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面对这个问题,李志坚再一次的打开金手指,立刻就明白了原因。
这个原因其实不难,就从高压锅开始讲起吧。高压锅是法国人德尼帕潘在6年发表文章介绍蒸煮器时开始进入现代社会的。他当时介绍这个东西,是为了让水煮骨头软化。或者说,当时他从法国来到英国,身为科技**丝,自然是没多少钱的。加上英国的食物又是欧洲出名的难吃,所以他就鼓捣出了这个玩意儿,用来自己做好吃的解馋。
这个中国人民喜闻乐见的好朋友,它的原理在现代的中国真是妇孺皆知。那就是低压地区水不到00度就沸腾,唯有高压锅可以让锅内的水沸点超过00度,这样子就煮的快了。
这个简单的自然原理不仅关系着人类的吃喝问题,更关系到人类社会的能源利用问题。
根据我国标准的数据,现代压力锅的压力等级在0000千帕,0千帕和90千帕三个标准。这个数值换算成大气压,就是7个,个和9个大气压。可是你们想过,这些压力下,水的沸点具体是多少度呢?50度?200度?
这就需要查阅一个数据,名字叫做水的“相位图”。因为水存在着“气体液体”共存的温度,是一种相位变化复杂的物质,所以要特别制作一个相位图来描述它的沸点不定的行为。
所以有两种图:第一种是三相图,描述了从冰,水到水蒸汽的三种相位变化。这张图的横坐标是温度,竖坐标是压力。查阅这张图,可以到在00摄氏度,个大气压,到74度,22个大气压之间,是水和水蒸汽共存的区间。换言之,在这个压力和温度之下,锅炉里的水不会全部转化为水蒸汽。
这就解释了老黄头的简易高压锅的水蒸汽温度不足的原因。因为压力只有0个大气压,在这个压力下,水在90度左右开始沸腾,多余的热量只会产生更多的水蒸汽,而不会让汽水混合物的温度升高。
如果要产生更高温度的蒸汽,就要想办法超越这个临界点:74度,22个大气压。这个临界点,常常用来区分火力发电厂锅炉的性能。现代火电厂的主要动力工质就是水蒸汽,主要能源转化的场所,就是锅炉的燃烧室和汽轮机的叶片。如果锅炉产生的主蒸汽的压力高于这个临界点的压力,这个机组就叫做超临界机组。
在欧美发达国家的主蒸汽参数已经高达0个大气压,蒸汽温度50度。我国的超临界机组的国产化,直到2004年才由华能沁北电厂(河南省济源市)实现。它的单机容量是600兆瓦。值得指出的是,虽然都是中国制造,可是设计和技术,都是使用的日本技术。以日本人的秉性,卖给你20年前的技术,都已经算“给你面子”了。相比之下,国外的亚超临界机组在八十年代以前的装机容量也超过了00兆瓦。因此在很多方面还是有差距的。
那亚超临界机组,是不是就只能产生临界点温度以下的蒸汽了呢?不是的,比如德国贝司巴赫电厂70兆瓦机组的主蒸汽参数,是90个大气压,50度。这个参数是不是……有点奇怪,并不在这个临界点以内。
没错,这样的蒸汽,叫做“过热蒸汽”。它是在一级加热过程,由锅炉产生的汽水混合物的一级蒸汽,再进入过热管加热来实现超过沸腾温度的。所以在结构图上,可以到攻击水的管道,在火焰上加热以后,要再次通过一个弯曲的管道回到烟道上方,再次加热。
为什么要这么麻烦呢?就是因为之前的计算说明,热机的效率主要是高低温度的比决定的。如果不使用这个过热器的话,这个0个大气压的水蒸汽如果直接以90度的温度去工作,那个效率就低的有点可怕了。它的理论热效率就只有9%。
这也是为什么现代蒸汽热电厂的热效率可以接近甚至超过50%,而蒸汽机车的车头的热效率却不超过0%的理论上的原因:主蒸汽参数太低。
但是,面对这个过热器的制造,可就让人犯了难。老黄头的这个锅炉的“压力锅”,是使用铸铁铸造的,因此才能承压。
如果要制造过热器的话,那必然要使用弯曲的管道来容纳大量的水蒸汽(设计为每秒约9升)通过,这些管道也必须是能够承受压力和密封的。
如果靠铸造,没法铸造出中空又弯曲的细管。如果靠钢条锻打,那这个接缝的密封程度,又成了一个大问题。这还仅仅是一个过热器,就要不下十根弯管。如果要大批量制造,或者制造更大的容量,这个制造就成了一个大问题。
这也是锅炉的两大造型:水管和火管锅炉的区别了。
火管锅炉的主体,就是一个密封的大水箱,里面通过很多根管子,让燃烧的烟气通过。早期的蒸汽机车,就是使用这样的锅炉。因为这样的锅炉的管子是用来通过“火”的,所以叫做火管锅炉。
相应的,水管锅炉的主体就是一个大的燃烧室,水是通过水管进来加热形成蒸汽再流出锅炉的。
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