109 年 國立中央警察大學水上警察研究所海洋科技組《自然科學概論》

本題主要在探討船舶在貨物裝卸作業時，大副需注意的「裝載計算」的內容。裝載計算的目的是確保船舶在載貨後能保持安全且穩定的狀態，並符合相關法規。

核心觀念：船舶裝載計算是確保船舶安全與穩定的關鍵作業，涉及多項關鍵數據與考量。

主要項目與細節說明如下：

1. 載重線 (Load Lines)：

   • 說明：載重線是船舶安全吃水的標誌，標示出在不同海域和季節下，船舶允許的最大吃水深度。
   • 細節：大副需確認所載貨物的總重量，計算出船舶的總重、淨重，並根據航行海域（如熱帶水域、夏季或冬季北大西洋等）和季節，對照載重線標誌，確保船舶的吃水不會超過允許的範圍。這關係到船舶的乾舷高度，進而影響船舶的穩性與抗沉性。

2. 總重 (Deadweight, DWT)：

   • 說明：指船舶能裝載的貨物、燃油、淡水、壓載水、食品、船員及行李的總重量。
   • 細節：大副需精確計算所有將要裝載或消耗的物品重量，確保總重不超過船舶的設計載重極限。

3. 排水量 (Displacement)：

   • 說明：指船舶所排開的水的重量，等於船舶的總重量。
   • 細節：透過測量船舶的吃水（前後吃水平均值），利用水尺 (Scale) 或載貨噸位表 (Tonnage Table) 查出對應的排水量。這也是計算船舶重心、穩性等參數的基礎。

4. 貨物裝載計畫 (Cargo Loading Plan)：

   • 說明：規劃貨物在船艙內的擺放位置，以控制船舶的重心位置。
   • 細節：
     • 重心 (Center of Gravity, CG)：需計算貨物裝載後船舶的縱向重心 (LCG)、橫向重心 (TCG) 和垂直重心 (VCG)。
     • 影響：貨物位置的選擇直接影響船舶的縱傾 (Trim) 和橫傾 (Heel)，以及總體穩性。例如，將重貨置於船中可減小縱傾；將貨物平均分配可減少橫傾。

5. 穩性計算 (Stability Calculations)：

   • 說明：確保船舶在裝載貨物後仍具有足夠的穩性，能抵抗外力（如風浪）而不傾覆。
   • 細節：
     • 初穩性矩 (Initial Metacentric Height, GM)：GM 值是衡量船舶初穩性的重要指標。大副需計算裝載貨物後的 GM 值，並確保其大於法規要求的最小值。

本題主要探討船舶穩度的評估指標，以及「剛性船」與「柔性船」的定義與區別。

核心觀念：船舶穩度是確保船舶在受到外力影響時能恢復平衡狀態的能力；剛性船與柔性船是根據其結構對外力反應方式的不同所做的分類。

船舶穩度 (Ship Stability) 性能的評估指標

船舶穩度主要評估兩個面向：初穩性 (Initial Stability) 和 總穩性 (Overall Stability)。

1. 初穩性 (Initial Stability)：

   • 評估指標：初穩性矩 (Initial Metacentric Height, GM)。
   • 說明：GM 值是衡量船舶在小角度傾斜時恢復力矩大小的關鍵指標。
     • $GM = KM - KG$
     • 其中，$KM$ 是從龍骨底部 (Keel) 到復原力臂曲線最高點 (Metacenter, M) 的高度，$KG$ 是從龍骨底部到船舶質心 (Center of Gravity, G) 的高度。
   • 意義：
     • GM 值越大，表示船舶的復原力臂越長，抵抗傾斜的能力越強，船舶越「硬」，恢復越快，但也會讓船舶感覺「搖晃」或「顛簸」，乘坐舒適性較差。
     • GM 值越小，表示船舶越「軟」，搖晃較緩和，乘坐舒適性較好，但抵抗瞬間傾斜的能力較弱。
   • 法規要求：各國海事法規（如 SOLAS）都對船舶的最小 GM 值有明確規定，以確保基本安全。

