109 專技高考高等考試 冷凍空調工程技師 冷凍工程與設計 考古題詳解

核心觀念

1. 蒸發器結霜機制與危害： 當蒸發器表面溫度低於 $0^\circ\text{C}$ 且低於通過空氣之露點溫度時，空氣中的水蒸氣會在鰭片及管表凝華結霜。霜層的熱傳導率極低（約 $0.1 \sim 0.3 \text{ W/(m}\cdot\text{K)}$），形同隔熱層，使總熱傳透率 $U$ 大幅衰退；同時霜層阻塞鰭片通道，增加流阻，使送風量 $\dot{V}$ 驟減，導致蒸發溫度異常偏低、冷凍能力顯著下降，甚至引發液壓縮（Liquid Slugging）。
2. 除霜熱力學本質： 除霜即為提供冰之熔解潛熱（約 $334\text{ kJ/kg}$ 或 $80\text{ kcal/kg}$）及升溫顯熱，使附著於蒸發器表面之霜層迅速融化剝落，並利用導水盤與排水管排出庫外，同時需盡量減少庫溫回升與能源消耗。

解題方法

本題屬技師考試典型的申論與系統實務題。解題切入點應按「熱源供應方式」分類，挑選工程界最普遍且具代表性的四種除霜機制：

1. 電能轉換熱能：電熱除霜。
2. 冷媒高溫冷凝熱能：熱氣除霜。
3. 外界流體顯熱：水除霜。
4. 庫內空氣環境顯熱：停機送風除霜（或熱泵型逆循環除霜）。

針對每一種系統之實施方法，均依照「動作原理」、「控制流程（啟動／運轉／終止）」及「周邊保護與排水處理」三維度展開說明，展現技師級的系統整合專業度。

試題詳解

(一) 四種除霜系統

冷凍工程中常用之四種蒸發器除霜系統如下：

1. 電熱除霜系統（Electric Resistance Defrost System）
2. 熱氣除霜系統（Hot Gas Defrost System）
3. 水除霜系統（Water Spray Defrost System）
4. 停機送風除霜系統（Off-Cycle / Air Defrost System） (註：熱泵冷暖房常用之「逆循環除霜系統（Reverse Cycle Defrost System）」亦屬常見形式)

(二) 四種除霜系統的實施方法

1. 電熱除霜系統（Electric Resistance Defrost）

• 實施原理：在蒸發器鰭片管排中穿插裝設鎧裝電熱管（Incoloy Sheathed Heater），並於底部冷凝水盤（Drain Pan）內部配置盤管電熱器。
• 實施步驟與流程：

1. 啟動：由除霜計時器（Defrost Timer）啟動除霜程序，關閉冷媒液管電磁閥（Liquid Line Solenoid Valve），使蒸發器進行抽平排空（Pump-Down）後壓縮機停機，同時停止蒸發器送風機運轉（避免熱量吹入庫內）。
2. 加熱：通電啟動電熱器，熱量藉由直接傳導與輻射使鰭片與管表霜層熔化；水盤電熱器同步動作，防止融霜落入水盤時二次結冰。
3. 終止與復歸：由除霜終止溫控器（Defrost Termination Thermostat，感知蒸發器回管溫度達約 $8\sim 12^\circ\text{C}$）或安全計時器切斷電熱器電源；經過數分鐘之「滴水滯留期（Drip Time）」讓殘留水分排淨後，啟動製冷系統，並透過「風機延遲運轉控制（Fan Delay）」待管溫降至冰點以下後再啟動風機，防止飛水庫內結霧。

2. 熱氣除霜系統（Hot Gas Defrost）

• 實施原理：直接引進壓縮機排氣之高溫高壓過熱冷媒蒸氣（Discharge Gas）進入蒸發器內，利用冷媒在蒸發管內冷凝放熱所釋出的潛熱（Latent Heat of Condensation），由管內向外均勻熔化管外霜層。
• 實施步驟與流程：

1. 啟動與旁通：除霜信號發出後，停止蒸發器送風機，關閉供液閥與吸氣主閥，開啟高壓熱氣旁通電磁閥，將高溫壓縮排氣導流至蒸發器入口（或分配器處）。
2. 除霜與防液擊對策：熱氣於蒸發器內迅速釋放熱量冷凝為高壓液體。為防止冷凝液直接衝回壓縮機造成液擊毀損，管路需設置：

