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木工雕刻机可雕石材吗步进电机容量计算选择铧

文章作者:应用领域 上传时间:2020-02-04

  这是我在知乎写的第一篇文章。在知乎也混了两年多了,回答了一些汽车相关的问题。想写这篇文章,步进电机容量计算选择主要是发现,其实大多数人对于热效率这个概念很模糊。希望这篇文章能讲清这几件事情:

  这篇文章会不可避免地有一些学术,希望能讲得不像教科书那样无聊,也欢迎讨论。但是有一点我要明确,这篇文章,尤其是1-3点,是绝对正确的,这些并不是我个人的主观看法,是客观事实,就像1+1=2一样正确。内燃机还在继续发展,但是决定内燃机极限的基础热力学理论,在两百年前就有人想清楚了。所以,有不理解的尽管问,我非常愿意解释,但请不要质疑它的正确性。如果觉得我扯淡的,请立刻拉黑我,不要犹豫。

  对于往复式内燃机而言,热效率(thermal efficiency)指的是缸内气体对活塞做的功和放热量的比值,

  因为燃烧效率和机械效率一般都在90%以上,铧式犁提高热效率才是关键。所以很多时候只提热效率。当然,不同场合的这些效率定义略有不同,这里就不细说了。

  路上的量产汽车热效率一般都30%多一些,剩下60%多的能量都去哪里了呢?可以简单这么认为,汽油燃烧放的热分成三份,一份被用来冷却气缸的冷却水带走,第二份在排气的时候被浪费掉了,剩下的三分之一,是有效的功,木工雕刻机可雕石材吗所以热效率是30%多。也就是说,只要你车子水箱是热的,排气管是烫手的,就有能量被浪费掉了。

  热力学第一定律就是能量守恒。如果对这一点有疑问的,我觉得知乎不适合你,你应该去立刻做一些能获得诺贝尔奖的研究。

  热力学第二定律,指的是,能量的转化不仅仅要遵守能量守恒,也就是不发生量的改变。同时,不同的能量是有品质差别的,从高品质的能量变成低品质的能量,转化效率是100%,但是从低品质的能量,转化成高品质的能量,效率不可能100%。也就是说,不同形式的能量之间互相转化,有方向性。高品质的能量有电能和机械能。最低品质的能量就是热。用电阻丝发热,消耗的电能可以100%转化成热。但是把热量转化成机械能,是不可能达到100%效率的,这也就是热机的理论上限。因为热机是把热转化成机械能的一种装置。

  至于卡诺循环,可以认为是针对热机的热力学第二定律的定量表达。也就是说,无论这个热机是什么样的,无论是内燃机、还是外燃机,无论是往复式热机,还是旋转式(透平式)热机,不管怎么获得热量的,它的极限效率不可能违背热力学第二定律,这个极限效率就是卡诺循环的效率,简称卡诺效率。

  任何一个热机都可以认为从某个高温热源获得能量,然后对外做功,最后会有一小部分能量必须排出系统,给低温热源。举个简单的例子,下图是一个蒸汽轮机的示意图。蒸汽轮机在2-3的时候从锅炉吸热,3-4的时候通过涡轮对外做功,但是在4-1的冷凝器中必须向环境排出一些热量,否则这个热力学循环没法完成。

  卡诺在1824年认为,一个热机的极限效率只和高温热源、低温热源的温度有关,铧式犁而和这个热机是怎么样的没有关系:

  卡诺循环的指导意义在于,它告诉我们,为了提高热机效率,尽管我们不能降低低温热源温度,但我们应该尽量去提高高温热源温度,来提高热机效率。

  前面的第一张图,使用锅炉对工质(工作物质,用来做工的流体)加热,在冷凝器里面通过热交换冷却。那么其中的低温、高温热源很好理解,这是一种典型的外燃机。

  对于汽车内燃机,其实不存在所谓的高温热源。一般都是假设由于燃料的燃烧,缸内气体的达到的极限温度,是高温热源,这个温度不低于2000 K(没错,你没看错,我也没写错,并且,我还可以告诉你,钢的熔点在1400 ℃左右,也就是1700 K,铝的熔点是660 ℃,约1000 K),那么一个汽车内燃机的卡诺效率在

