【缺氧热力学】自制模块不得不知道的知识 #01 蒸汽机篇

视频讲解链接：蒸汽机自冷、液冷视频全解

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1. 基础知识

  1.1蒸汽机工作原理

  1.2模型假设

  1.3热量与净发电量的计算

2. 蒸汽机自冷却降温

  2.1自冷却原理

  2.2热量与净发电量计算

3. 与液冷机的组合降温

  3.1液冷机简介

  3.2热量与净发电量的计算

4. 总结与比较

  4.1自冷降温的优缺点

  4.2液冷降温的优缺点

  4.3 实战

   1.1蒸汽机工作原理

       蒸汽机，即蒸汽涡轮机。尺寸为5×3，其下方有5个吸气口，每个吸气口每秒吸入蒸汽0.4kg（假设蒸汽温度为T，单位℃），5口全部工作时总吸气速率2kg/s,将蒸汽降温至95℃液化后通过排液口排出（液态水,95℃），并且将吸入的蒸汽的热量按照一定比例转化为电力（设转化效力为η′，单位J/kDTU）。

-蒸汽机参数-

过热温度：1000℃

发电功率：最大850W，具体与蒸汽温度有关

工作需求：1）蒸汽温度T>=125℃

                  2）设备温度低于100℃

基础产热：+4kDTU/s（附加产热：吞热量的10%）

效       果：输出95℃液态水，质量与吸入蒸汽质量相等

-相关物理量与公式-

水的比热容  c=4.179kDTU/(kg∙℃)

蒸汽或排水质量  m=2kg/s(5个吸气口同时工作）

吸入蒸汽的平均温度  T（T不小于125℃）

吞入蒸汽热量变化量  Q（吞）(单位kDTU/s)

蒸汽机发热量  Q（发）（单位kDTU/s）

蒸汽机发电功率  P（发电）（单位W）

转化效率  η′（单位J/kDTU或W/（kDTU/s））

Q（吞）=c×m×(T-95)=4.179×2×(T-95)

Q（发）=0.1×Q（吞）+4=0.1×4.179×2×(T-95）+4

P（发电）=Q（吞）×η′=4.179×2×(T-95)×0.9686

   注：η′=0.9686J/kDTU，是比例常量。众所周知蒸汽温度T=200℃时，蒸汽机达到最大发电功率P=850W，据此可推出

   η′=850/（4.179×2×105）=850/877.59=0.9686J/kDTU

  1.2 模型假设

-两点假设-

1）换热假设:所有的隔热砖、隔热管导热率无穷小，导热管换热速率无穷大，蒸汽室内气温处处相等。

2）热容假设：蒸汽室内蒸汽与背景板等物质的热容足够大，即使短时间内向蒸汽室内输入大量热量，蒸汽室的平均温度也不会有明显上升。

-实际措施-

1）隔热：隔热砖、隔热管采用导热率尽可能小的材料建造。（优选隔热质，次选陶瓷，再次火成岩，最次砂岩等矿物原料）

  注：综合考虑成本与导热率，一般选用陶瓷或火成岩。

2）导热：导热管采用尽可能好的材料建造。（优选导热质，次选铝，再次钴，最次金、铜、钨、铁、钢、铌，不建议使用铅、贫油、浓缩铀）

3）导热：蒸汽室中心贴满变温板，建议用钻石或精炼金属建造，可以部分采用火成岩等矿物原料建造，但两类变温板要均匀布置。

4）导热：蒸汽机选用导热率高的金属建造，下方铺一层导热性好的液体。（优选超级冷却剂、核废料，次选石油、原油，再次水、盐水、浓盐水）

注：如无特别说明，蒸汽机可以使用铅建造，铺液选择水或盐水即可。

5）扩容：蒸汽室建造得足够大，且装满足够多的水或蒸汽，背景可贴入火成岩背景板。（但最大不得超过1000kg/格，否则排液口会超压）

  1.3热量与发电量的计算

-净吞热速率-

        蒸汽机的发热效率较大，多数情况下不得不采取一定措施来冷却蒸汽机。常见的处理办法有两种：自冷却和使用液冷机冷却。从结果上看，这两种手段都是将蒸汽机产生的热量搬回蒸汽室。

公式：

Q（净）=Q(吞）-Q（发）=0.9×4.179×2×（T-95）-4（单位：kDTU）

-净发电功率-

       设模块的净发电功率P(净），等于蒸汽机的发电功率减去模块的平均耗电功率。

公式：

P(净）=P（发电）-P（耗电）

-发电效力-

        定义发电效力为η（单位：J/kDTU），其物理意义为：每净吞热1kDTU，模块的净发电量的数值为η。

公式：

η=P(净）/Q（净）

  2.1 自冷却原理

        蒸汽机最高工作温度为100℃，而其排出的水温固定为95℃，中间存在5℃的温差。这就是说，使用蒸汽机排出的水来冷却自身在理论上是可行的。

-极限温度-

        由于自冷却方式的冷却能力有限，当蒸汽机发热速率过大时，蒸汽机排出的水将无法将蒸汽机的温度控制在100℃以下。假设此时蒸汽室的温度为T（max）。

易知：0.1×4.179×2×(T（max)-95）+4=4.179×2×(100-95)

