- 2’的焓差表示。
2.冷凝過程
冷凝過程與外界無熱交換，則︰
qk=h2-h4………(2.2) 式中 qk 為單位冷凝熱，在溫–熵圖上用面積 a-2-3-4-c-a 表示，在壓–焓圖上以線段 2-4 的焓差表示。
3.節流過程
節流過程為不可逆過程，冷媒在節流過程中壓力與溫度均降低，但焓值不變，
節流過程前、後焓值相等，故 4、5 兩點在等焓線上，則
h4=h5………(2.3) 4.蒸發過程
蒸發過程與外界無熱交換，則︰
q0=h1-h5=h1-h4…………..………..……(2.4)
式中 q0 為冷凍能力，在溫–熵圖上以面積 1-5-b-a-1 表示，而在 l 壓–焓圖上則用線 段 5-1 表示。
2.2.3 冷凍理論循環性能指標及計算
單一壓縮機冷凍理論循環的性能指標包括：冷凍能力、單位容積製冷量、壓縮功、
散熱能力、性能係數等；在分析冷凍循環性能效率時，係結合冷媒性質之關係圖如溫–
熵圖、壓–焓圖作為數值計算：
l.冷凍能力(q0)：
單位質量流量的冷媒在冷凍系統中所產生的製冷量，稱為冷凍能力，可按式 (2-4)計算。亦可表示成汽化潛熱 r0 與節流後的乾度 x5 的函數，即:
q0=h1-h5=r0(1-x5) (kJ/kg)……….…………(2.5) 上式(2-5）可知：冷媒汽化潛熱或過冷度越大，或節流所形成的蒸氣(閃蒸)越少、
乾度(x5）越小，則冷凍能力越大[7]。 2.單位容積製冷量(qv):
單位容積製冷量係指壓縮機每吸入單位體積冷媒蒸汽的製冷量，亦即在同一時 間內，冷凍能力與壓縮機的容積輸氣量之比。
qv=q0/v1=(h1-h5)/v1 (kJ/m3) ………(2.6) 由上式可知：在冷凍能力固定下，選用單位容積製冷量(qv)大的冷媒，則壓縮機的 輸氣量就小；此外，單位容積製冷量隨冷媒的種類及壓縮機的吸氣狀態而改變。
3.壓縮功(w0)
由於冷媒在節流過程中不對外作功，因此，壓縮機所消耗的理論壓縮功等於循 環的理論壓縮功。理論壓縮功可表示為:
w0=h2-h1 (kJ/kg)………(2.7) 4.散熱能力(qk):
單位質量（1kg）冷媒蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱為散熱能力；散熱能力 包括顯熱及潛熱兩部分，即:
10
qk=(h2-h3)+(h3-h4)=h2-h4 (kJ/kg)…….………….……..…(2.8) 比較式（2.6）、式（2.10），即可得如下關係式
qk=q0+w0………...………(2.9) 5.性能係數(C.O.P):
性能係數為循環的冷凍能力(q0)與壓縮功(w0)之比，亦可定義為冷凍能力對壓縮機 輸入功率之比，即:
C.O.P=q0/w0=(h1-h4)/(h2-h1)………(2.10) 冷凍循環效率隨蒸發溫度或冷凝溫度改變而有顯著的變化；二者之中，尤其蒸 發溫度影響更大[7]。在冷凝溫度及蒸發溫度固定的情況下，性能係數越大，表示冷 凍循環效率越佳。由於 q0和 w0隨循環的工作溫度而改變，冷凝溫度越高，蒸發溫 度越低，則性能係數越小[8]，茲分述如次：
1.冷凝溫度(Tk)變化對冷凍循環性能的影響：
圖 2-5 冷凝溫度改變時冷凍循環特性變化壓–焓圖[8]
圖 2-5 溫度改變時冷凍循環特性變化壓–焓圖係當蒸發溫度(T0)不變，冷 凝溫度由 Tk 升高至 Tk’時，冷凍循環由 1-2-3-4-5-6-1 變化為
2’
2 3
3’
5’ 4’
4 5
6 6’ T0’
Tk’
Tk
q0’
q0
w0 w0’
焓值 壓
力
0
1
1-2’-3’-4’-5’-6’-1，則冷凍能力由 q0 減少至 q0’、壓縮功則由 w0 增大至 w0’，
消耗功率增大，性能係數因而降低；反之，當蒸發溫度固定，冷凝溫度越低 壓縮功越小，冷凍效果增加[8]。冷凝溫度對冷凍循環性能之影響莫利爾曲線 模擬結果如圖 2-6 所示。
圖 2-6 冷凝溫度對冷凍循環性能之影響莫利爾曲線模擬結果
2.蒸發溫度(T0)變化對冷凍循環性能的影響：