  其实,铧式犁2000 K是相对保守的,对于传统汽油机,缸内最高温度能到2500 K是很正常的。那为何内燃机的极限温度能那么高,甚至突破金属熔点?主要原因很简单,汽车内燃机是往复式热机。一个四冲程内燃机转两圈完成一个工作循环,也就是720°,其中可能只有10°左右的时间,缸内气体温度可以高于2000 K。在吸气、排气这一整圈的时候,缸内气体温度可能只有300-400 K,所以,尽管有一瞬间缸内气体温度很高,平均温度并没有那么高(400-500 K),所以往复式内燃机对缸壁材料非常友好,木工雕刻机可雕石材吗有利于降低成本。因为这个原因,往复式内燃机的高温热源温度可以很高,根据卡诺定律,往复式内燃机的极限效率非常高。对于缸壁温度,有一个更好的答案,可以参考@苏黎世贝勒爷发动机工作时其内部是如何承受两千多度的高温的?

  那既然汽车内燃机的理论卡诺效率那么高,为何汽车内燃机的效率并不高呢?因为这受到了热力学循环的限制。汽车往复式内燃机可以近似成理想奥托循环(Otto Cycle)。1-2是压缩,2-3是燃烧,3-4是膨胀做功,4-1是排气,0-1-0是换气。(感谢@Patrickshiro告诉我中文是奥托不是奥托,我一直打错了)

  所以可以看到,奥托循环的效率并不高,和卡诺循环差距很大,所以汽车内燃机效率相对比较低。不严谨地说,热力学第二定律的限制对汽车内燃机没什么用,差太远了。但是,因为汽车内燃机极限温度比较高,这提高了内燃机的效率。并且,热力学告诉我们,汽车内燃机的效率是能轻松突破50%的。事实上,先进内燃机技术已经不被奥托循环所局限了,所以奥托循环的理论热效率,并非完全是内燃机的上限。但在这篇文章里就不展开了。

  这其实就是大家熟悉的烧开水嘛,可以烧煤,烧天然气,烧铀,总之,烧某种东西,放出热量,来把水烧开,做功,这就是蒸汽轮机,对应的是热力学的朗肯循环(Rankine Cycle)。

  烧开水最大的问题是,水温不能烧得太高,一个传统的蒸汽轮机,涡轮进口温度一般低于374 ℃(水的临界点),那么根据这个温度计算的卡诺效率只有54%,远比内燃机的85%低。但是,因为朗肯循环中有水的液-气相变,朗肯循环本身,其实是很接近卡诺循环的,所以实际效率能做得很高,到30%以上。具体的我就不展开讲了。

  这个时候,就有人说超临界(Supercritical)和超超临界(Ultra-Supercritical)朗肯循环了。这指的是水蒸气的状态,指的是水温高于374 ℃时,无论如何加压,水都不会变成液态。根据维基百科(Supercritical steam generator)超临界机组最高温度可以到达566 ℃,这个时候,卡诺效率是64%,超超临界机组最高温度可以到760 ℃,卡诺效率是71%。所以,用了超临界和超超临界机组的确可以大幅提高蒸汽机热效率,实际效率可以到40-50%,但这伴随着对材料要求的提高。蒸汽机是旋转式机械,高压涡轮叶片始终接触高温,因此,能承受的温度远低于往复式内燃机。

  最后来提一下联合循环(Combined Power Cycle)。因为朗肯循环的热源温度不能太高,所有有人的想法是把一个燃气机组和一个蒸汽机组串联在一起,如下图。6是燃气轮机,用的是布雷顿循环(Brayton Cycle),这类循环效率比较低,而且出口温度很高。因此,燃气轮机的出口可以用来加热一套蒸汽轮机,也就是2-5。

