113 專技高考高等考試 驗船師 輪機工程(包括1柴油機2鍋爐及壓力容器3泵、閥4起錨機、舵機5冷藏設備6通風設備7防止污染設備) 考古題詳解

核心觀念

柴油機實際運轉時，燃燒、噴油與氣體交換的過程十分複雜。為了用工程熱力學分析其功率與效率，通常將實際循環理想化為空氣標準循環，並依供熱方式分為：

1. 定容循環（奧圖循環，Otto cycle）：假設燃料燃燒的供熱過程在定容下完成，常用來近似分析高速柴油機。
2. 定壓循環（狄塞爾循環，Diesel cycle）：假設供熱過程在定壓下完成，常用來近似分析低速柴油機。
3. 混合循環（雙燃燒循環、薩巴特循環，Dual-combustion cycle）：假設供熱先在定容下、再在定壓下完成，較能反映柴油機實際燃燒過程。

圖中橫軸為比容 $v$，縱軸為壓力 $p$；各循環均由壓縮、供熱、膨脹及排熱四個理想過程構成。

解題方法與循環說明

一、定容循環（奧圖循環）

過程依序為：

• $1\to2$：等熵壓縮，$v$ 減小、$p$ 上升。
• $2\to3$：定容供熱，$v$ 不變、$p$ 上升。
• $3\to4$：等熵膨脹，氣體對外作功。
• $4\to1$：定容排熱，$v$ 不變、$p$ 下降。

 p
 ↑
 │ 3
 │ ↑ ╲
 │ │ ╲
 │ 2 ╲
 │ ╲ 4
 │ ╲ ↓
 │ ╲ 1
 └────────────────→ v

兩段垂直線 $2\to3$、$4\to1$ 表示定容過程。循環效率可寫為：

其中 $r=v_1/v_2$ 為壓縮比，$\gamma=c_p/c_v$。

二、定壓循環（狄塞爾循環）

過程依序為：

• $1\to2$：等熵壓縮。
• $2\to3$：定壓供熱，$p$ 不變、$v$ 增大。
• $3\to4$：等熵膨脹。
• $4\to1$：定容排熱。

 p
 ↑
 │ 2────────3
 │ ╲ ╲
 │ ╲ ╲
 │ ╲ 4
 │ ╲ ↓
 │ ╲ 1
 └──────────────────────→ v

核心觀念

本題考查鍋爐水中的雜質在受熱、蒸發與濃縮後，如何形成水垢或污泥，以及爐水中的腐蝕性物質如何破壞鍋爐金屬。

水垢會附著在受熱面上，降低傳熱效率，使金屬壁溫升高；若局部過熱，可能造成管壁變形、龜裂或燒損。鍋爐腐蝕則主要與溶解氣體、水質酸鹼度不當、鹽類濃縮及水處理不良有關。

解題方法

依題意分成三部分作答：先說明水垢的生成原因，再列出水垢分類，最後整理爐水造成鍋爐腐蝕的主要原因。分類時可同時採用「外觀與附著性」及「化學成分」兩種方式，避免只列出名稱而未交代分類基準。

一、水垢生成的原因

1. 給水含有鈣、鎂等硬度成分 給水中的鈣、鎂鹽類受熱後，溶解度降低或發生化學變化，形成難溶沉積物。例如碳酸氫鈣受熱分解，生成碳酸鈣沉澱：

$\mathrm{Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + CO_2 \uparrow + H_2O}$

鈣、鎂鹽類也可能與爐水中的碳酸根、硫酸根、矽酸根或磷酸根結合，生成難溶化合物。

2. 蒸發使爐水中的溶解鹽類濃縮 水分蒸發成蒸汽，鹽類留在鍋爐內；若排污不足或給水含鹽量過高，鹽類濃度持續升高，便容易析出沉積。

3. 受熱面局部過熱或水流不良 高熱負荷、循環不佳或局部水流停滯，會促使鹽類析出並附著在受熱面上。

4. 給水含有懸浮物、油脂、腐蝕生成物或處理藥劑控制不當 這些物質會沉積、聚集，或成為鹽類結晶附著的核心，增加沉積物形成的機會。

二、水垢大致分類

（一）依附著性及形態分類

• 硬垢：緻密、堅硬且牢固附著於受熱面，常見成分包括碳酸鈣、硫酸鈣及矽酸鹽。清除較困難，對傳熱影響明顯。
• 軟垢或污泥：較鬆散，常沉積於鍋爐底部或水流較弱處，通常可藉排污或清洗移除。污泥可含有沉澱鹽類、懸浮物及腐蝕產物。

（二）依主要化學成分分類

常見水垢包括：

核心觀念

噴射泵（jet pump，又稱引射器）利用工作流體的高速噴流引射另一股流體，經混合及擴壓後將兩股流體一同排出。泵內沒有葉輪、活塞等運動部件；能量由外部工作流體帶入，再透過動量交換傳給被吸入流體。