圖 2-7 蒸發溫度改變時冷凍循環特性變化壓–焓圖[8]
2’
2
1 3’
5 4
1’
6
6’ T0’
T0
q0’
q0
w0 w0’
焓值 壓
力
0
冷凝溫度降低
12
圖 2-7 蒸發溫度改變時冷凍循環特性變化壓–焓圖，係當冷凝溫度(Tk)或壓力不 變，蒸發溫度由 T0 降低至至 T0’時，冷凍循環由 1-2-3-4-5-6-1 變化為 1’- 2’-3 -4 -5 -6’-1’，則冷凍能力由 q0 降低至 q0’、蒸發壓力降低，壓縮功則由 w0 增大至 w0’，冷 媒循環量減少，性能係數因而降低。蒸發溫度對冷凍循環性能之影響莫利爾曲線模擬 結果如圖 2-8 所示。
圖 2-8 蒸發溫度對冷凍循環性能之影響莫利爾曲線模擬結果
2.3 冷凍實際循環原理及分析
2.3.1 冷凍循環性能指標及計算
冷凍理論循環排除蒸發器中相變傳熱部分的不可逆損失；實際上，壓縮過程並非 等熵過程，且系統存在不凝結氣體等問題，不論液態或氣態冷媒在冷凍循環過程中，
必定會與管壁間相互磨擦，產生壓力降，流經排氣管所產生的壓力降，影響壓縮機的 輸出馬力甚巨；排氣管應保持較低的壓力降，冷凍系統在最大負荷情況下，其壓力降 以 3psig 認為最滿意，液體管壓力降亦以不超過 3psig 為原則，如壓力降過大將產生 如下缺點：
1.液體冷媒尚未到達膨脹前，可能有小部分液體在液體管內氣化，液體管內的氣體(即 閃蒸氣體)，將會降低液體冷媒的密度，膨脹閥容量亦因而降低。
蒸發溫度降低
2.若吸入壓力保持一定，液體管有較高之壓力降，將使膨脹閥前的壓力較低。
此外，吸入管的壓力降過高，將會降低壓縮機的容量，吸入管壓力降在最大負荷下 以不超過 1psig 為原則[9]。
此外，冷凝器中過熱氣體在相變傳熱過程中亦有傳熱溫差存在，絕熱節流過程亦 非可逆過程，故實際冷凍循環與理論冷凍循環的差異頗大，但實際循環的性能指標及 熱力計算頗為繁瑣，一般設計時，多予以簡化[10]，其作法包括：
1.忽略冷凝器及蒸發器中的微小壓力變化，且冷凝溫度與蒸發溫度均為定值。
2.將壓縮機內部過程簡化成一個從吸氣壓力至排氣壓力的有損失的簡單壓縮過程。
3.節流過程為等焓過程。
簡化後，實際冷凍循環過程如圖 2-9 的 0-l-2-3-4-5-0 表示, 並可利用壓-焓圖進行循 環的性能指標計算，且誤差不大。
圖 2-9 實際冷凍循環的壓-焓圖表示[10]
l.冷凍能力(q0)與單位容積製冷量(qv)：
q0=h0-h5=h0-h4 (kJ/kg)……….………(2.11) qv=q0/v1 (kJ/m3) ……….………(2.12)
2s 2v
2
0 1 5
4 3 壓
力
0 焓值
14 2.壓縮功(w0)
w0=h2-h1 (kJ/kg)………..………(2.13) 3.散熱能力(qk):
qk=h2-h4 (kJ/kg)……….…(2.14) 4.冷媒循環量(qm):係指冷凍容量與冷凍效應之比值，單位為 kg/s。
qm=Q0/q0……….……….(2.15) Q0 為製冷量或稱冷凍容量
5.性能係數(C.O.P):為冷凍能力與壓縮功之比；即蒸發器實際吸收的有效熱量與壓縮 功之比。
C.O.P=(h0-h5)/(h2-h1)………(2.16)
2.3.2 冷凍實際循環之特性分析
單一壓縮機冷凍理論循環的分析、計算，均假設冷卻對象及環境等工作溫度為定 值；但在實際冷凍循環過程中，壓縮機可能因不同用途，或蒸發溫度的需求設計不同；
此外，同一冷凍系統使用的地區、季節等外在情況不同，冷凝溫度亦隨之改變。當冷 凝或蒸發等工作溫度發生變化時，壓縮機的冷凍能力、壓縮功、冷媒流量、功率消耗 等均會改變。壓縮機的運轉性能除與蒸發溫度、冷凝溫度的變化關係密切外，所使用 的冷媒特性與充填量多寡，亦是影響冷凍循環性能及運轉效率的因素之一。
探討冷凍實際循環性能時，可將各狀態點的冷媒溫度、壓力等數據，在該冷媒特 性圖上調繪出莫利爾曲線，或應用冷凍專用軟體進行分析、計算冷媒循環狀況；謹列 舉常見的冷凍循環異常狀況如閃蒸現象、冷媒不足、冷媒過量等[11]分述如下:
