首先，設(shè)計(jì)過程從蒸汽機(jī)的膨脹做功開始。// //

    在冷氣機(jī)計(jì)算的過程中，使用的是絕熱膨脹的概念，目的是為了確定它的壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系。

    但在蒸汽機(jī)，特別是單流式蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，更加關(guān)鍵的數(shù)據(jù)在于能量而不是溫度。如果把蒸汽做功的過程簡(jiǎn)單化，就可以直接從蒸汽的能量變化，來計(jì)算它做功的多少。

    考慮到這個(gè)年代壓力容器的制作不易，首先選擇10個(gè)大氣壓，溫度在352度的蒸汽。這個(gè)狀態(tài)的蒸汽的內(nèi)能為3160千焦每千克。（注：來源于某熱電廠蒸汽輪機(jī)中壓渦輪的數(shù)據(jù)）

    這個(gè)是蒸汽進(jìn)氣口的狀態(tài)，那么出口的狀態(tài)呢？當(dāng)然是越接近冷凝狀態(tài)越好。所以選擇冷凝器回?zé)崞鞯臓顟B(tài)，0.95個(gè)大氣壓，溫度107度。這個(gè)狀態(tài)水蒸汽的內(nèi)能為2691千焦每千克。

    可以看出來，大部分的能量仍然是留在水蒸汽內(nèi)部，沒有轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這也是為什么蒸汽機(jī)的效率難以提上去的基本原因。

    根據(jù)機(jī)械能的能量需求，考慮到傳動(dòng)的效率，保守選擇16千瓦。那么每秒鐘就有16千焦的能量，從蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

    所以每秒鐘的蒸汽重量是：16除以3160－2691的值。這個(gè)數(shù)值是：34克。

    34克的水大概是34立方厘米，那么在最終狀態(tài)的水蒸氣的體積大概是水的1673倍。這個(gè)體積就是57升。所以，排氣口的蒸汽流量就是每秒57升。

    那進(jìn)氣流量是多少呢？借助于水蒸汽的氣體常數(shù)（461.5j/kg.k），沒錯(cuò)，就是pv=nrt公式里的r?？諝獾倪@個(gè)數(shù)值是287.這個(gè)有什么影響呢？簡(jiǎn)單的講，就是這個(gè)數(shù)字越大，溫度對(duì)體積的影響，就越明顯。

    蒸汽機(jī)也可以用空氣作為工作氣體，不過這樣的話，在同樣的轉(zhuǎn)速和同樣氣缸下，功率就要減小很多。

    用這個(gè)氣體方程就可以算出來，進(jìn)氣流量是每秒9.8升。

    假設(shè)合理調(diào)整氣缸氣門的開閉位置，可以完美的實(shí)現(xiàn)氣體膨脹的卡諾循環(huán)（熱機(jī)效率最高的循環(huán)，為高低溫差對(duì)高溫的比值）。根據(jù)前后溫度的變化，這個(gè)蒸汽機(jī)的最高效率，是40%。

    現(xiàn)代發(fā)電廠的大型蒸汽機(jī)使用蒸汽渦輪，進(jìn)氣溫度可以高達(dá)530度，壓力達(dá)到190－200個(gè)大氣壓。這樣的電廠效率可以接近50%（輔助設(shè)施的損耗是很可觀的）。單獨(dú)的渦輪機(jī)的熱機(jī)效率理論上是53%。

    如果和運(yùn)行了很久的雙動(dòng)式活塞蒸汽機(jī)車的效率8%相比，就算這個(gè)單流式蒸汽機(jī)的效率在理論效率的基礎(chǔ)上打個(gè)對(duì)折，只有20%，那也是強(qiáng)了好幾條街了。

