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第七十三节 蒸汽机设计（第1页）

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。