化工先驅 工業革命後燃燒方式的變革，以及燃燒學發展史

蒸汽機車的駕駛室裏, 絲路工正在加煤,同時觀察爐堂。 煤塊碎裂阻塞,會影響燃燒, 要用火鉤子撥開。 清理爐堂時,用它勾出煤渣。 它很長,駕駛時放不下, 只能存放在煤水車的圓筒裏。 有的車型有螺旋加煤機, 但替代不了人工。 衝坡時,需要司機和絲路一起加煤, 才能生產出足夠的蒸汽。 火車爬坡時,速度不夠會拋錨。 打仗時,軍艦速度不夠, 卻可能有滅頂之災。 在悶熱的艦船底艙, 巨大的鍋爐一字排開, 隨着艦長命令, 絲路工往來穿梭,忙成一團。 到了戰鬥的關鍵時刻, 工人會剷除一些粘稠的石油或重油, 撒在煤火上,進行衝刺加力。 提高燃燒效率,成爲迫切需求。 人類誕生後就在用火, 此時成了生死大事。 在火管鍋爐上改進並不容易, 加煤、通風、燃燒和清理煤渣都在圓筒內進行, 空間有限。 19世紀中葉出現水管鍋爐, 爐塘可以根據燃燒需要,做得很大。 受熱面積不再受限, 這是顛覆性革新, 煤的燃燒也升級了。 煉條爐得到廣泛應用, 空氣從底部吹來, 煤塊在煉條傳送帶上緩緩移動, 攤平點燃, 爐渣自動排出, 稱爲層狀燃燒。 它替代了人工, 尺寸更大, 海軍進入無衛艦時代。 1875年,巴黎新建了首個火力發電廠, 爲附近火車站提供直流照明電, 電氣化逐步開始。 爐塘越高,燃燒越猛烈, 很容易看到火焰中跳躍翻轉的火星。 1918年,美國首次實驗燃燒煤粉。 二戰前,燒煤粉的試燃爐取代了層燃爐, 用燃燒器噴射, 煤粉在空中懸浮燃燒。 燃燒器佈置在四角, 能形成漩渦狀火焰, 叫做旋風爐, 發電容量不再受到燃燒設備的限制。 人們對煤粉的研究不斷深化, 二戰末期, 德國失掉產油區, 窮途末路時, 甚至研究過燒煤粉的噴氣戰鬥機。 二戰後出現了硫化牀燃燒技術, 允許燃燒更大的顆粒, 適用各種燃料。 爐堂中, 小顆粒懸浮燃燒, 大顆粒在底部被氣流推動, 像沸騰一樣。 沒有燃盡的顆粒, 在冷卻後收集, 循環利用。 伴隨着煤炭燃燒的革新, 燃燒學也在蓬勃發展。 19世紀, 爲了提高蒸汽機效率, 學者們接力研究, 熱力學四大定律逐步建立, 人們開始使用熱力學來研究燃燒現象, 誕生了化學熱力學。 1836年出現的俄國赫斯定律, 可以計算化學反應熱。 1859年, 德國基爾霍夫提出輻射定律, 用於熱輻射的計算。 人們測定了燃料熱值, 提出絕熱燃燒溫度的概念。 給出燃料初始條件, 就能計算燃燒產物的溫度和濃度。 在理論指導下, 1856年, 德國西門子預先加熱煤氣, 提高初始能量, 成功將燃燒溫度提高到1800度, 發明了平爐鍊鋼法。 蒸汽機剛普及時, 已經有人想到, 用可燃氣體的爆炸來驅動活塞。 1824年, 卡諾論述了這樣的裝置, 這比火車誕生還早6年。 1860年, 首臺內燃機由法國愛蒂安勒努瓦製造, 採用煤氣做燃料。 16年後, 採用奧托循環的四衝城汽油機誕生。 1885年, 戴姆勒與奔馳開始汽車的研發工作。 汽油機採用的是點燃式燃燒, 通過化油器將氣態汽油和空氣混合, 在氣缸內被電火花點燃, 推動活塞運動。 運輸業發生新革命, 汽車開始走進千家萬戶。 1903年, 首架飛機試飛成功, 人類步入航空時代。 