探究機械功在熱能與動力工程中的應(yīng)用與優(yōu)化

金寶峰

[摘 要]本文對機械功所具有的物理意義進行了分析，在此基礎(chǔ)上闡述了機械功在熱能與動力工程中的應(yīng)用與優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]機械功；熱能與動力工程；應(yīng)用；優(yōu)化

[中圖分類號]TK123 [文獻標識碼]A

1 前言

工程熱力學涉及到熱力學方面的各種原理和相應(yīng)的現(xiàn)實應(yīng)用，屬于基礎(chǔ)性的學科之一，其主要是通過工程的理念來理解并運用熱力學。對于動力工程來說，其占據(jù)著非常關(guān)鍵的位置。熱力學涉及的領(lǐng)域非常廣泛，尤其是在我國的功業(yè)以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，相關(guān)的熱能以及動力工程的使用情況更廣。熱力學普遍的應(yīng)用在我國航空領(lǐng)域、電廠、空調(diào)系統(tǒng)以及制冷系統(tǒng)中，這些領(lǐng)域里有關(guān)的能量利用與設(shè)計，均需要以熱力學作為支撐。所以，我們有必要對不同的機械功加以分析與研究，了解并掌握它們之間所存在的聯(lián)系，探索如何更好地使機械功的使用得到優(yōu)化，不斷地促進產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益的提升。同時，降低對于能源的消耗。現(xiàn)階段，人們將熱力學的研究，過多地集中于對于理論和學科的優(yōu)化研究，很少會涉及到機械功的實際應(yīng)用研究。并且，也幾乎未對機械功所具有的物理內(nèi)涵加以細致分析，沒有對不同機械功所具有的聯(lián)系加以探索。眾所周知，力學說研究的范圍之內(nèi)，作用在某一物體之上的全部外力，讓該物體所受到的外力和值不等于零。同時，能夠讓該物體沿著合外力所作用的方位位移特定的長度。我們可以說該合外力對持物體做了一定的功。所以，我們?nèi)绻o機械功下一個定義的話，應(yīng)當符合下列的條件：力必須是作用于該物體；同時該物體也要在此力所在的方位位移特定的長度。而熱力學里包含有的機械功有多種形式，分別為：技術(shù)功、體積功、流動功、軸功等等。不同的機械功之間還存在一定的聯(lián)系，只有先弄清不同機械功的含義及相互作用，才可以更好的對其進行優(yōu)化與設(shè)計。

2 機械功所具有的物理意義

2.1 體積功說所具有的物理意義

在體積功中又可以劃分為膨脹功以及壓縮功。其是通過某一系統(tǒng)所發(fā)生的體積改變而對外做的一定功。機械設(shè)備中，將熱能變?yōu)闄C械能這一技術(shù)，是采用利用工質(zhì)說發(fā)生體積膨脹而加以完成的。在此過程中，工質(zhì)發(fā)生一定的體積膨脹，從而對外界做功，也叫做膨脹功。而與之相反，如果在機械設(shè)備中，外界對相應(yīng)的工質(zhì)作一定的功，導致其自身體所受到壓縮而變小，此時機械能就轉(zhuǎn)換為了工質(zhì)自身所具有的熱能，就被稱為壓縮功。

2.2 流動功所具有的物理意義

所謂的流動功，指的是在一個開口的系統(tǒng)里面，輸入推動功以及相應(yīng)的輸出推動功之間存在的差值，也叫做推動功。在所有的開口體系運行，為了保持體系處于持續(xù)的運行狀態(tài)，必須要有一定的流動功。和另外其他形式的功有所差異，流動功的大小是通過相應(yīng)的流體參數(shù)加以確定。受此影響，我們通常把流動功叫做流動能。在系統(tǒng)中，流動功必須要求相應(yīng)的工質(zhì)處于流動時才會產(chǎn)生，也是流動的工質(zhì)獨有的一種形式的功。而處于閉口系統(tǒng)中的一些工質(zhì)，則不具備相應(yīng)的流動功。

2.3 軸功所具有的物理意義

所謂的軸功指的是工質(zhì)在流過特定的裝置過程中，相應(yīng)的裝置和其裝置外部環(huán)境所進行的交換的一種機械功。通常情況下，此機械功要借助于相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸，進行能量的輸入以及輸出。因此，我們也將這種機械功叫做軸功。

