核潜艇为何用饱和蒸汽而航母多用过热蒸汽?

瀚海狼山(匈奴狼山)不止一次的提到,大多数5万吨级以上的航母采用蒸汽动力,而目前的正规大型核潜艇其实接近100%是蒸汽动力。不过航母和核潜艇上的蒸汽却有所区别,航母上多用过热蒸汽包括常规动力航母用锅炉烧出来的也是过热蒸汽;而核潜艇上多用饱和蒸汽。那么两者有什么本质不同,核潜艇上为何一定要强调用饱和蒸汽呢?首先需要理解什么是饱和蒸汽,先有饱和蒸汽才有过热蒸汽。蒸汽自然是水加热蒸发产生。自然环境和人工封闭环境都可以让水蒸发。比如人身上的汗水干了,洗涤的湿衣服晾干,地面上的雨水消失,海水蒸发成浮云甚至台风。这些都是自然的蒸发现象。而用水壶烧开水,或用烧杯加热液体,都会产生人工蒸发现象。如果把这个蒸发空间完全封闭,可以承受较大的蒸汽压力,

这就是高压锅炉甚至是核反应堆蒸汽发生器内产生的蒸发现象。当液体在有限的密闭空间中蒸发时,液体分子通过获得能量,逃逸出液面进入上面的气体空间,就属于蒸发成蒸汽分子。蒸汽分子处于自由的布朗运动中。当部分蒸汽分子的热动能下降,会再次落入液面被捕获,重新成为水分子;而此时会有更多的蒸汽分子继续获得能量逃逸出液面再次成为蒸汽分子;在液体持续受到加热能量的情况下,逃逸的蒸汽分子超过再次回到液面的分子;因此液面以上空间的蒸汽分子的密度就会不断的增大。当蒸汽分子的密度增加到一定的程度就不会继续增大,蒸发成蒸汽分子和回到液体中的分子的总数达到了动态平衡。此时的蒸汽就叫做饱和蒸汽,而蒸汽下面的液体就叫做饱和液体。此时加热如果继续持续的话。蒸汽区下方如果还有液体,那么这种蒸汽就叫做湿饱和蒸汽。

如果加热持续,当封闭空间内的液体全部蒸发成蒸汽,这种蒸汽就叫做干饱和蒸汽。看到这里要敲黑板、划重点了。特别注意:任何蒸汽从不饱和到湿饱和;再到干饱和的过程,温度是不增加的!如果干饱和蒸汽再继续加热,则开始变成过热蒸汽。那么过热蒸汽和饱和蒸汽有什么各自的优点呢?过热蒸汽的优点是,过热蒸汽携带的单位能量更大,其内部压力大温度高;综合热效率高;干燥速率也快。比如小鹰级航母的8台锅炉烧出的过热蒸汽,出口压力高达8.4兆帕,也就是84个以上的大气压,或者说单平方厘米84公斤的压力,而温度高达510摄氏度,因此可以为4台蒸汽轮机提供高达28万的轴马力。推动小鹰级的最高航速高达33节以上!这个强劲动力所有的尼米兹级都没有超过。但是饱和蒸汽的内部温度却没有那么夸张,反应堆2回路的蒸汽压力只有4兆帕左右,蒸汽温度只有240摄氏度。

甚至饱和蒸汽即使再加压到9兆帕,超过小鹰号锅炉8.4兆帕的出口压力,其饱和蒸汽的内部温度也不过310摄氏度,距离小鹰号锅炉过热蒸汽的510度整整差了200摄氏度。饱和蒸汽隐含的热能和热效率都低于过热蒸汽,但是饱和蒸汽容易自然凝结,内部温度和压力会自然下降。这一点;反倒特别适合新型核潜艇的自循环系统。核潜艇大部分时间都是追求低噪音航行,同时慢慢给电池组充电。即使水下战斗中被相互发现需要短时间飙高速。也是主要消耗电池组的电能。因此饱和蒸汽循环特别适合核潜艇。