1.閃蒸現象(flashing)：
冷凍循環過程中，液態冷媒在膨脹閥降壓節流時，因壓力降低產生部分液態冷媒 閃蒸現象(汽化)；當蒸發溫度、壓力或冷凝溫度越低，冷媒在液管中的閃蒸氣體越多，
將使蒸發器液態冷媒量不足，影響冷凍效果，如圖 2-10 所示。
圖 2-10 實際冷凍循環狀態異常現象-閃蒸現象[11]
2.冷媒不足
高壓壓力過低，氣態冷媒無法在冷凝器內完全液化，蒸發器冷媒出口溫度大 於入口溫度，過熱度增加，壓縮機吐出口溫度上升，如圖 2-11 所示。
圖 2-11 實際冷凍循環狀態異常現象-冷媒不足[11]
3.冷媒過量
如使用毛細管作為降壓節流裝置，冷媒過量時，高、低壓均會升高，且壓差 閃蒸現象
冷媒不足 正常
16
較正常值為大，冷媒質量流率增加，流入蒸發器的冷媒量過多，有液壓縮之虞；
如改由膨脹閥控制，低壓壓力上升較不明顯，將導致高、低壓壓差大，如圖 2-12 所示。
圖 2-12 實際冷凍循環狀態異常現象-冷媒過量[11]
2.4 R404a 冷媒特性與充填率研究
2.4.1 冷媒特性與充填率
本研究使用之 R404a 冷媒係由 HFC125(44%)、HFC143a(52%)及 HFC134a(4%) 三種冷媒所組成，因滑落溫度僅 0.5 (℃ 泡點溫度-46.5℃、露點溫度-46.0 )℃ ，具有近 共沸冷媒特性。此外，R404a 冷媒臭氧塵破壞係數(Ozone Depletion Potential，簡稱 ODP)為 0、全球暖化潛勢(Global Warming Potential，簡稱 GWP)值為 3300，是一種不 會破壞大氣臭氧層的環保冷媒，且其冷凍能力及 C.O.P 值比 R22 冷媒多 28%及 8%左 右；因應環保政策，含氯元素的 R22 冷媒即將在 2020 年 1 月 1 日全面禁用，原使用 R22 的冷凍(藏)設備將改由 R404a 替代之[3]。
R404a 冷媒雖具近共沸冷媒的特性，但當進行冷凍設備的冷媒量充填時，隨冷媒 移充填率的改變，冷媒容器中的冷媒成分或多或少會發生變化；若採取氣態充填冷媒
冷媒過多
時，冷媒容器中的冷媒成分隨著冷媒移充填率變化而變化，移充填率由 0％至移充填 率為 90％時，R143a 成分前後變化 0.5％，R125 成分變化 4％，R134a 成分變化 3.5
％[12]，如圖 2-13 所示。
圖 2-13 R404a 冷媒氣態充填冷媒成分隨移充填率的變化[12]
若採取液態方式充填時，冷媒容器中的冷媒成分幾乎不會隨冷媒容器移充填率的 變化而變化[12]，如圖 2-14 所示。
冷媒移充填率wt%
組成 (wt%)
18
圖 2-14 R404a 冷媒氣態充填冷媒成分隨移充填率的變化[12]
2.4.2 資料探勘技術在冷媒研究之應用
資 料 探 勘 (Data Mining) 是 一 種 資 料 庫 知 識 發 現 (knowledge-discovery in databases，KDD)中的一個步驟。資料探勘一般是指從大量的資料中運用人工智慧自 動搜尋隱藏於其中有著特殊關聯性資訊的過程。資料探勘通常與電腦科學有關，並通 過統計、線上分析處理、情報檢索、機器學習、專家系統等諸多科學方法與技術來實 現目標。資料探勘技術已廣泛應用於冷媒熱力學性質研究等預測行為模式之用[13]，如 表 2-1。
資料探勘技術雖非本論文之研究範疇，但實驗量測過程中，有關冷凍庫壓縮機、
冷凝器等元件及管路各狀態點冷媒進、出溫度及壓力感(量)測數值，經資訊網路自動 蒐集後，由設備製造商運用是項技術轉檔成一般數據，本論文僅針對所提供之數據資 料，就冷凍庫設備的運轉效能進行分析研究。
冷媒移充填率wt%
組 成 (wt%)
年份 年份 年份
年份 作者作者 作者作者 研究目的研究目的 研究目的研究目的 應用資料探勘技術應用資料探勘技術應用資料探勘技術應用資料探勘技術
2011
Küüksille,E.U., Selba, R., Encan, A.
