核潛艇為何用飽和蒸汽而航母多用過(guò)熱蒸汽?

瀚海狼山(匈奴狼山)不止一次的提到,大多數(shù)5萬(wàn)噸級(jí)以上的航母采用蒸汽動(dòng)力,而目前的正規(guī)大型核潛艇其實(shí)接近100%是蒸汽動(dòng)力。不過(guò)航母和核潛艇上的蒸汽卻有所區(qū)別,航母上多用過(guò)熱蒸汽包括常規(guī)動(dòng)力航母用鍋爐燒出來(lái)的也是過(guò)熱蒸汽;而核潛艇上多用飽和蒸汽。那么兩者有什么本質(zhì)不同,核潛艇上為何一定要強(qiáng)調(diào)用飽和蒸汽呢?首先需要理解什么是飽和蒸汽,先有飽和蒸汽才有過(guò)熱蒸汽。蒸汽自然是水加熱蒸發(fā)產(chǎn)生。自然環(huán)境和人工封閉環(huán)境都可以讓水蒸發(fā)。比如人身上的汗水干了,洗滌的濕衣服晾干,地面上的雨水消失,海水蒸發(fā)成浮云甚至臺(tái)風(fēng)。這些都是自然的蒸發(fā)現(xiàn)象。而用水壺?zé)_水,或用燒杯加熱液體,都會(huì)產(chǎn)生人工蒸發(fā)現(xiàn)象。如果把這個(gè)蒸發(fā)空間完全封閉,可以承受較大的蒸汽壓力,

這就是高壓鍋爐甚至是核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)現(xiàn)象。當(dāng)液體在有限的密閉空間中蒸發(fā)時(shí),液體分子通過(guò)獲得能量,逃逸出液面進(jìn)入上面的氣體空間,就屬于蒸發(fā)成蒸汽分子。蒸汽分子處于自由的布朗運(yùn)動(dòng)中。當(dāng)部分蒸汽分子的熱動(dòng)能下降,會(huì)再次落入液面被捕獲,重新成為水分子;而此時(shí)會(huì)有更多的蒸汽分子繼續(xù)獲得能量逃逸出液面再次成為蒸汽分子;在液體持續(xù)受到加熱能量的情況下,逃逸的蒸汽分子超過(guò)再次回到液面的分子;因此液面以上空間的蒸汽分子的密度就會(huì)不斷的增大。當(dāng)蒸汽分子的密度增加到一定的程度就不會(huì)繼續(xù)增大,蒸發(fā)成蒸汽分子和回到液體中的分子的總數(shù)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)的蒸汽就叫做飽和蒸汽,而蒸汽下面的液體就叫做飽和液體。此時(shí)加熱如果繼續(xù)持續(xù)的話。蒸汽區(qū)下方如果還有液體,那么這種蒸汽就叫做濕飽和蒸汽。

如果加熱持續(xù),當(dāng)封閉空間內(nèi)的液體全部蒸發(fā)成蒸汽,這種蒸汽就叫做干飽和蒸汽??吹竭@里要敲黑板、劃重點(diǎn)了。特別注意:任何蒸汽從不飽和到濕飽和;再到干飽和的過(guò)程,溫度是不增加的!如果干飽和蒸汽再繼續(xù)加熱,則開始變成過(guò)熱蒸汽。那么過(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽有什么各自的優(yōu)點(diǎn)呢?過(guò)熱蒸汽的優(yōu)點(diǎn)是,過(guò)熱蒸汽攜帶的單位能量更大,其內(nèi)部壓力大溫度高;綜合熱效率高;干燥速率也快。比如小鷹級(jí)航母的8臺(tái)鍋爐燒出的過(guò)熱蒸汽,出口壓力高達(dá)8.4兆帕,也就是84個(gè)以上的大氣壓,或者說(shuō)單平方厘米84公斤的壓力,而溫度高達(dá)510攝氏度,因此可以為4臺(tái)蒸汽輪機(jī)提供高達(dá)28萬(wàn)的軸馬力。推動(dòng)小鷹級(jí)的最高航速高達(dá)33節(jié)以上!這個(gè)強(qiáng)勁動(dòng)力所有的尼米茲級(jí)都沒(méi)有超過(guò)。但是飽和蒸汽的內(nèi)部溫度卻沒(méi)有那么夸張,反應(yīng)堆2回路的蒸汽壓力只有4兆帕左右,蒸汽溫度只有240攝氏度。

甚至飽和蒸汽即使再加壓到9兆帕,超過(guò)小鷹號(hào)鍋爐8.4兆帕的出口壓力,其飽和蒸汽的內(nèi)部溫度也不過(guò)310攝氏度,距離小鷹號(hào)鍋爐過(guò)熱蒸汽的510度整整差了200攝氏度。飽和蒸汽隱含的熱能和熱效率都低于過(guò)熱蒸汽,但是飽和蒸汽容易自然凝結(jié),內(nèi)部溫度和壓力會(huì)自然下降。這一點(diǎn);反倒特別適合新型核潛艇的自循環(huán)系統(tǒng)。核潛艇大部分時(shí)間都是追求低噪音航行,同時(shí)慢慢給電池組充電。即使水下戰(zhàn)斗中被相互發(fā)現(xiàn)需要短時(shí)間飆高速。也是主要消耗電池組的電能。因此飽和蒸汽循環(huán)特別適合核潛艇。