    從進(jìn)氣流量和出氣流量可以看出來，蒸汽在活塞里膨脹了5.9倍?；谶@個(gè)數(shù)據(jù)，就很好設(shè)計(jì)活塞的行程距離了。

    之前制造的冷氣機(jī)的汽缸最大容量是800立方厘米。如果要達(dá)到這樣的要求，需要73個(gè)汽缸才能達(dá)到需要的設(shè)計(jì)功率。計(jì)算到這里，李志堅(jiān)一口黑血沒吐出來。

    看現(xiàn)在的豪車，v12缸的發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)是牛逼上的牛逼了。**絲rì常開的小破車，也就是個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。排量2升都覺得好奢侈，這最高速度完全都用不上??！

    現(xiàn)在整出來個(gè)72缸58升的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，你這是要?dú)⑷税。?br/>
    這里同樣可以做一個(gè)比較，內(nèi)燃機(jī)2升的排量，就可以到接近100千瓦的功率。而現(xiàn)在為了區(qū)區(qū)20千瓦，這個(gè)古老的單流式蒸汽機(jī)就要做到58升的排量，區(qū)別真是天差地遠(yuǎn)。

    沒辦法，擴(kuò)大氣缸容積吧！新的氣缸要擴(kuò)大十幾倍，容積達(dá)到10升，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)由6缸組成。

    和德意志帝國(guó)鐵路01型標(biāo)準(zhǔn)蒸汽機(jī)車的氣缸參數(shù)比較一下：它使用直徑65厘米，長(zhǎng)60厘米的雙動(dòng)型雙汽缸?？偂芭帕俊笔?98升，功率是1648千瓦。標(biāo)準(zhǔn)蒸汽氣壓16個(gè)大氣壓，可以跑到每小時(shí)120公里。

    雖然很多人罵鐵道部和劉志軍，但是他還是辦了一件實(shí)事，那就是改變了中國(guó)的鐵路面貌。在他之前，中國(guó)大多數(shù)跑得列車，都完全可以用這個(gè)1925年開始在德國(guó)制造的鐵路機(jī)車來拉。說中國(guó)的鐵路落后80年是有點(diǎn)夸張了，但技術(shù)上落后四十年是沒疑問的。

    現(xiàn)在拆了鐵道部，對(duì)鐵路進(jìn)行私有化，其實(shí)和美國(guó)在二十世紀(jì)初干的事情也差不多。制度上落后一百年，也有點(diǎn)狠了。但是和美國(guó)二戰(zhàn)前一樣，也不算冤枉人吧。

    李志堅(jiān)設(shè)計(jì)的這款單流式蒸汽機(jī)，雖然氣壓等級(jí)略低（10個(gè)大氣壓），功率密度很?。?.344千瓦每升，相比較01型機(jī)車的4.23千瓦每升），并不是他的技術(shù)不行，而是為了效率而犧牲了功率密度。

    01型機(jī)車的熱效率不會(huì)超過10%。因?yàn)樗幕钊錃鈾C(jī)構(gòu)，并不在意蒸汽在氣缸內(nèi)的膨脹率。它調(diào)校準(zhǔn)的比例是以驅(qū)動(dòng)的目的而校準(zhǔn)的。因此蒸汽在氣缸內(nèi)的膨脹并不完全。

    內(nèi)燃機(jī)的效率高，除了燃料直接在氣缸內(nèi)燃燒，氣體的溫度很高之外，另一個(gè)特點(diǎn)就是膨脹的程度很大（壓縮比）。比如這款單流式蒸汽機(jī)的“壓縮比”，就是5.9。

    渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是利用排氣能量壓縮進(jìn)氣，使得氣缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的壓縮。這樣就提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

    現(xiàn)代汽車柴油機(jī)的壓縮比，高達(dá)16－22.汽油機(jī)則是6－10.因此內(nèi)燃機(jī)才能實(shí)現(xiàn)35%以上的效率。