• 排液回路（Liquid Drain Line）：將冷凝冷媒排入低壓受液器或再蒸發器（Re-evaporator）；或

核心觀念

本題評量冷凍空調工程中冷媒（Refrigerants）之核心熱力物性、環境化學分類及命名規範。主要依據與觀念包含：

1. 理想冷媒之熱力與工程性質：冷凍循環中，冷媒須具備優良的傳熱能力、合理的壓力區間、高度的化學穩定性與運轉安全性，以確保系統具備高運轉性能係數（$COP$）、小型化設備尺寸與運轉安全性。
2. 冷媒之化學結構與環境分類：依據分子內是否含氯（$Cl$）、氫（$H$）、氟（$F$）與碳（$C$），區分為氟氯碳化物（CFC）、氫氟氯碳化物（HCFC）、氫氟碳化物（HFC）、碳氫化合物（HC）及天然冷媒（無機物）。其化學鍵結直接影響臭氧層破壞潛勢（ODP）與全球暖化潛勢（GWP）。
3. ANSI/ASHRAE Standard 34 冷媒編號規則：

• 純化合物（特別是鹵化乙烷衍生物）之同分異構物（Isomers）以「小寫英文字母」區隔其結構對稱性。
• 共沸（500系列）與非共沸（400系列）混合冷媒中，相同成分但不同質量百分比配比者，以「大寫英文字母」區隔。

解題方法

1. 第 (一) 子題： 從「熱力性能」、「運轉壓力」與「化學與安全特性」三個維度，各挑選一項最關鍵之理想性質（蒸發潛熱、適當的運轉壓力、化學穩定與安全性），明確定義後，從冷凍能力、壓縮機排氣量、負壓防護與系統壽命之工程角度論述其重要性。
2. 第 (二) 子題： 依 CFC、HCFC、HFC、HC 及天然冷媒之順序，選取冷凍空調領域最典型之代表冷媒（例如 R-12、R-22、R-134a、R-290、R-717），依序寫出其 ASHRAE 編號、通用化學名稱、分子式以及化學鍵結結構描述。
3. 第 (三) 子題： 引用 ASHRAE Standard 34 之命名規定，分別解析 R-134a 之小寫「a」所代表之「同分異構物對稱度差異」，以及 R-410A 之大寫「A」所代表之「混合冷媒成分質量配比代號」。

選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。各子題評分切入點與解析架構如下：

• 第 (一) 小題（理想性質評析）：不可僅條列名詞，必須緊扣「熱力循環衝擊」與「實務運轉成本」。例如強調蒸發潛熱大時，循環每單位冷凍效應（$q_e = h_1 - h_4$）提升，冷媒循環質量流率（$\dot{m} = \frac{\dot{Q}_L}{q_e}$）降低，壓縮機體積排量即可縮小。
• 第 (二) 小題（冷媒分類與結構）：結構說明必須精確指出碳骨架上的原子取代情形（如飽和鏈、鹵素取代位置），並完整寫出分子式。
• 第 (三) 小題（命名後綴大小寫差異）：須精確區分「純物質（Pure Compound）」與「混合物（Zeotropic Blend）」。小寫字尾是同分異構物專用（依原子量對稱性排列）；大寫字尾則是混合冷媒專用（依審定通過的比例先後順序排列）。

解題技巧

1. 同分異構物小寫字母速記： ASHRAE 34 對飽和鹵化烴（如乙烷系列 R-100 系列）異構物的判定：計算各碳原子上鍵結原子團之分子量差值。差值最小（結構最對稱）者不加字母，差值增加（不對稱度增加）者依序加上 a、b、c...。R-134 為對稱之 $CHF_2-CHF_2$；R-134a 則為不對稱之 $CF_3-CH_2F$。
2. 混合物大寫字母速記： R-400 與 R-500 系列混合冷媒，大寫字母（Capital Letter）代表成分比例不同。例如 R-410A（R-32/R-125 質量比為 50/50）與 R-410B（質量比為 45/55），化學成分完全相同，僅比例相異。
3. 工作壓力答題盲點： 切勿只答「工作壓力越低越好」。若蒸發溫度下飽和壓力低於大氣壓力（負壓運轉），系統洩漏時空氣與濕氣將被吸入管路，導致冰塞與潤滑油酸化。因此「蒸發壓力略高於一大氣壓（約 1.05～1.2 bar）」才是理想性質。