2.4 技術(shù)功所具有的物理意義

在機械工程領(lǐng)域中，相應(yīng)的軸功、動能差值、勢能差值等，均能夠被我們所直接的使用，因此他們又被統(tǒng)稱做技術(shù)功。要是某一工質(zhì)在通過相關(guān)裝置時，其相應(yīng)的動能及勢能幾乎未出現(xiàn)改變，那么此時我們又可以將技術(shù)功看成是軸功。

3 機械功在熱能與動力工程中的應(yīng)用與優(yōu)化分析

3.1 機械功在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用和優(yōu)化

通常機械功應(yīng)用在航空領(lǐng)域的發(fā)動機之中。在氣缸中一定的混合燃氣在燃燒過程中，會向外界釋放一定的能量，這些能量會推動與之相連的活塞進行運動。此時，就將相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)變成體積功。其整個發(fā)動機的工作包含有四個階段，分別是：進氣階段；氣體壓縮階段；氣體膨脹階段以及氣體排放階段。以上的各個階段里，唯有氣體膨脹階段會出現(xiàn)相應(yīng)的體積功，而剩下的各個階段均需消耗相應(yīng)的機械功來完成。不過這三個階段所需消耗的功，在數(shù)值上要較所獲取的相應(yīng)體積功小很多。所以，所獲取的體積功量就非常的大，這些能量在經(jīng)由相關(guān)的連桿、軸等裝置，而轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功，使其推動相應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)動。所以，如果想提升軸功值，可以采取提高體積功的方式，也可以采取降低另外三個階段對于能量的消耗。應(yīng)當采取增加壓縮比、改善氣體的剩余系數(shù)、調(diào)整滑油自身的溫度以及改善廢氣的再利用效果等優(yōu)化方法，來增加發(fā)動機自身的功率。

3.2 機械功在空調(diào)以及制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用和優(yōu)化

隨著人們生活水平的不斷提升，各式各樣的制冷設(shè)備用于人們的日常生產(chǎn)與生活之中，相關(guān)的制冷原理則多為：由相應(yīng)冷藏室所流出的特定制冷劑會被吸到壓縮機的內(nèi)部，在其中完成壓縮處理，此時的內(nèi)部壓力以及溫度均會增加，然后將壓縮后的制冷劑再輸送到相應(yīng)的冷卻裝置中，然后再輸送至膨脹裝置中完成做功。此時，其壓力以及溫度均會明顯的減少，再將這些溫度相對低的制冷劑送至相應(yīng)的冷藏裝置，完成吸熱過程，最終實現(xiàn)對冷藏室溫度調(diào)節(jié)的效果。在其制冷的過程中，技術(shù)功在很大程度上影響到整個系統(tǒng)的節(jié)能效果。因此，對于制冷系統(tǒng)優(yōu)化處理，可以通過相應(yīng)的冷卻手段，來降低壓氣機自身對于功的消耗。同時，也能夠減少相應(yīng)工質(zhì)的溫度值，達到改善系統(tǒng)功作效率的目的。另外，也能通過分級進行壓縮處理，以及級間冷卻的措施，來對制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，這樣也能夠明顯地降低整個過程中技術(shù)功的使用量。

3.3 機械功在熱力發(fā)電中的應(yīng)用與優(yōu)化

目前，熱力發(fā)電過程中，均要涉及到機械功的應(yīng)用。由相應(yīng)的抽水泵，將水抽到鍋爐之中，而在其中水受到熱能的作用，形成具有很高溫度的蒸汽，這些蒸汽通過體積功以及軸功的形式，使相應(yīng)的氣輪轉(zhuǎn)動，而獲得電能。而做完功之后的蒸汽也會被再次的使用。此過程中，在水被輸入至鍋爐中需消耗一定的技術(shù)功，而我們知道，如果水具有的比容較大，則相應(yīng)所需的功量會增加。而要是水所具有的比容較小，則相應(yīng)所需的功量會減少。因此，如果再次利用循環(huán)水的話，要把其進行冷卻處理，以減少水的比體積值，這樣才能降低輸送水所需的功量，也達到對系統(tǒng)的優(yōu)化目的。

[參考文獻]

[1] 張志香，曹力強.工程熱力學幾個概念的探討[J].機械管理開發(fā)，2006（02）.

[2] 饒華球，吳嘉明.Q2.2S壓縮機的熱力學分析與計算[J].機械設(shè)計與制造工程，2000（06）.

[3] 王令，潘成君.關(guān)于《工程熱力學》課程教學心得[J].西南科技大學高教研究，2006（04）