Chapter 7

蒸 汽 循 環

熱力學

有 關 瓦 特

James Watt (1736 - 1819)

1736 年，瓦特出生在英國蘇格蘭格拉斯哥市附近的一個小鎮格裏諾克。 他的父親是一個經驗豐富的木匠，祖父和叔父都是機械工匠。 少年時代的瓦特，由於家境貧苦和體弱多病，沒有受過完整的正規教育。但是在父母的教導下，一直堅持自學，很早就對物理和數學產生了興趣。

1753 年，瓦特到格拉斯哥市當徒工。由於收入過低不能維持生活，第二年他又到倫敦的一家儀表修理廠當徒工。憑著自己的勤奮好學，他很快學會製造那些難度較高的儀器。但是繁重的勞動生活損害了他的健康，一年後，他不得不回家休養。

1756 年，瓦特的才能引起了格拉斯哥大學教授臺克的重視，在他的介紹下，瓦特進入格拉斯哥大學當了教學儀器的工人。 學校擁有當時較為完善的儀器設備，使瓦特在修理儀器時認識了先進的技術，開闊了眼界。 這時他對以蒸汽作動力的機械產生了濃厚的興趣，開始收集有關資料，還為此學會了意大利文和德文。

1764 年，瓦特與表妹瑪格麗特結婚。

1764 年，學校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理

Thomas Newcomen (1663 - 1729).

紐可門蒸汽機紐可門是英國工程師，蒸汽機發明人之一。 1663 年生於達特茅斯一個商人家庭， 1729 年在倫敦去世。 紐可門幼年僅受過初等教育，少年時代做過鍛工。 17 世紀 80 年代與卡利合夥經營鐵器，後來共同研製蒸汽機，並於 1705 年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽和把活塞與連桿聯接以產生運動”的專利權。 此後，紐可門繼續改進蒸汽機，於 1712 年首次製成可供實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐可門蒸汽機。 這台蒸汽機的汽缸活塞直徑為 30.48厘米 ,每分鐘往復12 次，功率為 5.5馬力。 但熱效率低，燃料消耗量很大，僅適用於煤礦等燃料充足的地方。

紐可門蒸汽機被廣泛應用了 60 多年，在瓦特改善蒸汽機的發明後很長時間還在使用。 紐可門蒸汽機是第一個實用的蒸汽機，也為後來蒸汽機的發展奠定了基礎。

紐可門蒸汽機

The model Newcomen engine upon which Watt experimented

Newcomen steam engine (atmospheric engine).– Steam is shown pink and water is blue.– Valves move from open (green) to closed (red)

紐可門蒸汽機

瓦特發現紐可門蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。 1765 年的春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的，那麽為什麽不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產生了採用分離冷凝器的最初構想。按照設計，冷凝器與汽缸之間有一調節閥門相連，使他們既能連通又能分開。這樣，既能把做工後的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內產生同樣的真空，避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量的消耗，據瓦特理論計算，這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的 3 倍。

但是，要把理論上的東西變為實際上的東西，把圖紙上的蒸汽機變為實在的蒸汽機，還要走很長的路。瓦特辛辛苦苦造出了幾臺蒸汽機，但效果反而不如紐可門蒸汽機，甚至四處漏氣，無法開動。 盡管耗資巨大的試驗使他債臺高築，但他沒有在困難面前怯步，繼續進行試驗。後來大學裡認識他的化學家布萊克知道瓦特的奮鬥目標和困難處境，他把瓦特介紹給自己一個十分富有的朋友 --化工技師羅巴克。羅巴克是一個十分富有的企業家，他在蘇格蘭開辦了第一座規模較大的煉鐵廠。當時羅巴克已近 50歲，他對當時只有三十來歲的瓦特的新裝置很贊許，於是與瓦特簽訂合同，贊助瓦特進行新式蒸汽機的試製。

從 1766 年開始，在三年多的時間裏，瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難，終於在 1769 年製出了第一臺樣機。同年，瓦特因發明冷凝器而獲得他在革新紐可門蒸汽機的過程中的第一項專利。第一臺帶有冷凝器的蒸汽機雖然試制成功了，但它同紐可門蒸汽機相比，除了熱效率有顯著提高外，在作為動力機來帶動其他工作機的性能方面仍未取得實質性進展。就是說，瓦特的這種蒸汽機還是無法作為真正的動力機。