【答案】

(一) 冷媒的基本理想性質（任選三項說明）

1. 高蒸發潛熱（High Latent Heat of Vaporization, $h_{fg}$）

• 重要性：在相同的冷凍能力（$\dot{Q}_L$）需求下，蒸發潛熱愈大，系統所需之冷媒質量循環流率（$\dot{m} = \frac{\dot{Q}_L}{\Delta h}$）愈小。此特性可大幅縮減冷媒管徑、熱交換器管容積與壓縮機之氣缸排氣量（Displacement Volume），進而縮小設備體積並降低設備初置成本。

核心觀念

1. 食品冷凍三階段熱負荷模型： 食品在冷凍過程中，熱量移除經歷三個連續物理階段：

• 凍結前降溫（顯熱冷卻）：自初始溫度 $t_1$ 冷卻至初晶凍結溫度 $t_f$。
• 相變凍結（潛熱釋放）：在凍結溫度 $t_f$ 下，食品內的水分由液相凝固為固相（冰）。
• 凍結後冷卻（過冷顯熱冷卻）：自凍結溫度 $t_f$ 繼續降溫至最終貯藏溫度 $t_3$。

2. 水分率對潛熱之折算： 食品的比熱通常已為食品整體（含乾物質與水分）之平均比熱；但若題目給定的是「純水之凍結潛熱」，則相變潛熱負荷必須按食品之含水質量（即總質量乘上含水率）折算。

3. 快速冷凍（Quick Freezing）之物理與品質學定義： 以極快速度通過「最大冰結晶生成帶」（通常為 $-1^\circ\mathrm{C} \sim -5^\circ\mathrm{C}$，一般要求在 $30$ 分鐘內通過），促使細胞內外同步形成細小且均勻的冰晶，避免破壞細胞壁組織，以大幅減少解凍後的汁液流失（Drip loss）。

4. 畢歐數（Biot Number, $Bi$）之熱傳物理意義： $Bi = \frac{h D}{k} = \frac{D / k}{1 / h} = \frac{\text{物體內部熱傳導熱阻}}{\text{物體表面對流熱交換熱阻}}$ $Bi$ 數決定了食品冷凍過程中的主要傳熱阻力位置，是分析溫度分佈均勻性與擬定快速冷凍工程對策的關鍵無因次參數。

解題方法

(一) 推導三個冷凍過程的總冷凍負荷

食品冷凍過程自溫度 $t_1$ 降至 $t_3$，總共須自食品中移除熱量（冷凍負荷 $Q$）。三個階段之熱量推導如下：

1. 第一階段：凍結前顯熱冷卻負荷（$Q_1$） 食品自初始溫度 $t_1$ 降至凍結溫度 $t_f$，未發生相變，僅釋放顯熱： $Q_1 = m \cdot c_1 \cdot (t_1 - t_f)$

2. 第二階段：相變凍結潛熱負荷（$Q_2$） 食品在凍結溫度 $t_f$ 下進行水轉化為冰之相變。設食品單位質量之相變潛熱為 $h_{if}$： $Q_2 = m \cdot h_{if}$

若 $h_{if}$ 代表純水之凍結潛熱，且食品含水量為 $w$（重量百分比），則食品整體之有效潛熱為 $w \cdot h_{if}$，此時 $Q_2 = m \cdot w \cdot h_{if}$。

3. 第三階段：凍結後顯熱冷卻負荷（$Q_3$） 食品完全凍結後，自凍結溫度 $t_f$ 繼續降溫至最終冷凍溫度 $t_3$ 所釋放之顯熱： $Q_3 = m \cdot c_2 \cdot (t_f - t_3)$

4. 總冷凍負荷（$Q$） 將三階段釋放的熱量相加，得總冷凍負荷公式： $Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = m \left[ c_1 (t_1 - t_f) + h_{if} + c_2 (t_f - t_3) \right]$

