111 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

本題評量冷凍空調工程領域最基礎且核心的標準規範：ANSI/ASHRAE Standard 34（冷媒編號命名與安全分類標準）以及國際環境保護協定（《蒙特婁議定書》與《吉佳利修正案》）之環境衝擊評估指標。

1. 鹵碳族冷媒（Halocarbon group）編號規則： 依 ASHRAE 標準，有機鹵代烴分子通式以碳（$\text{C}$）、氫（$\text{H}$）、氟（$\text{F}$）、氯（$\text{Cl}$）及雙鍵數為基準進行位數編碼。
2. 混合冷媒與無機冷媒分類系列：

• R-$400$ 系列：非共沸混合物（Zeotropic mixtures）。
• R-$500$ 系列：共沸混合物（Azeotropic mixtures）。
• R-$700$ 系列：無機化合物（Inorganic compounds）。

3. 大氣環境衝擊化學機制：

• 臭氧層破壞潛勢（Ozone Depletion Potential, $\text{ODP}$）：主要源自鹵素中的氯（$\text{Cl}$）與溴（$\text{Br}$）原子。
• 全球暖化潛勢（Global Warming Potential, $\text{GWP}$）：主要源自氟（$\text{F}$）原子及其形成的強極性 $\text{C-F}$ 鍵，阻隔長波紅外線輻射。

解題方法

本題為標準的論述與定義題，解題切入點如下：

1. 第 (一) 子題：將四位數設定為 $\text{R-}d c b a$（由左至右依序為千位、百位、十位、個位），逐一明確定義各數字對應的原子或化學鍵數量計算公式，並交代其餘鍵結（氯原子）的計算法則。
2. 第 (二) 子題：依序指出三種系列之成分本質與相變物理特性（共沸、非共沸之相變溫度滑移現象，以及無機物的分子量對應關係），並附上工程常用代表性冷媒佐證。
3. 第 (三) 子題：採「化學成分 $\to$ 大氣反應機制 $\to$ 環境危害後果」的因果鏈作答，將問題明確拆解為「氯原子與臭氧層破壞」及「氟原子／$\text{C-F}$ 鍵與全球暖化」兩大主軸。

解題技巧

1. 鹵碳冷媒速算法（Rule of 90）： 若已知三位數冷媒編號（$\text{R-}c b a$），將該編號加上 $90$，所得之三位數百位為碳原子數、十位為氫原子數、個位為氟原子數。例如 $\text{R-134a}$：$134 + 90 = 224 \implies \text{C}=2, \text{H}=2, \text{F}=4$。四位數時，最左側的千位數即為碳-碳雙鍵（$\text{C=C}$）數目（如 HFO-1234yf 之千位數 $1$ 代表含有一個雙鍵）。
2. 無機冷媒速記法： $\text{R-7}\square\square$ 後兩位即為該物質的分子量（四捨五入整數）。例如氨氣 $\text{NH}_3$ 分子量為 $17 \implies \text{R-717}$；水 $\text{H}_2\text{O}$ 分子量為 $18 \implies \text{R-718}$；二氧化碳 $\text{CO}_2$ 分子量為 $44 \implies \text{R-744}$。
3. 陷阱提示：

• 說明四位數字時，不可遺漏千位數的「不飽和雙鍵數」。若未指明雙鍵，該四位數命名即不完整。
• R-$400$ 與 R-$500$ 兩者切勿混淆：R-$400$ 為「非共沸」（有溫度滑移），R-$500$ 為「共沸」（無溫度滑移，定壓下相變如同單一物質）。

【答案】

(一) 鹵碳族冷媒編號 R-$\square\square\square\square$ 四位數字意義

依據 ANSI/ASHRAE Standard 34 規範，鹵碳族烴類衍生物之標準編號以四位數字表示時，記為 $\text{R-}d c b a$（由左至右分別為千位數、百位數、十位數、個位數），其各數字代表之意義如下：

1. 千位數（$d$）：分子中碳-碳不飽和雙鍵（$\text{C=C}$）的數目

• 若為飽和鏈狀化合物（烷烴類衍生物），$d = 0$（通常予以省略，僅呈現二位或三位數）。
• 若分子內含有一個雙鍵（烯烴類衍生物，如 HFO 氫氟烯烴），則 $d = 1$。

2. 百位數（$c$）：碳（$\text{C}$）原子數減 $1$

• 即 $c = \text{C} - 1$。
• 當分子僅含有 $1$ 個碳原子（甲烷系）時，$c = 0$，此位數通常省略。

3. 十位數（$b$）：氫（$\text{H}$）原子數加 $1$

• 即 $b = \text{H} + 1$。

4. 個位數（$a$）：氟（$\text{F}$）原子的數目

• 即 $a = \text{F}$。

核心觀念

感溫式膨脹閥（Thermostatic Expansion Valve, TXV）利用感溫包壓力、蒸發器壓力與彈簧力的平衡，調節進入蒸發器的冷媒流量。感溫包裝在蒸發器出口吸氣管上，感測出口溫度；閥門藉此控制蒸發器出口過熱度，避免液態冷媒大量進入壓縮機。

