112 年 國立成功大學系統及船舶機電工程研究所丙組《輪機工程》

本題主要考查板式熱交換器的結構與工作原理，以及其在壓力控制上的限制。

(a) 板式熱交換器無法於較高的壓力下操作的理由：
板式熱交換器由多片金屬板片堆疊而成，各板片之間透過密封墊片隔開，形成交錯的流道，讓兩種流體在不同通道內進行熱交換。板片本身通常較薄，以提高導熱效率。若操作壓力過高，超過板片及密封墊片的承受極限，容易導致板片變形、損壞，甚至發生洩漏，影響其正常工作。因此，板式熱交換器對操作壓力有嚴格的限制，通常適用於中低壓力的場合。若需要處理高壓流體，則需要採用其他類型的熱交換器，如殼管式熱交換器。

本題考查柴油引擎的基本性能參數計算，包括扭矩、平均有效壓力、比耗油率等，需要運用到引擎的功率、轉速、排量、燃油消耗等基本公式。

首先，將給定的單位轉換為標準單位：
缸徑 $D = 11.43$ cm $= 0.1143$ m
衝程 $L = 12.7$ cm $= 0.127$ m
引擎轉速 $N = 2100$ rpm
制動功率 $P_b = 167.85$ kW $= 167850$ W
指示功率 $P_i = 205.15$ kW $= 205150$ W
空氣質量流率 $\dot{m}_a = 16.68$ kg/min $= \frac{16.68}{60}$ kg/s $\approx 0.278$ kg/s
空氣燃料比 (AFR) $= 22$

引擎共有 $n = 6$ 個汽缸。

計算引擎的總排氣量 (Total Displacement Volume, $V_D$)
單缸排氣量 $V_d = \frac{\pi D^2}{4} \times L$
$V_d = \frac{\pi (0.1143 \text{ m})^2}{4} \times 0.127 \text{ m} \approx \frac{\pi \times 0.01306}{4} \times 0.127 \text{ m}^3 \approx 0.001031 \text{ m}^3$
總排氣量 $V_D = n \times V_d = 6 \times 0.001031 \text{ m}^3 \approx 0.006186 \text{ m}^3$

(a) 扭矩 (N-m)
功率與扭矩的關係為 $P = \frac{2 \pi N T}{60}$
其中 $P$ 是功率 (W)，$N$ 是轉速 (rpm)，$T$ 是扭矩 (N-m)。
我們使用制動功率來計算制動扭矩：
$T_b = \frac{P_b \times 60}{2 \pi N} = \frac{167850 \text{ W} \times 60}{2 \pi \times 2100 \text{ rpm}}$
$T_b = \frac{10071000}{13194.68} \approx 763.27$ N-m

【答案】(a) 約 $763.27$ N-m

(b) 制動平均有效壓力 (kPa)
平均有效壓力 (MEP) 定義為在一個工作循環中，由燃燒產生的平均壓力作用在活塞上的力所做的功，除以引擎的總排氣量。
制動平均有效壓力 (BMEP) 是基於制動功率計算的：
$P_{bmep} = \frac{P_b}{V_D \times n_{cycle}}$
對於二衝程引擎，每轉完成一個工作循環，所以每秒工作循環數為 $N/60$。

本題考查蒸汽壓縮式冷凍循環的基本組成與工作原理。蒸汽壓縮式冷凍循環是空調和製冷系統中最常見的類型。

蒸汽壓縮式冷凍循環主要由四個基本元件組成：壓縮機 (Compressor)、冷凝器 (Condenser)、膨脹閥 (Expansion Valve) 或節流裝置 (Throttling Device)，以及蒸發器 (Evaporator)。

以下是各元件的功能及所進行的理想過程：

1. 壓縮機 (Compressor)

   • 功能： 壓縮機是冷凍循環的心臟，其主要功能是提高低壓、低溫的製冷劑蒸汽的壓力與溫度。它將蒸發器出口的製冷劑蒸汽吸入，並將其壓縮成高壓、高溫的過熱蒸汽，然後排出。
   • 理想過程： 在理想情況下，壓縮機內的過程被視為 等熵壓縮 (Isentropic Compression)。這意味著壓縮過程是可逆的絕熱過程，製冷劑的熵保持恆定。在這個過程中，製冷劑的溫度和壓力都顯著升高。

2. 冷凝器 (Condenser)