藉由資料探勘決定不同冷媒之熱學性質，包含 焓值、熵值及不同冷媒量下之狀況
LR、MLP、PR、SMO、
SVM、KStar、AR、RD、
M5 Model Tree、
RepTree、DT、M5Rules
2011
Şencan, A.
Köse, S. L.
Selbaş, R.
藉 由 資 料 探 勘 技 術 決 定 不 同 冷 媒 (R413a,
R417a, R422a, R422d, R423a)之熱學性質，包含 熱傳導係數、熱散佈性等
ANNs
2009
Küçüksille,E.U.
Selbaş, R.
Şencan, A.
藉 由 資 料 探 勘 技 術 預 測 不 同 冷 媒 (R134a, R404a, R407a, R410a)之熱學性質，包含焓值、
熵值等
LR、MLP、PR、SMO、
SVM、KStar、AR、RD、
M5 Model Tree、
RepTree、DT、M5Rules
2007 Şencan, A.
藉由資料探勘技術決定兩種不同冷媒之熱學 性質，包含焓值、熵值等
LR、PR、SMO、M5 Model Tree、M5 Rules、BPNN 表 2-1 資料探勘技術在冷媒研究之應用[13]
20
第三章 第三章
第三章 第三章 實驗設備與量測設計 實驗設備與量測設計 實驗設備與量測設計 實驗設備與量測設計
3.1 實驗對象與背景
本研究對象為面積 3.24M2的組合式冷凍庫，係某職訓單位的教學訓練設備。本 實驗除在於驗證該設備的運轉性能是否符合建置需求外，並探討氣態及液態不同的冷 媒洩漏造成 R404a 冷媒量變化時，在同一冷凍庫及運轉條件下，對冷凍庫的庫溫、冷 凍能力等運轉效能產生何種程度的影響？在實驗量測方面，分為兩部分：首先是模擬 液態冷媒洩漏對冷凍庫的庫內溫度下降速度、性能係數的影響；其次，則為模擬氣態 冷媒洩漏，其實驗方法與模擬液態冷媒洩漏的量測作法相同。
由於蒸發器設於冷凍庫內，蒸發溫度及庫溫受外氣、環境因素影響不大，故本研 究之設備運轉起始點，均選定冷凍庫的庫內溫度為+20℃時，並在壓縮機啟動後 15 分鐘內，下降至-20℃為止。冷凍庫系統冷媒流經各元件、管路的溫度、壓力狀況，
則透過預設的感測器、網路傳輸及智慧電錶進行資料蒐集與監測，所得各狀態感測點 的溫度或壓力數據，經轉檔後，作為分析討論的基礎。研究對象資料背景如表 3-1。
實驗目的
探討 R404a 冷媒液、氣態洩漏充填量變化時，對組合式冷凍庫之 庫溫下降速度及性能係數、耗能等有何影響？
實驗變數
液態或氣態冷媒洩漏、冷媒充填率(量)變化量、庫內溫度下降時 間、各感測點壓力、溫度變化
實驗條件 外氣溫度不計；冷凍庫庫溫在 15 分鐘內，由+20℃下降至-20℃。
實驗器材
1.在冷凍循環管路中預設 16 支溫度感測器及 4 支壓力感測器。
2.真空泵、電子磅秤、複合壓力表、冷媒回收瓶。
量測數值 電力資訊、溫度、壓力
冷媒種類
R404a 冷媒係由 HFC125(44%)、HFC143a(52%)及 HFC134a(4%) 三種冷媒組成；實驗過程中假定冷媒量變化成分比例不變。
冷媒量變化
液態或氣態冷媒洩漏，冷媒充填量由 5kg→4kg→3kg→2kg→1kg 比例下降(冷媒填充率自 100%按比例下降)。
表 3-1 研究對象資料背景
3.2 實驗設備與量測裝置 實驗設備與量測裝置 實驗設備與量測裝置 實驗設備與量測裝置
3.2.1 系統架構與需求
圖 3-1 系統架構圖
項次 名稱 數量 單位 規 格 說 明
1 智慧感測器(網路型） 2 組 4AI 溫度、壓力資訊擷取模組 2 溫度感測器 18 個 PT100 -30~120℃
3 壓力感測器 8 個 0~400psi
4
智慧感測器（RS-485 介面）
1 組 8DI,8DO
資料擷取模組（內含光耦合 DI 及 DO 繼電器）
5 網路通訊模組 1 組
具 PPPOE 及 DHCP 功能
資料傳輸模組 觸控螢幕設定
RS-485 通訊 RS-232 通訊
AI 感測器 DI 感測點 DO 控制點 遠端監測
節能控制器 網路通訊模組
22 6 網路資料儲存模組 1 組
含 4G USB 資料儲存 裝置,具 PPPOE 及 DHCP 功能
資料可使用 EXCEL 讀取
7 觸控人機介面 1 組 3.5"觸控螢幕 控制介面與資料讀取介面
8 智慧電表 1 組
含 3 個 150A 夾扣式 比流器,具 PPPOE 及 DHCP 網路通訊功能
量測設備電壓、電流、耗電 量、功率因數資訊
9
110~240VAC 轉 24VDC 電源供應器
1 組 15~20W
10 網路集線器 2 組 5~8Port 整合現場網路介面 11 設備診斷箱體 1 組
表 3-2 實驗系統設備規格
3.2.2 冷凍庫主體
