114 高普考高考三級 輪機技術 輔機 考古題詳解

核心觀念

本題要說明兩個不同層次的流體力學概念：

• 雷諾數 $Re$ 是無因次參數，用來比較流體中的慣性力與黏滯力，並據此判斷流動型態及黏滯效應的相對重要性。
• 伯努利方程式（Bernoulli’s Equation, BE） 是理想條件下沿同一流線的機械能守恆式，描述壓力能、動能與位能之間的轉換。

兩者的關聯在於：伯努利方程式能否直接適用，取決於流動中的黏滯耗散是否可忽略；$Re$ 可協助判斷黏滯效應的相對大小，但不能單獨作為伯努利方程式適用與否的唯一判準。

雷諾數的物理意義

雷諾數定義為

$$Re=\frac{\rho V L}{\mu}=\frac{V L}{\nu}$$

其中，$\rho$ 為流體密度，$V$ 為特徵速度，$L$ 為特徵長度，$\mu$ 為動力黏度，$\nu=\mu/\rho$ 為運動黏度。

雷諾數可視為慣性力與黏滯力的比值：

$$Re \sim \frac{\text{慣性力}}{\text{黏滯力}}$$

因此：

• $Re$ 小：黏滯力相對重要，流體擾動容易被黏滯作用抑制，流動通常較平順，常見於層流或爬行流。
• $Re$ 大：慣性力相對重要，擾動較容易發展，流動較容易出現不穩定及渦流，常見於紊流。
• $Re$ 中間範圍：可能處於轉換區，流動型態會受到入口擾動、壁面粗糙度及幾何形狀等因素影響。

以圓管內流為例，常用經驗判別為：

• $Re_D \lesssim 2{,}300$：通常為層流。
• $2{,}300 \lesssim Re_D \lesssim 4{,}000$：轉換區。
• $Re_D \gtrsim 4{,}000$：通常為紊流。

這些界線是圓管內流的經驗值，不能直接套用到所有流場；外部流、非圓管流或特殊入口條件，須依各自幾何與流況判斷。

伯努利方程式的基本原理

伯努利方程式源自流體機械能守恆。對穩定、不可壓縮、無黏性流體，且沿同一流線、沒有泵或渦輪等軸功交換時，壓力能、動能與位能的總和保持不變：

$$\frac{p}{\rho g}+\frac{V^2}{2g}+z=\text{常數}$$

式中，$p/(\rho g)$ 為壓力水頭，$V^2/(2g)$ 為速度水頭，$z$ 為位置水頭。對流線上兩點 1、2，可寫成：

$$\frac{p_1}{\rho g}+\frac{V_1^2}{2g}+z_1 = \frac{p_2}{\rho g}+\frac{V_2^2}{2g}+z_2$$

此式表明，流體沿流線前進時，三種機械能可以互相轉換。例如，在水平管路中若流速增加，速度水頭增加，靜壓水頭通常隨之降低。

核心觀念

本題考查離心泵的結構型式如何對應流量與揚程，並要求將這項特性連結到船舶機艙的實際用途。離心泵靠葉輪旋轉使液體獲得能量，再經泵殼將速度能轉換為壓力能；選型時須同時考慮所需流量、揚程與管路阻力。

揚程 $H$ 是泵對單位重量液體所提供的能量，常以液柱高度表示；流量 $Q$ 是單位時間輸送的液體體積。泵的級數、葉輪及泵軸配置會影響可達揚程、流量與安裝方式。

解題方法

可依「泵軸與葉輪配置 → 流量、揚程特性 → 適用工作場域」作答。主要結構種類如下：

結構種類	流量與揚程特性	適用工作場域
單級單吸式	一個葉輪、液體由葉輪一側進入；結構簡單，適用中小流量及低至中揚程	冷卻水、潤滑油、燃油轉駁、一般供水等工作點需求不高的系統
單級雙吸式	一個葉輪、液體由葉輪兩側吸入；可在較大流量下運轉，兩側吸入有助於降低軸向推力，揚程仍屬單級範圍	大流量海水冷卻、循環水、壓載水等輸送量大的系統
多級式	多個葉輪依序串聯，液體逐級增壓；總揚程高，流量通常不因增加級數而大幅增加	鍋爐給水、需要克服高背壓或較大靜水頭的供水系統
臥式泵	泵軸水平配置；

核心觀念

空氣壓縮機出口排氣溫度過高，主要從兩個方向分析：壓縮過程產生的熱量增加，或冷卻系統帶走的熱量不足。船用起動空氣壓縮機多採多段壓縮，並在各段之間設置中間冷卻器，以降低進入下一段氣缸的空氣溫度。

理想氣體近似下，單段絕熱壓縮的出口溫度關係為：

$$\frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}$$

其中 $T_1、T_2$ 為壓縮前後的絕對溫度，$p_1、p_2$ 為壓縮前後的絕對壓力，$\gamma$ 為比熱比。由此可知，吸氣溫度愈高、壓縮比愈大，排氣溫度通常愈高；中間冷卻不足，則會使後續壓縮段的吸氣溫度升高。

