面對這個問題,李志堅再一次的打開金手指,立刻就明白了原因。
這個原因其實不難,就從高壓鍋開始講起吧。高壓鍋是法國人德尼帕潘在1681年發表文章介紹蒸煮器時開始進入現代社會的。他當時介紹這個東西,是為了讓水煮骨頭軟化。或者說,當時他從法國來到英國,身為科技**絲,自然是沒多少錢的。加上英國的食物又是歐洲出名的難吃,所以他就鼓搗出了這個玩意兒,用來自己做好吃的解饞。
這個中國人民喜聞樂見的好朋友,它的原理在現代的中國真是婦孺皆知。那就是低壓地區水不到100度就沸騰,唯有高壓鍋可以讓鍋內的水沸點超過100度,這樣子就煮的快了。
這個簡單的自然原理不僅關系著人類的吃喝問題,更關系到人類社會的能源利用問題。
根據我國標準的數據,現代壓力鍋的壓力等級在13800100千帕,180千帕和190千帕三個標準。這個數值換算成大氣壓,就是1.7個,1.8個和1.9個大氣壓。可是你們想過,這些壓力下,水的沸點具體是多少度呢?150度?200度?
這就需要查閱一個數據,名字叫做水的「相位圖」。因為水存在著「氣體液體」共存的溫度,是一種相位變化復雜的物質,所以要特別制作一個相位圖來描述它的沸點不定的行為。
所以有兩種圖︰第一種是三相圖,描述了從冰,水到水蒸汽的三種相位變化。這張圖的橫坐標是溫度,豎坐標是壓力。查閱這張圖,可以看到在100攝氏度,1個大氣壓,到374度,221個大氣壓之間,是水和水蒸汽共存的區間。換言之,在這個壓力和溫度之下,鍋爐里的水不會全部轉化為水蒸汽。
這就解釋了老黃頭的簡易高壓鍋的水蒸汽溫度不足的原因。因為壓力只有10個大氣壓,在這個壓力下,水在190度左右開始沸騰,多余的熱量只會產生更多的水蒸汽,而不會讓汽水混合物的溫度升高。
如果要產生更高溫度的蒸汽,就要想辦法超越這個臨界點︰374度,221個大氣壓。這個臨界點,常常用來區分火力發電廠鍋爐的性能。現代火電廠的主要動力工質就是水蒸汽,主要能源轉化的場所,就是鍋爐的燃燒室和汽輪機的葉片。如果鍋爐產生的主蒸汽的壓力高于這個臨界點的壓力,這個機組就叫做超臨界機組。
在歐美發達國家的主蒸汽參數已經高達310個大氣壓,蒸汽溫度530度。我國的超臨界機組的國產化,直到2004年才由華能沁北電廠(河南省濟源市)實現。它的單機容量是600兆瓦。值得指出的是,雖然都是中國制造,可是設計和技術,都是使用的日本技術。以日本人的秉性,賣給你20年前的技術,都已經算「給你面子」了。相比之下,國外的亞超臨界機組在八十年代以前的裝機容量也超過了800兆瓦。因此在很多方面還是有差距的。
那亞超臨界機組,是不是就只能產生臨界點溫度以下的蒸汽了呢?不是的,比如德國貝司巴赫電廠870兆瓦機組的主蒸汽參數,是190個大氣壓,530度。這個參數是不是……有點奇怪,並不在這個臨界點以內。
沒錯,這樣的蒸汽,叫做「過熱蒸汽」。它是在一級加熱過程,由鍋爐產生的汽水混合物的一級蒸汽,再進入過熱管加熱來實現超過沸騰溫度的。所以在結構圖上,可以看到攻擊水的管道,在火焰上加熱以後,要再次通過一個彎曲的管道回到煙道上方,再次加熱。
為什麼要這麼麻煩呢?就是因為之前的計算說明,熱機的效率主要是高低溫度的比決定的。如果不使用這個過熱器的話,這個10個大氣壓的水蒸汽如果直接以190度的溫度去工作,那個效率就低的有點可怕了。它的理論熱效率就只有19%。
這也是為什麼現代蒸汽熱電廠的熱效率可以接近甚至超過50%,而蒸汽機車的車頭的熱效率卻不超過10%的理論上的原因︰主蒸汽參數太低。
但是,面對這個過熱器的制造,可就讓人犯了難。老黃頭的這個鍋爐的「壓力鍋」,是使用鑄鐵鑄造的,因此才能承壓。
