锅炉工的怨念之一：绕不开的热能转化

发布时间：2023-06-08 03:58:33

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这一篇我们要开始面对核能利用中最无奈的一个环节，那就是核能总归要先转化为热能才能被人类利用。事实上，当人类谈论“能量”时，是很偏心的。人类最喜闻乐见的能量无非是电能和机械能，因为这是人类最善于驾驭、最便于直接利用的。民用中，大量的家用电器，飞奔的汽车火车飞机轮船；工业中，挖掘机挥舞着手臂那是机械能，炼钢用电炉也比烧煤的高炉更好控制。然而，电能和机械能都不是便于大规模存储的能量，牛逼如特斯拉，锂电池的能量密度也还远小于汽油。所以有句老话说“电是一种一生产就必须被消费的商品”，而机械能的情况也差不多，发动机转起来产生的机械能立马就会被消费。可人类还是钟情于电能、机械能，于是，人类发明了各种各样的动力设施，把其它的能源转化为电能或机械能：干电池将化学能转化为电能，光伏电池将光能转化为电能，风车将空气的动能转化为机械能，水轮机将河水的重力势能转为机械能，如此种种。而诸多能源来源当中，热能是人类最早接触、利用最广的能量形式，从远古时期的钻木取火，到现代的内燃机、汽轮机等等，都是对热能的利用和转化。

回到我们的主题，核能。我们无奈的发现一个事实：我们无法定向的、逐一的去控制每一个裂变原子的方向，它们无时不刻不处在热运动之中。因此，当核能被释放出的时候，就已经自然的转化为了裂变产物的热运动。接下来的事情充满了套路：无非就是烧锅炉嘛。但这个锅炉又因为核能独特的特性而充满了挑战。本篇就先概要的讲一讲这个奇怪的锅炉，回顾一下烧锅炉的技术要点，介绍一下常见的核能锅炉形式，建立一个感性的概念。

锅炉工的基本功：热力学，传热学，流体力学

热力学告诉我们有多少能量可以被利用

工质是热力学研究的核心对象，流体的体积和压力变化是工质利用热能对外做功的核心能力。虽然利用其它一些高大上的近代物理规律也可以实现对热能的利用，比如热电偶可以把热能直接转化为电能，但这些都还没办法大规模发电且效率很低。

热力学的知识自成一体，我们这里做个概览并引用一些重要的结论。锅炉抽象出来是这个样子的：

一个高温热源（俗称锅炉），一个低温热阱（一般就是环境温度），热机（像蒸汽机，内燃机，燃气轮机，蒸汽轮机等等）从高温热源吸收能量，利用工质的体积和压强变化对外做功W，向低温热阱排放废热。热力学第二定律告诉我们，高温热源给出的热量没办法全部用来做功，总会向低温热阱排出废热，这个做功的效率有个上限，就是所谓的卡诺循环的效率：

所以，提高热效率的办法就是提高高温热源的温度或者降低低温热阱的温度。实际上热阱的温度一般都是环境温度，人们能够做的就是提高高温热源的温度。

传热学和流体力学指导我们如何用工质获得热量

传热学第一讲（伪，其实是能量守恒）

我们考虑一个简化的、稳态的锅炉，某种方式烧出来的热量（比如烧煤，烧核能都行），被流动的工质带出（如下图，给水经过锅炉，变成蒸汽），那么在单位时间内，锅炉产出的热量一定全部转化为工质的内能。写成方程是这样的：

也就是说，比热乘以单位时间流经锅炉的工质质量，等于锅炉的功率（发热率）。这个简单关系式告诉我们，应该选择比热大的工质，不然就需要很高的工质流速（这会让工程师很头疼）或者很高的进出口温差（同样很头疼）。

传热学第二讲：换热系数

有温差才有换热，一般定义单位换热面积下的换热量比上温差为换热系数。换热有三种形式：传导，辐射，对流。在流体工质的锅炉里，对流换热系数无疑是最重要的，这决定了锅炉里的温差（温差大也会带来一系列让人头疼的问题）。而对流换热系数的影响因素主要靠流体力学来研究，这是一个挑（dà）战（kēng），换热几何是管还是板，管内还是管外，横向流还是轴向流，单相还是两相，直管还是螺旋，等等一系列问题，但归根到底还是为了提高换热系数。