  燃气轮机里的温度比较高,可以上千度,如果正好是1000 ℃的线%,相当高了。但是燃气轮机的出口温度也很高,有时候达到五六百摄氏度,如果没有再利用的话,效率非常低。但是这个温度正好适合朗肯循环。因此,联合循环的效率很高,可以达到60%。但同样,燃气轮机内的温度也不能太高,也受到了材料的限制。原因和蒸汽轮机类似。

  汽车内燃机及近似的奥托循环,并不是很高效的热力学循环,但因为高温热源温度可以非常高,达2000 K,所以尽管汽车内燃机的效率离卡诺效率差得很远,它仍然可以做到不错的热效率。汽车内燃机毫无疑问可以做到50%热效率,做到60%热效率有一定的难度。

  汽车内燃机的限制主要是如何组织燃烧来提高热力学效率,对于材料没有特别的要求。

  发电厂中常用的基于朗肯循环的热力学循环,是比较高效的热力学循环,其实际效率会比较接近热力学第二定律限制的卡诺效率。但因为

  旋转式热机中的涡轮叶片始终接触高温,受材料限制,高温热源的温度比较低,卡诺效率较低

  总的来说,两者都能轻松突破50%热效率,突破60%热效率有一定难度。汽车内燃机受热力学限制,发电厂的不同循环的热机主要受到材料性能的限制。

  最后再补几句吧。有人可能不理解,既然热力学已经研究那么透了,为什么现在的热机还有提升空间?其实热力学作为基础科学,只是告诉了你什么可以什么不可以,具体怎么做,是工程学的事情。一方面,前面提到,步进电机容量计算选择对于发电厂的旋转式热机,提高材料极限可以显著提高热机性能。另一方面,无论哪一种热机,里面工质的流动、热交换、燃料的燃烧,都是非常复杂而且重要的过程,这牵涉到了流体力学、传热学、燃烧学、化学动力学等等一系列应用科学,所以,对于这些学科的深入理解和应用,可以减小各类损失,让实际效率接近理论效率,这就是现在的业界和学界在做的事情。

  好吧,我也没想到居然就被编辑收录了,虽然被收录的确没什么大不了的,不过这至少说明会有人看吧。大致想了一下,以后会这么写:

  汽油机和柴油机的区别。这看上去是一个很简单的不用任何解释的问题,但其实,没这么简 单。不理解汽油机和柴油机,就无法理解为何HCCI和马自达的SPCCI能提高热效率。

  各种汽油机魔改,只关注发动机本身,暂时不涉及混动。(柴油机去死吧我不会写的)

  其它HCCI衍生技术,比如PCCI、SACI(马自达的SPCCI)、RCCI等。也可以介绍一下turbulence jet ignition。

  各种奇葩发动机:比如转子发动机、自由活塞发动机、对置活塞发动机等。纯粹是写着好玩,这些发动机甚至未必有意义,但都很有趣。

  希望能以一到两周的频率更新吧。其实关于电动车和混合动力动力总成和整车层面的分析我也可以写,不过目前没有想到特别好的点子。

  @清月问我算卡诺效率的时候为何不用发动机排气温度作为低温热源,步进电机容量计算选择而是用的环境温度300 K。我觉得这是一个很好的问题,以前也有人问过我。的确,用排温作为低温热源温度可以得到一个更低的效率,似乎更接近实际情况。但卡诺定律作为热力学第二定律的一种表述方式,它不是为了更接近真实情况,而是表达一种理论上的上限。只要排温高于环境温度,实际热效率就有提升的可能,所以低温热源必须设为300 K。并且,卡诺热机不看热机形式,只关心高低温热源温度,非常适合做不同类型热机之间的比较。所以,使用环境温度300 K是一个更合理的数值。

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