114 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

本題考查柴油機的工作循環與船舶推進系統配置。比較時應掌握兩項主軸：一是曲軸每轉幾圈完成一次工作循環、每缸做功幾次；二是換氣方式、轉速與船舶螺槳配置如何互相配合。

二行程柴油機以曲軸轉一圈完成一次工作循環，每缸每轉做功一次；四行程柴油機以曲軸轉兩圈完成一次工作循環，每缸每兩轉做功一次。兩者都以壓縮空氣使燃油自行著火，差異主要在工作循環安排及換氣方式。

解題方法

先依曲軸轉數整理工作行程，再比較換氣、構造與動力特性，最後連結船舶常見的主機用途。如此可避免只背「二行程較大、四行程較快」等結論，卻漏掉其背後的機械原因。

四行程的每缸平均做功頻率約為二行程的一半，但二行程仍可透過增加每缸排氣量、提高氣缸數或使用增壓來取得所需輸出。實際功率密度還取決於轉速、氣缸尺寸、增壓程度及機型設計，不能只由行程數直接判定。

船舶動力系統中的優缺點

二行程柴油機的優點

核心觀念

本題考查鍋爐中「受熱流體在管內或管外流動」的結構差異，以及這項差異如何影響鍋爐的壓力、容量、啟動速度、安全性與用途。

• 水管鍋爐：水在管內流動，管外受燃燒氣體加熱。
• 火管鍋爐：燃燒氣體在管內流動，管外由鍋殼中的水包圍並受熱。

兩者都是利用燃料燃燒產生高溫煙氣，將熱量經由管壁傳給水，使水升溫、汽化並產生蒸汽。主要區別在於水與煙氣分別位於哪一側。

解題方法

先辨認管內流體，即可判斷鍋爐型式；接著由受壓部位、含水量、受熱面積與循環方式，推導其性能差異。比較時可依序說明「結構與傳熱、運行原理、優缺點、應用範圍」。

一、水管鍋爐

**結構與運行原理：**水管鍋爐由汽包、下降管、水冷壁管、上升管、蒸汽過熱器及省煤器等構成。燃燒室內的高溫煙氣流經水管外側；管內的水吸收熱量後形成汽水混合物，因密度降低而沿上升管進入汽包。汽水在汽包內分離，水回到循環迴路，蒸汽則送往過熱器或蒸汽使用設備。大型鍋爐也可採強制循環或直流式設計。

優點：

• 管徑較小，受壓管壁易於承受高壓，適合高壓、大容量與高蒸發率。
• 受熱面可布置於爐膛及煙道中，傳熱面積大，熱效率高。
• 鍋爐內存水量較少，啟動較快；發生破管時，釋出的水與蒸汽總量通常較少。
• 容易配置過熱器、省煤器及空氣預熱器，以提高設備效率。

缺點：

• 結構與水汽循環系統較複雜，製造、安裝及維護成本較高。
• 對給水品質、水垢與腐蝕的控制要求嚴格；管內結垢會使傳熱惡化並造成管壁過熱。
• 水位與燃燒控制較精密，操作及保養要求較高。

**應用範圍：**適用於高壓、大容量及蒸汽需求變化大的場所，如大型船舶主推進或輔助蒸汽系統、電廠及大型工業鍋爐。

二、火管鍋爐

**結構與運行原理：**火管鍋爐以鍋殼盛水，爐膛及一組或多組煙管穿過鍋殼。燃料在爐膛燃燒後，煙氣經爐膛與煙管流動，熱量透過管壁傳給周圍的水。

核心觀念

壓縮式冷凍循環利用冷媒在低壓側蒸發吸熱、在高壓側凝結放熱，並由壓縮機輸入功，使冷媒能持續把熱量由低溫處移至高溫處。理想蒸氣壓縮循環由四個主要設備構成：壓縮機、冷凝器、膨脹閥（或節流裝置）及蒸發器。

以下以狀態點 $1\rightarrow2\rightarrow3\rightarrow4\rightarrow1$ 表示一個循環；$P$－$h$ 圖的縱軸為壓力，橫軸為比焓。理想循環假設壓縮過程等熵，冷凝與蒸發過程等壓，膨脹閥節流過程等焓。

四個階段及運作原理

1. 壓縮：$1\rightarrow2$，壓縮機

蒸發器出口的低壓冷媒蒸氣進入壓縮機，壓縮至冷凝壓力。理想情況為絕熱、等熵壓縮，故 $s_2=s_1$；冷媒壓力、溫度及比焓上升，成為高溫高壓蒸氣。壓縮機需輸入功：