當瓦特繼續進行探索時，羅巴克本人已瀕於破產，他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業家博爾頓，以便瓦特能得到贊助繼續進行研製工作。 博爾頓當時經四十多歲，是位能幹的工程師和企業家。他經常參加社會活動，是當時伯明翰地區著名的科學社團“圓月學社”的主要成員之一。參加這個學社的大多都是本地的一些科學家、工程師、學者以及科學愛好者。

經博爾頓的介紹，瓦特也參加了圓月學社。在圓月學社活動期間，由於與化學家普列斯特列等交往，瓦特對當時人們關註的氣體化學與熱化學有了更多的了解。

瓦特自與博爾頓合作之後即在資金、設備、材料等方面得到大力支持。瓦特又生產了兩臺帶分離冷凝器的蒸汽機，由於沒有顯著的改進，這兩臺蒸汽機並沒有得到社會的關註。這兩臺蒸汽機耗資巨大，使博爾頓也瀕臨破產，但他仍然給瓦特以慷慨的贊助。 自 1769 年試製出帶有分離冷凝器的蒸汽機樣機之後，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本侷限。

1781 年，他想到了把活塞往返的直線運動變為旋轉的圓周運動就可以使動力傳給任何工作機。

同年，他研製出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯動裝置，終於把活塞的往返的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動。為了使輪軸的旋軸增加慣性，從而使圓周運動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個火飛輪。由於對傳統機構的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機才真正成為了能帶動一切工作及的動力機。 1781年底，瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二個專利。這時的蒸汽機在把活塞的往返直線運動轉變為輪軸的旋轉運動時，多消耗了不少能量。這樣，蒸汽機的效率下降，且動力也不大。

他雖然把紐可門蒸汽機的內部冷凝變成了外部冷凝，使蒸汽機的熱效率有了顯著提高，但他的蒸汽機中蒸汽推動活塞的衝程技術與紐可門蒸汽機沒有不同。兩者的蒸汽都是單向運動，從一端進入、另一端出來。 他想，如果讓蒸汽能夠從兩端進入和排出，就可以讓蒸汽即能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動。那麼，他的效率就可以提高一倍。

1782 年，瓦特製出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利，並首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽，這是瓦特在改進紐可門蒸汽機的過程中的第三次革新，也使紐可門蒸汽機完全演變成瓦特蒸汽機。

從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機研製成功，瓦特走過了二十多年的艱難歷程，終於完成了對紐可門蒸汽機的三次革新。更使蒸汽機得到了更廣泛的應用，成為改造世界的動力。 1784 年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四項專利。 1785 年，瓦特被當選為英國皇家學會會員。 1814 年，他被法國科學家學會接納為外國會員。

1790 年以後，優厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢的名人。 1819 年 8 月 5日，瓦特在希思菲爾德郡的家裏去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區的教堂裏。

瓦特生活在十八、十九世紀的英國，所以在他的身上不可避免的帶有時代和階級的侷限。他曾經阻撓雙筒蒸汽機和高壓蒸汽機的發明和推廣，還嘲笑別人用蒸汽機來驅動車輛的努力。

恩格斯在《自然辨證法》中這樣寫道：“蒸汽機是第一個真正國際性的發明 …… 瓦特給它加上了一個分離的冷凝器，這就使蒸汽機達到了現在的水平。”

後人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定為“瓦特”。

The major components of a Watt pumping engine

JAMES WATT This working model was invented in 1778.