常用於抽吸、排水、抽氣及處理不易由一般泵直接輸送的流體。工作流體與被引射流體可以是液體或氣體；以下以液體噴射泵說明。

解題方法與原理

作圖時依流向標出四個部分：噴嘴、吸入室、混合喉管、擴散管。再說明工作流體在噴嘴中加速降壓、引射流體進入吸入室、兩股流體混合交換動量，最後在擴散管減速增壓。

工作流體入口
高壓、低速
 │
 ▼
 ┌──────┐ 被引射流體入口
 │ 噴嘴 │ │
 └──┬───┘ ▼
 │ 高速噴流、低壓 ┌───────────┐
 └───────────────►│ 吸入室 │
 └─────┬─────┘
 ▼
 ┌───────────┐
 │ 混合喉管 │ 兩股流體混合、交換動量
 └─────┬─────┘
 ▼
 ╱───────────╲
 ╱ 擴散管 ╲
 ╱ 流速下降 ╲
 ╱ 壓力回升 ╲
 └───────────────► 混合流體出口

能量及動量轉換

1. 工作流體進入噴嘴：高壓工作流體通過收縮噴嘴，壓力能轉換為速度能，形成高速噴流。噴嘴出口附近的靜壓降低，使吸入室形成低壓區。
2. 引射流體進入吸入室：吸入室壓力低於被引射流體入口側壓力，因此被引射流體流入吸入室。
3. 混合喉管內交換動量：高速工作流體與被引射流體混合，工作流體把部分動量傳給被引射流體。混合流體的速度逐漸趨於一致。
4. 擴散管內增壓：混合流體進入截面逐漸擴大的擴散管，流速降低，部分速度能轉換為壓力能，使混合流體能以高於吸入側的壓力排出。

整體而言，噴射泵並非自行產生能量，而是將工作流體的壓力能轉為速度能，再藉由混合與擴壓，使被引射流體獲得輸送所需的能量。

核心觀念

本題考查蒸氣壓縮式冷凍循環在壓力—焓圖（$P$—$h$ 圖）上的四個狀態點，以及冷凍性能係數 $COP$ 的定義。

冷凍性能係數是「每單位輸入功所能移除的熱量」：

其中 $Q_L$ 是冷媒在蒸發器吸收的熱量，$W_{\mathrm{in}}$ 是壓縮機輸入功。$COP_R$ 為性能比值，沒有單位。

解題方法

先在 $P$—$h$ 圖標出蒸發壓力與冷凝壓力，再依序標示壓縮、冷凝、膨脹及蒸發四個過程。假設為標準蒸氣壓縮冷凍循環：壓縮過程理想等熵，冷凝與蒸發過程等壓，膨脹閥節流等焓。

 壓力 P（對數尺度）
 ↑
 │ ● 2
 │ ╱ ╲
 │ ╱ ╲
 │ ● 3 ─────╯ ╲
 │ │ ╲
 │ │ ╲
 │ ● 4 ────────────── ● 1
 │ 蒸發（吸熱） │
 │ ↑
 │ 壓縮（理想等熵）
 └────────────────────────────────────→ 焓 h
 冷凝（放熱） 節流

圖中各狀態與過程如下：

• 狀態 1： 蒸發器出口、壓縮機入口的冷媒蒸氣。
• 1→2 壓縮： 壓力與焓上升；標準循環假設為等熵壓縮。
• 狀態 2： 壓縮機出口的高壓、高溫冷媒蒸氣。
• 2→3 冷凝： 冷媒在高壓下放熱，焓由 $h_2$ 降至 $h_3$。
• 狀態 3： 冷凝器出口的高壓液態冷媒。
• 3→4 節流： 冷媒通過膨脹閥降壓，理想節流為等焓過程，因此 $h_3=h_4$。
• 狀態 4： 低壓、低溫的液氣混合冷媒。

核心觀念

本題考《國際防止船舶污染公約》（MARPOL）及其六個技術附則的生效時序，並要求說明船舶柴油機廢氣排放管制。MARPOL 涵蓋船舶營運及事故造成的多類海洋污染，不限於油污染。

本題涉及國際公約及附則規定，以下以命題當年（民國 113 年）法規為準。

解題方法

先依公約名稱辨認 MARPOL，再比較六個附則各自的生效日期，找出最早與最晚者。柴油機廢氣則依《MARPOL 附則 VI》（防止船舶造成空氣污染規則）回答，重點是氮氧化物（NOx）分級管制與燃油硫含量限制。

六個附則的生效時序

因此，最早生效的是附則 I 與附則 II，兩者同於 1983 年 10 月 2 日生效；最晚生效的是附則 VI，於 2005 年 5 月 19 日生效。

柴油機廢氣排放要求

附則 VI 中與柴油機廢氣最直接相關的是第 13 條「柴油機氮氧化物排放管制」。適用對象原則上為輸出功率超過 130 kW 的船用柴油機，僅供緊急用途的機器除外。管制標準依船舶建造日期、航行區域及引擎額定轉速分為 Tier I、Tier II、Tier III；符合適用標準的引擎須依規定檢驗、認證，並持有引擎國際空氣污染防制證書（EIAPP Certificate）。