   • 功能： 冷凝器的功能是將壓縮機排出的高壓、高溫製冷劑蒸汽，通過與周圍環境（通常是空氣或冷卻水）進行熱交換，將其冷卻並冷凝成高壓、中溫的液體製冷劑。在這個過程中，製冷劑向環境散發熱量。
   • 理想過程： 在理想情況下，冷凝器內的過程被視為 等壓放熱 (Isobaric Heat Rejection)。製冷劑在高壓下，將熱量傳遞給外部介質，經歷從過熱蒸汽到飽和蒸汽、再到飽和液體，最後成為過冷液體的過程。壓力在整個過程中保持恆定。

本題考查渦輪機（特別是蒸汽渦輪機或氣體渦輪機）的葉片設計與效率相關的關鍵概念——葉尖餘隙 (Tip Clearance)。

什麼是渦輪機的葉尖餘隙？
渦輪機的葉尖餘隙是指渦輪機葉片頂端與渦輪機殼之間的最小徑向距離。簡單來說，就是葉片尖端與外殼之間存在的縫隙大小。

為何反動式渦輪機需要較小的葉尖餘隙？
反動式渦輪機（Reaction Turbine）的葉片設計是讓蒸汽（或工作流體）在通過葉片時，壓力發生變化，進而產生反作用力推動葉片旋轉。這意味著葉片本身也參與了能量轉換的過程，不僅僅是改變蒸汽的流動方向。

如果反動式渦輪機的葉尖餘隙較大，會導致以下問題：

1. 洩漏損失 (Leakage Loss)： 高壓蒸汽（或工作流體）會直接從葉片頂端的縫隙繞過葉片，流向低壓區。這部分繞過葉片的流體沒有對葉輪做功，造成能量損失。
2. 效率降低： 由於洩漏損失，用於驅動葉輪的有效蒸汽量減少，導致渦輪機的效率顯著下降。
3. 影響動葉與靜葉的壓力差： 在反動式渦輪機中，動葉和靜葉的設計是為了產生壓力差來推動葉輪。葉尖洩漏會破壞這種壓力分佈，降低反作用力。

因此，為了最大化蒸汽在葉片上做功，減少洩漏損失，反動式渦輪機通常需要非常小的葉尖餘隙，以確保大部分蒸汽都通過葉片通道，並在葉片上產生足夠的反作用力。

本題考查船用柴油引擎燃油系統的組成、原理與工作流程。需要繪製系統圖並解釋其功能。

船用柴油引擎典型燃油輸送系統圖

以下為一個簡化的典型船用柴油引擎燃油輸送系統圖，並標示出主要組件。

graph TD
    A[燃油艙 (Fuel Tank)] --> B(燃油沉澱櫃 (Settling Tank));
    B --> C(燃油過濾器 (Fuel Filter));
    C --> D(燃油泵 (Fuel Oil Pump));
    D --> E{燃油壓力調節閥 (Fuel Oil Pressure Regulating Valve)};
    E --> F[高壓燃油泵 (High-Pressure Fuel Pump)];
    F --> G(噴油器 (Fuel Injector));
    G --> H(引擎燃燒室 (Engine Combustion Chamber));
    E -- 回流 --> B;
    F -- 回流 --> E;

系統組件及其功能：

1. 燃油艙 (Fuel Tank)

   • 功能： 儲存船用柴油（燃料油）。通常有多個燃油艙，用於儲存不同種類的燃料（如重油、柴油），或作為主儲油艙和日用儲油艙。

2. 燃油沉澱櫃 (Settling Tank)

   • 功能： 作為日用油櫃 (Day Tank) 的一種形式。燃油從主儲油艙轉移到沉澱櫃，在此靜置一段時間。此過程的目的是讓燃油中的較重雜質（如水、泥沙）沉到底部，而較輕的雜質則可能漂浮在表面。沉澱櫃下方通常設有排放口，定期排放沉澱物。它還起到緩衝作用，確保進入燃油系統的燃油相對乾淨。

3. 燃油過濾器 (Fuel Filter)

   • 功能： 在燃油進入燃油泵和高壓燃油泵之前，進行精細過濾，去除燃油中殘留的微小雜質、水分和膠質，保護後續的精密部件（如燃油泵、噴油器）免受損壞，確保燃燒的品質。船用系統通常有多級過濾，包括粗濾和精濾。

4. 燃油泵 (Fuel Oil Pump)

   • 功能： 將燃油從沉澱櫃（或日用油櫃）抽取，並加壓，送往高壓燃油泵。這通常是低壓燃油泵，提供足夠的壓力以供應給高壓泵。

5. 燃油壓力調節閥 (Fuel Oil Pressure Regulating Valve)

   • 功能： 控制進入高壓燃油泵的燃油壓力，並將多餘的燃油（未被高壓泵消耗的）通過回流管線送回沉澱櫃。