解題方法

作答時，依「吸入空氣狀況、壓縮與閥件、冷卻系統、潤滑與機械狀況、排氣背壓」逐項檢查。每項都要交代其使排氣溫度升高的原因，避免只列故障名稱。

一、吸入空氣溫度過高或進氣受阻

• 機艙或壓縮機周圍環境溫度過高、通風不良：吸氣溫度 $T_1$ 上升，壓縮後排氣溫度也隨之升高。
• 吸氣濾器堵塞或進氣管受阻：進氣壓力降低，壓縮機吸入空氣量減少，運轉狀況與壓縮比可能惡化，造成排氣溫度升高。
• 吸氣管吸入熱風或回流熱氣：使吸入空氣溫度高於正常值，增加壓縮所需功及末端排氣溫度。

二、壓縮比過大或排氣壓力異常

• 排氣壓力設定過高：壓縮機必須把空氣壓至較高壓力，壓縮比增大，排氣溫度上升。
• 排氣管路、止回閥或空氣瓶入口堵塞，造成排氣背壓過高：壓縮機出口壓力升高，產生相同的壓縮比增大效應。
• 各段壓力分配不正常：若某一段承擔過多壓力比，該段排氣溫度會偏高；中間冷卻器效率降低也會使高壓段吸氣溫度升高。

三、中間冷卻器或氣缸冷卻不良

• 冷卻水流量不足、冷卻水溫過高或水路堵塞：冷卻能力下降，氣缸及中間冷卻器無法有效移走壓縮熱。
• 冷卻器管內結垢、腐蝕產物堆積，或氣側散熱面積被油污、積碳覆蓋：熱傳效果降低，前段排出的熱空氣未充分降溫，後段吸氣溫度升高。
• 冷卻器管束破損、冷卻水分配不均或冷卻水旁通：實際流經熱交換面的水量不足，造成冷卻效果變差。
• 氣缸水套冷卻不良：氣缸壁溫升高，壓縮空氣吸收較多熱量，出口溫度上升。

核心觀念

本題考查以主機缸套冷卻水（主機淡水冷卻系統）作為熱源的海水淡化裝置，啟停時如何兼顧蒸餾器操作安全與主機冷卻水系統穩定。缸套水經蒸餾器加熱器放熱後，仍回到主機冷卻系統；因此開關熱水通路會改變主機的散熱負荷，操作必須平順，避免主機缸套水溫度突變、過冷或流量不足。

蒸餾器啟動時，先建立真空並確認海水、噴射器及蒸餾水系統運作正常，再逐步導入缸套水。停用時則先切斷加熱，讓裝置降溫，再完成破真空及停泵程序。

解題方法

以「先確認蒸餾器條件，再逐步接入熱源；停用時先卸除熱負荷，再隔離蒸餾器」為答題主軸，分別說明主機運轉狀態、缸套水流量與溫度，以及啟停順序。

啟動時應注意事項

1. 確認主機已運轉穩定，缸套水溫度正常。 主機尚未暖機、負荷不穩或缸套水溫度偏低時，不宜急著投入蒸餾器。海水淡化裝置會從缸套水取熱，若主機冷卻水系統尚未穩定，可能使主機溫度控制受到影響。

2. 確認蒸餾器已具備啟動條件。 先檢查海水供應、噴射器／抽射泵、冷凝器、蒸餾水泵及相關閥件；按裝置程序建立真空，並確認真空與冷凝條件正常。蒸餾器未建立適當真空便加熱，會使沸騰條件及產水狀況不正常。

3. 缸套水進、出口閥應緩慢操作，逐步導入熱水。 依設備程序逐漸開啟通往加熱器的缸套水閥，並調整旁通閥或流量控制閥，使供水量逐步增加。應避免突然大量導入較冷的蒸餾器回水，造成主機缸套水溫度驟降或熱應力變化。

4. 維持主機缸套水正常循環。 確認缸套水回流暢通、主機入口與出口溫度及壓力在正常範圍，並持續監看主機冷卻水溫度。蒸餾器的加熱水路不得妨礙主機必要的冷卻水流量，也不得因閥位操作使主機冷卻水旁通或循環中斷。

5. 穩定後再接通產水。 蒸餾器運轉穩定、產水品質符合要求後，再將蒸餾水導入指定水櫃；含鹽量過高的蒸餾水應依設備控制程序排放，不可直接送入淡水櫃。

停用時應注意事項

核心觀念

本題考查英文翻譯，主題是港口國管制官對船舶防止油污染措施的檢查。文中提到的 MARPOL 73/78 附則 I，規範船舶防止油類污染；**港口國管制官（PSCO）**則透過檢查油類殘渣、污油艙底水、油水分離器、油類紀錄簿及相關設備，確認船舶符合要求。

解題方法

翻譯時先辨認專業術語，再依語意切分句子，保留「檢查項目、查核目的、船舶義務及制度目標」的關係。重要術語可譯為：

• oil residues：油類殘渣
• sludge：污油泥
• bilge water holding tanks：艙底水收集艙
• oily water separator：油水分離器
• Oil Record Book：油類紀錄簿
• reception facilities：港口接收設施
• oil filtering systems：油類過濾系統

參考譯文