110 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

110 年・專技高考・高等考試・冷凍空調工程技師
試題代碼 冷凍工程與設計

第 一 題25 分

請說明冷媒安全等級 A2L 的安全性內容，以及 HFO 冷媒 R-1234yf、R-1234ze 與 HFC R-134a/HFO R-1234yf 混合之冷媒 R-513A 在冷媒安全性分類的等級。

R-718 具有蘊含量豐富、環保、蒸發潛熱大與便宜等優點，請試述以 R-718 冷媒作為蒸氣壓縮冷凍循環工作流體的困難之處。

請說明以 R-744 為冷媒的蒸氣壓縮冷凍循環的優缺點，並以中高溫型熱泵系統說明 R-744 冷媒蒸氣壓縮冷凍循環的應用。

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題分成三個部分：冷媒安全分級、R-718（水）作為蒸氣壓縮循環工作流體的限制，以及 R-744（二氧化碳）循環的特性與熱泵應用。

冷媒安全分級依 ASHRAE Standard 34，以毒性與可燃性組合表示：

  • A／B：毒性分級。A 表示在規定濃度界線下屬較低毒性；B 表示較高毒性。
  • 1／2L／2／3：可燃性分級。1 表示無火焰傳播；2、2L、3 均為可燃冷媒，其中 2L 的燃燒速度較低，屬「低燃燒速度」類別。

因此，A2L 表示「較低毒性、低燃燒速度可燃」；不能把 A2L 解讀為完全不可燃。

解題方法

作答時先將冷媒分類逐一列出，再依水與二氧化碳的物性，說明它們在壓縮、蒸發、冷凝或排熱過程中造成的工程影響。尤其 R-744 的臨界溫度低，當熱泵高壓側操作溫度超過臨界溫度時，系統的排熱器是氣體冷卻器，而非一般次臨界循環中的冷凝器。

一、冷媒安全等級與 A2L 安全性

A2L 的安全性內容

  • A：較低毒性。在標準所定義的毒性濃度界線內，列為較低毒性類別；這不代表冷媒在高濃度或密閉空間洩漏時沒有危害。
  • 2L：低燃燒速度可燃。冷媒具有可燃性，但其燃燒速度低於一般 2 類冷媒的界線，火焰傳播特性較弱。
  • A2L 冷媒仍須考量洩漏、通風、點火源、充填量與設備配置等安全因素；「低燃燒速度」不等於「不會燃燒」。

題示冷媒分類

冷媒ASHRAE 安全分類
R-1234yfA2L
R-1234ze（通常指 R-1234ze(E)）A2L
R-513A（R-134a／R-1234yf 混合冷媒）A1

R-513A 的 A1 分級表示較低毒性且無火焰傳播，與其含有 A2L 冷媒成分並不矛盾；混合冷媒的安全分類是依整體混合物的測試與標準判定，不能只由其中一種成分的分類直接推定。

二、R-718 作為蒸氣壓縮冷凍循環工作流體的困難

R-718 即水，具有來源充足、環境負荷低、蒸發潛熱大及價格低等優點；其主要限制來自沸點高、蒸氣比容大，以及一般冷凍溫度下的低飽和壓力。

1. 一般冷凍溫度下須在深度真空操作

水在標準大氣壓下的沸點為 100∘C100^\circ\mathrm{C}。若要在遠低於此溫度下蒸發，蒸發壓力會低於大氣壓，系統須在真空或深度真空下運轉。

這會造成：

  • 設備密封要求高，外界空氣容易由洩漏處進入。
  • 漏入的空氣與其他不凝結氣體會降低傳熱性能，並增加排除不凝結氣體的需求。
  • 壓力很低，壓力測量、控制與維修較不方便。

2. 水蒸氣比容大，壓縮機尺寸與流量需求高

在低壓下，水蒸氣密度低、比容大。要輸送相同的冷凍能力，壓縮機須處理很大的體積流率，因此壓縮機、吸氣管路及相關設備體積容易增加，設備緊湊化不易。

3. 壓縮比與循環配置不利

冷凍蒸發溫度越低，蒸發壓力越低；壓縮機須將極低的吸氣壓力升至冷凝壓力，壓縮比可能很高，進而增加壓縮機設計與操作困難，也會影響循環效率。

4. 低溫使用受結冰限制

水在 0∘C0^\circ\mathrm{C} 以下會結冰。若蒸發器中的水直接作為冷媒，無法像多數冷媒一樣在遠低於冰點的溫度下正常蒸發，否則容易造成結冰、堵塞或設備損壞。

