无错小说网 - 历史小说 - 大唐之理工天下在线阅读 - 第五十三节 真的造出来了

第五十三节 真的造出来了

    经过一通埋头计算,李治设计的第一台气体膨胀降温式空调终于正式敲定。

    它有四个气缸,呈X形均匀布置在曲轴四周,这样每个角度都确保有活塞在压缩空气,使负荷分布平稳。

    为了安全,气缸的压缩比为10:1,气缸直径十厘米,截面积78平方厘米,最小容积为80cc,最大容积800cc,活塞行程9厘米。活塞的厚度被设计为5厘米,这样气缸壁上就正好留有润滑油的出口。活塞中间有一个油环,供润滑油可以覆盖到整个活塞的圆周面,两侧预留了活塞环的槽来增强密封。

    本来,一个气泵的密封不需要这么高级,但为了积累活塞技术,方便后来的蒸汽机,内燃机和斯特林机的技术积累,李治还是把这个做了上去。

    活塞经过活塞连杆固定在曲轴上。曲轴连着气泵的动力轴,这个轴目前使用马匹拉动。所以,根据用户的财力,可以灵活配置几匹马力。如果使用人类作为动力源,动力输出就更灵活了。

    气缸底部设有两个单向通气阀,一个进气,一个出气。不需要额外的配气机构来控制它的开合。

    现在简单计算一下它所需要的扭矩。因为单向气阀在活塞内部压力大于出气预期压力就会开启,因此在活塞运动的末期,最大的压力只是5bar,(0.5MPa),活塞垂直方向上的力高达3120N。这个力和气缸壁垂直方向的合力就是活塞连杆上的力。鉴于活塞连杆的最大角度与活塞侧面的力有关,那么我们假设一个比较长的连杆,减小这个力的合力角。

    比如如果活塞连杆长度是9厘米,那么活塞运动到正中位置时,因为曲轴垂直偏离也达到了4.5厘米,所以这个角度就是arcsin(0.5)=30度。活塞连杆上的力要相比3120牛要增大cos30的倒数倍。那就变成了3604牛顿。当然这没有考虑活塞的运动和加速度,也没有考虑此时活塞的压力到底是不是3120牛,这只是一个简化和近似的计算。

    这个时候活塞连杆在曲轴中心线的投影距离(比如在正中位置,为半径4.5厘米的cos(0.5×(90-30)),等于3.89厘米,就是这个力的力臂。扭矩也就是3604N×3.89×0.01Nm,为140牛米。考虑到这个气缸壁上的力还是大了点,我们把活塞连杆加长到15厘米,这样这个角度就会变小到17度。

    那么这个绝热压缩过程到什么时候会让气体到达5倍大气压呢?利用上一章提到的绝热压缩公式PV^1.4是常数的规则,可以计算出压缩到253cc的时候,气压就到达了5bar(一个大气压为1bar,SI单位是100000Pascal)。此时活塞的位置是距离气缸底部3.22厘米,也就是距离最低点大概2.21厘米。此时活塞连杆另一端就是在曲轴转动位置的……

    这个计算有点麻烦。简化处理后估算得到角度大概从正中位置转动了30度。这样力矩就是差不多正好是4.48,接近力矩最大的那个角度。

    如此,算下来力矩是144.7牛米。……咦肿么还增大了。

    不管啦,因为制作技术的限制,为了降低气缸套的磨损,只能这样牺牲一下了。

    此时另外两个气缸的位置也只计算那个在压缩的,它转动的角度相差90度,因此它还在-60度(0度为正中位置,-90和90度分别为刚才计算的气缸的最高点和最低点),只是刚刚开始压缩的位置。此时气缸压力还不超过2bar,计算过程是类似的,因此就不重复计算了。因此假定它的正常工作扭矩是150NM,那么一匹马(750W)拉起来,能达到什么样的转速呢?

    根据功率等于扭矩乘以角速度的公式可以计算出答案是每分钟47.7转。也就是每秒0.79转。每一转机器吸入4×800cc,300K的气体,绝热压缩为4×253cc的5bar的气体。相应的,这些气体的温度升高到475K(卧槽这么热的风吹进去还能当空调嘛?都能当烤箱了啊喂)

    李治同学脑海里出现一个场面:李世民举着马鞭一边抽打李治的屁股,一边痛骂:竟敢给我吹200度的空调,你要把你老子变成烤乳猪嘛!

    那只有再经过一个热交换器了,把气体的温度降到300K。如果是林登制冷机,这个冷却气体是由焦耳汤普森降温阀门的尾气,也就是冷气降温的。如果不用这个冷却,也可以用水冷却,加热的水还可以用来做热水。这就是传说中的余热利用。

    很好,经过热交换器,这些5bar,300K的压缩气体被保存在一个大储气罐中,经过一个喷嘴阀门开始呼呼的喷气,这是另一个绝热膨胀过程。

    那么再次搬出气体绝热过程公式,这些气体膨胀到1bar(1个大气压)以后,体积增大到了3.15倍。温度从300K降到189K,约合零下83度。

    李治同学的脑海里又出现一副可怕的情景:李世民穿着数层毛皮,眉毛上满是冰凌,冻得鼻涕横流,然后哀求道:儿子,把空调关了吧,这尼玛也太冷了啊!

