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望书阁 -> 历史军事 -> 我的科学时代-> 第二百五十四章 涡轮增压! 第二百五十四章 涡轮增压!
- 从地位上说,氧气顶吹转炉技术的核心前置科技,就是工业级空气分离设备。
历史上,第一台真正意义上的制氧机诞生于1903年末,应用于金属的气焊和切割,后来随着氮肥工业高速发展,逐渐对氮气产生极大需求,制氧机开始生产氧气与氮气,改名空气分离设备。
空气分离设备工作原理非常简单,利用液态氧气与液态氮气沸点不同,对空气进行低温处理,精馏分离,最终得到高纯度氧气与高纯度氮气,以及其他有用气体。
目前,全世界还没有一台真正意义上的工业级空气分离设备,所有空分设备还处于小型水平,其氧气产量为每小时5—10立方米左右,远远无法满足大规模氧气炼钢的需求,达不到工业级标准。
2t级氧吹炉氧气消耗量约为每吨金属1.5立方米/每分钟,冶炼时间为20分钟左右,总耗氧量高达60立方米。
一边是180立方米的泳池,一边是每小时5—10立方米左右的小水管,两者之间的差距达到36—18倍区间,不可谓不大。
想要达到氧气炼钢的标准,空分设备氧气产量必须提升两个数量级。
余华目标是研制出每小时氧气产量达到1000立方米以上的空分设备,如此,方可满足计划之中的2t级实验氧吹炉。
不过,当务之急还是先搞定氧枪。
空气分离设备是氧吹炉技术的核心前置科技,而氧枪以及耐火材料是氧吹炉本身的核心技术。
一环扣一环,每一个地方都不能马虎。
办公室内,余华伏案工作,面容认真,双手拿着笔和工具在图纸上不断作图,这是三孔氧枪喷头法兰零件的设计参数和尺寸数据,为了满足供氧强度和压力,喷头法兰零件的材质采用铸铁和电炉钢两种,经过埋弧焊工艺实现密封和连接。
法兰零件图纸画出,余华启用思维计算机,眼神透出一抹绝对理性的色彩,脑海之中构建法兰零件的数学模型,而后载入基准材料和结构,以及高压氧气数据,接着开始计算模拟。
计算模拟铸铁法兰和电炉钢法兰的炉内工作状况和数据。
这是余华独一无二的优势,无数科学家梦寐以求的能力。
数学模型中,一股高压纯氧沿中心管高速前进,似如湍流般汹涌澎湃,来到喷头法兰部位后,对铸铁材料的法兰施加巨大压力。
铸铁虽然不及电炉钢,但也能轻松承受这股高压气态纯氧所产生的压力,在铸铁法兰工作一秒后,数学模型引入新的变量因素——炉内工作环境。
火红色转炉出现,高达一千多摄氏度的钢水,时时刻刻向外释放高额热量,空气迅速升温加热,笼罩采用铸铁材料制作的法兰。
“咔擦!”在低温冷却水和高温热浪双重影响下,铸铁迅速产生变化,强度和硬度以肉眼可见的速度降低,仅仅过了十数秒,铸铁法兰产生一道裂纹,高压纯氧和低温冷却水随即泄露。
数学模型计算终止。
“铸铁不行,看来只能用电炉钢了。”余华对于铸铁法兰的模拟数据并不意外,面色平静,脑海分析这些模拟计算数据后,给出一个初步结论,而后开始进行电炉钢材料的法兰数学模型计算。
铸铁和电炉钢两种材料的力学性能明显不同,而余华之所以要做两种数学模型计算的缘故,只为了查看铸铁材料能否满足使用。
莫得办法,根据地穷,中华穷,铸铁成本和电炉钢成本完全是两个概念,如果铸铁材料能满足法兰盘的使用环境,那就没有必要耗费珍贵的电炉钢。
可惜,铸铁法兰的结果没有令余华惊喜。
数学模型计算再次启动,高压纯氧和炉内工作环节等等现实变量因素出现,这一次,采用电炉钢材料的法兰盘,在近乎真实环境下稳定运行,工作时间达到十个小时以上。
“材料力学数据合格,安全压力余量充足,在有冷却水的情况下,电炉钢法兰能长时间运行,在没有冷却水的情况下,大概十分钟就会因为高温而改变自身材料特性,不过,十分钟已经足够喷头损毁几百次。”跑了一遍动态计算模拟的余华,得出电炉钢法兰的材料力学数据和各项参数,退出消耗巨大的思维计算机模式,默默思索。
这份计算数据表明,法兰设计没有问题,必须采用电炉钢材料。
喷头法兰搞定,整个氧枪研制项目基本宣告结束,余华在图纸上标注零件规格和材料要求,而后打开装满数十份设计图纸的抽屉,将这张法兰设计图折叠整理,放入其中。
抽屉里这些设计图纸全是关于氧枪的图纸,包括整体三视图、喷头设计图纸、枪身设计图纸等等,千万别以为数十份很多,事实上,这个年代搞技术开发的工程师和学者,图纸消耗动辄几十上百公斤。
是的,几十上百公斤。
这还不算多,如果是那种超高难度且结构复杂的工程项目,图纸消耗量甚至能达到吨级标准。
对比同时代的同行们,余华这几十份图纸,已经算超级勤俭节约的级别。
而这些,全都依赖于思维计算机和思维近似物理系统。
“氧枪算是搞定了,趁着现在还有精力,研究一下空分设备。”余华放好图纸,心思由氧枪转移到空分设备上,稍微休息一会儿,接着取出一张空白图纸摆放于桌面。
整个人面容有些严肃,右手执笔,在旁边草稿纸写出空分设备的工作原理和制氧流程。
原理为利用氧气与氮气不同的沸点进行制氧,制氧流程大致分为压缩—净化—换热—制冷—精馏。
要从空气中制取氧气,首先第一步,也是最重要的步骤,压缩空气。
问题来了,如何压缩空气?
