化学反应原理和强压通风

我们都知道，在英国人于1876年完工的鱼雷艇“闪电”（HMS Lightning）号上首次采用了名为强压通风（forced draught）的新技术。这种技术从某种意义上来说引起了一场船舶动力系统的革命，其意义不亚于涡轮增压器之于内燃机；事实上，直到二战时期乃至冷战时期，强压通风系统也几乎是各国海军主战舰艇的标配，由此也可以看出该系统的生命力之旺盛。

然而，与其重大意义不相匹配的却是国内有关资料的语焉不详。有人根据在农村烧柴灶的经验，武断地认为所谓强压通风就是用鼓风机把火吹旺；有人根据自己使用电脑的经验，认为强压通风可能和电脑的超频有点像；还有人（以陈悦为代表）已经模模糊糊摸到了强压通风的实质，但是不知道是自己本来就在不懂装懂还是为了故作高深，对于该系统的描述依然令人一头雾水，有种看了但好像什么都没看的感觉。

那么强压通风到底是什么？

在解决这个问题之前，我们先来看两个问题。

1.简单的鼓风机吹风为什么“不行”？

2.假设有一个气缸，气缸的顶部是可以上下运动的活塞；将一枚阴燃的木炭放在气缸底部，突然向下按压活塞，木炭会发生什么变化？

第一个问题先放一放，看第二个问题。

这其实是高中化学反应原理的一个经典理想实验。如果真的这么操作，我们会看到原本阴燃的木炭迅速复燃。

什么原因？

首先，木炭的燃烧需要氧气。当活塞迅速向下压缩时，由于原本密封在气缸内的氧气含量是一定的，随着体积的减小，单位体积内的氧气含量将会迅速上升。举例来说，假设气缸内充的是标况下22.4升的空气，那么由于空气中的氧含量约为21%，此时气体中氧分子的物质的量约为0.21摩尔，每升空气中含氧分子量为9.375‰摩尔；而当活塞压缩到原体积的一半时，氧分子的物质的量依然是0.21摩尔，但体积却变成了原先的一半，即11.2升，所以每升空气中的含氧分子量就变成了0.21/11.2约等于18.75‰摩尔——变成了原来的两倍。那么，随着单位体积内反应物的浓度增加，化学反应速率自然会加快。

不过，以上只是一方面的影响。实际上，对气体的压缩还会带来另一个效果，即温度的上升。根据克拉伯龙方程（理想气体方程），我们有pV=nRT；其中T为热力学温度（开尔文度），R为理想气体常数，n是气体物质的量，V是气体体积，而p则是压强。不难看出，当nRT不变时，如果气体体积缩小的速度赶不上压强增大的速度，气压的增大就会导致气体热力学温度的同步上升——而现实中也确实如此，这个升高的温度实际上是来自于压缩过程中活塞对气体做的功。

但是注意，这个温度的变化并不会直接导致锅炉炉水的汽化加剧，至少影响并不显著。举例来说，美国海军弗莱彻级驱逐舰的强压通风鼓风机在压力大于30英寸水柱时就会启动缓解阀泄压，此时输入压力仅仅是1个标准大气压+30英寸水柱=1.0767个标准大气压，即使不管体积变化对应的热力学温度都只有原来的1.0767倍；如果原来是20摄氏度，那增压后的气体温度也就293.15×1.0767-273.15≈42.5摄氏度，这是无论如何都不能让水沸腾的。

那么这个温度影响的是什么？

实际上是活化分子的数量。

在高中化学中，我们学习过有关“活化能”的知识。也就是说，一个稳定的分子需要吸收一定的能量才能变为容易发生化学反应的活化状态。如果把反应前后的能量图画出来，你就会发现，活化能就像是一座高山阻隔在了反应前后的能量之间，只有翻越了这座高山反应才能顺利进行。

