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细心整理中正高工冷凍空調科講義冷凍循環應用線圖1.冷凍循環應用線圖介紹2.志向冷凍循環3.實際冷凍循環4.冷凍循環圖之應用A：緃座標表示絕對壓力，符號P，單位psia、kg/cm2-a、MpaB：横座標表示焓，符號h，單位Btu/lb、Kcal/Kg、Kj/KgC：等壓線即與橫座標平行線D：等焓線即與緃座標平行E：飽和液體線此曲線之左側為液態，右側為溼氣態。F：飽和氣體線此曲線左側為溼氣態，右側為氣側。G：等溫線為穿過液態、溼氣態、氣態之三區所繪出之表示相等溫度之各點連線；在液態區幾乎為垂直線，在液態幾乎為水平線，在氣態區則向右下彎之曲線。H：等熵線為表示冷劑容積之絕熱壓縮過程時，氣態冷媒之特性，斜穿過過熱氣體區之直線。I：等容線為表示冷媒容積之曲線，由溼氣態區之左下方向，氣態之右上方稍稍傾斜之曲線，但幾乎水平穿過過熱區域之曲線。J：等質線又稱等乾度線，表示溼氣態區乾燥之程度。”X”之值愈大表示乾燥愈近氣態，相反數字愈小，表示愈溼，含液量愈多，愈近液態。冷媒在所呈現之狀態可分為三區域：(1) 飽和液態線左側為液態區，或稱過冷區(Subcooled Region)，在該區域內，任何一點冷媒皆呈液態存在，其溫度均低於該壓力下之飽和溫度。(2) 飽和氣態線右側為過熱區(Superheated Region)，在該區域內，任何冷媒皆呈過熱氣體狀態。(3) 在飽和液態線與飽和氣態線間為氣態液態之變化區，在此區域內，任何冷媒均呈液氣混合狀態，不同之焓值表示在不同壓力下之蒸發潛熱。壓力焓線圖上冷凍循環之分析：理論冷凍循環之分析：理論冷凍循環係基於下述三點假設狀態：1.假設壓縮與膨脹過程，均為絕熱過程即在壓縮與膨脹過程裡，沒有熱之獲得或損失，亦即在壓縮過程為等熵變化，在膨脹過程為等焓變化。2.假設除冷凝器與蒸發器產生熱傳遞作用外，其餘部份均無熱傳遞發生即管路上無熱之獲得或損失。3.假設離開蒸發器進入壓縮機之冷媒均為飽和氣體狀態；在離開冷凝器及進入冷媒限制器之冷媒均為飽和液體狀態。 理論冷凍循環為一志向循環，其過程分析於下：1. 膨脹過程：A點為冷媒進入冷媒限制器之飽和液體狀態，B點為冷媒離開冷媒限制器之未 飽和氣液狀態；AB為由高壓變成低壓之膨脹過程。 由於冷媒在冷媒限制器中為絕熱膨脹過程，故沒有任何之熱獲得及損失，故為沿等焓線之膨脹變化；因壓力驟降，比容之膨脹增大，部份液態冷媒蒸發為氣態，但液態之蒸發須熱量之供給，又因為絕熱膨脹，故此蒸發所須之熱量無法自外界獲得而取自於循環冷媒本身，致冷媒溫度大幅度下降；由於溫度之改變故熵亦發生少許之改變，致在膨脹過程，冷媒之變化為：壓力 降低(驟降)溫度 降低(驟降)焓 不變熵 略變(略增)比容 增大(膨脹)等質 略變(略增)2. 蒸發過程：B點為冷媒離開冷媒限制器之未飽和氣液狀態，C點為冷媒離開蒸發器之飽和氣體狀態，BC為由液態蒸發吸熱變成飽和氣體蒸發過程，蒸發過程為等及等壓變化，而顯熱之變化。