114 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

氨吸收式冷凍循環以氨（$NH_3$）為冷媒、氨水溶液為工作流體，利用冷媒在溶液中的溶解度差異，取代蒸氣壓縮循環中的機械壓縮機。循環由冷媒循環與溶液循環組成：發生器以熱源分離氨，吸收器使氨重新溶入水中；溶液泵只需提升液體壓力，因此耗功通常遠小於壓縮式冷凍機的壓縮機耗功。

（一）循環構成、示意圖與工作原理

循環示意圖

 熱源 Q_G
 ↓
 ┌─────────────┐
 強溶液（富氨） ───→│ 發生器 G │────── 氨蒸氣 ──────┐
 ↑ └─────────────┘ ↓
 │ ┌──────────┐
 溶液泵 W_P │ 冷凝器 C │──→ Q_C,out
 │ └────┬─────┘
 ┌────┴────┐ │ 液氨
 │ 溶液熱交換器 │ ↓
 └────┬────┘ ┌──────────┐
 ↑ │ 膨脹閥 │
 │ └────┬─────┘
 │ │ 低壓氨
 │ ↓
 ┌────┴────┐ 稀溶液（貧氨） ┌──────────┐
 │ 吸收器 A │←────────────────────────────────────│ 蒸發器 E │←── Q_E,in
 └─────────┘ 節流閥 └────┬─────┘
 ↑ │ 氨蒸氣
 └──────────────────────────────────────────────────┘

圖中的溶液熱交換器用來讓發生器流出的高溫稀溶液，預熱送往發生器的低溫強溶液，以降低外加熱量需求。實際設備也可在發生器與冷凝器之間設置精餾器，減少水蒸氣隨氨蒸氣進入冷凝器。

工作原理

1. **蒸發器：**低壓液氨吸收冷藏空間的熱量 $Q_{E,in}$，蒸發成低壓氨蒸氣，產生冷凍效果。
2. **吸收器：**蒸發器流出的氨蒸氣進入吸收器，被稀溶液吸收，形成富氨的強溶液。吸收過程放熱，須將熱量 $Q_{A,out}$ 排出。
3. **溶液泵與熱交換器：**溶液泵將強溶液加壓至發生器壓力；溶液再經熱交換器預熱，送入發生器。
4. **發生器：**輸入熱量 $Q_{G,in}$，使強溶液中的氨汽化分離。氨蒸氣流往冷凝器，剩餘的貧氨稀溶液經熱交換器冷卻、節流降壓後回到吸收器。
5. **冷凝器與冷媒膨脹閥：**高壓氨蒸氣在冷凝器向外排熱 $Q_{C,out}$，凝結成高壓液氨；液氨經膨脹閥降壓後進入蒸發器，完成冷媒循環。

核心觀念

毛細管內冷媒流動可用一維穩態動量方程，將壓力變化、流速變化與管壁摩擦造成的壓降一起計算。管徑固定且質量流率不變時，質量通量為

以 Darcy 摩擦因子表示，動量方程可寫為

其中 $G^2dv$ 代表流速改變所需的動量壓差，最後一項代表摩擦壓降。

解題方法

先由管徑和質量流率求質量通量：

將進出口數據代入動量方程，並以兩端比容平均值代表管內平均比容：

核心觀念

本題考查冷凍機的能量平衡、卡諾冷凍機性能係數，以及熱交換器的熱傳面積計算。題目未指定冷凍機型式；求「最小」熱傳面積時，採用在相同冷熱源溫度下性能最佳的可逆卡諾冷凍循環。

解題方法

冷凍機自 $15\,^\circ\mathrm{C}$ 空間吸收冷凍負荷 $\dot Q_L$，輸入功率為 $\dot W=2.5\ \mathrm{kW}$。先以卡諾冷凍機求最大性能係數，再由能量平衡求排熱量 $\dot Q_h$。

計算性能係數時，溫度須換算為絕對溫度：

卡諾冷凍機的性能係數為：

因此冷凍負荷為：

依冷凍機能量平衡，排熱量等於冷凍負荷加上輸入功：

核心觀念

本題考查水冷式冷凝器的熱負荷、冷卻水溫升、對數平均溫差（LMTD）及換熱面積計算。

冷凝器需排出的熱量為冷凍能力乘以放熱比：

冷卻水吸收冷凝器熱量，故可用水側熱平衡求出口水溫：

將冷凝溫度視為定溫熱源，水側兩端溫差分別為冷凝溫度與冷卻水入口、出口溫度之差。對數平均溫差為：

總熱交換面積則由傳熱方程式求得：

解題方法與計算

（一）總熱交換面積

先將冷凍能力換算為熱量，再乘以放熱比：

冷卻水流量換算為每小時質量流量。水的密度取 $1\ \mathrm{kg/L}$，比熱取 $1\ \mathrm{kcal/(kg\cdot{}^\circ C)}$：

由水側熱平衡求出口水溫：

因此兩端溫差為：