110 高普考高考三級 輪機技術 輔機 考古題詳解

核心觀念

本題比較離心式泵與齒輪式泵的性能關係。離心式泵屬於動力式泵，靠葉輪將能量傳給液體，流量會隨系統水頭而變；齒輪式泵屬於容積式泵，每轉排出近似固定容積的液體，流量主要由轉速決定。

以下以 $H$ 表示泵所提供的水頭、$Q$ 表示排量（流量）、$N$ 表示轉速、$P$ 表示軸功率。比較時假設泵型與葉輪或齒輪尺寸固定，並以正常運轉範圍為準。

解題方法

先辨認泵的型式，再依其工作原理判斷各項關係：

• 離心式泵：在固定轉速下，水頭增加時排量通常下降；套用相似律時，$H$ 與 $N^2$ 成正比、$Q$ 與 $N$ 成正比、$P$ 與 $N^3$ 成正比。
• 齒輪式泵：每轉的理論排量近似固定，因此流量與轉速近似成正比；排出壓力（或等效水頭）由管路阻力與系統需求決定，並非由轉速平方關係直接決定。

各項特性關係

(一) 水頭與排量

**離心式泵：**在轉速固定時，泵的 $H$–$Q$ 曲線通常呈下降趨勢：水頭愈高，排量愈小；關閉出口時排量為零，泵仍可建立關閉水頭。

**齒輪式泵：**屬於容積式泵，每轉排出近似固定容積。在轉速固定時，排量大致不隨水頭改變；水頭或壓差增加時，內漏會增加，實際排量略降。

(二) 轉速與水頭

**離心式泵：**在相似運轉條件下，水頭與轉速平方成正比：

$$H \propto N^2$$

若轉速改為原來的 $k$ 倍，水頭約改為 $k^2$ 倍。

**齒輪式泵：**轉速主要改變流量，並不直接決定排出水頭。排出水頭由系統阻力、背壓及洩漏等因素決定；若管路條件不變，轉速提高會使流量增加，也可能因管路阻力上升而使實際排出水頭提高，但沒有固定的 $H \propto N^2$ 關係。

(三) 轉速與排量

**離心式泵：**在相似條件下，排量與轉速成正比：

$$Q \propto N$$

**齒輪式泵：**理論排量為每轉排量乘以轉速，因此也近似與轉速成正比：

$$Q_{\mathrm{th}} = V_d N$$

其中 $V_d$ 為每轉排量。實際排量須扣除內漏，故可寫為 $Q_{\mathrm{act}} \approx V_dN-Q_{\mathrm{leak}}$；壓差愈大，內漏通常愈多。

(四) 水頭與所需功率

**離心式泵：**液體獲得的水力功率為

$$P_{\mathrm{hyd}} = \rho gQH$$

軸功率為

$$P_{\mathrm{shaft}} = \frac{\rho gQH}{\eta}$$

核心觀念

真空沸騰式造水機利用低壓使海水在較低溫度下沸騰，再將水蒸氣冷凝成淡水。其基本關係是：真空度愈高，機內絕對壓力愈低，海水沸點也愈低；真空度愈低，則沸點愈高。

可用水的飽和關係表示：

$$P_{\text{abs}}=P_{\text{atm}}-P_{\text{vac}},\qquad T_{\text{boil}}=T_{\text{sat}}(P_{\text{abs}})$$

其中 $P_{\text{abs}}$ 為機內絕對壓力，$P_{\text{vac}}$ 為真空表所表示的真空壓力。實際沸點也會受海水鹽分及設備狀況影響。

解題方法

本題分兩部分作答：先依「真空度改變會使沸點如何變化」說明過高、過低的影響；再從維持真空的機理，說明如何減少不凝結氣體、持續排除氣體與鹵水，並確保蒸汽能被冷凝。

真空度過高或過低的不良影響

**真空度過高：**機內壓力過低，海水沸點隨之過低。若熱源溫度維持不變，蒸發器兩側的溫差可能過大，造成沸騰過於激烈，水滴容易被蒸汽夾帶通過除霧器，導致淡水含鹽量升高。過低的蒸發溫度也會使造水機偏離適當操作範圍，產水量可能下降，需調整熱源或操作條件。

**真空度過低：**機內壓力升高，海水沸點上升。若使用主機缸套冷卻水等低溫熱源，熱源與海水沸點的溫差縮小，蒸發量與產水量降低；若熱源不足以使海水達到沸騰條件，造水機便難以正常產水。沸點升高也會增加結垢傾向，降低傳熱效率。

維持足夠且持續真空度的條件

核心觀念

兩段式往復式空壓機分別由低壓段與高壓段壓縮空氣。壓縮會使空氣溫度升高，因此冷卻的目的有兩方面：一是控制空氣與機件溫度，避免過熱；二是降低段間空氣溫度、提高後續壓縮效率。