          ⟹ T(max)=140.2℃

-结论-

1）自冷却降温法的理论极限蒸汽室温度为140.2℃，倘若蒸汽室温度高于此温度，自冷式蒸汽机将无法长时间正常运作。

2）考虑到实际情况，一般将蒸汽室温度控制在135℃左右。

  2.2热量与净发电量计算

        由上述知，蒸汽机净吞热速率：

Q（净）=0.9×4.179×2×（T-95）-4

       由于没有其他用电器，故净发电功率即为蒸汽机的发电功率，为：

P（净）=4.179×2×（T-95）×0.9686

       发电效力：  η=P（净）/Q（净）

其中，尤其需要参考的量有两点：

1）135℃时，每台蒸汽机净吞热量为296.9kDTU/s；

2）自冷蒸汽机每净吞热1kDTU，发电量约为1.09J。

  3.1 液冷机的工作原理

        液冷机，即液温调节器，耗电功率固定为1200W。其工作时，每秒消耗10kg冷却液，将冷却液降温14℃后经排液口排出。注意，此过程中不吞热也不产生额外的热量，只是将冷却剂的热量转移到液冷机设备上。

        容易发现，冷却液的比热容越大，液冷机的转移热量的能力就越强。常用的冷却液有：超级冷却剂、核废料、污水（或净水）。

   3.2热量与净发电量的计算

        液冷机只转移热量，本身不吞热也不额外产热，故模块净吞热速率即为蒸汽机净吞热速率。

Q（净）=0.9×4.179×2×（T-95）-4

        净发电功率等于蒸汽机发电功率减去液冷机平均耗电功率。

P（净）=P（发）-Q（发）/μ

        发电效力  η=P（净）/Q（净）

注：μ是液冷机的换热效力。选择污水或者净水作为冷却剂时，μ=0.487kDTU/s。

需要注意的两个物理量：

1）200℃时，蒸汽机会达到最大功率，此时对应的最大净吞热速率是785.8kDTU/s；（实际上，温度大于200摄氏度时，净吞热会进一步上升，只是发电功率不在上升）

2）以污水或者净水作为冷却剂，每台蒸汽机每净吞热1kDTU，对应净发电量约为0.84J。

  4.1自冷降温的优缺点

-注意事项-

1）导热管不少于5节，导热管与蒸汽机必须使用铝（或导热质）来建造；导热液必须选择原油或石油（或核废料、超冷剂）。若选择其他导热性差的材料，可能会导致蒸汽机散热不充分。

2）蒸汽室不能太小，且必须铺满足量的水，贴满变温板与干板墙。

3）随着运行时间的延长，蒸汽机底部5块隔热砖的温度可能会上升到100℃左右，但是不用在意，对模块的正常运行基本无影响。

-缺点-

1）蒸汽室温度可变范围非常小，最大不得高于140℃，通常控制在135℃左右。

2）每台蒸汽机的吞热能力很有限，135℃时，净吞热速率是296.9kDTU/s。

3）最重要的一点，对新手很不友好，新手使用非常容易gg。

-优点-

1）不需要建造液冷机。这意味着将节约1200kg钢，且不需要造功率转变器或者真空接合板或者双油门真空隔热装置。

2）对热量的利用率高。发电效力近似值η=1.09。（单位：J/kDTU）

  4.2 液冷降温的优缺点

-优点-

1）蒸汽室可变温度范围大，当温度达到200℃时，蒸汽机达到最大发电功率850W。倘若温度高于200℃，多余的热量会白白浪费，但是模块本身仍能正常运行。2）吞热能力强，每台蒸汽机净吞热速率最大可达785.8kDTU/s。（倘若蒸汽温度高于200℃，蒸汽机的吞热速率会进一步提升，但多余的热量会白白浪费，且会徒增蒸汽机的发热量。）3）简单易上手，新手友好。

-缺点-

1）多数情况下需要使用钢来建造液冷机，而且需要建造功率转变器。2）热量利用率较低。发电效力近似值η（污水）=0.840，η（核废料）=0.946，η（超冷剂）=0.963。（单位：J/kDTU）

4.3 实战

如图，现有一金属精炼器以满速率炼铜。试计算：若以此作为热源发电，分别以自冷降温与液冷降温（冷却液为污水）的方式设计模块，各至少需要多少台蒸汽机。并计算吞热模块的平均净发电功率。

-解答-

第一步：计算产热速率。

      根据“炼铜时，以水作为冷却剂，则它的温度会上升19.2℃”，可知：

Q（产）=4.179×10×19.2=802.4  (kDTU/s)第二步：选择蒸汽机冷却方式

1）自冷降温

      查表可知，自冷蒸汽机每台净吞热最大值为296.9 kDTU/s。

那么至少需要3台蒸汽涡轮机。

      吞热模块平均发电功率：P（净）=802.4×1.09=874.6W

2）液冷降温

      查表可知，净吞热速率最大为785.8kDTU/s/台（200℃），故至少需要2台蒸汽涡轮机。     吞热模块平均发电功率：

P（净）=802.4×0.84=674.0W

可以发现，自冷降温要比液冷降温的总发电量多了约200W，风险与回报并存。

-彩蛋-

1）可以计算，假如满效率炼钢，自冷降温至少需要8台蒸汽机，液冷降温至少需要3台。

2）假如精炼器设置只用来精炼除去钢以外的其他金属，那么自冷降温只需要5台蒸汽机，液冷降温则至少需要2台。

假如有小伙伴看不懂上述公式推导与数据计算，那么也没关系，只需要搞懂两行数据就行：

1）自冷：135℃，净吞热：296.9kDTU/s/台，发电效力：1.09；（蒸汽室温度不得高于140℃）

2）液冷：200℃，净吞热：785.8kDTU/s/台，发电效力：0.84（水）。

      至于说蒸汽室内至少倒多少水的问题，我的回答是：没有最少倒多少水的说法，能倒多少倒多少。无脑倒水成功一半。

     至于如何利用这些数据计算，之后我会继续出视频，以火山开发为例，告诉大家如何自己设计模块。

     倘若有表达不正确的地方，欢迎各位大佬在评论区指出；倘若有关于蒸汽机任何不懂得地方，欢迎在评论区留言讨论。

      最后：感想大家支持！