故在蒸發過程冷媒之變化為：壓力 不變溫度 不變焓 增大(蒸發吸熱作用)熵 增大(液態變氣態，根本熱能改變)比容 增大(液態變氣態，根本熱能改變)等質 增大(由氣液態變成過熱氣態)3.壓縮過程：C點為冷媒離開蒸發器之飽和氣體狀態，亦為進入壓縮機之低壓飽和氣體狀態(因管路無熱之獲得與損失)，D點為冷媒離開壓縮機之過熱氣體狀態，CD為由低壓氣體變成高壓氣體之壓縮過程。 由於冷媒在壓縮機中為絕對熱縮過程，故亦沒有任何熱獲得與損失，再因均為氣態壓縮，故熵未發生任何變化，以致係沿等熵線之等熵壓縮過程。由於氣態壓縮必有壓縮熱產生，故冷媒溫度與壓力均提升，並因壓縮所須之輸入功，故熱焓增高，又因壓力加大致比容積減小。故在壓縮過程冷媒之變化為： 壓力 增大(驟增) 溫度 增高(驟增) 焓 增大(輸入功) 熵 不變 比容 減小(波義耳定律，壓力大體積小)4. 冷凝過程：冷凝過程為蒸發過程之相逆過程為高壓氣體變成冷凝放熱變成飽和液體之冷凝過程，D點為冷媒離開壓縮機之過熱氣體狀態，亦為進入冷凝器之狀態(因管路無熱之獲得與損失)，A點為離開冷凝器之飽和液體狀態，亦為入冷媒限制器之飽和液體狀態(因管路無熱之獲得與損失)，DA為冷凝過程，亦等壓之變化。 由於離開壓縮機為過熱氣體狀態，故在冷凝過程如圖所示，第一步為過熱之顯熱改變，將溫度降至飽和氣態，其次步即如同蒸發過程一样，按等溫等壓之變化，僅潛熱之變化，將氣態冷凝液態，故在冷凝過程冷媒之變化為： 壓力 不變 溫度 降低(放出過熱之熱量) 焓 降低(放出氣態潛熱) 熵 降低(氣態變液態) 比容 減小(氣態變液態) 等質 減小(氣態變液態)冷凍循環系統現象分析：冷凍循環系統的各部門獲得結果如下：1. 膨脹閥之作用即A、B二點壓力差，由於壓力差之大小，產生蒸發溫度之凹凸。2. 冷凍效率(Refrigerating Effect )又稱冷凍效果(蒸發器的容量)(re)即B、C兩點之焓差量，亦即冷凍循環系統輸出之功(hc-hb)。單位：Btu/lb、Kcal/Kg、Kj/Kg3. 單位冷凍噸之冷媒循環量(m)即為冷凍噸除以冷凍效果。(R/re)單位：lb/hr、kg/hr4. 壓縮機所做之功，即冷凍循環輸入功(AWc)為C、D兩點之焓差量(hd-hc)。單位：Btu/lb、Kcal/Kg、KJ/Kg5. 單位冷凍噸壓縮機所做之功(N)為單位冷凍噸之冷媒循環量乘以第4項(m*AWc)。單位：Btu/hr、Kcal/hr、KJ/hr6. 單位冷凍噸壓縮機所須馬力數(hp)即第5項除以2545(Btu/hr)、第5項除以746Kcal/hr、第5項除以860KW/hr。7. 冷凝器之熱解除量(qc)為D、A兩點之焓差量(ha-hd)。單位：Btu/lb、Kcal/Kg、KJ/Kg8. 冷凍循環之性能係數(C.O.P)=冷凍效果(re)/壓縮機輸入功(AWc)9. 壓縮機理論排氣量(V)=單位冷凍噸之冷媒循環量乘以C點之比容(m*v)。單位：ft3/hr、m3/hr10. 