说热机效率，话冷却塔
武际可


1712年，英国人托马斯?纽可曼（Thomas Newcomen,1663－1729）发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞, 在工作时, 先把蒸汽导入汽缸, 这时汽缸停止供汽而汽缸内进水, 蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，在德国与法国也在使用。这种机器被称为“矿山之友”。
蒸汽机不是英国人瓦特（James Watt,1736－1819）的发明，瓦特的贡献是对蒸汽机进行了一系列改进。 其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。                                  
1763年，格拉斯哥大学的一位教授委托瓦特修理纽可曼蒸汽机的模型，瓦特当时对蒸汽机所知不多，他便边学边修，并且对蒸汽机产生了浓厚的兴趣。蒸汽机的模型很快就修好了，他从此与蒸汽机结下了不解之缘。他进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率很低，耗费蒸汽太多。为了解决这个问题，瓦特对不同气压之下的水的沸腾现象进行了大量研究。他发现水在大气压之下变为蒸汽时，体积扩大了1800倍。进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机效率之所以低是由于在用水去冷却汽缸时，汽缸的温度变冷了，这样汽缸又要消耗过多的蒸汽去再加热。
1765年5月瓦特提出了使蒸汽从汽缸排入另一容器的想法，这个容器后来被称为冷凝器。经过反复试验与改进，他的装有冷凝器的蒸汽机在1769年制成了，并在同年的4月25日提出了专利。新的蒸汽机效率提高了很多。图示在左下方的水箱便是瓦特添加的冷凝器。                                      

瓦特的另一项重要发明是在蒸汽机上安装了离心调速器，这大约是1782年前后的事情。这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，细杆另一端各有一个金属球。当蒸汽机转动过快时，竖轴也转动加快，两个金属小球在离心力作用下，由于转动快而升高，这时通过与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小，从而蒸汽机的转速也便可以降低。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动慢了，小球
  的位置也便下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。离心调速器是一个基于力学原理的发明，他是蒸汽机所以能普及应用的关键, 也是人类自动调节与自动控制的开始。由于人们能够自由地控制蒸汽机的速度，才使蒸汽机应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，才使人类大量使用自然原动力成为可能，这才有产业革命的第二阶段。
最早从理论上讨论蒸汽机的热效率的是法国人卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot,1796－1832）。卡诺出身于法国的望族，他的父亲是法兰西第一共和国拿破伦一世政府的重要官员，他的侄儿后来在法国第三共和国中担任了总统，而他却没有从政，成为一名科学家。不幸的是他在36岁时便死于流行霍乱。

瓦特改进了蒸汽机后，尽管效率有很大提高，但是仍然很低。在卡诺的时代，只有4－5％。卡诺为热机产生的功率问题所吸引，他从一般的观点提出问题：一架热机的效率最大能达到多大？在1824年出版了他的研究结果，题为《论火的动力》小册子。这本小册子只有66页的篇幅，也是他一生中唯一的科学著作。
卡诺的结论是，热机的最高效率取决于热机内的温度差。对于一般的蒸汽机来说，令T1是蒸汽的绝对温度，T2是冷凝器的绝对温度，则热机所能达到的最大效率为
η=（T1-T2）/T1。                               
  这个式子说明，热机的效率只取决于这里的两个温度，而与热机使用的是什么介质，是水、是空气无关，也与在热机中的温度是怎样变化的，是快、是慢，是均匀、是不均匀无关。卡诺的研究结果表明，热量从高温物体向低温物体的趋势使我们不可能从给定的热量获取最大的，即效率为1的机械功。这便是后来称为热力学第二定律的内容。
卡诺所讨论的是蒸汽机，后来人们把通过热来做功，即把热能转换为机械能的机器，或者是把机械能转换为热的机器，例如制冷机，空调机，等统称为热机。
卡诺研究的结论启示我们，要提高热机的效率必须向两个方向去努力：其一是提高机器入口处介质的温度 ，其二是降低机器出口处介质的温度 。提高温度 有一个限制，这就是热机材料在高温下会变得不结实。例如钢铁，在摄氏1200°就会熔化，不能承受任何压力，在摄氏600°以上就会变软，在一定的高压下会缓慢地变形而导致破坏。所以通常用钢铁制造的蒸汽机或汽轮机，蒸汽的温度大约不能超过560°C，  即绝对温度大约不超过840°K。一般航空用的发动机，是用特殊材料制造的，燃气温度可以达到1200°C。由于温度提高了效率会提高许多。所以为了提高热机入口的温度，需要研究新的耐高温的材料。
普通可行的提高热机效率的办法，是降低热机出口的温度。这就是，要对热机出口的介质进行冷却。就以通常的汽轮发电机来说，它的蒸汽入口温度是大约560°C（833°K），出口温度大约是40°C（313°K），它的热效率是0.62。这个效率当然是在十分理想的情况下计算得到的。实际用燃烧煤来发电，效率还会因为锅炉和其他部分的热损失降低很多。现在如果把出口温度降低10°C，效率就会变成0.64。即效率提高了0.02。如果把它换算成输出功的百分比，降温得到的输出功率增加了0.03。
可别小看这通过降低出口温度提高的这0.03 的输出效率。就以华北电网来说，它的发电装机容量大约是7000万千瓦，它的0.03是210万千瓦。按通常的城市电费以每度（每千瓦小时）0.4元来计算。210万千瓦，每小时电费是84万元，每天就是2016万元。一年就可以达到70多亿！这是一个相当大的数字。所以靠降低热机出口温度来提高效率，节约能源的效果是相当可观的。
用什么办法来使汽轮机的出口温度降低呢？自然界最容易得到的，热容量又比较大的物质就算水了。所以通常都是用水来冷却的。
一座大型发电厂对冷却水的需求量之大是惊人的．一台  十万千瓦的发电机，大约需要3m ／s的水流量去冷却，即是说一座 百万千瓦的发电厂，需冷却水约 30m ／s．需知北京市的用电量是数百万千瓦，而像北京城边的永定河平均流量只有20 m /s左右，何况天旱时河水还会断流。而且直接用河水冷却后，水温上升，再排入河中，还会产生热污染的严重问题。冷却塔就是为解决这一难题而建造的。
如果你远望一座大型发电厂，最引人注目的是一座或数座顶端冒白汽、外形为旋转双曲面的庞然大物，这就是冷却塔．它们是用来做什么的？粗略地说，是为了提供发电设备冷却水用的。
冷却塔的工作原理如图，冷却热机的水被热机加热后，用泵打到塔筒的淋水装置h高程，然后以淋水方式喷洒下来，在降落的过程中，水被空气冷却了而空气却被加热了，加热后的
空气比重减小，所受浮力增大，在浮力作用下，空气上升到塔顶冒出。塔愈高，空气浮力愈大，空气上升速度也愈大，冷却效率也愈好。


