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首先,设计过程从蒸汽机的膨胀做功开始。
在冷气机计算的过程中,使用的是绝热膨胀的概念,目的是为了确定它的压强和温度的关系。
但在蒸汽机,特别是单流式蒸汽机的设计过程中,更加关键的数据在于能量而不是温度。如果把蒸汽做功的过程简单化,就可以直接从蒸汽的能量变化,来计算它做功的多少。
考虑到这个年代压力容器的制作不易,首先选择0个大气压,温度在52度的蒸汽。这个状态的蒸汽的内能为60千焦每千克。(注:来源于某热电厂蒸汽轮机中压涡轮的数据)
这个是蒸汽进气口的状态,那么出口的状态呢?当然是越接近冷凝状态越好。所以选择冷凝器回热器的状态,095个大气压,温度07度。这个状态水蒸汽的内能为269千焦每千克。
可以出来,大部分的能量仍然是留在水蒸汽内部,没有转化为机械能。这也是为什么蒸汽机的效率难以提上去的基本原因。
根据机械能的能量需求,考虑到传动的效率,保守选择6千瓦。那么每秒钟就有6千焦的能量,从蒸汽的内能转化为机械能。
所以每秒钟的蒸汽重量是:6除以60-269的值。这个数值是:4克。
4克的水大概是4立方厘米,那么在最终状态的水蒸气的体积大概是水的67倍。这个体积就是57升。所以,排气口的蒸汽流量就是每秒57升。
那进气流量是多少呢?借助于水蒸汽的气体常数(465公式里的r。空气的这个数值是27这个有什么影响呢?简单的讲,就是这个数字越大,温度对体积的影响,就越明显。
蒸汽机也可以用空气作为工作气体,不过这样的话,在同样的转速和同样气缸下,功率就要减小很多。
用这个气体方程就可以算出来,进气流量是每秒9升。
假设合理调整气缸气门的开闭位置,可以完美的实现气体膨胀的卡诺循环(热机效率最高的循环,为高低温差对高温的比值)。根据前后温度的变化,这个蒸汽机的最高效率,是40%。
现代发电厂的大型蒸汽机使用蒸汽涡轮,进气温度可以高达50度,压力达到90-200个大气压。这样的电厂效率可以接近50%(辅助设施的损耗是很可观的)。单独的涡轮机的热机效率理论上是5%。
如果和运行了很久的双动式活塞蒸汽机车的效率%相比,就算这个单流式蒸汽机的效率在理论效率的基础上打个对折,只有20%,那也是强了好几条街了。
从进气流量和出气流量可以出来,蒸汽在活塞里膨胀了59倍。基于这个数据,就很好设计活塞的行程距离了。
之前制造的冷气机的汽缸最大容量是00立方厘米。如果要达到这样的要求,需要7个汽缸才能达到需要的设计功率。计算到这里,李志坚一口黑血没吐出来。
现在的豪车,v2缸的发动机,已经是牛逼上的牛逼了。**丝日常开的小破车,也就是个四缸发动机。排量2升都觉得好奢侈,这最高速度完全都用不上啊!
现在整出来个72缸5升的蒸汽发动机,你这是要杀人啊!
这里同样可以做一个比较,内燃机2升的排量,就可以到接近00千瓦的功率。而现在为了区区20千瓦,这个古老的单流式蒸汽机就要做到5升的排量,区别真是天差地远。
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