2. 總穩性 (Overall Stability)：

   • 評估指標：復原力臂曲線 (Righting Lever Curve, GZ Curve)。
   • 說明：復原力臂 (GZ) 是船舶在一定傾斜角度 $\theta$ 下，質心 G 到傾斜後重力作用線（通過船舶質心 G'）的垂直距離。GZ 曲線描繪了 GZ 值隨傾斜角度 $\theta$ 變化的關係。
   • 意義：
     • 最大復原力臂 (Max GZ)：表示船舶在該傾斜角度下抵抗外力的能力最強。
     • 穩定傾角範圍 (Range of Stability)：指船舶能夠產生正復原力臂（抵抗傾覆）的傾斜角度範圍。

本題要求繪製蒸汽渦輪機的熱力循環圖，並說明各部名稱與用途。蒸汽渦輪機的熱力循環是將燃料燃燒產生的熱能轉換為機械能的過程。

核心觀念：蒸汽渦輪機的熱力循環主要以朗肯循環 (Rankine Cycle) 為基礎，透過水蒸氣的相變來做功。

蒸汽渦輪機的熱力循環（朗肯循環）

朗肯循環是理想的蒸汽動力循環，包含四個主要過程：

1. 泵送 (Pumping)：水被泵從低壓冷凝器送往高壓鍋爐。
2. 加熱 (Heating)：在鍋爐中，水被加熱成高溫高壓的蒸汽。
3. 膨脹 (Expansion)：高溫高壓蒸汽通過渦輪機膨脹做功，將熱能轉換為機械能。
4. 冷凝 (Condensation)：蒸汽在冷凝器中被冷卻，凝結成水，並排出低溫低壓的熱量。

圖示與說明

以下將以 $T-s$ 圖（溫度-熵圖）和 $p-v$ 圖（壓力-體積圖）來表示朗肯循環，並說明各主要設備的名稱與用途。

I. T-s 圖 (溫度-熵圖)

• 橫軸：熵 (Entropy, $s$)
• 縱軸：溫度 (Temperature, $T$)

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\usetikzlibrary{arrows.meta, positioning, decorations.pathreplacing}

\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.5]
    % Axes
    \draw [->] (0,0) -- (5,0) node [right] {$s$};
    \draw [->] (0,0) -- (0,4) node [above] {$T$};

    % Saturation curve
    \draw [thick, blue] (1,0.5) .. controls (1.5,1) and (1.5,2.5) .. (2,3); % Liquid dome
    \draw [thick, blue] (2,3) .. controls (1.5,2.5) and (1.5,1) .. (1,0.5); % Vapor dome
    \draw [thick, blue, dashed] (1,0.5) -- (3,0.5) node [right] {$T_L$}; % Triple point line approximation
    \draw [thick, blue, dashed] (2,3) -- (3,3) node [right] {$T_C$}; % Critical point line approximation

    % Process 1-2: Pumping (Isentropic Compression)
    \coordinate (1) at (1.2, 0.8);
    \coordinate (2) at (1.4, 1.0);
    \draw [thick, red, ->] (1) -- (2) node [midway, left] {1};
    \draw [thick, red, ->] (2) -- (1) node [midway, right] {2}; % Label 2 on the point

    % Process 2-3: Heating in Boiler (Isobaric Heat Addition)
    \coordinate (3) at (2.5, 3.0);
    \draw [thick, red, ->] (2) -- (3) node [midway, above] {3};

    % Process 3-4: Expansion in Turbine (Isentropic Expansion)
    \coordinate (4) at (3.5, 1.5);
    \draw [thick, red, ->] (3) -- (4) node [midway, above] {4};

    % Process 4-1: Condensation (Isobaric Heat Rejection)
    \draw [thick, red, ->] (4) -- (1) node [midway, below] {1}; % Re-draw arrow to 1

    % Labels for points
    \fill (1) circle (1.5pt);
    \fill (2) circle (1.5pt);
    \fill (3) circle (1.5pt);
    \fill (4) circle (1.5pt);

    % Labels for processes
    \node [below left] at (1.3, 0.9) {Pump};
    \node [above] at (1.95, 1.5) {Boiler};
    \node [above right] at (2.9, 2.25) {Turbine};
    \node [below] at (3.0, 0.75) {Condenser};

    % Annotations
    \draw [dashed] (1) -- (0,0.8);
    \draw [dashed] (2) -- (0,1.0);
    \draw [dashed] (3) -- (0,3.0);
    \draw [dashed] (4) -- (0,1.5);