    设计出了问题吗?没错,因为5bar的气压数值是假定给定的。如果调节储气罐的出气阀门的出气速度,那么可以把压缩后的气压维持到一个比较小的程度。这样就不会出现压缩后温度过高,或者膨胀后温度过低的窘况了。

    无论如何,经过连续几天的奋战,铁匠铺终于完成了四个气缸缸体,气缸盖,活塞和曲轴连杆的铸造,最后和曲轴一起组装起来。这就组成了李治空调的机体。然后把进气管和出气管都接到热交换器上,然后热交换器的高压出气管接到储气罐。储气罐上装有气压计,以这个为依据来调节气温。比如我们可以在5个大气压的读数位置再标记上(-83度)的数值。

    储气罐的出气口是一个普通的调节阀,阀门的开口接着一个喇叭状的膨胀圆锥,用以使气体均匀膨胀,减小噪音和涡流。这个膨胀圆锥的末端,连着薄铜片打造的贝壳状的导流槽。经过膨胀后的低温空气按照导流槽安装方式的不同,从完全开放式(所有降温气体都会导向房间内)到完全闭合式(所有降温气体都会收回到进气道进行热交换)。进气口设有滤网,把低温空气导入热交换器,从活塞压缩机的出气口获得热量后再进入气缸压缩。如此就形成一个热循环。制冷膨胀圆锥是制冷机制冷量最大的地方。只要调高储气罐的气压,制冷温度就会降到零度以下,可以在夏天实现制取冰块和各种冰镇饮料。降低储气罐的气压,又可以提高整个系统的制冷效率,完成对室温降温10度左右的目标。

    同志们,朋友们,李治穿越到唐代以来,终于在实质上发威,自主设计建造出一个利国利民的产品:冷柜兼空调机。

    请注意,这个不是抄袭,不是仿制格力美的,是彻底原创,具有完全的核心技术和自主知识产权,并且在生产上实现了百分之百零部件自己制造,没有依靠国外进口技术和进口设备。它的优点有:可调温度范围大(-83度啊亲)。无污染,无泄漏危险。使用清洁能源,排放远超欧V标准。(马吃粮食和草料,马粪是绿色环保燃料),完美达到可持续发展的目标。功率配备灵活,从零点几马力到数十马力都可以配备,适用范围特别大。在普通空调功能上,效率特别高。制冷耗能比可以达到10以上(只需把在储气罐的气压调到比较低的位置即可,作为对比,现代空调的数据为3).

    为了解释制造这个玩意儿在唐代的技术水准下是完全可行的,接下来解释它的部件的材料,和加工制造方法。

    气缸:铸铁,铸青铜都可以。可以用铸青铜作为缸体,熟铁打造的圆柱体作为缸套。缸套在初步打磨以后,采用表面渗碳硬化处理。缸套中部开有两个润滑油孔。关于缸套的光滑度,用越王勾践剑表面的打磨水平可以描述……不是瞎说,根据当时出土的青铜齿轮的实物,有理由认为它是经过车床机械加工的。它的打磨程度和机械花纹的稳定程度不是人手可以达到的。

    活塞和气缸一样,使用熟铁和青铜都可以,铸造之后通过活塞柄固定后进行圆周打磨出均匀光滑活塞边缘。加工精度就没法保证,但考虑到活塞承受的压力有限,也是很好达到的,只要在活塞上留足加工余量,多的磨掉就ok了!

    活塞销钉,活塞连杆和曲轴就更简单了。甚至在柴油机上,曲轴都有用整体铸造的。只要在轴上加好润滑就OK。

    气缸套上的单向气阀:铸造时预留出圆孔,然后用铜加工出单向阀的喇叭形的铆钉形状,在反面用弹簧顶住,这样气体逆流时会因为压力差让这个阀门自动闭合。

    热交换器:铜片打造而成。接缝用鱼胶(就是制弓用的胶水)密封。对于五个大气压这样低的气压值,薄铜就有足够的强度。

    储气罐加安全阀和压力计:整体铸造后,接缝处铜汁浇铸密封或者鱼胶密封。

    压力计就是一个很小的活塞,利用静流体内压力相等的原理,在活塞上加重物,直至活塞缓慢下落。调节这个重物的重量就可以读出气体压力。比如这个小活塞的截面为一厘米的平方,自重为1oo克。当罐内气压为1.1个大气压,也就是110000pascal,意味着截面上受到11牛的力,差不多等于1.12公斤,正好可以把这个活塞顶起来。如果在上面加4公斤的重物,那么等到5个大气压的时候,这个活塞才会被顶起来。这个压力计可以兼作安全阀。

    膨胀阀门也很简单,铸造就ok。

    就这样,完工!