如果要制造過熱器的話,那必然要使用彎曲的管道來容納大量的水蒸汽(設計為每秒約9升)通過,這些管道也必須是能夠承受壓力和密封的。
如果靠鑄造,沒法鑄造出中空又彎曲的細管。如果靠鋼條鍛打,那這個接縫的密封程度,又成了一個大問題。這還僅僅是一個過熱器,就要不下十根彎管。如果要大批量制造,或者制造更大的容量,這個制造就成了一個大問題。
這也是鍋爐的兩大造型︰水管和火管鍋爐的區別了。
火管鍋爐的主體,就是一個密封的大水箱,里面通過很多根管子,讓燃燒的煙氣通過。早期的蒸汽機車,就是使用這樣的鍋爐。因為這樣的鍋爐的管子是用來通過「火」的,所以叫做火管鍋爐。
相應的,水管鍋爐的主體就是一個大的燃燒室,水是通過水管進來加熱形成蒸汽再流出鍋爐的。
這兩個鍋爐那一個好呢?早期的鍋爐,以及火車頭用的鍋爐,都是火管鍋爐。一般的鍋爐是火管鍋爐也就算了,因為它構造簡單,花費的鋼材少,因此輕便便宜。要實現同樣的蒸汽產量,水管鍋爐的管道要多的多。
考慮到此時的狀況,同時也不至于太打擊老黃頭他們的信心,李志堅決定就在他們的「高壓鍋」的鍋爐構造上進行修改,讓它成為「水管火管」混合式的鍋爐。
李志堅指著這個隨意放在爐火上的圓滾滾的水箱,比劃著說︰
「這個水箱靠下的地方多開一個口,然後打造四根根粗鐵管,把它們這樣接起來。」
「在粗鐵管側面再開一個口,再打造四根粗鐵管,從上往下走。匯集在一起。」
「這個出口才是最後的蒸汽出口。記得把這四周用薄鐵皮圍住,讓煤炭燃燒的煙氣正好穿過這些鐵管子。加熱的重點不是這個水箱,而是後面的鐵管。」
完了,李志堅又拍這老黃頭的肩膀說︰
「你們做的很好。這樣的表現已經難能可貴了。」
以他們的工作,40%的效率是達不到的,但是就算最後只有10%的效率,那也是要逆天。這可是人類歷史上第一種大規模實現能量轉換的工具。
在這之前,人類的機械能,可是都是靠的線粒體啊!(流水提供的能量差不多也算直接的機械能,不能叫轉換,只能叫傳遞。水錘泵的原理也是傳遞能量。勢能和機械能的簡單轉換就不要給自己貼金說是能量轉化了吧)
「實現蒸汽動力,不是一日之功,也不是一個物件,一個步驟就能實現的。以後,我們這個團隊,還要處理很多覺得蛋疼,想到頭疼,干到手疼的問題。可是,你們正在實現對抗自然,逆天而為的大事。任何一個古代的聖賢,做的事情,都沒有你們偉大。」
老黃頭他們只是睜大了通紅的眼楮,被李志堅的敘述所震驚。
「你們相信我,能夠做出這種神話中都沒有出現過的機械。那麼我也相信你們,我們一定能夠成功。所以,你們現在放假兩天,休息好了,再把這個鍋爐的問題解決!」
「李錄事。我們不休息,我們現在就干!」老黃頭激動的一擼袖子,就要拿錘子開工。身後兩個學徒趕緊拉住︰「黃師傅,等等,等等。你都一天沒合眼了!」
「老黃,听我一句話。以後要干的事情還多著呢,眼下的這點小問題,真不值得干的這麼累!趕緊回家休息,別把身體弄垮了!你要是生病了,誰給我做關鍵的零件啊!」
李志堅只得柔聲相勸。
完了又加一句狠話︰「你要是不听我的命令,我就把你打發到廟里听高僧念經!一個月不許來作坊!」
一天不干活就身子不爽的工作狂老黃頭听到這個可怕的威脅,不僅身子一顫,趕緊服軟︰「我听你的,馬上就回去。」
一行人都走了。李志堅看見一團亂的做坊內散落的各色零件,通過了壓縮空氣驗證運行的單流式蒸汽機本體(現在看上去仍然是幾個氣缸,一個主軸,和一堆細細的連桿勉強拼湊在一起的亂糟糟的玩意),不僅丑的讓人絕望,更是看上去隨便一個錯誤,就會讓這些細桿子自己插在一起互相折斷掉。
可是這樣正在一點一點實現的宏偉前景,才是理工男真正想要的!