壓縮機實際排氣量(V)= 壓縮機理論排氣量除以容積效率(V/v) 。單位：ft3/hr、m3/hr實際冷凍循環之分析 實際應用裡，壓縮與膨脹過程，均無法完全做到絕熱效果，多少均有熱之獲得與損失，管路上必將產生熱傳遞現象等，故無法做到如上圖所示之志向循環。實際冷凍循環如下圖所示，現將實際循環過程分析於下：1. 如A點仍為離開冷凝器之狀態。但經液管流至冷媒限制器之入口，可能經過貯液器、熱交換器、等，將再放出部份熱力，而降低液態冷媒之溫度至過冷區域而非飽和液態，如圖a位置。2. 則進入冷媒限制器入口溫度即為a狀態，故在膨脹過程應自a點而非A點，如膨脹相同之壓力差，則膨脹後之壓力相等，因壓力相等，冷媒之蒸發溫度亦相等，但因冷媒限制器非完全絕緣，在膨脹過程中，會有少量的熱自冷媒限制器獲得，亦即部份冷媒消秏，而膨脹非沿等焓變化而稍許略增，如a ,b斜線。3. 當冷媒進入蒸發器中蒸發過程時，由於蒸發器之摩擦阻力所致，冷媒壓力稍有下降，如b , c線。4. 當冷媒離開蒸發器可能因冷媒之缺乏己造成過熱現象，或在蒸發器與壓縮機間之吸入管由於熱交換器保溫欠妥等造成熱量之吸熱至過熱區e點。5. 在壓縮過程中，由於活塞與氣缸壁間之大量摩擦熱將增高排氣溫度與壓力如f點所示，但由於壓縮機可能採用散熱設備如氣冷、水冷、油冷、等降低部份溫度，以幸免排氣溫度之過高如g，故e ,g又非沿等熵之變化。6. 當冷媒離開壓縮機排氣管等入冷凝器，在排氣管內，部份熱將自排氣管外表散熱，又當在冷凝過程中，由於管壁之摩擦，壓力略有下降，故冷凝過程非為等壓變化而如g , a之斜線變化。由於線a,b,c,d,e,f,g,a均變化不定及變化甚微，在一般應用計算裡均省略不計，唯Aa，ce必須要考慮，由於管路及熱交換器之熱傳遞之故，a ,b線仍考慮為等焓線；在實際冷凍循環應用上，均以下圖所示加以應用。三種不同狀況之壓縮過程之分析：在冷凍系統中，壓縮過程有其不同之狀態，可分為三種：1. 飽和壓縮：進氣點正是飽和氣態線上如圖C點。2. 過熱壓縮：進氣點超過飽和氣態為過熱區之某一點，如圖中C點。3. 濕壓縮：進氣點落在液氣混合區內，氣態冷媒中有部份液態存在，如圖中C點。莫利線圖應用：兩段壓縮冷凍系統 當低溫冷凍設備之蒸發溫度降到-30以下時，如以單段壓縮機之壓縮方式，則壓縮比增大，使壓縮機的體積效率大為降低，冷凍機性能係變小，冷凍实力也隨減低，且單位冷凍实力所需之動力也大為增加。又當壓縮比增加時，壓縮機之排氣溫度會急劇上升，導致活塞和汽缸的潤滑不良，冷凍油劣化，排氣閥片裂开等不良現象。 為了改善低蒸發溫度時，壓縮比會增大，所造成的不良影響，則將冷媒之壓縮過程，分成兩段(Two-stage)壓縮來完成，即先由低段壓縮機，把蒸發壓力壓縮到中間壓力，然後再由高壓段壓縮機，把中間壓力壓縮到冷凝壓力，如此便可以使壓縮比變小。從冷凍效果來比較，壓縮比假设在78以上時，以採用兩段壓縮為宜;如以蒸發溫度來劃分，則蒸發溫度在-20以上者，宜採用單段壓縮方式，而蒸發溫度在-20以下者，則可考慮採用兩段壓縮方式。