圖 3-2 冷凍設備全套實體圖
1.鹽化鋼板 150mm 冷凍保溫(-20°C～-40°C) 2.外型尺寸 1800(長)X1800(寬)X2450(高)/mm 3.門框外徑 W=900mm x H
4.門框內徑 W=680mm x H=1760mm 5.保溫厚度 150mm
6.其它附件
塑膠基木、冷凍塑膠踏板、防爆燈、安全門索及推桿、庫內數位溫度顯 示器、中弓把手、釋氣閥門。
3.2.3 冷凍機組
1.電源三相 220V
2.冷凍機 2200W 以上 (15 分鐘內從 20℃急速降到-20℃ )
3.氣冷式冷凝器(散熱風扇需能控制改變其轉速)、蒸發器、電熱除霜、感 溫式膨脹閥、油分離器、儲液器等
4.顯示與保護開關
高低壓壓力表、高壓壓力開關、過電流保護器、漏電保護開關。
3.2.4 控制設備
24
圖 3-3 數位控制、機械控制裝置
3.2.5 量測診斷設備
本實驗設備除傳統之組合式冷凍庫機械式電控裝置外，並配合電腦遠端監測訊號 自動傳輸蒐集功能，在包括：壓縮機冷媒入口、冷凝器冷媒出口等 16 處安裝溫度感 測器，及壓縮機冷媒入口、冷凝器冷媒出口等 4 處裝設壓力感測器，利用數位電錶量 測各狀態點的溫度及壓力變化值。各監測點安裝配置如圖 3-4 所示、各監測點位置對 照如表 3-3。
圖 3-4 溫度及壓力感測器安裝配置圖 AI 類比訊號類比訊號類比訊號類比訊號（（（（溫度溫度溫度溫度））） ）
T1：壓縮機出口溫度 T5：冷凝器出風溫度 T9：膨脹閥入口溫度 T13：蒸發器風扇入風口溫度 T2：油分離器入口溫度 T6：冷凝器入風溫度 T10：膨脹閥出口溫度 T14：蒸發器冷媒出口溫度 T3：油分離器出口溫度
T7：冷凝器冷媒出口溫度 T11：庫內溫度 T15：積液器入口溫度
T4：冷凝器冷媒入口溫度 T8：儲液器出口溫度
T12：蒸發器風扇出風口溫 度
T16：壓縮機冷媒入口溫度
AI 類比訊號類比訊號類比訊號類比訊號（（（（壓力壓力壓力壓力））） ）
P1：壓縮機冷媒入口壓力 P2：壓縮機冷媒出口壓力 P3：凝結器出口冷媒壓力 P4：蒸發器出口冷媒壓力 表 3-3 感測點位置對照表
蒸發器
儲液儲液儲液儲液器器器器
膨脹閥膨脹閥
膨脹閥膨脹閥
油分離器油分離器油分離器油分離器
冷凝器 冷凝器 冷凝器 冷凝器
壓縮機壓縮機壓縮機壓縮機
積液積液積液積液器器器器 庫體庫體庫體庫體
T1 T2 T3
T4
T5
T6 T7
T8 T9
T11 T10 T12
T13
T15
T16
T17
P1 P2
P3 P4
T14
26 1.節能控制器
本設備使用之節能控制器係某科技公司產品，具有遠端監測及紀錄環境或設備狀 態功能，可整合不同地點的環境或設備資訊於同一網頁查詢畫面，達成設備電能管理 之目的。節能控制器外觀如圖 3.5 所示。
圖 3-5 節能控制器外觀
功能介紹：
(1) 溫度感測模組，最多可量測 4 個『0~100℃』環境或設備溫度及 8 個 80~240VAC 數位訊號。
(2) 壓力感測模組，最多可量測 4 個『20~400psi』壓縮機高低壓壓力及 8 個 80~240VAC 數位訊號。
(3) 電壓量測模組，最多可量測 4 個『0~10VDC』電壓訊號及 8 個 80~240VAC 數位 訊號。
RS-485 接點 溫度感測器接點
DI 接點 DI/DO 狀態指示燈 DO 接點
控制器電源輸入
(4) 電流量測模組，最多可量測 4 個『4~20mA』電流訊號及 8 個 80~240VAC 數位訊 號。
(5) 網路功能
接口: RJ-45 Connector
速度 Speed : 10 /100 M bps ( Auto Detecting )
通訊協定 : TCP
上網方式：固定 IP、自動取的 IP 及 PPPoE 撥接上網。
查詢：網頁瀏覽。
安全性：帳號及密碼管理。
接點代號 接點代號 接點代號
接點代號 接點說明接點說明接點說明接點說明 接點代號接點代號接點代號接點代號 接點說明接點說明接點說明接點說明 接點代號接點代號接點代號接點代號 接點說明接點說明 接點說明接點說明 AI1 溫度感測點 1 DI1 數位訊號感測點1 DO1
AI2 溫度感測點 2 DI2 數位訊號感測點2 DO2 AI3 溫度感測點 3 DI3 數位訊號感測點3 DO3 AI4 溫度感測點 4 DI4 數位訊號感測點4 DO4 DI5 數位訊號感測點5 電源電源電源電源 DI6 數位訊號感測點6
DI7 數位訊號感測點7 DI8 數位訊號感測點8
表 3-4 節能控制器接點對照表
2.溫度感測器
採用 PT100 作為溫度感測器，並與節能控制器相連接，以量測各狀態點的溫度 變化值；PT100 的電阻溫度量測範圍為：- 50 至+ 400℃、精密度: ±0.1%。安裝時，
28