可用下式表示閥門的力平衡：

其中 $P_b$ 為感溫包壓力，$P_e$ 為蒸發器壓力，$F_s$ 為彈簧力，$A$ 為膜片有效面積。感溫包壓力使閥門開大，蒸發器壓力與彈簧力使閥門關小。

解題方法

（一）壓縮機啟動時的問題與處理

壓縮機停機期間，冷媒可能由高壓側經膨脹閥遷移至蒸發器與吸氣管；冷媒也可能在曲軸箱內凝結並溶入冷凍油。壓縮機啟動後，蒸發器中的液態冷媒或冷凍油中的冷媒可能隨吸氣回到壓縮機，造成液態冷媒回流、液擊（液壓縮）及潤滑油起泡，嚴重時會損壞壓縮機。

感溫包對出口溫度的變化有反應時間，啟動初期閥門調節未必能立即穩定，故也須留意暫態供液過多與吸氣過熱度過低。

處理方式：

• 採用停機泵降控制：以液管電磁閥切斷供液，讓壓縮機將低壓側冷媒抽至低壓設定值後停機，降低停機期間冷媒遷移與啟動液擊的風險。
• 在壓縮機曲軸箱設置曲軸箱加熱器，減少冷媒在油中的凝結與溶解。
• 依系統需要設置吸氣液體分離器；並確認膨脹閥選型、感溫包固定及過熱度設定適當。

（二）蒸發溫度範圍大時的問題與處理

圖示在兩種蒸發溫度下，膨脹閥所需克服的壓力差均為 $100\ \mathrm{kPa}$。但冷媒的飽和壓力—溫度曲線斜率隨溫度改變，因此相同壓力差對應的溫差並不相同：

• 蒸發溫度為 $-30\,^\circ\mathrm{C}$ 時，圖示過熱度約為 $12\ \mathrm{K}$。
• 蒸發溫度為 $5\,^\circ\mathrm{C}$ 時，圖示過熱度約為 $5\ \mathrm{K}$。

核心觀念

1. 溴化鋰吸收式冷凍機（$\text{LiBr}-\text{H}_2\text{O}$ Absorption Refrigeration System）之工質對：

• 冷媒（Refrigerant）：水（$\text{H}_2\text{O}$），利用水在高度真空（如 $4 \sim 7^\circ\text{C}$ 時飽和壓力約 $0.8 \sim 1.0\text{ kPa}$）下的低溫蒸發潛熱產生冷凍效應。
• 吸收劑（Absorbent）：溴化鋰（$\text{LiBr}$）鹽類之水溶液，利用無水溴化鋰鹽溶解於水後所具備極強的吸濕性（親水性）與極低的蒸汽壓特性，在吸收器內吸收冷媒水蒸氣。

2. 單效溴化鋰吸收式循環組成：

• 四大主要熱交換元件：蒸發器（Evaporator）、吸收器（Absorber）、產生器（Generator / 發生器）、冷凝器（Condenser）。
• 附屬節能與輸送元件：溶液熱交換器（Solution Heat Exchanger, SHE）、溶液泵（Solution Pump）、冷媒節流裝置（Expansion Device）、溶液節流閥。

3. 杜林圖（Dühring Plot / 壓力－溫度－濃度圖）之熱力特性：

• 橫軸通常為溶液溫度 $T_{\text{sol}}$（$^\circ\text{C}$），縱軸為冷媒蒸氣飽和壓力 $P$（$\text{kPa}$ 或 $\text{mmHg}$，常以水之飽和溫度刻度表示）。
• 圖面上佈滿向右上傾斜之「等濃度線」（$\% \text{ LiBr}$），最左側濃度 $0\%$ 即為純水飽和線。
• 單效循環在杜林圖上呈現由高壓（$P_H$，冷凝壓力）與低壓（$P_L$，蒸發壓力）兩條水平等壓線，以及濃溶液線（$X_s$）與稀溶液線（$X_w$）兩條等濃度線所圍成的四邊形熱力循環。

解題方法

1. 子題 (一) 解題切入點：

• 直接明確指出冷媒與吸收液之化學物質名稱與角色。
• 繪製流程圖時，將系統劃分為「低壓側（蒸發器、吸收器）」與「高壓側（產生器、冷凝器）」。清楚標出兩個主要流體迴路：
• 冷媒水迴路：產生器 $\to$ 冷凝器 $\to$ 節流機構 $\to$ 蒸發器 $\to$ 吸收器。
• 溶液迴路：吸收器 $\to$ 溶液泵 $\to$ 溶液熱交換器（低溫側） $\to$ 產生器 $\to$ 溶液熱交換器（高溫側） $\to$ 節流減壓 $\to$ 吸收器。

2. 子題 (二) 解題切入點：

• 建立杜林圖之座標架構：縱軸標示壓力 $P$（包含高壓 $P_H$ 與低壓 $P_L$），橫軸標示溶液溫度 $T$。
• 標記純水線（$X=0\%$）與兩條主要濃度線：稀溶液濃度線 $X_w$（通常約 $55\% \sim 58\%$）與濃溶液濃度線 $X_s$（通常約 $60\% \sim 64\%$）。
• 在圖上精確定位循環之各個熱力狀態點（依序標記產生器出口、溶液熱交換器前後、吸收器進出口、蒸發器與冷凝器），並說明各狀態點的物理過程。