兩段壓縮循環依膨脹方式，可分為兩段壓縮一段膨脹與兩段壓縮兩段膨脹兩種：兩段壓縮一段膨脹，其冷凍循環過程為：A-B 為低段壓縮機之壓縮過程，A點為低壓且超低溫氣態過熱冷媒，B點為中間壓力氣態過熱冷媒。B-C 由低段縮機送出冷媒經中間冷卻器吸熱冷卻，此過程中冷媒熱焓量減 少，壓力仍維持中間壓力，C點為接近飽和的中間壓力氣態冷媒。C-D 經中間冷卻器冷卻後之冷媒經高段壓縮機的壓縮過程，D點為高壓高溫過熱 氣態冷媒。D-E 高壓高溫過熱氣態冷媒在冷凝器之放熱凝結過程，E點為高壓常溫稍稍過冷卻之液態 冷媒。E-F 部份高壓常溫液態冷媒經中間冷卻器膨脹閥之膨脹過程，F點為中間壓力低溫之液氣混合冷媒。F-C 中間壓力低溫液氣混合冷媒在中間冷卻器蒸發吸熱過程。蒸發吸熱後之氣態冷媒經由高段壓縮機吸回。E-G 經冷凝器儲液器流出之高壓常溫液態冷媒在中間冷卻器內放熱冷卻過程，G點為高壓低溫過冷卻度甚大之液態冷媒。G-H 由中間冷卻器冷卻後過冷卻度甚大之低溫液態冷媒經主膨脹閥的膨脹過程，H點為經膨脹後之超低溫液氣混合冷媒。H-A 經主膨脹閥膨脹後之超低溫液氣混合冷媒在蒸發器蒸發吸熱過程。A點為低壓且超低溫過熱的氣態冷媒，經由低段壓縮機吸回，完成循環。兩段壓縮冷凍系統之計算：兩段壓縮二段膨脹，其冷凍循環過程為：A-B 低段壓縮機壓縮過程。B-C 低段壓縮機排出冷媒經中間冷卻器冷卻成接近飽和之過熱體。C-D 高段壓縮機將中間壓力PM之近飽和氣體壓縮成高壓過熱氣體。D-E 冷凝器凝結過程。E-F 冷凝器凝結過程。F-G 經中間冷卻器膨脹閥膨脹後未蒸發的液態冷媒。G-H 飽和之液態冷媒經主膨脹閥膨脹降壓過程。模擬考題： 1.( 2)假設無摩擦狀態，蒸發與冷凝過程是(1)等溫等壓 (2)等溫降壓 (3)降溫等壓 (4)變溫變壓 之變化。 2.( 3)蒸發過程，係沿以下何者變化(1)等壓力線 (2)等熵壓縮 (3)等溫(4)等比壓縮。 3.( 2)在壓縮過程中是，(1)等焓壓縮 (2)等熵壓縮 (3)等溫壓縮 (4)等比壓縮。 4.( 3)斷熱膨脹過程，係沿以下何者變化(1)等壓力線 (2)等嫡線 (3)等焓線 (4)等體積線。 5.( 2)飽和氣體之冷媒如溫度繼續上升，則成(1)過冷氣體 (2)過熱氣體 (3)過冷液體 (4)過熱液體。 6.( 1)在正常運轉中，壓縮機之排氣溫度較冷凝溫度(1)高 (2)一样 (3)低 (4)不必需。 7.( 1)凝結過程，係沿以下何者變化(1)等壓力線 (2)等熵線 (3)等焓線 (4)等體積線。 8.( 3)實際之冷凍循環，其壓縮過程為(1)濕壓縮 (2)乾燥壓縮 (3)過熱壓縮 (4)飽和壓縮。 9.( 4)假设冷媒狀態位於等質線x=0.4時，表示冷媒之氣體含量佔(1)40% (2)60% (3)50% (4)以上皆非。10.( 4)壓縮機之排氣端為(1)氣態密度大 (2)液態密度小 (3)液態密度大 (4)氣態密度小。
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