    \draw [dashed] (1) -- (1.2,0);
    \draw [dashed] (2) -- (1.4,0);
    \draw [dashed] (3) -- (2.5,0);
    \draw [dashed] (4) -- (3.5,0);

    \node [left] at (0, 0.8) {$T_1$};
    \node [left] at (0, 1.0) {$T_2=T_1'$}; % Pump inlet/outlet
    \node [left] at (0, 3.0) {$T_3$}; % Boiler outlet (Turbine inlet)
    \node [left] at (0, 1.5) {$T_4$}; % Condenser outlet (Pump inlet)

    \node [below] at (1.2, 0) {$s_1$};
    \node [below] at (1.4, 0) {$s_2=s_1$}; % Pump outlet/inlet
    \node [below] at (2.5, 0) {$s_3$}; % Boiler outlet
    \node [below] at (3.5, 0) {$s_4=s_3'$}; % Turbine outlet

    % Labels for regions
    \node [right, text=gray] at (4.5, 1.5) {Subcooled liquid};
    \node [right, text=gray] at (4.5, 2.5) {Saturated liquid-vapor mixture};
    \node [right, text=gray] at (4.5, 3.5) {Superheated vapor};

\end{tikzpicture}
\end{document}

• 說明：
  • 1-2 (泵送)：水從低壓 (點 1) 經泵壓縮至高壓 (點 2)。此過程近似為等熵壓縮 ($s_1 = s_2$)，溫度略有升高。
  • 2-3 (鍋爐加熱)：在高壓下，水在鍋爐中被加熱，先達到飽和水 (點 2')，然後蒸發成飽和蒸汽 (點 2'')，最後被加熱成過熱蒸汽 (點 3)。此過程為定壓加熱 ($p_2 = p_3$)，溫度由 $T_2$ 上升至 $T_3$，熵值增加。
  • 3-4 (渦輪機膨脹)：過熱蒸汽在渦輪機中膨脹，推動渦輪葉片做功，溫度和壓力降低，熵值增加（理想情況下為等熵膨脹 $s_3 = s_4$）。
  • 4-1 (冷凝)：膨脹後的蒸汽（可能為濕蒸汽）在冷凝器中被冷卻水冷卻，凝結成飽和水 (點 4')，然後被泵抽走 (點 1)。此過程為定壓冷卻 ($p_4 = p_1$)，溫度由 $T_4$ 下降至 $T_1$，熵值減少。

II. p-v 圖 (壓力-體積圖)

• 橫軸：體積 (Volume, $v$)
• 縱軸：壓力 (Pressure, $p$)

本題探討海陸風的定義及其成因。海陸風是沿海地區一種常見的週期性風。

核心觀念：海陸風是由於陸地和海洋的比熱容差異，在白天和夜晚吸收和釋放太陽輻射熱量的速率不同，導致空氣受熱膨脹或遇冷收縮，進而產生壓力差，形成風。

海陸風 (Sea and Land Breezes)

海陸風是一種發生在沿海地區，一天之內週期性改變方向的風。它主要分為兩種：

1. 海風 (Sea Breeze)：

   • 發生時間：通常在白天，特別是午後。
   • 方向：從海洋吹向陸地。

2. 陸風 (Land Breeze)：

   • 發生時間：通常在夜晚。
   • 方向：從陸地吹向海洋。

發生的原因

海陸風的形成是基於陸地和海洋之間熱力學性質的差異，主要原因有二：

1. 比熱容差異 (Difference in Specific Heat Capacity)：

   • 陸地：陸地（土壤、岩石）的比熱容較小。這意味著同樣質量的陸地，在吸收或釋放相同熱量時，其溫度變化會比水來得大。
   • 海洋：水（海水）的比熱容較大。水需要吸收更多的熱量才能使其溫度升高，同樣地，它也需要更長的時間和釋放更多的熱量才能使其溫度降低。