在感測器的金屬管上塗上導熱矽膠，並固定在量測點上，溫度感測器外觀及接線如圖 3-6 所示。
圖 3-6 溫度感測器外觀及接線 3.壓力感測器
採用之壓力感測器其工作溫度為-20℃至+85℃，精密度 0.5%，輸出訊號為：
4 至 20mA，量測範圍：0 至 400psi，並與節能控制器連接，以量測各狀態點的壓 力變化值，壓力感測器外觀及接線如圖 3-7 所示。
圖 3-7 壓力感測器外觀及接線
3.2.6 智慧電錶裝置
本研究採用之網路型數位電錶具有電力資訊測量及網路傳輸功能，適用於量測單 相二線、單相三線、三相三線或三相四線式電力系統，具有全數位電能、電量測量功 能，可透過網際網路查詢即時電力資訊與歷史資料，電錶規格如表 3-5，接線圖如圖 3-8。茲簡述其測量功能等如次：
測量功能：
可測量資訊包括：實功、虛功、實功率、虛功率及需量等。
能測量各相電壓(V)、電流(A)及視在功率(VA)、功率因素(PF)等資訊。
電力使用過程可全程監控及紀錄。
通訊功能：可連線上網，查詢即時電力資訊及歷史資料。
解析度：
測量電力至 0.1W
測量電能至 0.001KWH。
準確度：
+5V
GND
訊號輸入接 AI＋
紅紅
紅紅 黑黑黑黑 白白白 白
30
電能(KWH)測量準確度±0.5%(在 PF=1.0，額定電流下)
電力(W)測量準確度±0.5%(在 PF=1.0，額定電流下)。
體積：外型尺寸 10.8cm(W)×15.2cm(H)×6cm(D)。
型號 ASENs- 9 10 ASENs- 9 11 ASENs - 9 12
工作電源 110~ 220Va c
適用相線 單相二線、單相三線
三相三線、三相四線 量測電壓 9 0~4 4 0V，60Hz
量測電流 0~ 15 0A 151~ 3 00A 3 01~ 600A
準確度等級 0.5%
開口式比流器尺寸(mm) 外：3 5mnmn
內：2 3 mm 外：68mm 內：4 2 mm
TCP /IP ●
DHCP ●
PP POE ●
通訊 介面
網路自動校時 ●
三相電壓（V） ●
三相電流（I） ●
功率因數（PF） ●
功率（W. VA.VAR） ●
累計瓦時數（KWH） ●
測量 電力
電力需量(KW) ●
三相電壓（V） ●
三相電流（I） ●
功率因數（PF） ●
功率（W. VA.VAR） ●
電力需量(KW) ●
累計瓦時數（KWH） ●
日用電量 ●
月用電量 ●
歷史資料查詢 ●
網路 查詢
用電量警示設定 ●
消耗電力 1W
工作溫度 - 2 0℃~+60℃
外型尺寸 10.8c m(W)× 15.2c m(H)× 6cm(D)
重量 3 9 7 g
表 3-5 智慧電錶規格
圖 3-8 智慧電表接線圖
比流器方向錯誤警示比流器方向錯誤警示比流器方向錯誤警示比流器方向錯誤警示
相序錯誤警示相序錯誤警示相序錯誤警示相序錯誤警示 資料傳送指示燈資料傳送指示燈資料傳送指示燈資料傳送指示燈
12345678.902 累計瓦時數 累計瓦時數 累計瓦時數 累計瓦時數
比 比比 比 流流流 流 器器器 器 方 方方 方 向 向向 向 警警警 警 示示示 示
32
第四章 第四章 第四章
第四章 實驗結果與分析 實驗結果與分析 實驗結果與分析 實驗結果與分析
4.1 冷凍循環溫度、壓力感測點量測數據分析
4.1.1 壓縮機入口、出口溫度及壓力變化
當冷凍庫的冷媒充填量不足、液態或氣態冷媒洩漏或循環系統元件、管路劣、老 化等因素，在冷凍循環過程中，冷媒從壓縮機排出口進入冷凝器產生壓力降，將造成 壓縮機冷媒出口溫度及壓力升高、容積效率降低等現象，冷凍性能係數因此下降，故 壓縮機的進、出口溫度及壓力，對壓縮機正常運行具有重要意義。
為比較不同冷媒量對同一冷凍循環系統效能的影響，本實驗各項狀態數據計算、
性能分析或圖表調製等，均選定冷凍庫的冷凍循環進入穩態運轉 5 分鐘後至 13 分鐘 期間(5 公斤冷媒量的冷凍循環可在前述時間內使庫溫下降至-20 )℃ 的運轉數據；而由 實驗數據顯示：在冷凍循環條件相同情形下，冷媒充填量變化對壓縮機冷媒入、出口 溫度及壓力值確有影響。
當模擬冷凍循環系統的冷媒量下降至基準值(5 公斤)的 20％(含)以下時，由於蒸 發器出口氣態冷媒不足，進入壓縮機吸入口壓力偏低，且近似平行線；冷媒量在 60
％(含)以上者，壓縮機的入口壓力則隨運轉時間變化呈下降趨勢，圖 4-1、圖 4-2 所示。
5 10 15 20 25 30 35 40 45
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 壓壓
壓壓 力力 力力 ( ( ( ( p pp p s ss s iii i ggg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-1 模擬氣態冷媒洩漏時壓縮機入口壓力變化圖
