機械功在熱能與動力工程中的應(yīng)用與優(yōu)化探討

肖代晏

摘? 要：目前，熱能與動力工程已成為我們國家生活的重要組成部分，在發(fā)動機、制冷機等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。從實用角度來看，它涵蓋了信息處理技術(shù)、環(huán)境保護、能源清潔利用、新能源的應(yīng)用，這些都涉及到了工程熱力學中的能源轉(zhuǎn)化，也涉及到了工程熱力學的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機械;功;熱能;動力工程;應(yīng)用;優(yōu)化

引言：

熱能與能源工程的應(yīng)用范圍非常廣泛，在發(fā)動機、制冷機、發(fā)電機等方面都有應(yīng)用。在這些制造與生產(chǎn)中，將會涉及到工程熱力學中的能源轉(zhuǎn)化與利用，以及如何將各種機械功應(yīng)用于工程熱力學。機械功在熱能和動力工程中的具體表現(xiàn)有：工藝功和技術(shù)功，其中流體功和容積功是主要的，而技術(shù)功是軸功。

1.機械功概述

工程熱力學是一門以工程概念為核心的基礎(chǔ)課，它包括了熱力學的基本原理和應(yīng)用。它在動力工程中占有重要地位。熱力學的研究范圍很廣，特別是在農(nóng)業(yè)和工業(yè)方面，熱能和動力工程的應(yīng)用更加廣泛。熱力學在我國的航空、電廠、空調(diào)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。而且，對于機械功的物理含義，也幾乎沒有進行過詳細的分析，也沒有深入探討各種力學活動之間的關(guān)系。眾所周知，在力學理論中，所有的外力都是施加在一個物體上，使其承受的外力和數(shù)值都不為0。同時，可以使物體在合外力作用下的方向上發(fā)生一定的偏移。我們可以說，這一合的外力對所持的物體起到了作用。因此，要定義力學功，就應(yīng)該滿足以下條件：力是對這個對象起作用的;同時，這個物體也要在這個力的作用下移動一定的距離。熱力學中包含的機械功包括技術(shù)功、體積功、流動功、軸功等等。不同的機械功是有聯(lián)系的，必須要弄清楚它們之間的關(guān)系，然后再進行最優(yōu)的設(shè)計。

2.機械功在熱能與動力工程中的應(yīng)用問題

2.1 工程機械設(shè)備存在問題

根據(jù)目前的調(diào)查，許多熱能、動力工程都不能科學、高效地使用機械功，往往會出現(xiàn)機械無法高效、持續(xù)運轉(zhuǎn)的問題，從而導(dǎo)致設(shè)備在運轉(zhuǎn)時，會消耗大量的能量，造成資源的浪費。另外，在長時間的低效率運行中，設(shè)備的使用壽命會出現(xiàn)不必要的損失，嚴重時會導(dǎo)致系統(tǒng)停機。比如，由于各種零件的不正常摩擦，導(dǎo)致了設(shè)備的磨損，從而導(dǎo)致設(shè)備的工作效率不斷降低，導(dǎo)致設(shè)備失效，嚴重的話，會導(dǎo)致設(shè)備報廢?？梢姡瑹崮芘c動力工程中的機械設(shè)備，若出現(xiàn)帶病操作等異常情況，不但會降低生產(chǎn)效率，而且還會對設(shè)備造成不可恢復(fù)的損害。

2.2 工程體系能量損耗嚴重

熱能和動力工程都需要能量支撐，只要給工程機械供應(yīng)充足的熱量，就可以把熱量轉(zhuǎn)換成電能。但事實上，在許多熱能與能源工程的實際應(yīng)用中，由于缺乏對能源的掌控，導(dǎo)致熱量無法有效轉(zhuǎn)化為動能，導(dǎo)致能源的過度損耗，從而導(dǎo)致設(shè)備的運行效率下降。按照能量守恒定律，能量不可能無緣無故的消失，也不可能無中生有，熱能和能源工程學也是一樣，當熱量被消耗掉以后，就會變成能源，但也會有一定的損耗。若裝置的能源轉(zhuǎn)換效率比較低，則需要耗費大量的能源來達到相應(yīng)的工作效果。實踐證明，由于環(huán)境、設(shè)備等原因，在向熱能轉(zhuǎn)換為機械能時，會產(chǎn)生大量的能源損耗，這是熱能與能源工程的一個致命問題。

2.3 熱能與動力工程維護體系有待完善

熱能與動力工程的長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，需要科學的維修和維護，許多大型工程機械一旦投入使用就無法停止，因此在投入使用前，必須對其進行全面的系統(tǒng)檢查，確保其工作狀況良好。此外，長時間高功率運轉(zhuǎn)會導(dǎo)致設(shè)備的負載和壓力相對較高，從而對設(shè)備狀況造成不利的影響，導(dǎo)致熱能和動力工程系統(tǒng)的運行質(zhì)量下降。

