第七十三节 蒸汽机设计

    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10个大气压，温度在352度的蒸汽。这个状态的蒸汽的内能为3160千焦每千克。（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，0.95个大气压，温度107度。这个状态水蒸汽的内能为2691千焦每千克。

    可以看出来，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16千瓦。那么每秒钟就有16千焦的能量，从蒸汽的内能转化为机械能。

    所以每秒钟的蒸汽重量是：16除以3160－2691的值。这个数值是：34克。

    34克的水大概是34立方厘米，那么在最终状态的水蒸气的体积大概是水的1673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（461.5J/kg.K），没错，就是PV=nRT公式里的R。空气的这个数值是287.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9.8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530度，压力达到190－200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53%。

    如果和运行了很久的双动式活塞蒸汽机车的效率8%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看出来，蒸汽在活塞里膨胀了5.9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800立方厘米。如果要达到这样的要求，需要73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。

    看现在的豪车，V12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58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100千瓦的功率。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58升的排量，区别真是天差地远。

    没办法，扩大气缸容积吧！新的气缸要扩大十几倍，容积达到10升，整个发动机由6缸组成。

    和德意志帝国铁路01型标准蒸汽机车的气缸参数比较一下：它使用直径65厘米，长60厘米的双动型双汽缸。总“排量”是398升，功率是1648千瓦。标准蒸汽气压16个大气压，可以跑到每小时120公里。

    虽然很多人骂铁道部和刘志军，但是他还是办了一件实事，那就是改变了中国的铁路面貌。在他之前，中国大多数跑得列车，都完全可以用这个1925年开始在德国制造的铁路机车来拉。说中国的铁路落后80年是有点夸张了，但技术上落后四十年是没疑问的。

    现在拆了铁道部，对铁路进行私有化，其实和美国在二十世纪初干的事情也差不多。制度上落后一百年，也有点狠了。但是和美国二战前一样，也不算冤枉人吧。

    李志坚设计的这款单流式蒸汽机，虽然气压等级略低（10个大气压），功率密度很小（0.344千瓦每升，相比较01型机车的4.23千瓦每升），并不是他的技术不行，而是为了效率而牺牲了功率密度。

    01型机车的热效率不会超过10%。因为它的活塞配气机构，并不在意蒸汽在气缸内的膨胀率。它调校准的比例是以驱动的目的而校准的。因此蒸汽在气缸内的膨胀并不完全。

    内燃机的效率高，除了燃料直接在气缸内燃烧，气体的温度很高之外，另一个特点就是膨胀的程度很大（压缩比）。比如这款单流式蒸汽机的“压缩比”，就是5.9。

    涡轮增压的发动机，也就是利用排气能量压缩进气，使得气缸内实现更大的压缩。这样就提高了发动机的功率。

    现代汽车柴油机的压缩比，高达16－22.汽油机则是6－10.因此内燃机才能实现35%以上的效率。

    对单流式蒸汽机而言，如果不注意功率密度，它的效率完全可以由锅炉提供的蒸汽温度来决定。因此这一台的理论效率可以高达40%。

    但是相应的，如果说要把它装在运动机械上，比如轮船，火车上，就必须要考虑功率密度了。毕竟，车上还是要装别的东西的。

    因此，这台蒸汽机暂时只能用作固定的提供动力。对于不缺住宅面积的贵族来说，用来带动冷气机是最实用不过的了。此外，还可以用在机床，抽水机等等的机械上面。

    实际的设计过程还没有完，比如，凸轮控制的进气门开启，要从气缸最小位置，一直开起到1.6升的位置才关闭。然后气体膨胀做功，到最大位置时，排气凸轮顶起滑杆，打开排气门，然后在最小位置关闭。这个控制，可以在主曲轴上安装两个分别的凸轮就可以。它们凸起占整个圆周的比分别是进气凸轮十二分之一圆周，排气凸轮二分之一圆周。此外，进气阀门的截面积和排气阀门的截面积，要分别能使最大转速下，也就是最短近期时间内让足够的高压气体流进，低压气体排出。这个数据则是根据流体力学里流阻的公式，第二泊肃叶定理来表达的。

    这个公式是：流量等于管道两端的压力差，除以流阻：八倍粘滞系数乘以管道长度除以派和管道半径的四次方。在这里可以看出，管道半径是非常关键的一个数值，它的四次幂确保了在这一长串数据中它的影响力。

    人类长患的高血压，就是流体压力严重受血管直径影响的体现。如果因为肥胖之类的问题，让血管直径减小了5%，（这个数据看上去很小，是吧？），那么为了保持血流量，血压就要上升1.05的四次幂，也就是原来的121%。如果情况更严重一点，血管直径变小了10%，那血压就要到146%，严重爆表了。

    （当然这里笔者就不计算了。有兴趣的读者可以自行找数据计算在一个进气周期内，进气管和排气管的半径要选择多大才能兼顾活塞结构和压力损失）

    但是，光设计了汽缸和配气装置，这还只是完成了蒸汽机的三分之一。还有动力气体的产生装置和回收装置：锅炉和冷凝器没设计呢！

    李志坚考虑了这份设计的可完成度，心想，先把主体弄出来，在整剩下的吧。于是便带着老黄头和一众学徒在作坊开工了，先试着铸造一批加大版本的气缸，活塞，连杆之类的部件，然后打造两个凸轮，试着把主体部分先验证一下。

    对不起了瓦特，你改良的蒸汽机在唐代就被某位无良理工男以最没有余地的改装方式，给提前“发明加改良”了。后世的你面对这样的机器，会不会心生“这个机器如此优美而合理，以至于人类的智慧无法完全理解”诸如此类的感慨呢？