選項分析

本題為專技高考之申論與工程繪圖題，非選擇題。各小題作答標準與配分要點如下：

• 第 (一) 小題（15 分）：物質辨識佔 3 分（冷媒為水、吸收液為溴化鋰水溶液）；流程圖佔 12 分。流程圖必須正確表示四大主件、溶液熱交換器、泵浦及冷媒與溶液的流向箭頭，並標明外界熱量進出方向（$Q_e, Q_a, Q_g, Q_c$）。
• 第 (二) 小題（10 分）：座標軸定義佔 2 分；等濃度線與純水線配置佔 2 分；循環狀態點（1 至 6 點及純水相變點）之對應與連線走勢佔 6 分。

解題技巧

1. 記憶口訣：

• 「蒸發低壓吸熱製冷，吸收低壓放熱抽氣；產生高壓加熱提濃，冷凝高壓放熱成水」。

2. 易犯陷阱：

• 混淆冷媒與吸收劑：不可寫「冷媒是溴化鋰」！溴化鋰常溫下是固態鹽類，蒸氣壓極低，無法在系統內蒸發作功；蒸發吸熱的冷媒純粹是「水」。
• 杜林圖走勢方向：稀溶液吸熱升溫是「由左往右」，在產生器沸騰濃縮是「沿著高壓線由稀濃度滑向濃濃度」；濃溶液放熱降溫是「由右往左」，在吸收器吸收冷媒蒸氣被稀釋是「沿著低壓線由濃濃度回到稀濃度」。
• 結晶線（Crystallization Line）提醒：濃溶液過度冷卻或濃度過高會落入右下方的結晶區（高濃度、低溫），圖中濃溶液降溫線不可跨越結晶線。

【答案】

(一) 冷媒與吸收液之名稱及冷凍循環流程圖

1. 工質對成分：

• 冷媒（Refrigerant）：水（$\text{H}_2\text{O}$）。
• 吸收液／吸收劑（Absorbent）：溴化鋰水溶液（$\text{LiBr}-\text{H}_2\text{O}$ 溶液）。

2. 冷凍循環流程圖：

核心觀念

本題考雙段串接冷凍循環的能量平衡與性能計算。下循環在串接熱交換器中冷凝放熱，上循環在同一熱交換器中蒸發吸熱；熱交換器絕熱，因此兩側熱量相等：

其中下循環質量流率已知；利用此式可求上循環質量流率。系統的有效製冷量取下循環蒸發器的製冷量，總輸入功率則是兩台壓縮機功率之和。

解題方法與循環狀態

由題目給定的壓力與串接熱交換器配置：

• 下循環蒸發壓力：$160\ \mathrm{kPa}$；冷凝壓力：$0.5\ \mathrm{MPa}$。
• 上循環蒸發壓力：$0.4\ \mathrm{MPa}$；冷凝壓力：$1.4\ \mathrm{MPa}$。
• 各循環冷凝器出口為飽和液體，壓縮機入口為飽和蒸氣。
• 節流閥視為等焓節流；壓縮機等熵效率為 $0.80$。

狀態點依序定義為 $1$ 壓縮機入口、$2$ 壓縮機出口、$3$ 冷凝器出口、$4$ 節流閥出口。串接熱交換器中，下循環 $2L\to3L$ 放熱，上循環 $4U\to1U$ 吸熱。

（一）$T$-$s$ 圖與 $P$-$h$ 圖

以下為循環方向的示意；實際圖形上的相對位置依飽和穹頂及各壓力線判讀。

$T$-$s$ 圖

下循環： 1L ──壓縮──> 2L ──冷凝放熱──> 3L
 ↑ │
 └──蒸發吸熱── 4L <──節流──────────┘

上循環： 1U ──壓縮──> 2U ──冷凝放熱──> 3U
 ↑ │
 └──蒸發吸熱── 4U <──節流──────────┘

在 $T$-$s$ 圖中，$1\to2$ 為壓縮，實際壓縮線向右偏離等熵線；$2\to3$ 為定壓冷凝，$3\to4$ 為等焓節流，$4\to1$ 為定壓蒸發。

$P$-$h$ 圖

下循環：
 1L (160 kPa，飽和蒸氣) → 2L (0.5 MPa，壓縮出口)
 ↑ │
 4L (160 kPa，節流後) ← 3L (0.5 MPa，飽和液體)

上循環：
 1U (0.4 MPa，飽和蒸氣) → 2U (1.4 MPa，壓縮出口)
 ↑ │
 4U (0.4 MPa，節流後) ← 3U (1.4 MPa，飽和液體)

在 $P$-$h$ 圖中，壓縮與冷凝分別沿壓力上升與高壓定壓線進行；節流為垂直等焓線，蒸發則沿低壓定壓線進行。

（二）上循環質量流率與製冷能力

由題附 R-134a 性質圖讀取近似焓值。圖讀值採近似值，適合呈現本題的計算流程：