    冷却后的水降入水池，然后再被用于冷却热机，循环不已。所以冷却塔在缺水区建电厂是绝对必需的。用冷却塔冷却可以比用直流水冷却省水97％，并且使水温平均降低11 C。其中3％的水是随空气上升的水蒸气散发到空气中去了。
对于缺水的地区，损失的这3％的水，其数量也是相当可观的。为了节约这部分水，冷却塔被做成“干式”的。即热交换不是用水淋下来的方式，而是让热水通过像暖气片那样的热交换器
来实现。水蒸气就不会跑到大气中去了。不过，干式冷却塔的效率一般说是要低些。
    设计冷却塔需要很精细地计算冷却塔内的空气和水进行热交换，估计一座发电厂需要建造多大的冷却塔，淋水面积需要多大，冷却效率怎样。
    

设计冷却塔的另一个困难是它的强度。冷却塔的结构主体是一种典型的薄壳结构。目前典型的大型冷却塔大约高150m，底部直径大约是150 m，就是说，它的底部可以容纳一个足球场。然而它的厚度却很薄，最薄处只有20cm。如果将冷却塔成比例地缩小到鸡蛋壳直径大小，则它比鸡蛋壳还要薄，仅及鸡蛋壳厚度的1／5。这大概也就是冷却塔结构分析的难度所在.从20世纪初冷却塔面世以来，随着发电机组容量加大，冷却塔也愈高大。1965年11月1日，英国渡桥电厂的8座冷却塔在8级风中倒掉了3座．1973年9月27日，英国Ardeer又在大风中倒掉了1座冷却塔。之后，国外在地基下沉，以及施工期都有倒塔事故的报道。这些事故引起了国际上的普遍注意，事实说明在设计冷却塔时，对它的外载与应力分析应当给以格外充分的注意。
    上面说的是发电热机的冷却问题，对于制冷机、空调机等设备，为了提高效率，也有冷却的问题。特别是对于那种大型建筑的集中空调，或大型冷库。也需要在房顶或适当的地方建造一个冷却塔。不过这种冷却塔规模很小。没法和发电厂的冷却塔相比。如图就是一座典型的这类冷却塔。
为了提高航空发动机的效率也需要冷却发动机出口的温度，不过这时就不能使用水来冷却了，一般要使用快速流动的空气或别的介质。这类高效率的冷却方案需要更精细的研究。而提高冷却的效率方案，不管对蒸汽机、汽轮机、燃气轮机，还是对制冷机，迄今一直是人们努力研究的方向。


为《物理教学》特约稿，2007年第3期第2-4页
                  



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