Rotative steam engine by Boulton and Watt, 1788

http://www.youtube.com/watch?v=EMNrtOcZ6XQ&feature=youtube_gdata_player

http://www.videosurf.com/video/boulton-and-watt-engine-at-the-national-museum-of-scotland-83338222

Watt’s parallel motion

1. four-bar linkage consisting of AB, BE and EG and the base link is AG 2. parallelogram linkage BCDE to form a pantograph

Watt’s LinkagePantograph

The Double-Acting, Triple Expansion Steam Engine. The steam travels through the engine from left to right

The engine shown in the picture below is a Double-Acting steam engine because the valve allows high-pressure steam to act alternately on both faces of the piston. The animation below it shows the engine in action:

High-pressure steam in

Exhaust steam out

Watt parallel motion on a pumping engine

A late version of a Watt double-acting steam engine, in the lobby of the Superior Technical School of Industrial Engineers of the UPM (Madrid Spain ). Steam engines of this kind propelled the Industrial Revolution in Great Britain and the world.

The 1817 engine in Birmingham, England

瓦 特 的 介 紹 結 束

本章大綱本章大綱 討論蒸汽動力循環的兩個性能準則：討論蒸汽動力循環的兩個性能準則：

• 熱效率熱效率• 比功輸出比功輸出

討論蒸汽的卡諾循環討論蒸汽的卡諾循環 使用卡諾循環之限制以介紹冉肯循環使用卡諾循環之限制以介紹冉肯循環 分析蒸汽的冉肯循環分析蒸汽的冉肯循環 比較冉肯循環及卡諾循環的性能比較冉肯循環及卡諾循環的性能

討論使用過熱蒸汽及兩階段膨脹以改進討論使用過熱蒸汽及兩階段膨脹以改進 冉肯循環冉肯循環 討論逆卡諾循環為冷凍機的基礎討論逆卡諾循環為冷凍機的基礎 介紹冷凍系統中的蒸汽介紹冷凍系統中的蒸汽 - - 壓縮循環壓縮循環 討論蒸汽討論蒸汽 - - 壓縮循環中冷凍劑的特色壓縮循環中冷凍劑的特色 討論實際冷凍情況下的修正蒸汽壓縮及討論實際冷凍情況下的修正蒸汽壓縮及 吸收式系統吸收式系統

本章大綱本章大綱

7.17.1 蒸汽動力循環蒸汽動力循環理想熱機，通常在兩熱源 ( 一高溫熱源，另一為低溫熱槽 )間運轉。在蒸汽動力循環 (steam power cycle) 中，高溫熱源指的就是鍋爐，低溫熱 源就是冷凝器。早期的紐可門蒸汽機熱效率遠低於 1 % ，目前在蒸汽動力廠中，蒸汽循環的熱效率大約在 35 %

在整個發展期間熱效率的增加情況，三世紀以來熱效率大約提高了 50 倍。

7.1 蒸汽動力循環

燃料 ( 煤 ) 的消耗量大約是紐可門蒸汽機的 1/50 ，這意謂著，若使用紐可門蒸汽機，不僅成本增加 50 倍，而且煤礦的貯存量也會以較快的速率被消耗掉。

7.1 蒸汽動力循環

提高熱效率不僅可以降低成本，而且也有助於能源的保存。

7.1 蒸汽動力循環

熱機效率H

L1T

T

提高 TH 及降低 TL 都可使熱效率提高對一固定的冷凝器壓力 P = 20 kPa , T = 60.1 (333.1 K)℃下，兩個不同壓力的鍋爐，其熱效率有何差別？

壓 力

400 kPa

20 MPa

TH

143.6 (℃ 416.6 K)

365.8 (℃ 638.8 K)

HL /1 TT

0.20

0.48

鍋爐壓力增加使熱效率也相對地提高！

7.1 蒸汽動力循環

實際上，由於許多機件，如往復式蒸汽機或迴轉式輪機的不可逆因素，使得實際熱效率小於理想熱效率，但僅管如此，在提出一些可以提升蒸汽循環實際性能的熱力變化時，理想熱效率仍是一個十分有用的觀念。

判斷實際蒸汽廠的性能時，熱效率是一項重要準則。 熱效率愈高，燃料消耗率愈低，即所需的燃料 質量流率較小，運轉成本也愈低。 蒸汽廠的大小則與質量流率有關，並決定主要 成本，因此成本與熱效率成反比的關係！

7.1 蒸汽動力循環

7.27.2 卡諾循環卡諾循環卡諾循環 (Carnot cycle)