本題所問的冷卻部位，應同時涵蓋壓縮機本體、段間空氣及末段排出空氣。典型系統依序為：低壓段壓縮、段間冷卻器、高壓段壓縮、末段冷卻器，並以冷卻水或空氣帶走熱量。

解題方法

依空氣流經壓縮機的順序，逐一列出冷卻位置，再說明各位置的作用與效益：

1. 氣缸、氣缸蓋及氣缸套（水套或散熱片）：冷卻壓縮機本體。
2. 段間冷卻器（intercooler）：冷卻低壓段排出的空氣，再送入高壓段。
3. 末段冷卻器（aftercooler）：冷卻高壓段排出的空氣，再送往空氣瓶。
4. 潤滑油冷卻器（若系統設有）：控制潤滑油溫度，維持潤滑與軸承工作條件。

各部位冷卻的作用與好處

1. 氣缸與氣缸蓋

低壓段和高壓段在壓縮過程中都會產生熱量，熱量會傳至氣缸、氣缸蓋、活塞及相關機件。以冷卻水帶走熱量，或以散熱片配合空氣冷卻，可避免金屬溫度過高。

**好處：**減少機件熱變形、磨耗及潤滑油劣化，維持氣缸密封與機器可靠運轉，也降低因過熱造成損壞的風險。

2. 段間冷卻器

核心觀念

蒸氣壓縮冷凍系統的壓縮機吸入壓力，主要由蒸發器內冷媒的蒸發狀況決定。吸入壓力過低，表示蒸發壓力偏低；對應的蒸發溫度也會降低，造成冷凍能力不足，並可能使壓縮機排氣溫度升高。判斷原因時，可沿著兩條線索檢查：

1. 冷媒供應不足或流動受阻：蒸發器得到的冷媒太少。
2. 蒸發器熱負荷不足或冷媒蒸發不良：冷媒吸收的熱量太少。

解題方法：依系統流程逐段排查

由冷媒循環路徑檢查「冷媒量與流量、節流裝置、蒸發器熱負荷、壓縮機與管路」，並將每一類原因對應到處置方式。實務上應同時觀察吸入壓力、蒸發器結霜情況、液管與吸氣管狀態、視液鏡及膨脹閥運作情形，避免只依單一壓力表讀值判斷。

可能原因與處理對策

可能原因	判斷與影響	處理對策
冷媒充填量不足或系統洩漏	蒸發器供液不足，吸入壓力下降；視液鏡可能出現氣泡，且系統冷凍能力降低。	以檢漏方式查明洩漏處並修復；依規定回收、抽真空後充填適量冷媒。不可只補充冷媒而不處理洩漏原因。
液管、乾燥過濾器或濾網堵塞	冷媒通過受阻，節流裝置前供液不足，蒸發器缺液，吸入壓力偏低；堵塞處前後可能有明顯溫差或結霜。	清潔或更換堵塞的過濾器、濾網及管段；檢查系統是否有水分、污物或焊渣，必要時更換乾燥劑並重新抽真空。
膨脹閥開度過小、故障或感溫包安裝不良	膨脹閥供液不足，使蒸發器缺液；感溫包鬆脫、位置不當或隔熱不良，也會使閥的調節失準。	檢查閥件、感溫包固定位置與隔熱狀況，確認均壓管暢通；依操作規範調整或更換膨脹閥。調整後應確認過熱度適當，避免供液過多造成液態冷媒回流。
蒸發器結霜、污垢或水垢，傳熱不良	冷媒與被冷卻介質間的熱交換減弱，蒸發器吸熱量降低，冷媒蒸發量減少，吸入壓力下降。

核心觀念

本題為英文翻譯，主題是船舶污水處理設備的消毒與排放流程。翻譯時要掌握設備名稱、艙室功能及液位控制的因果關係：澄清後的水加入消毒劑進行消毒，再由排放泵排出；浮球式開關則依艙內液位啟停排放泵。

解題方法

先按設備流程整理句意，再逐句翻譯：

1. 設備構成：污水處理設備由一座槽體及三個主要艙室組成，分別為曝氣艙、沉澱（澄清）艙，以及加氯與排放艙。
2. 消毒流程：澄清艙流出的水與消毒劑（次氯酸鈉）混合，並經消毒處理。
3. 排放泵控制：液位升至高水位時，浮球式開關啟動排放泵；艙室水量接近排空時，開關使泵停止。
4. 藥劑添加方式：將錠劑放入艙內的藥劑籃。水位上升、艙內進水時，錠劑逐漸溶解。

參考譯文

本污水處理設備由一座槽體構成，槽體內分為三個主要艙室：曝氣艙、沉澱（澄清）艙，以及加氯與排放艙。

澄清艙流出的水會與消毒劑（次氯酸鈉）混合並接受消毒處理。加氯與排放艙內設有浮球式液位開關；當水位達到高水位時，開關會啟動排放泵排出處理水；當艙室水量接近排空時，則會使排放泵停止。