很简单,上一个拥有内部空间且封闭的金属体,加上往复运转表面光滑的铸铁金属,就能实现压缩空气,它在机械工程领域可以称之为气缸与活塞。
光有气缸与活塞还不够,为了能传动能量让活塞运转起来,肯定要加装曲柄连杆,连接能量供应核心,这个点由把电能转化为机械能的电机负责提供,此后,再加装完全密封的铸铁壳体与进排管道,一个可以压缩空气的机器设备就做好了。
这,就是空气压缩机。
从机械工程角度讲,压缩机工作原理非常简单,对后世任何一名理科高中生而言,只要听了课,随便掰扯理解,动手能力强的学生,都能造个简易压缩机。
而压缩机更是遍布千家万户,举个最简单的例子,后世家家户户全都有的空调和冰箱,全靠压缩机制冷。
不过,作为工业级空分设备的心脏,研发道路上的第一只拦路虎,具有不可替代性的压缩机,工作要求和指标却远远超过空凋压缩机和冰箱压缩机,而且,对压缩机而言,想要整台空分设备生产出足够的氧气,必须付出五倍以上的努力。
原因很简单,空气中的氧气体积分数为21%。
制取一份氧气,需要五份空气。
对压缩机来说,满足一台最小的2t级实验氧吹炉单位耗氧量,即180立方米每小时氧气产量,得直接乘以五倍。
如果是真正意义上的30吨级工业氧吹炉,那就更加夸张了。
30吨级氧吹炉不仅意味着钢水容积增加,而且单位耗氧量急剧上升,达到每吨金属3.5立方米/每分钟!
这是什么概念?
每小时供氧强度要达到6300立方米,然后再乘以5,得到3.15万立方米空气的天文数字。
当然,余华没有好高骛远,准备直接上马7000立方米每小时的空分设备,脚踏实地,从小出发,目标定在每小时200立方米氧气的空分设备。
“现阶段全世界空分设备的氧气产量不高,主要原因在于压缩机进气量不够,而这取决于进气机组的进气效率……”余华右手握着铅笔,简单几笔,便画出一个具有极简风格的进气机组结构,脑海高速运转思考。
进气机组与进气效率!
工业级空分设备的研发难度之所以高,在于超高制氧效率。
由于压缩机必须每时每刻需要获得巨量空气,进气机组的设计至关重要,已知进气效率越高,压缩机进气量越高。
一个新的问题由此诞生,什么结构设计的进气机组效率最高?
没人知道,这是氮肥工厂老板和氧气切割工程师最关心的事情。
当然,余华还是知道的,已知进气效率最高的进气机组,唯有f-22‘猛禽’身上f119矢量涡扇发动机用的压气机,这玩意儿进气效率之高令人感到可怕,每秒进气量达到上千立方米以上,令这款小涵道比涡扇发动机的进气效率,却丝毫不弱于大涵道比涡扇发动机,推力更是达到航空发动机之最。
嗯,理论上这是一款超理想的压缩机进气机组,如果余华能造出来的话。
用f119涡扇发动机的压气机太过遥远,回到压缩机草图上,余华权衡考虑,仔细思索过后,认为现阶段最适合压缩机的进气机组,就是由离心式压气机与涡轮构成的涡轮增压技术。
是的,大名鼎鼎的涡轮增压。
涡轮增压技术可以有效提升进气效率,进而满足压缩机的进气量需求,在整个空分设备中起到至关重要的作用。
余华握着铅笔,画出涡轮增压机组和压缩机的概念图,与此同时,脑海开始计算数据,分别对单级压气机和多级压气机进行不同的数据计算,数分钟过后,余华得到一系列数据结果。
计算模拟结果显示:
单级压气机和涡轮令进气效率有效提升,但总进气量不足,只有每小时780立方米,依旧无法满足2t实验炉的供氧强度需求。
二级离心压气机和涡轮令进气效率相较单级提升30%以上,总进气量及格,达到每小时1014立方米,满足2t实验炉需求。
三级离心压气机和涡轮令进气效率相较二级提升45%以上,总进气量优秀,达到每小时1470立方米。
这个诞生于1885年的涡轮增压技术,顷刻间令空分设备研究产生翻天覆地的变化,至于四级压气机和五级压气机,考虑到加工难度和材料的限制,完全没有计算模拟的必要。
三级以上的离心压气机,对于1937年的机械制造业而言,就像是f119相对于黎明航发那般遥不可及。
“一级不够,三级离心压气机对制造工艺和材料的要求特别高,成本高昂,不划算,二级虽然进气效率不如三级涡轮增压机组,但已经适合。”余华对采用三种不同结构的压缩机进行选择,毫无疑问,二级离心压气机和涡轮的组合,最适合应用于当前的压缩机。