5 10 15 20 25 30 35 40 45
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 壓
壓 壓 壓 力力 力力 ( ( ( ( p pp p s ss s i ii i ggg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-2 模擬液態冷媒洩漏時壓縮機入口壓力變化圖
另在壓縮機出口壓力方面，當冷媒量低於 20％（含）以下時，進入壓縮機的氣 態冷媒量不足，導致壓縮機冷媒出口壓力(高壓)過低；此外，在模擬冷媒洩漏量相同 狀況下，因氣態冷媒洩漏致冷凍庫冷媒量剩 20％時，壓縮機出口壓力較模擬液態冷 媒洩漏者為高（約 20psig），如圖 4-3、圖 4-4 所示。
圖 4-3 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機出口壓力變化圖 150
170 190 210 230 250
5 6 7 8 9 10 11 12 13時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )時 間 ( 分 )
壓 壓壓 壓 力 力力 力 ( ( ( ( p pp p sss s iii i g gg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
34 150
170 190 210 230 250 270
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 壓壓
壓壓 力 力 力 力 ( ( ( ( p pp p s ss s iii i g gg g ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-4 模擬液態冷媒洩漏壓縮機出口壓力變化圖
基上所述，未來在研製冷凍(藏)設備智慧型遠端監測及專家診斷系統時，在壓縮 機冷媒入、出口端應各設置一支壓力感測器；且可依壓縮機運轉時間、壓差變化等判 斷冷媒量是否異常，並在冷媒量超出預設範圍值時傳送警示訊號，以利查修排除故障。
在壓縮機入口冷媒溫度方面，當模擬氣態或液態冷媒洩漏後，冷媒量在 60％（含）
以上者幾乎一致，且隨運轉時間加長，溫度值均呈下降趨勢；冷媒量剰 20%（含）以 下時，因冷媒不足，冷凍能力下降，壓縮機冷媒入、出口溫度均上升；冷媒量剰 40%
時，壓縮機入口冷媒溫度下降速度緩慢，如圖 4-5、圖 4-6 所示。
另在壓縮機出口溫度方面，冷媒量在 60％(含)以上者均維持在 45℃左右；冷媒 量剰 40%者，壓縮機冷媒出口溫度約在 47℃左右，且溫差小；冷媒量剰 20％時，壓 縮機出口冷媒溫度不降反升至 52℃左右，且運轉時間加長溫度愈上升，如圖 4-7、圖 4-8 所示。
-5-4 -3-2 -10123456789 1011 1213 1415 1617 1819 20
5 6 7 8 9 10 11 12 13 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫溫 溫 度度度 度 ( ( ( (
℃
℃℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-5 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機入口溫度變化圖
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 )時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫 溫 溫 度 度 度 度 ( ( ( (
℃
℃
℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-6 模擬液態冷媒洩漏壓縮機入口溫度變化圖
36 40
45 50 55 60
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫溫
溫 度度度 度 ( ( ( (
℃
℃℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-7 模擬氣態冷媒洩漏壓縮機出口溫度變化圖
40 45 50 55 60
5 6 7 8 9 10 11 12 13 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫