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 二 題25 分

為了提升濕熱氣候下空調機的除濕能力，有一氣冷式空調機的設計具有一冷媒液過冷／空氣再熱盤管（liquid sub-cooling/air re-heating coil），其冷凍循環系統如圖一所示。系統以 R-410A 作為冷媒，當電磁閥為關閉狀態時，冷凝器出口冷媒將先流經冷媒液過冷／空氣再熱盤管，再通過膨脹閥進入蒸發器。

若設計條件如下：

  • 冷凝溫度為 45∘C45^\circ\mathrm{C}。
  • 蒸發溫度為 5∘C5^\circ\mathrm{C}。
  • 蒸發器出口的過熱度為 5∘C5^\circ\mathrm{C}。
  • 冷媒液過冷／空氣再熱盤管出口溫度為 25∘C25^\circ\mathrm{C}。
  • 已知壓縮機冷媒排氣量為 7.2 m3/hr7.2\ \mathrm{m^3/hr}。
  • 壓縮機的容積效率為 80%80\%。
  • 壓縮機的等熵效率為 80%80\%。
  • 忽略系統的壓損及熱損失。

參考附圖一（R-410A 冷媒之 P-h 圖），請繪出此冷凍循環的 P-h 圖（莫里爾線圖），以及求得壓縮機的排氣溫度、蒸發器的冷凍能力（kW）、壓縮機功率（kW）及 COP 值。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】 此外，若電磁閥為開啟狀態時，冷媒不再流經冷媒液過冷／空氣再熱盤管，空調機的 COP 值是否會降低，請說明原因。

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考標準蒸氣壓縮冷凍循環加入「冷媒液過冷／空氣再熱盤管」後的狀態分析。盤管在高壓側把冷凝器出口液態冷媒由 45∘C45^\circ\mathrm C 冷卻至 25∘C25^\circ\mathrm C；膨脹閥前的過冷可增加蒸發器每公斤冷媒的吸熱量，盤管吸收的熱則用來再熱蒸發器處理後的空氣。

計算使用下列關係：

m˙=ηvV˙v1,Q˙e=m˙(h1−h5),W˙c=m˙(h2−h1),COP=Q˙eW˙c\dot m=\frac{\eta_v\dot V}{v_1},\qquad \dot Q_e=\dot m(h_1-h_5),\qquad \dot W_c=\dot m(h_2-h_1),\qquad COP=\frac{\dot Q_e}{\dot W_c}

壓縮機等熵效率定義為：

ηs=h2s−h1h2−h1\eta_s=\frac{h_{2s}-h_1}{h_2-h_1}

其中 2s2s 是與實際排氣具有相同排氣壓力的等熵壓縮終點。

解題方法

以附圖的 PP-hh 圖讀取冷媒性質。圖讀值有刻度與線寬誤差，以下數值取適合考試計算的近似值；冷媒性質表也可用來核對狀態讀值。R-410A 在 5∘C5^\circ\mathrm C 的飽和壓力約為 0.93 MPa0.93\ \mathrm{MPa}，在 45∘C45^\circ\mathrm C 約為 2.73 MPa2.73\ \mathrm{MPa}。

依原卷圖一，循環狀態點為：11 壓縮機入口、22 壓縮機排氣、33 冷凝器出口、44 過冷／再熱盤管出口、55 膨脹閥出口。

狀態點狀態條件圖讀近似值
1PeP_e，蒸發溫度 5∘C5^\circ\mathrm C，過熱 5∘C5^\circ\mathrm CT1=10∘C, h1≈428.5 kJ/kg, v1≈0.0285 m3/kgT_1=10^\circ\mathrm C,\ h_1\approx428.5\ \mathrm{kJ/kg},\ v_1\approx0.0285\ \mathrm{m^3/kg}
2s2sPcP_c，由狀態 1 等熵壓縮s2s=s1, h2s≈458.5 kJ/kgs_{2s}=s_1,\ h_{2s}\approx458.5\ \mathrm{kJ/kg}
2PcP_c，實際壓縮排氣h2≈466.0 kJ/kgh_2\approx466.0\ \mathrm{kJ/kg}
3冷凝器出口飽和液，45∘C45^\circ\mathrm Ch3≈275.8 kJ/kgh_3\approx275.8\ \mathrm{kJ/kg}
4過冷盤管出口，25∘C25^\circ\mathrm Ch4≈240 kJ/kgh_4\approx240\ \mathrm{kJ/kg}
5膨脹閥出口h5=h4≈240 kJ/kgh_5=h_4\approx240\ \mathrm{kJ/kg}

