我們都知道，在英國(guó)人于1876年完工的魚雷艇“閃電”（HMS Lightning）號(hào)上首次采用了名為強(qiáng)壓通風(fēng)（forced draught）的新技術(shù)。這種技術(shù)從某種意義上來說引起了一場(chǎng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的革命，其意義不亞于渦輪增壓器之于內(nèi)燃機(jī)；事實(shí)上，直到二戰(zhàn)時(shí)期乃至冷戰(zhàn)時(shí)期，強(qiáng)壓通風(fēng)系統(tǒng)也幾乎是各國(guó)海軍主戰(zhàn)艦艇的標(biāo)配，由此也可以看出該系統(tǒng)的生命力之旺盛。

然而，與其重大意義不相匹配的卻是國(guó)內(nèi)有關(guān)資料的語焉不詳。有人根據(jù)在農(nóng)村燒柴灶的經(jīng)驗(yàn)，武斷地認(rèn)為所謂強(qiáng)壓通風(fēng)就是用鼓風(fēng)機(jī)把火吹旺；有人根據(jù)自己使用電腦的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為強(qiáng)壓通風(fēng)可能和電腦的超頻有點(diǎn)像；還有人（以陳悅為代表）已經(jīng)模模糊糊摸到了強(qiáng)壓通風(fēng)的實(shí)質(zhì)，但是不知道是自己本來就在不懂裝懂還是為了故作高深，對(duì)于該系統(tǒng)的描述依然令人一頭霧水，有種看了但好像什么都沒看的感覺。

那么強(qiáng)壓通風(fēng)到底是什么？

在解決這個(gè)問題之前，我們先來看兩個(gè)問題。

1.簡(jiǎn)單的鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)為什么“不行”？

2.假設(shè)有一個(gè)氣缸，氣缸的頂部是可以上下運(yùn)動(dòng)的活塞；將一枚陰燃的木炭放在氣缸底部，突然向下按壓活塞，木炭會(huì)發(fā)生什么變化？

第一個(gè)問題先放一放，看第二個(gè)問題。

這其實(shí)是高中化學(xué)反應(yīng)原理的一個(gè)經(jīng)典理想實(shí)驗(yàn)。如果真的這么操作，我們會(huì)看到原本陰燃的木炭迅速?gòu)?fù)燃。

什么原因？

首先，木炭的燃燒需要氧氣。當(dāng)活塞迅速向下壓縮時(shí)，由于原本密封在氣缸內(nèi)的氧氣含量是一定的，隨著體積的減小，單位體積內(nèi)的氧氣含量將會(huì)迅速上升。舉例來說，假設(shè)氣缸內(nèi)充的是標(biāo)況下22.4升的空氣，那么由于空氣中的氧含量約為21%，此時(shí)氣體中氧分子的物質(zhì)的量約為0.21摩爾，每升空氣中含氧分子量為9.375‰摩爾；而當(dāng)活塞壓縮到原體積的一半時(shí)，氧分子的物質(zhì)的量依然是0.21摩爾，但體積卻變成了原先的一半，即11.2升，所以每升空氣中的含氧分子量就變成了0.21/11.2約等于18.75‰摩爾——變成了原來的兩倍。那么，隨著單位體積內(nèi)反應(yīng)物的濃度增加，化學(xué)反應(yīng)速率自然會(huì)加快。

不過，以上只是一方面的影響。實(shí)際上，對(duì)氣體的壓縮還會(huì)帶來另一個(gè)效果，即溫度的上升。根據(jù)克拉伯龍方程（理想氣體方程），我們有pV=nRT；其中T為熱力學(xué)溫度（開爾文度），R為理想氣體常數(shù)，n是氣體物質(zhì)的量，V是氣體體積，而p則是壓強(qiáng)。不難看出，當(dāng)nRT不變時(shí)，如果氣體體積縮小的速度趕不上壓強(qiáng)增大的速度，氣壓的增大就會(huì)導(dǎo)致氣體熱力學(xué)溫度的同步上升——而現(xiàn)實(shí)中也確實(shí)如此，這個(gè)升高的溫度實(shí)際上是來自于壓縮過程中活塞對(duì)氣體做的功。