溫溫 度度 度度 ( ( ( (
℃℃
℃℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-8 模擬液態冷媒洩漏壓縮機出口溫度變化圖 綜上分析:
1.冷媒量剩 20％時，壓縮機入、出口溫度偏高，且呈上升趨勢。
2.冷媒量剩 40%時，壓縮機入口溫度下降緩慢，出口溫度在進入穩定運轉(
約 8 分鐘)後呈定溫現象。
3.未來建構監控感測裝置時，除可依壓縮機入口及出口冷媒的溫差變化作為設 計指標參數外，並注意示警時間點，以避免在冷媒不足下，壓縮機為達預設 值而不停運轉，造成耗電浪費情事，且有危安之虞。
4.1.2 冷凝器入口、出口溫度及壓力變化
蒸氣壓縮製冷屬於相變製冷，在封閉的冷凍循環系統內，氣態冷媒在某ㄧ壓力下 原處於平衡狀態，但為使汽化(相變)之冷凍循環連續進行，壓縮機不斷吸入蒸發器中 產生的低溫、低壓氣態冷媒，以提供蒸發器內的液態冷媒在低溫下沸騰的條件；同時，
並吸入氣態冷媒進行壓縮，提高其壓力與溫度至冷凝壓力(溫度)，當高溫、高壓的氣 態冷媒送至冷凝器時即能在常溫下散熱液化。在相同的蒸發溫度（庫溫）下，冷凝壓 力越高，其冷凍能力越小，又當冷媒閃蒸量增加，蒸發潛熱將會減少，壓縮功則增加，
性能係數因而下降。
本實驗設備的蒸發器係設於冷凍庫內，並設定冷凍循環系統需在 15 分鐘內，使 庫溫由 20℃下降至-20℃，每次定量回收氣態或液態冷媒 1 公斤(20%)，使冷凍庫的冷 媒量逐步下降，實驗結果如次︰
1. 模擬氣態冷媒逐次抽離致冷媒量剩 40％(含)時，冷凝器冷媒入口溫度隨冷凍循環 上升至 32℃後呈水平現象，且與冷媒量在 60％（含）以上者相差約 3℃，當持續 回收氣態冷媒，使冷媒量僅剩 20％時，壓縮機的冷媒入口溫度隨運轉時間上升，
如圖 4-9、4-10 所示；惟模擬液態冷媒洩漏冷媒量雖不同，但冷凝溫度變化差異 性小，約在 2℃左右。
38 27
28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 )時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫
溫溫 度度 度度 ( ( ( (
℃
℃
℃
℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-9 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器入口溫度變化圖
27 28 29 30 31 32 33 34 35
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫溫
溫 度 度度 度 ( ( ( (
℃℃℃
℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-10 模擬液態冷媒洩漏冷凝器入口溫度變化圖
2. 模擬氣態冷媒洩漏，冷凍庫的冷媒量剰 40％時，冷凝器冷媒出口溫度上升，且與 冷媒量 60％(含)以上者相反，如圖 4-11 所示。
3. 模擬液態冷媒洩漏，冷媒量剰 20％時，冷凝器冷媒出口溫度上升約 2℃左右；剰 40％時，溫升約 1℃左右，且近似水平線；當冷媒量在 60％(含)以上者，冷凝器 冷媒出口溫度呈下降趨勢，且與冷媒量多寡關係不大，如圖 4-12 所示。
30.0 32.0 34.0 36.0 38.0 40.0 42.0
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫溫
溫溫 度度 度度 ( ( ( (
℃℃
℃℃
) ) ) ) 冷媒5kg
冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-11 模擬氣態冷媒洩漏冷凝器出口溫度變化圖
26 28 30 32 34 36 38 40
5 6 7 8 9 10 11 12 13
時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 時 間 ( 分 ) 溫
溫 溫 溫 度 度 度 度 ( ( ( (
℃℃
℃℃ ) ) ) )
冷媒5kg 冷媒4kg 冷媒3kg 冷媒2kg 冷媒1kg
圖 4-12 模擬液態冷媒洩漏冷凝器冷凝器出口溫度變化圖
4. 模擬液態或氣態冷媒洩漏，冷媒量剩 20％（含）以下時，冷凝器出口壓力均處於 低壓狀態。
5. 模擬液態冷媒洩漏冷媒量剰 20％（含）時，其冷凝器出口壓力與基準值差異加大，
氣態洩漏尤為明顯，二者相差約 10psig；但當冷媒量在 60％(含)以上時，冷凝器 冷媒出口壓力差異小，且隨冷凍循環而下降，如圖 4-13、圖 4-14 所示。