在卡諾循環中，鍋爐的加熱及冷凝器的散熱都是 在等溫過程中完成。

1→2 在鍋爐中等溫加熱2→3 可逆絕熱膨脹3→4 在凝結器中等溫排熱4→1 可逆絕熱壓縮

1→2 在一特定鍋爐壓力下飽和液變成飽和蒸汽！TH =T1= T2 , TL =T3= T4

innetin

net qwq

w )( 12 hh 比輸出功 (單位質量流體所作的淨功 )

7.2 卡諾循環

一座以卡諾循環運轉的蒸汽廠，鍋爐壓力 1 MPa ，冷凝器壓力 20 kPa ，試求此蒸汽廠的熱效率及比輸出功。

例題 7-1

[ 解 ] K9.4529.179 MPa1 CTH：

K1.3331.60 kPa 20 CTL：

265.09.452

1.33311

H

L T

T

kJ/kg 3.2015 MPa1 12 fgfgin hhhhhq：

kJ/kg 1.534)3.2015(265.0 innet qw

7.2 卡諾循環

7.37.3 冉肯循環冉肯循環

卡諾循環是一理想狀況，因為(1) 在卡諾循環中，狀態 4 為液汽混合物，狀態 1 則為飽和液，要利用泵達成以上相變化是困難的。(2) 冷凝過程難以控制剛好使濕蒸汽達到狀態 4 。

卡諾循環的限制

將卡諾循環加以修正：在冷凝過程使濕蒸汽變成水，再利用泵將水加壓並送入鍋爐，而這就是冉肯循環( Rankine Cycle ) 。

Carnot cycle Rankine cycle

1→2 在鍋爐中等壓加熱2→3 可逆絕熱膨脹3→4 在凝結器中等溫排熱 至飽和液狀態4→1 可逆絕熱壓縮

7.3 冉肯循環

12

4123

in

net

q

ww

q

w

3223 hhw 輪機：所有機件皆為穩流：

)( 1441 PPvw 泵：)( 41 PPv

1212 hhq 鍋爐：

12

4132 )(

hh

PPvhh

7.3 冉肯循環

一座以冉肯循環運轉的蒸汽廠，鍋爐壓力 1 MPa ，冷凝器壓力 20 kPa ，試求此蒸汽廠的熱效率及比輸出功。假設蒸汽離開鍋爐時為飽和蒸汽。

例題 7-2

[ 解 ] kJ/kg 1.2778 MPa,1 2 2 h：狀態 KkJ/kg 5865.62 s

5865.6 3 23 ss：狀態)0766.7(8320.05865.6 x

813.0x7.2168)3.2358(813.040.2513 h

40.251 4 4 h：狀態

7.3 冉肯循環

：kPa 20

1 1 h無法直接用查表求：狀態

1441 hhw 泵：

4.252)980.0(40.251 4141 whh

12

4132 )(

hh

PPvhh

)( 4141 PPvw 980.0)201000(001.0

241.07.2525

4.608

4.2521.2778

980.07.21681.2778

kJ/kg 4.608 net w同時

7.3 冉肯循環

卡諾循環及冉肯循環的比較1. 由例題 7.1 ( = 0.265) 及 7.2 (=0.241) 的結果比較 可以得知在相同的鍋爐及冷凝器壓力下，卡諾循 環的熱效率高於冉肯循環的熱效率。

2. 在狀態 1 的飽和水溫度低於鍋爐的飽和溫度，雖 然冉肯循環的熱效率較低，但相對的，它的比輸 出功有 608 kJ/kg 卻比卡諾循環的 534 kJ/kg 來得 高，主要原因在於對冉肯循環而言，輸入泵的功 為 0.98 kJ/kg 遠比卡諾循環中輸入到壓縮器的功 為 77 kJ/kg ( 請自己驗證此數據 ) 來得小。

3. 我們假設例題 7.1 及 7.2 中卡諾及冉肯循環中的 輪機、壓縮機及泵的運轉十分完美，實際上，這 些機件的絕熱效率通常都小於 1 。

7.3 冉肯循環

考慮機件效率對循環熱效率的影響。由圖中可以發現，當機件效率小於 0.8 時，修正的卡諾循環熱效率低於冉肯循環的熱效率。因此，對蒸汽機而言，冉肯循環是較為實際的循環，其原因有二：1.考慮實際元件如輪機和泵的效率時，冉肯循環的 熱效率並沒有太大的落差。2.冉肯循環的比輸出功比卡諾循環高。