但是注意，這個(gè)溫度的變化并不會(huì)直接導(dǎo)致鍋爐爐水的汽化加劇，至少影響并不顯著。舉例來說，美國(guó)海軍弗萊徹級(jí)驅(qū)逐艦的強(qiáng)壓通風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)在壓力大于30英寸水柱時(shí)就會(huì)啟動(dòng)緩解閥泄壓，此時(shí)輸入壓力僅僅是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓+30英寸水柱=1.0767個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即使不管體積變化對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度都只有原來的1.0767倍；如果原來是20攝氏度，那增壓后的氣體溫度也就293.15×1.0767-273.15≈42.5攝氏度，這是無論如何都不能讓水沸騰的。

那么這個(gè)溫度影響的是什么？

實(shí)際上是活化分子的數(shù)量。

在高中化學(xué)中，我們學(xué)習(xí)過有關(guān)“活化能”的知識(shí)。也就是說，一個(gè)穩(wěn)定的分子需要吸收一定的能量才能變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活化狀態(tài)。如果把反應(yīng)前后的能量圖畫出來，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，活化能就像是一座高山阻隔在了反應(yīng)前后的能量之間，只有翻越了這座高山反應(yīng)才能順利進(jìn)行。

而現(xiàn)在溫度來了。溫度，也就是內(nèi)能的表現(xiàn)形式，顯然也是一種能量。于是外界壓縮導(dǎo)致的溫度上升就像纜車一樣，助力反應(yīng)物分子翻越了活化能這座大山，使得更多的反應(yīng)物分子變得易于反應(yīng)；因此，反應(yīng)物中容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的分子——即活化分子——含量就比原先更高了，反應(yīng)自然也就更劇烈了：原先只有這么多分子能發(fā)生反應(yīng)，但是現(xiàn)在有那——么多分子都可以發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的劇烈程度當(dāng)然就不能同日而語了。事實(shí)上，根據(jù)范特霍夫規(guī)則，溫度每升高10個(gè)開爾文（等于10攝氏度），反應(yīng)的速率將會(huì)升高為原來的2～4倍；換句話說，如果溫度升高了n個(gè)10開爾文（10攝氏度），化學(xué)反應(yīng)速率就會(huì)變成原先的（2～4）^n倍，以指數(shù)的形式爆炸式增長(zhǎng)。再套回到弗萊徹級(jí)的例子中，即便取最低的2倍，從20度到42.5度，反應(yīng)速率也可以增加到之前的2的［（22.5/10）≈2］次方=4倍以上，已經(jīng)非常可觀了——當(dāng)然由于計(jì)算中略去了體積的變化，實(shí)際增長(zhǎng)會(huì)在這個(gè)基礎(chǔ)上打個(gè)折扣。

所以，強(qiáng)壓通風(fēng)的主要實(shí)質(zhì)其實(shí)包括了兩個(gè)：一方面，對(duì)體積的壓縮導(dǎo)致單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子的數(shù)量上升；而另一方面，壓縮過程產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致更多分子能抵達(dá)活化能，即活化分子數(shù)量增加。這兩者的結(jié)合，就能夠?qū)е氯剂先紵乃俾恃杆僭龃螅疵旱娜紵兊酶鼮閯×摇?/p>

然后再回到第一個(gè)問題。

為什么鼓風(fēng)機(jī)“不行”？

這也非常簡(jiǎn)單。因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)只是提升了空氣的流動(dòng)速度，并沒有改變空氣的全壓，單位體積內(nèi)的氧氣含量是不變的。這就使得鼓風(fēng)機(jī)的助燃效果出現(xiàn)了瓶頸：哪怕鼓風(fēng)機(jī)的功率開得再高，煤炭燃燒的化學(xué)反應(yīng)速率最高也只能等于單位體積內(nèi)氧氣含量為21%時(shí)的反應(yīng)速率——鼓風(fēng)機(jī)的作用只是在燃料消耗掉氧氣的瞬間將氧氣補(bǔ)充進(jìn)去，避免局部缺氧的出現(xiàn)，維持燃燒的連續(xù)性而已。這有點(diǎn)像是童話故事《喜歡大的國(guó)王》中的情景：國(guó)王用最大的花盆，裝了最肥沃的泥土，最后長(zhǎng)出的依然只是一朵小小的郁金香。要是你執(zhí)迷不悟，繼續(xù)提升鼓風(fēng)機(jī)的功率，搞不好你還會(huì)把火給吹滅掉——森林消防隊(duì)的常用裝備里就有一個(gè)風(fēng)力滅火器，它的原理就是朝火焰噴出強(qiáng)大的風(fēng)流，帶走火焰周邊的熱量，讓可燃物低于燃點(diǎn)而自行熄滅。

