鍋爐工的怨念之一：繞不開的熱能轉化

發布時間：2023-06-08 03:58:33

題圖來自網絡，侵刪。

這一篇我們要開始面對核能利用中最無奈的一個環節，那就是核能總歸要先轉化為熱能才能被人類利用。事實上，當人類談論“能量”時，是很偏心的。人類最喜聞樂見的能量無非是電能和機械能，因為這是人類最善于駕馭、最便于直接利用的。民用中，大量的家用電器，飛奔的汽車火車飛機輪船；工業中，挖掘機揮舞著手臂那是機械能，煉鋼用電爐也比燒煤的高爐更好控制。然而，電能和機械能都不是便于大規模存儲的能量，牛逼如特斯拉，鋰電池的能量密度也還遠小于汽油。所以有句老話說“電是一種一生產就必須被消費的商品”，而機械能的情況也差不多，發動機轉起來產生的機械能立馬就會被消費。可人類還是鐘情于電能、機械能，于是，人類發明了各種各樣的動力設施，把其它的能源轉化為電能或機械能：干電池將化學能轉化為電能，光伏電池將光能轉化為電能，風車將空氣的動能轉化為機械能，水輪機將河水的重力勢能轉為機械能，如此種種。而諸多能源來源當中，熱能是人類最早接觸、利用最廣的能量形式，從遠古時期的鉆木取火，到現代的內燃機、汽輪機等等，都是對熱能的利用和轉化。

回到我們的主題，核能。我們無奈的發現一個事實：我們無法定向的、逐一的去控制每一個裂變原子的方向，它們無時不刻不處在熱運動之中。因此，當核能被釋放出的時候，就已經自然的轉化為了裂變產物的熱運動。接下來的事情充滿了套路：無非就是燒鍋爐嘛。但這個鍋爐又因為核能獨特的特性而充滿了挑戰。本篇就先概要的講一講這個奇怪的鍋爐，回顧一下燒鍋爐的技術要點，介紹一下常見的核能鍋爐形式，建立一個感性的概念。

鍋爐工的基本功：熱力學，傳熱學，流體力學

熱力學告訴我們有多少能量可以被利用

工質是熱力學研究的核心對象，流體的體積和壓力變化是工質利用熱能對外做功的核心能力。雖然利用其它一些高大上的近代物理規律也可以實現對熱能的利用，比如熱電偶可以把熱能直接轉化為電能，但這些都還沒辦法大規模發電且效率很低。

熱力學的知識自成一體，我們這里做個概覽并引用一些重要的結論。鍋爐抽象出來是這個樣子的：

一個高溫熱源（俗稱鍋爐），一個低溫熱阱（一般就是環境溫度），熱機（像蒸汽機，內燃機，燃氣輪機，蒸汽輪機等等）從高溫熱源吸收能量，利用工質的體積和壓強變化對外做功W，向低溫熱阱排放廢熱。熱力學第二定律告訴我們，高溫熱源給出的熱量沒辦法全部用來做功，總會向低溫熱阱排出廢熱，這個做功的效率有個上限，就是所謂的卡諾循環的效率：

所以，提高熱效率的辦法就是提高高溫熱源的溫度或者降低低溫熱阱的溫度。實際上熱阱的溫度一般都是環境溫度，人們能夠做的就是提高高溫熱源的溫度。

傳熱學和流體力學指導我們如何用工質獲得熱量

傳熱學第一講（偽，其實是能量守恒）

我們考慮一個簡化的、穩態的鍋爐，某種方式燒出來的熱量（比如燒煤，燒核能都行），被流動的工質帶出（如下圖，給水經過鍋爐，變成蒸汽），那么在單位時間內，鍋爐產出的熱量一定全部轉化為工質的內能。寫成方程是這樣的：

也就是說，比熱乘以單位時間流經鍋爐的工質質量，等于鍋爐的功率（發熱率）。這個簡單關系式告訴我們，應該選擇比熱大的工質，不然就需要很高的工質流速（這會讓工程師很頭疼）或者很高的進出口溫差（同樣很頭疼）。

傳熱學第二講：換熱系數

有溫差才有換熱，一般定義單位換熱面積下的換熱量比上溫差為換熱系數。換熱有三種形式：傳導，輻射，對流。在流體工質的鍋爐里，對流換熱系數無疑是最重要的，這決定了鍋爐里的溫差（溫差大也會帶來一系列讓人頭疼的問題）。而對流換熱系數的影響因素主要靠流體力學來研究，這是一個挑（dà）戰（kēng），換熱幾何是管還是板，管內還是管外，橫向流還是軸向流，單相還是兩相，直管還是螺旋，等等一系列問題，但歸根到底還是為了提高換熱系數。