7.3 冉肯循環

7.47.4 冉肯循環的發展冉肯循環的發展以冉肯循環運轉的蒸汽廠，其熱效率會隨鍋爐壓力的增加而提高。

提高鍋爐壓力1-2-3-4-1 → 1-2-3-4-1

熱效率較高輸出功較大

狀態 3 的乾度較低 水份多易造成輪機葉片的侵蝕與損壞 再次改進

過熱冉肯循環

狀態 2 的過熱溫度愈高，狀態 3 就愈乾燥！狀態 2 也不可超過 600oC否則一般輪機無法承受！目前使用石化燃料的動力廠大多以 565oC 的過熱溫度運轉。

3223 hhw

4123 wwwnet 2341 01.0 , ww 典型的蒸汽動力廠

4123 , hhwwnet 421212 hhhhq

42

32

in

net

hh

hh

q

w

7.4 冉肯循環的發展

一蒸汽動力廠離開鍋爐的蒸汽壓力為 1 MPa ，溫度300oC ，若冷凝器壓力 20 kPa ，試求此蒸汽廠的熱效率及比輸出功。假設提供給泵的功可忽略。

例題 7-3

[ 解 ]kJ/kg3051.2 300 MPa,1 2 hC ：

32 KkJ/kg1229.7 s s

)0766.7(8320.01229.7 x：kPa 20

889.0x 9.2347)3.2358(889.040.251 , 3 h

40.2514 h 251.04.2512.3051

9.23472.3051 ,

42

32

hh

hh

7.4 冉肯循環的發展

kJ/kg 3.7039.23472.305132 hhwnet

本例題 = 0.251 高於例題 7.2 , = 0.241 ，且本例題 wnet=703.3 kJ/kg 高於例題 7.2 ,wnet = 608.4 kJ/kg 。

重熱冉肯循環使離開輪機的蒸汽達到飽和汽將狀態 3 再進鍋爐第二次加熱2→3 高壓膨脹3→4 鍋爐再加熱4→5 低壓膨脹

7.4 冉肯循環的發展

重熱冉肯循環

逆卡諾循環逆卡諾循環卡諾循環包含兩個可逆等溫傳熱過程，其它兩個為可逆絕熱膨脹及壓縮過程，因為所有過程都是可逆過程，所以整個循環只要改變熱及功傳遞方向就可使其逆轉，這種逆卡諾循環就是冷凍機的基礎。

1→2 在壓縮機中絕熱壓縮2→3 從凝結器中等溫排熱至外界3→4 在膨脹器中絕熱膨脹

4→1 自冷凍空間 ( 蒸發器 ) 中等溫吸熱

輸入淨功吸收的熱

COP

net

L

w

q

LH

L

qq

q

LH

L

TT

T

一以逆卡諾循環運轉的冷凍機，以冷凍劑 R-12 為工作流體，若蒸發器溫度 5oC ，冷凝器溫度 35oC ，試求： (1) 性能係數； (2) 蒸發器吸收的熱能。

例題 7-4

[ 解 ] K2682735 LT

K30827335 HT

7.6268308

268

LH

L

TT

TCOP

kJ/kg 55.69 kJ/kg, 45.201 ,35 3.A 32 hhC：附錄

kJ/kg 9.13155.6945.20132 hhqH

LH

L

qq

qCOP

L

L

q

q

9.1317.6

kJ/kg 8.114Lq

7.67.6 蒸氣壓縮冷凍循環蒸氣壓縮冷凍循環在逆卡諾循環中，要從狀態 3 的飽和液，膨脹到狀態 4 的濕蒸氣，並得到可用功輸出往往十分困難，所以通常利用一節流閥來取代膨脹器；而此類系統即稱為蒸汽壓縮冷凍循環。

