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管道与压力容器:提速减重,可靠性高

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:在技术层面,提供可靠的压力容器是晚近的成就,而我们极少会停下来想一想如果不使用管道会怎么样。这些压力容器的设计者都不惜一切代价来提速和减重,他们对锅炉采取了一种堪称乐观的设计办法。这是个遗憾,因为要确定简单压力容器内的应力,所需的基本计算其实非常容易,以至于据我所知,从来没有人劳神去追索它们的优先权问题,运算只需要最基础的代数知识。

管道与压力容器:提速减重,可靠性高

植物动物在很大程度上可被视为由许多管和囊组成的系统,这些管和囊的功能是存储和输送各种液体和气体。生物系统内部的压力通常不是很高,但也不能对其视而不见,活体的脉管和膜一旦发生爆裂,常常会造成致命的后果。

在技术层面,提供可靠的压力容器是晚近的成就,而我们极少会停下来想一想如果不使用管道会怎么样。由于缺乏能在压力作用下输送液体的管道,罗马人不得不付出巨大的代价在高拱上用砖石砌筑沟渠,以达到在山区用明渠横跨数英里送水的目的。最早出现的近似耐压密闭容器是枪管,在历史上,这些枪管从不让人省心,经常炸膛。因枪管炸膛而丧生的人员名单长到触目惊心的程度,最早可追溯至苏格兰国王詹姆斯二世。尽管如此,1800年后不久,当伦敦开始安装煤气灯时,煤气管道仍不得不由伯明翰的枪械工匠来制造。事实上,最早的煤气管道确实是用步枪枪管一节接一节地焊接起来制成的。

虽然关于蒸汽机的历史记载多到数不清,但关于管道和锅炉发展的记述则比较少,它们是蒸汽机的基础,在现实中制造它们比制造一台机器更困难。最早的蒸汽机既笨重又庞大,还要耗费大量燃料,这主要是因为它们需在非常低的蒸汽压力下工作——鉴于当代锅炉的性质,这或许不成问题。

制造轻便、结实或者说经济实惠的蒸汽机完全取决于对较高工作压力的应用。在19世纪20年代的蒸汽轮船上,蒸气压力约为10 psi(由四四方方的“草垛形”锅炉提供),煤炭消耗量约为15磅/马力小时(1马力小时≈2.7×106焦)。19世纪50年代,工程师谈论的仍是20 psi大小的压力和约9磅/马力小时的消耗量。到1900年,压力已增加到200 psi以上,而煤炭消耗量已降至1.5磅/马力小时,是80年前的1/10。这样看来,让帆船驶出外海的不是蒸汽轮船,而是高压蒸汽轮船,它装有三联式蒸汽机、“苏格兰式”锅炉,具备燃料成本低和航程长的性能。(www.xing528.com)

高压锅炉的开发不是一帆风顺的。在19世纪的大部分时间里,锅炉爆炸比较频繁,后果有时非常可怕,尤其是美式内河蒸汽轮船,成为高压条件下运行的先驱。19世纪中叶,密西西比河上的蒸汽艇常常在数千英里的河面上你追我赶。这些压力容器的设计者都不惜一切代价来提速和减重,他们对锅炉采取了一种堪称乐观的设计办法。结果,1859—1860年,有27艘船因锅炉爆炸而报废。[3]

虽然其中有些事故可归因于像锁死安全阀这样的犯罪行为,但大部分主要是由于缺乏适当的计算。这是个遗憾,因为要确定简单压力容器内的应力,所需的基本计算其实非常容易,以至于据我所知,从来没有人劳神去追索它们的优先权问题,运算只需要最基础的代数知识。[4]

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