    對(duì)單流式蒸汽機(jī)而言，如果不注意功率密度，它的效率完全可以由鍋爐提供的蒸汽溫度來決定。因此這一臺(tái)的理論效率可以高達(dá)40%。

    但是相應(yīng)的，如果說要把它裝在運(yùn)動(dòng)機(jī)械上，比如輪船，火車上，就必須要考慮功率密度了。畢竟，車上還是要裝別的東西的。

    因此，這臺(tái)蒸汽機(jī)暫時(shí)只能用作固定的提供動(dòng)力。對(duì)于不缺住宅面積的貴族來說，用來帶動(dòng)冷氣機(jī)是最實(shí)用不過的了。此外，還可以用在機(jī)床，抽水機(jī)等等的機(jī)械上面。

    實(shí)際的設(shè)計(jì)過程還沒有完，比如，凸輪控制的進(jìn)氣門開啟，要從氣缸最小位置，一直開起到1.6升的位置才關(guān)閉。然后氣體膨脹做功，到最大位置時(shí)，排氣凸輪頂起滑桿，打開排氣門，然后在最小位置關(guān)閉。這個(gè)控制，可以在主曲軸上安裝兩個(gè)分別的凸輪就可以。它們凸起占整個(gè)圓周的比分別是進(jìn)氣凸輪十二分之一圓周，排氣凸輪二分之一圓周。此外，進(jìn)氣閥門的截面積和排氣閥門的截面積，要分別能使最大轉(zhuǎn)速下，也就是最短近期時(shí)間內(nèi)讓足夠的高壓氣體流進(jìn)，低壓氣體排出。這個(gè)數(shù)據(jù)則是根據(jù)流體力學(xué)里流阻的公式，第二泊肅葉定理來表達(dá)的。

    這個(gè)公式是：流量等于管道兩端的壓力差，除以流阻：八倍粘滯系數(shù)乘以管道長(zhǎng)度除以派和管道半徑的四次方。在這里可以看出，管道半徑是非常關(guān)鍵的一個(gè)數(shù)值，它的四次冪確保了在這一長(zhǎng)串?dāng)?shù)據(jù)中它的影響力。

    人類長(zhǎng)患的高血壓，就是流體壓力嚴(yán)重受血管直徑影響的體現(xiàn)。如果因?yàn)榉逝种惖膯栴}，讓血管直徑減小了5%，（這個(gè)數(shù)據(jù)看上去很小，是吧？），那么為了保持血流量，血壓就要上升1.05的四次冪，也就是原來的121%。如果情況更嚴(yán)重一點(diǎn)，血管直徑變小了10%，那血壓就要到146%，嚴(yán)重爆表了。

    （當(dāng)然這里筆者就不計(jì)算了。有興趣的讀者可以自行找數(shù)據(jù)計(jì)算在一個(gè)進(jìn)氣周期內(nèi)，進(jìn)氣管和排氣管的半徑要選擇多大才能兼顧活塞結(jié)構(gòu)和壓力損失）

    但是，光設(shè)計(jì)了汽缸和配氣裝置，這還只是完成了蒸汽機(jī)的三分之一。還有動(dòng)力氣體的產(chǎn)生裝置和回收裝置：鍋爐和冷凝器沒設(shè)計(jì)呢！

    李志堅(jiān)考慮了這份設(shè)計(jì)的可完成度，心想，先把主體弄出來，在整剩下的吧。于是便帶著老黃頭和一眾學(xué)徒在作坊開工了，先試著鑄造一批加大版本的氣缸，活塞，連桿之類的部件，然后打造兩個(gè)凸輪，試著把主體部分先驗(yàn)證一下。

    對(duì)不起了瓦特，你改良的蒸汽機(jī)在唐代就被某位無良理工男以最沒有余地的改裝方式，給提前“發(fā)明加改良”了。后世的你面對(duì)這樣的機(jī)器，會(huì)不會(huì)心生“這個(gè)機(jī)器如此優(yōu)美而合理，以至于人類的智慧無法完全理解”諸如此類的感慨呢？