$w_{\mathrm{in}}=h_2-h_1$

2. 冷凝：$2\rightarrow3$，冷凝器

高溫高壓冷媒在冷凝器中向海水或周圍環境放熱，先降溫，再凝結成高壓液體。理想情況下壓力維持不變，故為等壓放熱：

$q_H=h_2-h_3$

理想狀態點 $3$ 為飽和液體；實際設備也可能有過冷。

3. 膨脹（節流）：$3\rightarrow4$，膨脹閥

高壓液態冷媒流經膨脹閥，壓力由冷凝壓力降至蒸發壓力，部分液體瞬間汽化，使冷媒溫度降低。節流近似為絕熱、無軸功的穩定流動，因此比焓不變：

$h_4=h_3$

狀態點 $4$ 通常是低壓液汽混合物。節流不是等熵膨脹，熵通常增加。

4. 蒸發：$4\rightarrow1$，蒸發器

低壓冷媒在蒸發器內吸收冷藏空間或被冷卻介質的熱量，液體逐漸汽化。理想情況下壓力維持不變，為等壓吸熱：

$q_L=h_1-h_4$

冷媒離開蒸發器時通常為飽和蒸氣；實際系統可能略為過熱，以降低液態冷媒進入壓縮機的風險。

$P$－$h$ 圖

下圖為示意圖，縱軸採對數壓力；飽和液線與飽和蒸氣線之間為液汽兩相區。

核心觀念

船舶通風系統的任務，是依船舶空間用途，供應所需新鮮空氣、排出熱量與污染物，並維持適當的溫度、濕度及空氣品質。通風可分為自然通風與機械通風：自然通風利用風壓及室內外溫差形成的浮力；機械通風則利用風機送風、排風，或兩者併用。

通風效率可理解為空氣更新與污染物排除的效果。實務上常以換氣次數描述通風量相對於空間容積的大小：

其中，$N$ 為每小時換氣次數（次／小時）、$Q$ 為通風量（立方公尺／小時）、$V$ 為空間容積（立方公尺）。換氣次數是評估通風量的指標，但不能單獨代表通風效果；若氣流分布不良，仍會形成換氣不足的死角。

船舶通風系統的作用

1. 供應新鮮空氣及維持人員舒適 為居住艙、工作場所及機艙補充新鮮空氣，降低二氧化碳及異味累積，維持適當的溫度與濕度。

2. 排除熱量 排出主、輔機、鍋爐、電氣設備及管路散出的熱量，避免艙室過熱，並協助設備維持適當的工作環境。

3. 排除污染物及有害氣體 排出油氣、煙氣、粉塵、蒸氣及其他作業污染物，減少人員暴露與火災、爆炸等危害。機艙、貨艙及蓄電池間等空間，須依其風險與用途安排適當通風。

4. 控制濕氣、凝露及腐蝕 透過適當換氣，降低艙內濕氣與凝露，減少貨物受潮、金屬腐蝕及設備絕緣劣化。

5. 配合貨物與設備需求 依貨物特性調整送、排風及溫濕度條件，避免貨損；冷藏貨艙等空間則須配合冷藏系統，使空氣循環均勻，減少局部溫度差異。

6. 維持安全作業條件 在具備有害氣體或缺氧風險的空間，通風有助於改善空氣條件；但進入受限空間前仍須依安全程序確認氣體狀況，不能以「已通風」取代檢測與隔離措施。

解題方法

本題是申論題，宜分成「通風的目的」與「影響效率的因素」兩部分作答。先由空氣需要處理的問題切入：人員需要新鮮空氣、設備產生熱量、作業會產生污染物、艙內可能累積濕氣；再說明通風效率取決於「通風量是否足夠」及「氣流是否有效通過需要通風的區域」。

可用換氣次數公式說明通風量與空間容積的關係：

核心觀念

柴油機過熱，是指汽缸、活塞、汽缸蓋、排氣閥或潤滑油等部位的溫度超出正常工作範圍。題目考查的是辨識熱量產生過多或散熱不足的原因，並提出相應的預防措施。回答時可依「冷卻、潤滑、燃燒與負荷、排氣與機件狀況」分類說明。

解題方法

以柴油機的熱平衡為切入點：燃料燃燒產生的熱量，部分轉為有效功，其餘由冷卻水、潤滑油及排氣帶走。過熱主要由兩類情況造成：

1. 熱量產生過多：負荷過大、燃燒不良、噴油正時或噴油器異常。
2. 熱量帶走不足：冷卻水循環不良、潤滑不足、散熱器或熱交換器髒堵。

因此，逐項列出常見故障及對應的操作、保養措施，即可完整作答。

主要原因及預防措施

一、冷卻系統異常

原因： 冷卻水量不足、循環水泵故障、管路或水道堵塞、冷卻器及海水側結垢或污損、節溫器故障，以及冷卻水中混入空氣或冷卻水流量不足，都會降低散熱能力。

預防措施： 定期檢查冷卻水液位、壓力、流量及溫度，確認水泵、閥件和節溫器運作正常；按保養週期清潔冷卻器與水道，檢查管路有無漏水或堵塞，並依規定維持冷卻水品質。

二、潤滑不良

原因： 潤滑油油量不足、油壓過低、油路或濾器堵塞、油泵失效，或油品劣化，會使摩擦增大，造成軸承、活塞及汽缸等部位溫度上升。

預防措施： 定期確認油位、油壓及油溫，檢查油泵與油路，按時清潔或更換濾器，並依規定更換合格潤滑油；發現油壓異常時，應查明原因並處理。

三、超負荷或操作不當