(二) 豬肉冷凍總負荷數值計算

已知條件：

• 豬肉總質量 $m = 100\ \mathrm{kg}$
• 含水率 $w = 70\% = 0.70$（凍結水量 $m_w = 100 \times 0.70 = 70\ \mathrm{kg}$）
• 初始溫度 $t_1 = 18^\circ\mathrm{C}$
• 凍結溫度 $t_f = -2^\circ\mathrm{C}$
• 最終溫度 $t_3 = -18^\circ\mathrm{C}$
• 凍結前比熱 $c_1 = 3.5\ \mathrm{kJ/(kg\cdot{}^\circ\mathrm{C})}$
• 凍結後比熱 $c_2 = 2.12\ \mathrm{kJ/(kg\cdot{}^\circ\mathrm{C})}$
• 水的凍結潛熱 $h_{if,\text{water}} = 334\ \mathrm{kJ/kg}$

計算步驟：

1. 第一階段：顯熱降溫（$18^\circ\mathrm{C} \to -2^\circ\mathrm{C}$） $\Delta t_1 = 18 - (-2) = 20^\circ\mathrm{C}$ $Q_1 = m \cdot c_1 \cdot \Delta t_1 = 100 \times 3.5 \times 20 = 7{,}000\ \mathrm{kJ}$

2. 第二階段：水分凍結潛熱（於 $-2^\circ\mathrm{C}$） $Q_2 = m \cdot w \cdot h_{if,\text{water}} = 100 \times 0.70 \times 334 = 70 \times 334 = 23{,}380\ \mathrm{kJ}$

3. 第三階段：顯熱降溫（$-2^\circ\mathrm{C} \to -18^\circ\mathrm{C}$） $\Delta t_3 = -2 - (-18) = 16^\circ\mathrm{C}$ $Q_3 = m \cdot c_2 \cdot \Delta t_3 = 100 \times 2.12 \times 16 = 3{,}392\ \mathrm{kJ}$

核心觀念

離心式壓縮機屬於動力式壓縮機：葉輪先將能量傳給連續流動的冷媒蒸氣，再由擴壓器及蝸殼將流速降低，把動能轉換成壓力能。螺旋式壓縮機則屬於容積式壓縮機，靠轉子間封閉的空間逐漸縮小來壓縮冷媒。

離心式壓縮機的冷媒選擇，須特別注意吸氣蒸氣的密度、分子量及所需壓縮比。冷媒蒸氣密度越高，吸氣體積流量通常越小；分子量越低，離心葉輪每單位質量所能提供的壓縮功通常越不利。

(一) 離心式壓縮冷媒的原理

冷媒蒸氣由葉輪中心進入，葉輪高速旋轉，使蒸氣獲得切向速度及動能。蒸氣在葉輪內受離心作用向外流動，總能量增加；接著進入擴壓器及蝸殼，流道截面逐漸擴大，流速降低，部分動能轉換為靜壓，完成壓縮。

其能量傳遞可用歐拉方程表示：

其中 $U$ 為葉輪圓周速度，$C_{\theta}$ 為蒸氣絕對速度的切向分量，分別以下標 $1$、$2$ 表示葉輪入口與出口。實際壓縮過程會有損失，出口狀態可由冷媒的壓力－焓圖或 Mollier 圖判讀。

(二) 離心式與螺旋式壓縮機在壓縮原理上的差異

• **離心式：**以葉輪對冷媒蒸氣作功，先提高蒸氣速度與總能量，再由擴壓器、蝸殼減速升壓。冷媒是連續流過機器，壓縮不靠封閉氣體空間縮小。
• **螺旋式：**陰、陽轉子嚙合時形成封閉工作腔，冷媒進入後隨轉子旋轉並沿軸向移動，工作腔容積逐漸縮小，壓力隨之升高，最後由排氣口排出。

因此，離心式靠動量與動能轉換壓縮；螺旋式靠工作腔容積縮小壓縮。

(三) 離心式壓縮機適用冷媒的特性

離心式適合處理大流量、連續流動的蒸氣，冷媒通常宜具備下列熱物性：

1. **吸氣蒸氣密度較高、比體積較小：**在相同質量流率下，可降低吸氣體積流量，有利於葉輪尺寸及容量。
2. **分子量較大：**可提高離心葉輪對冷媒蒸氣的作功效果；分子量過低的冷媒，常須提高葉輪圓周速度或增加壓縮級數。
3. **單級所需壓縮比不宜過大：**壓縮比過大時，單級壓縮較難兼顧效率與運轉範圍，可能需要多級壓縮。