2. 導熱性差異 (Difference in Thermal Conductivity)：

   • 陸地：導熱性較好，熱量可以較快地傳遞到較深的土層。
   • 海洋：導熱性較差，熱量主要集中在表層。

綜合以上兩點，在太陽輻射的影響下，海陸風的形成過程如下：

本題探討地轉流的成因，以及其流向與等壓線的關係。地轉流是影響大規模海洋環流的重要因素。

核心觀念：地轉流是由於壓力梯度力與科氏力（地球的慣性力）平衡所產生的一種平衡流，在北半球大致與等壓線平行。

地轉流 (Geostrophic Current) 的產生

地轉流是由兩種主要力量平衡後所產生的穩態海流：

1. 壓力梯度力 (Pressure Gradient Force, PGF)：

   • 說明：由於海面高度不均勻（例如，風吹或密度差異造成的海面隆起或凹陷），形成壓力差。壓力梯度力是指空氣或流體從高壓區域指向低壓區域的力。
   • 在海洋中：海面高度的差異是由於風的長期作用或密度（鹽度和溫度）的空間變化，導致在特定區域海面抬升（高壓）或下降（低壓）。壓力梯度力驅動海水從高壓區流向低壓區。

2. 科氏力 (Coriolis Force)：

   • 說明：這是由於地球自轉而產生的慣性力（或稱行星渦旋力）。在北半球，科氏力會使運動物體向右偏；在南半球，則向左偏。
   • 在海洋中：當海水開始從高壓區流向低壓區時，科氏力開始作用，使其運動方向偏轉。

力量平衡：

• 當海水開始流動時，壓力梯度力將其推向低壓區。
• 科氏力隨之產生，並與壓力梯度力的方向相反。
• 在達到平衡狀態時，壓力梯度力的大小等於科氏力的大小，方向則相反。此時，海水不再加速，而是以恆定的速度沿著特定的路徑流動，這就是地轉流。
• 數學表達：
  • 壓力梯度力：$\frac{1}{\rho} \frac{\partial p}{\partial x}$ (沿 x 方向，假設壓力梯度主要沿 x 方向)
  • 科氏力：$f v$ (在北半球，假設流速為 $v$ 且方向為 y，科氏力作用於 x 方向，向右)

本題探討波浪從外海傳播至淺海近岸過程中，其物理性質（波速、波長、波高）的變化。這是一個重要的海洋學現象，與海岸工程、航海安全息息相關。

核心觀念：當波浪進入淺水區時，由於海底的摩擦和水的運動受限，波浪的能量會重新分配，導致波速和波長減小，而波高通常會增加，直至波浪破碎。

波浪進入淺水區的變化

當波浪從深水區（海底對波浪運動影響很小的區域）傳播到淺水區（海底對波浪運動有顯著影響的區域）時，其性質會發生顯著改變。這裡的「淺水」通常是指水深 $h$ 小於波長的 $1/20$ (即 $h < L/20$)。

1. 波速 (Wave Speed, $c$)：

   • 變化：減小。
   • 原因：在深水區，波速主要由波長決定（$c \approx \sqrt{gL/2\pi}$）。但在淺水區，波速主要由水深決定，遵循淺水波的公式：$c = \sqrt{gh}$，其中 $g$ 是重力加速度，$h$ 是水深。由於水深 $h$ 逐漸減小，波速 $c$ 也隨之減小。

2. 波長 (Wavelength, $L$)：

   • 變化：減小。
   • 原因：波速 $c$ 和波長 $L$ 之間的關係為 $c = L/T$，其中 $T$ 是波的週期（週期在傳播過程中基本保持不變，除非波浪破碎）。由於波速 $c$ 減小而週期 $T$ 不變，波長 $L = cT$ 也必然減小。

3. 波高 (Wave Height, $H$)：

   • 變化：增加。
   • 原因：
     • 能量守恆 (近似)：在波浪傳播過程中，其能量大致守恆。波浪的能量與波高的平方成正比 ($E \propto H^2$)。
     • 海底摩擦：隨著波浪進入越來越淺的水域，海底的摩擦力會消耗一部分波浪能量。

本題探討柴油機燃油噴油嘴的結構如何影響燃油的噴注特性。這是柴油機燃燒效率與排放的關鍵環節。

核心觀念：噴油嘴的設計（孔徑、孔數、噴油角度、壓力等）直接決定了燃油噴霧的霧化程度、油滴大小、噴射速度、噴射壓力、噴射範圍和噴射時間，進而影響燃燒的均勻性、完全性和效率。