狀態 1 的過熱度為 5∘C5^\circ\mathrm C，故冷媒離開蒸發器時溫度為 10∘C10^\circ\mathrm C。狀態 3 至狀態 4 是高壓側的液體過冷；狀態 4 至狀態 5 經膨脹閥節流，近似為等焓過程。液體過冷後的壓縮液焓以圖讀約 240 kJ/kg240\ \mathrm{kJ/kg} 計。

壓縮機排氣溫度

先由圖讀得 h2s≈458.5 kJ/kgh_{2s}\approx458.5\ \mathrm{kJ/kg}，代入等熵效率：

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 三 題25 分

某一配有閃氣槽的二段蒸氣壓縮冷凍系統，如圖二所示，以 R-134a 冷媒作為工作流體。設計條件如下：

  • 蒸發溫度為 −20∘C-20^\circ\mathrm{C}。
  • 蒸發器出口的過熱度為 10∘C10^\circ\mathrm{C}。
  • 冷凝溫度為 40∘C40^\circ\mathrm{C}。
  • 冷媒離開冷凝器時為飽和液體。
  • 閃氣槽的飽和溫度為 6.5∘C6.5^\circ\mathrm{C}。
  • 蒸發器的冷凍能力為 35 kW35\ \mathrm{kW}。
  • 低壓段與高壓段壓縮機的等熵效率皆為 85%85\%。
  • 忽略系統的壓損及熱損失。

參考附圖二（R-134a 冷媒之 P-h 圖），請繪出此冷凍循環之 P-h 圖（莫里爾線圖），以及計算低壓段與高壓段壓縮機的功率（kW）與系統的 COP 值，並請說明相較於單段蒸氣壓縮冷凍系統設計，此二段蒸氣壓縮冷凍系統 COP 較佳的原因。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查帶閃氣槽的二段蒸氣壓縮冷凍循環，關鍵是分別處理低壓段與高壓段的冷媒流量：

  • 低壓段流量只通過蒸發器。
  • 冷凝器出口液體經膨脹閥降至中間壓力後，在閃氣槽分成飽和蒸氣與飽和液體。
  • 閃氣蒸氣與低壓段排氣混合後進入高壓段，因此高壓段流量大於低壓段流量。
  • 壓縮機實際焓升由等熵效率計算：

ηs=hout,s−hinhout−hin\eta_s=\frac{h_{\mathrm{out},s}-h_{\mathrm{in}}}{h_{\mathrm{out}}-h_{\mathrm{in}}}

P-h 圖上的節流過程為等焓，閃氣槽分離則依質量與能量平衡計算。

解題方法與計算

以下焓值依附圖 P-h 圖讀取並適度取整；圖上讀值有四捨五入差異時，末位結果會略有差異。

1. 確認各段壓力與狀態

三個壓力層級約為：

Pe=Psat(−20∘C)≈0.133 MPaP_e=P_{\mathrm{sat}}(-20^\circ\mathrm C)\approx0.133\ \mathrm{MPa}

Pi=Psat(6.5∘C)≈0.37 MPaP_i=P_{\mathrm{sat}}(6.5^\circ\mathrm C)\approx0.37\ \mathrm{MPa}

Pc=Psat(40∘C)≈1.02 MPaP_c=P_{\mathrm{sat}}(40^\circ\mathrm C)\approx1.02\ \mathrm{MPa}

依 P-h 圖讀值，取：

狀態說明焓值（約，kJ/kg）
1蒸發器出口，低壓下過熱至約 −10∘C-10^\circ\mathrm C394.5
2s低壓段等熵壓縮至中間壓力414
2低壓段實際排氣417.4
3閃氣槽分離出的飽和蒸氣403
4混合後的高壓段吸氣413.9
5s高壓段等熵壓縮至冷凝壓力436
5高壓段實際排氣439.9
6冷凝器出口飽和液體256
8閃氣槽分離出的飽和液體209
9低壓側節流後、進入蒸發器209

狀態 7 由狀態 6 節流而來，故 h7=h6≈256 kJ/kgh_7=h_6\approx256\ \mathrm{kJ/kg}；狀態 9 由狀態 8 節流而來，故 h9=h8≈209 kJ/kgh_9=h_8\approx209\ \mathrm{kJ/kg}。