蒸汽壓縮冷凍循環1→2 在壓縮機中絕熱壓縮2→3 從凝結器中等溫排熱至外界3→4 經節流閥不可逆膨脹

4→1 自冷凍空間 ( 蒸發器 ) 中等溫吸熱

12

41

w

q

w

qCOP

net

L

4141 hhq

1212 hhw

12

41 hh

hhCOP

34 hh 節流閥：

一以蒸汽壓縮冷凍循環運轉的冷凍機，以 R-12 為冷凍劑 ，若蒸發器溫度 5oC ，冷凝器溫度 35oC ，試求： (1) 性能係數； (2) 蒸發器吸收的熱能。

例題 7-5

[ 解 ]

kJ/kg 45.201

,35 3.A

2 h

C：附錄

KkJ/kg 6839.0

kJ/kg 55.69

2

43

s

hh

KkJ/kg 6839.021 ss )1251.06991.0(1251.0 1 x

9735.01 x )45.3138.185(9735.045.311 h30.181

12

41

hh

hhCOP

546.530.18145.201

55.6930.181

蒸發器吸收的熱能kJ/kg 8.11155.6930.18141 hhqL

kJ/kg 8.114 ,7.6

)( 4.7

LqCOP

：逆卡諾循環中在例題

冷凍冷凍劑劑在蒸汽壓縮循環中，所使用的冷凍劑在蒸汽壓縮循環中，所使用的冷凍劑 (refrigerants) (refrigerants)

多多是是氟氯碳化物氟氯碳化物。。一般而言，一般而言，蒸發器的溫度必須比外冷凍空間溫度低蒸發器的溫度必須比外冷凍空間溫度低 1010℃℃。。

C5

C5

C25

C35

循環中的最低壓力及最低溫度，是在系統內的蒸發器最高壓力及最高溫度則是在系統內的冷凝器蒸發器的壓力必須高於大氣壓力，以防止空氣滲入系統內。而冷凝器的溫度必須低於冷凍劑的臨界點，以保證等溫散熱能夠發生。

冷凍劑必須是無毒、無腐蝕性而且不易燃。冷凍劑必須是無毒、無腐蝕性而且不易燃。三種常用的冷凍劑為三種常用的冷凍劑為 R-11R-11 、、 R-12R-12 及及 R-22R-22 ，表，表 7.1 7.1 列出這三種冷凍劑及列出這三種冷凍劑及 R-134a R-134a 的特性，的特性， R-12 R-12 的熱力的熱力及化學性質都十分優良，所以是三種冷凍劑中最及化學性質都十分優良，所以是三種冷凍劑中最常用的一種，附錄常用的一種，附錄 A3 A3 列出列出 R-12 R-12 的性質。的性質。

冷涷劑冷涷劑 R-11R-11 R-12R-12 R-22R-22 R-134aR-134a

化學式化學式 CClCCl33FF CClCCl22FF22 CHClFCHClF22 CHCH22FCFFCF33

沸點，℃沸點，℃ 23.823.8 29.829.8 40.840.8 26.226.2

臨界溫度，℃臨界溫度，℃ 198198 112112 9696 100.6100.6

臨界壓力臨界壓力，， MPaMPa 4.44.4 4.14.1 5.05.0 3.83.8

臭氧消耗勢臭氧消耗勢 11 11 0.050.05 00

冷凍劑特性冷凍劑特性這些氟氯碳化物一旦釋放到外界，會對自然界產生這些氟氯碳化物一旦釋放到外界，會對自然界產生很大的傷害，特別很大的傷害，特別對臭氧層的破壞對臭氧層的破壞最為嚴重，因此最為嚴重，因此一種新型冷凍劑一種新型冷凍劑 R-134aR-134a 在在 1991 1991 年開始生產使用，年開始生產使用，由表由表 7.1 7.1 可看出可看出 R-134a R-134a 與其它冷凍劑的差別在於與其它冷凍劑的差別在於 R-134a R-134a 結構中缺乏氯結構中缺乏氯，由於它們的熱力性質十分接，由於它們的熱力性質十分接近，所以可以用來取代 近，所以可以用來取代 R-12 , R-134a R-12 , R-134a 的性質，可參的性質，可參考附錄考附錄 A-4A-4 。。