但是話說到這里還是有個(gè)問題：強(qiáng)壓通風(fēng)的“增壓”到底是怎么實(shí)現(xiàn)的？

首先我們要嚴(yán)厲批評(píng)陳悅同志。他在《北洋海軍艦船志》中的說法實(shí)在是太過于曖昧，以至于看上去好像鍋爐艙和煤艙的增壓是通過某些特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，而且只要需要就可以讓上述的兩個(gè)艙室處于高壓狀態(tài)，好像這個(gè)高壓是可以天然存在的——而這些描述往往會(huì)讓人想到一個(gè)東西，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（ram jet）……

當(dāng)然北洋那會(huì)兒是絕對(duì)不可能有什么沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的。實(shí)現(xiàn)這一增壓過程的依然是我們所熟悉的鼓風(fēng)機(jī)，只不過這個(gè)鼓風(fēng)機(jī)還配合了一個(gè)特殊的鍋爐艙設(shè)計(jì)。

如圖所示是英國(guó)某型前無畏艦方案中的鍋爐艙設(shè)計(jì)。我們可以看到，在鍋爐艙的右上角有兩個(gè)大葉輪，那是兩臺(tái)由蒸汽驅(qū)動(dòng)的離心式鼓風(fēng)機(jī)；而在右下角有一扇門，那其實(shí)是一套非常厚實(shí)的氣密門。只要把這套氣密門關(guān)死，鍋爐艙就幾乎成了一個(gè)完全密閉的空間，空氣只能從幾個(gè)流量有限的風(fēng)道和鍋爐煙道中溢出。當(dāng)戰(zhàn)艦進(jìn)入強(qiáng)壓通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，鍋爐艙的氣密門會(huì)被關(guān)死，同時(shí)蒸汽機(jī)則驅(qū)動(dòng)著鼓風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，從舷側(cè)的通風(fēng)筒中引氣，將空氣強(qiáng)行灌入這個(gè)近乎密閉的空間。由于空氣排出少、進(jìn)入多，鍋爐艙內(nèi)的氣壓就會(huì)逐漸上升；而由于鍋爐爐膛是和鍋爐艙相連的，爐膛內(nèi)的氣壓自然也就跟著上去了。通過這種方式，我們就實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐進(jìn)氣壓力的提升。而在二戰(zhàn)時(shí)期的強(qiáng)壓通風(fēng)系統(tǒng)中，這套系統(tǒng)的原理也大同小異；只不過鼓風(fēng)機(jī)不再是離心式的而是螺旋槳式的，由蒸汽輪機(jī)或是廢氣輪機(jī)而不是往復(fù)式蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且鍋爐也被做成了內(nèi)外殼的結(jié)構(gòu)——鍋爐本體外面還套了一個(gè)氣密性良好的外殼，鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口就開在外殼上，鼓風(fēng)機(jī)是朝鍋爐的內(nèi)外殼之間鼓風(fēng)的。

總結(jié)起來就是……

“從短暫的鼓風(fēng)機(jī)生涯中我學(xué)會(huì)了一件事，增加空氣的流速是有極限的……”

“你想說什么？”

“我不做鼓風(fēng)機(jī)了，jojo！”

于是鼓風(fēng)機(jī)就轉(zhuǎn)而和氣密性極佳的結(jié)構(gòu)（鍋爐艙/鍋爐外殼）一起去提高鍋爐的進(jìn)氣壓力了，真是可喜可賀。

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