3.熱能和動力工程力學中的機械功應(yīng)用與優(yōu)化

3.1空調(diào)與制冷系統(tǒng)中機械功應(yīng)用和優(yōu)化

隨著人們的生活水平的提高，各種制冷設(shè)備的使用越來越廣泛，它的基本原理是：從各個冷凍室排出的一種特殊的制冷劑會被吸入壓縮機的內(nèi)部，在這個過程中，壓縮機的內(nèi)部壓力和溫度都會隨之升高，而壓縮的制冷劑就會被送到一個冷卻系統(tǒng)中，然后被送到一個充氣裝置中，完成工作。在這個時候，它的壓力和溫度都會下降，然后被輸送到制冷設(shè)備中，從而達到制冷的目的。在其冷卻期間，其技術(shù)功能直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的節(jié)能效果。所以，為了達到最佳的制冷效果，可以采用適當?shù)睦鋮s方法，減少壓縮機本身的工作損耗。并可降低對應(yīng)工質(zhì)的溫度，提高系統(tǒng)的工作效率。而且，還可以采用分層壓縮和級間冷卻等方法，來優(yōu)化制冷系統(tǒng)，從而大大減少了工藝工作的消耗。

3.2活塞發(fā)動機中的應(yīng)用與優(yōu)化

活塞式發(fā)動機是各種車輛中最常用的一種，它是熱能、動力工程領(lǐng)域中最常用的一種。活塞式引擎將氣體與空氣混合，壓縮，燃燒，并放出熱量。熱能通過運動的活塞轉(zhuǎn)換為機械功?；钊揭娴墓ぷ靼ㄋ膫€階段：進氣混合，壓縮氣體，燃燒膨脹和廢氣的工作。這四個過程中，只需要將氣體燃燒，讓它膨脹，然后再用機械功，剩下的三個階段，都需要消耗能量。所以，為了提高內(nèi)燃機的有用功，一般都是提高內(nèi)燃機的充氣功，而在其他過程中，則要減少內(nèi)燃機所耗的功。當壓強增大時，可以提高熱效率，增大輸出功。在有條件地增加壓縮比的情況下，可以通過調(diào)節(jié)混合氣的剩余氣體系數(shù)油溫度（滑油溫度適宜、黏度合適、潤滑性能最佳、摩擦損耗功和體積膨脹功）、排氣（渦輪增壓、提高廢能利用率）等措施都可以增加發(fā)動機曲軸輸出功，從而提高發(fā)動機功率和效率。

3.3空調(diào)系統(tǒng)中機械功的應(yīng)用與優(yōu)化

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的制冷設(shè)備走進了人們的生活?？照{(diào)器、電冰箱等的工作原理是：某一種制冷劑通過冷庫流入壓縮機，使其受到壓縮，從而使壓縮機內(nèi)的溫度和氣壓不斷上升，壓縮后的制冷劑被送入制冷裝置，制冷裝置在制冷過程中會吸收熱量，從而達到降溫、吸熱的效果。空調(diào)、冰箱等設(shè)備的制冷效果與制冷技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，通過對空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，可以減少壓縮機本身的能耗，同時也可以降低相應(yīng)的工作液的溫度，從而增加整個系統(tǒng)的功率。另外，采用分層壓縮或分層降溫等方法進行制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，可以降低整體制冷工藝中的技術(shù)功率消耗。

3.4對機械進行定期的維護

在熱能與動力工程中，機器的工作周期都比較長，而且長時間的高強度工作，會造成機器的磨損，從而縮短機器的使用壽命，影響到整個工程。所以，要想在這種情況下，提高工程的質(zhì)量，就必須要定期地進行機械的保養(yǎng)，這樣才能保證工程的安全，而且還可以保證工作的順利進行，這對于熱能和動力工程的發(fā)展是十分有利的，可以提高工作的效率，增加的機械的利用率，節(jié)省的能源。

結(jié)束語

在穩(wěn)態(tài)流動中，其膨脹功等于技術(shù)功與流動功之和，流動功為零時，其技術(shù)功與膨脹功相當。若工質(zhì)進、出熱力設(shè)備的能量改變可以忽略不計，技術(shù)功與軸功相當。在航空活塞發(fā)動機中，可以通過調(diào)整剩余氣體系數(shù)、調(diào)整滑油溫度和廢氣利用等方法來增加發(fā)動機的容積功率，從而提高發(fā)動機的熱效率和增加發(fā)動機的動力;采用燃氣輪機，可以增加壓氣機的加壓比，增加發(fā)動機的熱效率，增加發(fā)動機的推力。

參考文獻：

[1]崔凝，王兵樹，宋立琴.基于逐級計算的汽輪機性能仿真模塊的研究與應(yīng)用[J].熱能動力工程，2006，21（2）：124-127.

[2]蔣淑娟.關(guān)于水平雙對置發(fā)動機的研究及仿真分析[D].陜西：西安理工大學，2012.

[3]羅桂榮，羅鳴.動力循環(huán)系統(tǒng)與制冷循環(huán)系統(tǒng)復(fù)合式熱力發(fā)動機：CN200510105805.3[P].2007-04-04.

[4]劉婉.巧用“留白”藝術(shù)，為學生提問質(zhì)疑啟智——觀摩蘇科版“機械功”一輪復(fù)習課點評[J].物理教學探討，2018.