而现在温度来了。温度，也就是内能的表现形式，显然也是一种能量。于是外界压缩导致的温度上升就像缆车一样，助力反应物分子翻越了活化能这座大山，使得更多的反应物分子变得易于反应；因此，反应物中容易发生化学反应的分子——即活化分子——含量就比原先更高了，反应自然也就更剧烈了：原先只有这么多分子能发生反应，但是现在有那——么多分子都可以发生反应，反应的剧烈程度当然就不能同日而语了。事实上，根据范特霍夫规则，温度每升高10个开尔文（等于10摄氏度），反应的速率将会升高为原来的2～4倍；换句话说，如果温度升高了n个10开尔文（10摄氏度），化学反应速率就会变成原先的（2～4）^n倍，以指数的形式爆炸式增长。再套回到弗莱彻级的例子中，即便取最低的2倍，从20度到42.5度，反应速率也可以增加到之前的2的［（22.5/10）≈2］次方=4倍以上，已经非常可观了——当然由于计算中略去了体积的变化，实际增长会在这个基础上打个折扣。

所以，强压通风的主要实质其实包括了两个：一方面，对体积的压缩导致单位体积内反应物分子的数量上升；而另一方面，压缩过程产生的热量导致更多分子能抵达活化能，即活化分子数量增加。这两者的结合，就能够导致燃料燃烧的速率迅速增大，即煤的燃烧变得更为剧烈。

然后再回到第一个问题。

为什么鼓风机“不行”？

这也非常简单。因为鼓风机只是提升了空气的流动速度，并没有改变空气的全压，单位体积内的氧气含量是不变的。这就使得鼓风机的助燃效果出现了瓶颈：哪怕鼓风机的功率开得再高，煤炭燃烧的化学反应速率最高也只能等于单位体积内氧气含量为21%时的反应速率——鼓风机的作用只是在燃料消耗掉氧气的瞬间将氧气补充进去，避免局部缺氧的出现，维持燃烧的连续性而已。这有点像是童话故事《喜欢大的国王》中的情景：国王用最大的花盆，装了最肥沃的泥土，最后长出的依然只是一朵小小的郁金香。要是你执迷不悟，继续提升鼓风机的功率，搞不好你还会把火给吹灭掉——森林消防队的常用装备里就有一个风力灭火器，它的原理就是朝火焰喷出强大的风流，带走火焰周边的热量，让可燃物低于燃点而自行熄灭。

但是话说到这里还是有个问题：强压通风的“增压”到底是怎么实现的？

首先我们要严厉批评陈悦同志。他在《北洋海军舰船志》中的说法实在是太过于暧昧，以至于看上去好像锅炉舱和煤舱的增压是通过某些特殊设计实现的，而且只要需要就可以让上述的两个舱室处于高压状态，好像这个高压是可以天然存在的——而这些描述往往会让人想到一个东西，冲压发动机（ram jet）……

当然北洋那会儿是绝对不可能有什么冲压发动机的。实现这一增压过程的依然是我们所熟悉的鼓风机，只不过这个鼓风机还配合了一个特殊的锅炉舱设计。

如图所示是英国某型前无畏舰方案中的锅炉舱设计。我们可以看到，在锅炉舱的右上角有两个大叶轮，那是两台由蒸汽驱动的离心式鼓风机；而在右下角有一扇门，那其实是一套非常厚实的气密门。只要把这套气密门关死，锅炉舱就几乎成了一个完全密闭的空间，空气只能从几个流量有限的风道和锅炉烟道中溢出。当战舰进入强压通风状态时，锅炉舱的气密门会被关死，同时蒸汽机则驱动着鼓风机叶轮高速旋转，从舷侧的通风筒中引气，将空气强行灌入这个近乎密闭的空间。由于空气排出少、进入多，锅炉舱内的气压就会逐渐上升；而由于锅炉炉膛是和锅炉舱相连的，炉膛内的气压自然也就跟着上去了。通过这种方式，我们就实现了对锅炉进气压力的提升。而在二战时期的强压通风系统中，这套系统的原理也大同小异；只不过鼓风机不再是离心式的而是螺旋桨式的，由蒸汽轮机或是废气轮机而不是往复式蒸汽机驱动，并且锅炉也被做成了内外壳的结构——锅炉本体外面还套了一个气密性良好的外壳，鼓风机的进风口就开在外壳上，鼓风机是朝锅炉的内外壳之间鼓风的。

总结起来就是……

“从短暂的鼓风机生涯中我学会了一件事，增加空气的流速是有极限的……”

“你想说什么？”

“我不做鼓风机了，jojo！”

于是鼓风机就转而和气密性极佳的结构（锅炉舱/锅炉外壳）一起去提高锅炉的进气压力了，真是可喜可贺。

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