柴油機燃油噴油嘴 (Fuel Injector Nozzle) 的結構與噴注特性

柴油機噴油嘴的主要功能是在極高的壓力下，將柴油霧化成細小的油滴，並均勻地噴射到燃燒室內，與空氣混合後進行燃燒。其結構設計對噴注特性有決定性的影響。

主要結構特徵與對噴注特性的影響：

1. 噴孔 (Orifice)：

   • 結構：這是燃油噴出的通道，其尺寸（直徑、長度）和形狀至關重要。
   • 影響：
     • 孔徑 (Orifice Diameter)：
       • 小孔徑：有助於提高油滴的霧化細度，形成更細小的油滴，有利於燃油與空氣的快速混合和完全燃燒。但若孔徑過小，可能容易堵塞，且在高流量需求時，壓力降會較大。
       • 大孔徑：流量較大，適用於高功率引擎，但霧化效果可能較差，油滴較粗。
     • 孔的數量 (Number of Orifices)：
       • 多孔：通常用於需要較寬噴霧範圍的引擎，可以使燃油更均勻地分佈在燃燒室內，避免局部過濃或過稀。
       • 少孔：可能導致噴霧集中，適用於特定燃燒室設計。
     • 孔的長徑比 (Length-to-Diameter Ratio, L/D)：
       • 長孔：有助於增加燃油在噴孔內的剪切和壓力損失，促進霧化，但可能增加流動阻力。
       • 短孔：流動阻力小，但霧化效果可能不如長孔。
     • 孔的形狀與排列：例如，錐形孔、精密加工的圓柱形孔，以及孔的相對角度，都會影響燃油的噴射角度和速度分佈。

2. 針閥 (Needle Valve)：

   • 結構：由針閥體和噴孔座組成，針閥的升降控制著噴孔的開啟和關閉。
   • 影響：
     • 密封性：良好的密封性確保在關閉時不會發生燃油滴漏，避免燃燒室積碳和起動困難。

本題探討船舶輔機系統中，配管設計與施工應注意的關鍵事項。輔機配管關係到船舶各項設備的正常運轉，安全與效率。

核心觀念：輔機配管的設計與施工需要考慮流體性質、壓力、溫度、流速、振動、腐蝕、材料選擇、安裝空間、維護便利性、安全規範等多方面因素。

輔機配管 (Auxiliary Piping Systems) 的設計與施工注意事項

船舶輔機系統涵蓋範圍廣泛，包括燃油、滑油、淡水、海水、壓載水、消防水、蒸汽、潤滑油、液壓油、廢氣、空調冷卻水、污水等。其配管系統的設計與施工需注意以下事項：

1. 流體性質與系統要求：

   • 流體種類：不同的流體（水、油、蒸汽、氣體）有不同的物理性質（密度、黏度、導熱性、腐蝕性）。
   • 壓力與溫度：系統的工作壓力與溫度決定了管路材料、壁厚和連接方式的選擇。高壓高溫系統（如蒸汽管路）要求更嚴格。
   • 流速：過高的流速可能引起沖蝕、噪音和壓力損失；過低的流速則可能導致沉積或效率低下。
   • 腐蝕性：針對腐蝕性流體（如海水、酸性廢水），需選用耐腐蝕材料。

2. 材料選擇 (Material Selection)：

   • 適用性：根據流體性質、壓力、溫度、環境（船體內外）選擇合適的管材。常見材料有鋼管（碳鋼、不鏽鋼）、銅管、塑料管（如 PVC, CPVC, PP）等。
   • 強度與耐久性：管材必須能承受系統的工作壓力、外部衝擊及長期運轉的應力。
   • 耐腐蝕性：尤其在海水系統，不鏽鋼或特殊合金管材是必需的。
   • 成本與可取得性。

3. 管路佈置與空間限制：

   • 最短路徑：盡量採用最短、最直接的路徑，以減少壓力損失、材料損耗和安裝難度。
   • 避開障礙物：需避開船體結構、主機、輔機設備、貨艙、人員通道等，並考慮維護操作空間。
   • 支撐與固定：管路必須有足夠且合適的支架和固定點，以支撐管路重量，吸收振動，並防止因熱脹冷縮產生的應力。