一以蒸汽壓縮冷凍循環運轉的冷凍機，以 R-134a 為冷凍劑 ，若蒸發器溫度 5oC ，冷凝器溫度 35oC ，試求： (1) 性能係數； (2) 蒸發器吸收的熱能。

例題 7-6

[ 解 ]

kJ/kg 53.265

,35 4.A

2 h

C：附錄

KkJ/kg 9051.0

kJ/kg 21.99

2

43

s

hh

KkJ/kg 9051.021 ss )1773.09168.0(1773.0 1 x

9842.01 x )52.4483.242(9842.052.441 h70.239

12

41

hh

hhCOP

439.570.23953.265

21.9970.239

蒸發器吸收的熱能kJ/kg 5.14021.9970.23941 hhqL

kJ/kg 8.111 ,546.5

) 12-( 5.7

LqCOP

R ：冷凍劑中在例題

實際的冷凍系實際的冷凍系統統

家用的冰箱家用的冰箱 常使用蒸汽壓縮循環作為設計的基礎，在冰常使用蒸汽壓縮循環作為設計的基礎，在冰箱箱

後面的線圈，主要的功用為充當冷凝器並將後面的線圈，主要的功用為充當冷凝器並將熱熱

能傳遞到外界，所使用的壓縮機大多為往復能傳遞到外界，所使用的壓縮機大多為往復式式

並置放於一完全密閉的箱內。並置放於一完全密閉的箱內。

以蒸汽壓縮循環運轉的冰箱，其實際情況與理 想狀況完全不同，主要原因有：

1. 欲使蒸發過程精確地到達狀態 1 ，是非常困難的。2. 在壓縮過程中往往會伴隨著摩擦，所以實際過程 為不可逆，原本由 1 至 2 的過程實際上會被由 1 至 2a 的過程所取代。3. 在冷凝過程中，若使 狀態 3 的溫度稍低於 飽和溫度，可以提升 循環的性能。當考慮到所有修正時，一蒸當考慮到所有修正時，一蒸汽壓縮循環的實際性能汽壓縮循環的實際性能係數大約只有係數大約只有 3 3 ～～ 4 4 之間。之間。

利用利用液體吸收冷凍劑液體吸收冷凍劑成為溶液，再使用泵加壓溶液成為溶液，再使用泵加壓溶液所需的功，一般會比使用壓縮機所需的功來得少。所需的功，一般會比使用壓縮機所需的功來得少。在吸收式冷凍循環中壓縮 機 被一包含吸收器、泵、在吸收式冷凍循環中壓縮 機 被一包含吸收器、泵、發生器及閥門的子系統所取代，冷凍劑在吸收器內發生器及閥門的子系統所取代，冷凍劑在吸收器內被液體吸收，這些混合液並被加壓進入發生器，在被液體吸收，這些混合液並被加壓進入發生器，在此熱由外界傳入，所以冷凍劑會由液體中釋放出，此熱由外界傳入，所以冷凍劑會由液體中釋放出，之後冷凍劑再進入狀態之後冷凍劑再進入狀態 2 2 的冷凝器，而液體則經閥的冷凝器，而液體則經閥門流回吸收器。門流回吸收器。

吸收式冷凍循環吸收式冷凍循環

吸收式冷凍循環 冷凍劑在吸收器內被液體吸收，這些混合液並被泵泵加壓進入發生器，在此熱由外界傳入，所以冷凍劑會由液體中釋放出，之後冷凍劑再進入狀態 2 的冷凝器，而液體則經閥門流回吸收器。

最常見的吸收式冷凍系統是最常見的吸收式冷凍系統是以氨為冷凍劑以氨為冷凍劑，而，而以水以水作為吸收液作為吸收液，也有使用水溴化鋰，在這裡水的功用，也有使用水溴化鋰，在這裡水的功用是冷凍劑。由於發生器需要輸入大量的熱，所以其是冷凍劑。由於發生器需要輸入大量的熱，所以其性能係數比蒸汽壓縮式系統來得低，對一台小型家性能係數比蒸汽壓縮式系統來得低，對一台小型家用冷凍機而言，性能係數大約為用冷凍機而言，性能係數大約為 11 。。

本章習題

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