2. 閃氣槽分離比例與流量

閃氣槽入口狀態 7 的蒸氣質量分率為：

x7=h7−h8h3−h8=256−209403−209≈0.242x_7=\frac{h_7-h_8}{h_3-h_8} =\frac{256-209}{403-209} \approx0.242

所以閃氣蒸氣與閃氣槽入口總流量之比約為 0.2420.242，液體流量分率約為 1−0.242=0.7581-0.242=0.758。

蒸發器冷凍能力為：

Q˙e=m˙L(h1−h9)\dot Q_e=\dot m_L(h_1-h_9)

因此低壓段流量為：

m˙L=35394.5−209≈0.189 kg/s\dot m_L=\frac{35}{394.5-209} \approx0.189\ \mathrm{kg/s}

由閃氣槽液體流量等於低壓段流量，可得閃氣槽入口總流量，也就是高壓段流量：

m˙H=m˙L1−x7=0.1890.758≈0.249 kg/s\dot m_H=\frac{\dot m_L}{1-x_7} =\frac{0.189}{0.758} \approx0.249\ \mathrm{kg/s}

閃氣蒸氣流量則為：

m˙3=m˙H−m˙L≈0.060 kg/s\dot m_3=\dot m_H-\dot m_L \approx0.060\ \mathrm{kg/s}
🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 四 題25 分

真空冷卻已廣泛地應用於食品的快速預冷，請繪出真空冷卻的基本系統圖，並說明真空冷卻的原理與過程，以及真空冷卻用於農產品預冷的適用性。

採用真空冷卻方式將某農產品從 30∘C30^\circ\mathrm{C} 降溫至 0∘C0^\circ\mathrm{C}，過程中平均蒸發潛熱為 2465 kJ/kg2465\ \mathrm{kJ/kg}，產品水分每蒸發損失 1%1\% 的重量，約可降溫 6∘C6^\circ\mathrm{C}。

若有 500 kg500\ \mathrm{kg} 的產品欲進行預冷，預冷時間為 3030 分鐘，試計算產品的冷卻負荷（熱移除率）（kW）？

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

真空冷卻利用低壓環境降低水的沸點，使農產品表面及內部水分在低壓下迅速蒸發。水分汽化會吸收汽化潛熱，因而帶走產品熱量，使產品降溫。這題主要考真空冷卻的系統組成、冷卻原理與農產品適用性，並以產品水分蒸發量估算預冷所需熱量及冷卻負荷。

基本系統圖

 ┌──────────┐
 │ 真空泵 │──→ 排氣
 └────┬─────┘
 │
┌──────────┐ ┌─────────┴───────┐ ┌────────────┐
│ 冷卻水源 │──→│ 水蒸氣捕集器／ │───→│ 真空冷卻室 │
│ │←──│ 冷凝器 │ │ 農產品 │
└──────────┘ └─────────────────┘ └────────────┘
 │
 抽氣、降壓與蒸發

真空冷卻室為容納農產品並維持低壓的密閉容器；真空泵抽除室內空氣與水蒸氣，水蒸氣捕集器或冷凝器則降低水蒸氣進入真空泵的負荷，並將其冷凝排除。實際設備也可包含控制閥、量測儀表及冷卻水循環設備。

原理與過程

  1. 將農產品裝入密閉真空室並關閉室門。
  2. 真空泵抽除室內氣體，使壓力下降。壓力愈低，水的沸點愈低；當室內壓力降至產品水分可在其溫度下沸騰的程度，產品表面水分便開始快速蒸發。
  3. 水分汽化所需的潛熱由產品本身提供，因此產品溫度降低。抽氣與水蒸氣捕集持續進行，直至產品達到所需預冷溫度。
  4. 達到目標溫度後，停止抽氣並使真空室回復常壓，再取出產品。

此法的冷卻主要來自產品水分蒸發，並非由冷媒直接帶走產品熱量。因此，產品會有失水；題目所給「水分每蒸發損失 1%1\% 的重量，約可降溫 6∘C6^\circ\mathrm{C}」正是用來估算降溫所需失水量。

農產品預冷適用性

真空冷卻降溫迅速且較均勻，適合表面積大、組織疏鬆、含水量高且水分容易蒸發的農產品，例如葉菜類、花卉及部分菇類，可縮短採收後至低溫保存的時間。

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

其他考古題

冷凍空調工程技師《冷凍工程與設計》其他年度

114113112111109108