探究机械功在热能与动力工程中的应用与优化

[摘 要]本文对机械功所具有的物理意义进行了分析，在此基础上阐述了机械功在热能与动力工程中的应用与优化。

[关键词]机械功；热能与动力工程；应用；优化

[中图分类号]TK123 [文献标识码]A

1 前言

工程热力学涉及到热力学方面的各种原理和相应的现实应用，属于基础性的学科之一，其主要是通过工程的理念来理解并运用热力学。对于动力工程来说，其占据着非常关键的位置。热力学涉及的领域非常广泛，尤其是在我国的功业以及农业领域中，相关的热能以及动力工程的使用情况更广。热力学普遍的应用在我国航空领域、电厂、空调系统以及制冷系统中，这些领域里有关的能量利用与设计，均需要以热力学作为支撑。所以，我们有必要对不同的机械功加以分析与研究，了解并掌握它们之间所存在的联系，探索如何更好地使机械功的使用得到优化，不断地促进产业生产效率及经济效益的提升。同时，降低对于能源的消耗。现阶段，人们将热力学的研究，过多地集中于对于理论和学科的优化研究，很少会涉及到机械功的实际应用研究。并且，也几乎未对机械功所具有的物理内涵加以细致分析，没有对不同机械功所具有的联系加以探索。众所周知，力学说研究的范围之内，作用在某一物体之上的全部外力，让该物体所受到的外力和值不等于零。同时，能够让该物体沿着合外力所作用的方位位移特定的长度。我们可以说该合外力对持物体做了一定的功。所以，我们如果给机械功下一个定义的话，应当符合下列的条件：力必须是作用于该物体；同时该物体也要在此力所在的方位位移特定的长度。而热力学里包含有的机械功有多种形式，分别为：技术功、体积功、流动功、轴功等等。不同的机械功之间还存在一定的联系，只有先弄清不同机械功的含义及相互作用，才可以更好的对其进行优化与设计。

2 机械功所具有的物理意义

2.1 体积功说所具有的物理意义

在体积功中又可以划分为膨胀功以及压缩功。其是通过某一系统所发生的体积改变而对外做的一定功。机械设备中，将热能变为机械能这一技术，是采用利用工质说发生体积膨胀而加以完成的。在此过程中，工质发生一定的体积膨胀，从而对外界做功，也叫做膨胀功。而与之相反，如果在机械设备中，外界对相应的工质作一定的功，导致其自身体所受到压缩而变小，此时机械能就转换为了工质自身所具有的热能，就被称为压缩功。

2.2 流动功所具有的物理意义

所谓的流动功，指的是在一个开口的系统里面，输入推动功以及相应的输出推动功之间存在的差值，也叫做推动功。在所有的开口体系运行，为了保持体系处于持续的运行状态，必须要有一定的流动功。和另外其他形式的功有所差异，流动功的大小是通过相应的流体参数加以确定。受此影响，我们通常把流动功叫做流动能。在系统中，流动功必须要求相应的工质处于流动时才会产生，也是流动的工质独有的一种形式的功。而处于闭口系统中的一些工质，则不具备相应的流动功。

2.3 轴功所具有的物理意义

所谓的轴功指的是工质在流过特定的装置过程中，相应的装置和其装置外部环境所进行的交换的一种机械功。通常情况下，此机械功要借助于相应的转轴，进行能量的输入以及输出。因此，我们也将这种机械功叫做轴功。

2.4 技术功所具有的物理意义

在机械工程领域中，相应的轴功、动能差值、势能差值等，均能够被我们所直接的使用，因此他们又被统称做技术功。要是某一工质在通过相关装置时，其相应的动能及势能几乎未出现改变，那么此时我们又可以将技术功看成是轴功。

3 机械功在热能与动力工程中的应用与优化分析

3.1 机械功在航空领域中的应用和优化

通常机械功应用在航空领域的发动机之中。在气缸中一定的混合燃气在燃烧过程中，会向外界释放一定的能量，这些能量会推动与之相连的活塞进行运动。此时，就将相应的能量转变成体积功。其整个发动机的工作包含有四个阶段，分别是：进气阶段；气体压缩阶段；气体膨胀阶段以及气体排放阶段。以上的各个阶段里，唯有气体膨胀阶段会出现相应的体积功，而剩下的各个阶段均需消耗相应的机械功来完成。不过这三个阶段所需消耗的功，在数值上要较所获取的相应体积功小很多。所以，所获取的体积功量就非常的大，这些能量在经由相关的连杆、轴等装置，而转变为轴功，使其推动相应的螺旋桨转动。所以，如果想提升轴功值，可以采取提高体积功的方式，也可以采取降低另外三个阶段对于能量的消耗。应当采取增加压缩比、改善气体的剩余系数、调整滑油自身的温度以及改善废气的再利用效果等优化方法，来增加发动机自身的功率。

3.2 机械功在空调以及制冷系统中的应用和优化

随着人们生活水平的不断提升，各式各样的制冷设备用于人们的日常生产与生活之中，相关的制冷原理则多为：由相应冷藏室所流出的特定制冷剂会被吸到压缩机的内部，在其中完成压缩处理，此时的内部压力以及温度均会增加，然后将压缩后的制冷剂再输送到相应的冷却装置中，然后再输送至膨胀装置中完成做功。此时，其压力以及温度均会明显的减少，再将这些温度相对低的制冷剂送至相应的冷藏装置，完成吸热过程，最终实现对冷藏室温度调节的效果。在其制冷的过程中，技术功在很大程度上影响到整个系统的节能效果。因此，对于制冷系统优化处理，可以通过相应的冷却手段，来降低压气机自身对于功的消耗。同时，也能够减少相应工质的温度值，达到改善系统功作效率的目的。另外，也能通过分级进行压缩处理，以及级间冷却的措施，来对制冷系统进行优化设计，这样也能够明显地降低整个过程中技术功的使用量。

3.3 机械功在热力发电中的应用与优化

目前，热力发电过程中，均要涉及到机械功的应用。由相应的抽水泵，将水抽到锅炉之中，而在其中水受到热能的作用，形成具有很高温度的蒸汽，这些蒸汽通过体积功以及轴功的形式，使相应的气轮转动，而获得电能。而做完功之后的蒸汽也会被再次的使用。此过程中，在水被输入至锅炉中需消耗一定的技术功，而我们知道，如果水具有的比容较大，则相应所需的功量会增加。而要是水所具有的比容较小，则相应所需的功量会减少。因此，如果再次利用循环水的话，要把其进行冷却处理，以减少水的比体积值，这样才能降低输送水所需的功量，也达到对系统的优化目的。

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