4. 連接方式 (Joints and Connections)：

   • 可靠性：所有連接（焊接、法蘭連接、螺紋連接、卡套連接等）必須確保密封可靠，不會發生洩漏。
   • 強度：連接處的強度必須與管材本身相當。

本題從管理角度探討造水機（特別是蒸餾式或反滲透式海水淡化設備）產生淡水含鹽量過高的原因。這直接關係到產水質量和設備的有效運轉。

核心觀念：淡水含鹽量過高通常是海水淡化設備在運轉過程中，海水與淡水分離效率下降所致，其原因可能涉及設備本身的故障、運維不當、操作失誤或原材料（海水）特性變化。

造水機淡水含鹽量過高的管理角度原因

從管理角度看，淡水含鹽量過高（即產水不合格）通常是系統性問題的體現，而非單一技術故障。其原因可歸納為以下幾類：

1. 設備維護與保養不足 (Inadequate Maintenance and Servicing)：

   • 膜污染或老化 (Membrane Fouling or Aging)：對於反滲透 (RO) 設備，如果濾膜未按時清洗、更換，或預處理系統失效，導致膜表面被沉積物（鹽垢、生物膜、沉澱物）覆蓋，則膜的脫鹽效率會顯著下降，高濃度的鹽分會滲透到淡水側。
   • 蒸餾設備組件損壞 (Distillation Unit Component Damage)：對於蒸餾式造水機（如多效蒸餾 MEE、多級閃蒸 MSF），如果蒸發室內的管束、隔膜、填料等有損壞、結垢或腐蝕，會影響熱交換效率和蒸汽與水的有效分離，導致蒸汽夾帶水分（鹽分）進入淡水。
   • 密封件老化或損壞 (Seal Degradation or Damage)：無論是 RO 設備的 O 型環、墊片，還是蒸餾設備的密封，如果老化、損壞或安裝不當，會導致未經處理的海水或濃縮水滲漏到淡水側。

2. 操作與監控失誤 (Operational Errors and Monitoring Failures)：

   • 進水壓力/流量控制不當 (Improper Feed Pressure/Flow Control)：對於 RO 系統，進水壓力不足會導致脫鹽率下降。操作員可能因壓力設定錯誤、泵故障或進水壓力波動而未能維持最佳運行參數。
   • 濃縮水排放不足 (Insufficient Concentrate Discharge)：在 RO 系統中，如果濃縮水（鹽分濃度高的水）排放量不足，則濃縮水的鹽度會升高，進而增加淡水側的滲透壓力，降低脫鹽率。
   • 運行參數偏離設計值 (Deviation from Design Operating Parameters)：操作人員未能嚴格按照設備的操作手冊和設計參數運行，例如運行溫度、壓力、pH 值等參數設置不當。

本題探討離心泵的流量、壓力（揚程）和原動機馬力與其轉速之間的關係。這是泵浦工程中非常基礎且重要的概念，影響系統設計和運行。

核心觀念：離心泵的性能參數（流量、壓力、馬力）與轉速之間存在著明確的比例關係，通常被稱為「泵浦定律」(Pump Laws) 或「相似定律」(Affinity Laws)。

離心泵的流量、壓力、馬力與轉速的關係

離心泵的性能曲線描述了在特定轉速下，泵浦的流量、揚程（壓力）和效率與之對應的關係。當改變離心泵的轉速時，其性能參數會根據以下定律發生變化：

假設泵浦的轉速從 $N_1$ 變為 $N_2$。

1. 流量 (Flow Rate, $Q$)：

   • 關係：流量與轉速成正比。
   • 公式：$\frac{Q_2}{Q_1} = \frac{N_2}{N_1}$
   • 說明：如果泵浦的轉速提高一倍，則其輸出的流量也會提高一倍（理論上）。這是因為轉速的提高直接增加了葉輪的線速度，從而增加了單位時間內泵送的流體體積。

2. 壓力/揚程 (Pressure/Head, $H$)：

   • 關係：壓力（或揚程）與轉速的平方成正比。
   • 公式：$\frac{H_2}{H_1} = \left(\frac{N_2}{N_1}\right)^2$
   • 說明：如果泵浦的轉速提高一倍，則其產生的揚程（或壓力）會提高到原來的四倍。這是因為揚程與葉輪出口處的動能（與速度的平方成正比）和壓力能有關，而速度與轉速成正比。

3. 功率/馬力 (Power, $P$)：

   • 關係：功率與轉速的立方成正比。