點燃式燃燒不斷升級, 20年代出現渦輪增壓, 多氣門, 高壓點火等創新。 二戰後出現催化器, 電子點火, 燃油噴射等技術, 汽油機更加成熟普及。 柴油機出現略晚, 它採用壓燃式, 在壓縮衝城, 空氣被壓縮, 升到很高溫度, 此時高壓泵噴入油料, 瞬間點燃。 它壓縮比大, 效率更高, 但振動劇烈, 氣缸厚重, 沒法用在當時的小汽車裏, 造成發明者迪塞爾的商業失敗。 迪塞爾去世後30年, 裝備柴油機的蘇軍T-34坦克, 在戰場上大放異彩, 柴油機的笨重不再是問題, 它動力強勁, 續航更遠, 柴油常溫下不易點燃, 可以在車身外增設油桶, 續航加倍, 即使被打壞, 也容易修復或提供零件, 美德軍隊的坦克用汽油, 打爆就會完全燒燬, 美軍謝爾曼坦克被稱爲狼森打火機, T-34坦克的創新衆多, 被稱爲改變戰局的武器, 戰後, 柴油機普遍應用在大型車輛和重型機械上, 這個期間, 海上動力革命也悄然完成, 重油替代了燃煤, 它是石油提煉後的渣油, 量大便宜熱質高, 缺點是粘稠, 流動性差, 可以通過加熱來解決, 有了水管鍋爐, 油料霧化這些先制技術, 重油鍋爐水道驅程, 重油先被加熱到100度左右, 脫水過濾, 再霧化成細小油滴和空氣混合後, 噴入爐堂燃燒, 鍋爐更爲強大, 成爲二戰巨劍的標準配備, 一直用到現在, 如何順利點火, 保證燃燒平穩運行, 成爲燃燒學的新課題, 20世紀初, 蘇聯謝苗諾夫和美國劉易斯, 引入化學動力學機理, 發現了混合氣體, 燃燒的鏈式過程, 以一立方厘米的氫氣和氯氣混合氣體爲例, 如果只是分子碰撞, 反應完成需要3萬年, 實際上分子和中間產物, 發生了類似原子彈的鏈式反應, 幾微秒內就完成, 到40年代, 點火及火焰傳播理論基本確立, 之後, 在對火焰氣流和液滴 以及碳顆粒燃燒的研究基礎上, 人們引入了流體動力學, 至此, 燃燒理論體系已經初步搭建完成, 1944年, 首款實用的德軍噴氣式飛機升空作戰, 一時成爲空中霸主, 它用的是煤油, 特性介於汽油和柴油之間, 熱值高, 殘留物少, 穩定可靠, 在發動機中, 前端壓氣機將空氣壓縮, 送入燃燒式, 燃油在此充分燃燒, 釋放能量, 向後噴出, 同時推動渦輪, 爲壓氣機提供動力, 燃燒連續進行, 動力強大, 人類自此進入噴氣時代, 渦噴發動機的壓氣機, 起先採用離心式, 葉片將空氣向周邊甩出, 後來改進爲軸流式, 用多極扇葉層層壓縮, 在這條科技樹上, 類型衆多, 渦扇發動機, 是在外側加上風扇和寒道, 氣流一部分參與燃燒, 另一部分直接排出, 渦槳發動機的效率很高, 它通過減速齒輪連接螺旋槳, 俄軍的空中拖拉機圖95轟炸機, 就在用它, 渦軸發動機, 通常作爲直升飛機的動力, 在發動機軸上設置自由渦輪, 以輸出功率爲主, 渦扇發動機後部, 加裝大直徑寬薄葉片, 改進壓升速下的推進效率, 是70年代航空公司爲省油研發的, 在噴氣發動機中, 要在強大氣流中維持燃燒, 成爲燃燒學的新課題, 學者開始研究層流燃燒, 湍流燃燒, 火焰穩定和燃燒震盪問題, 建立各種燃燒模型, 引發出更多創新。 1944年, 德軍的黑科技V1導彈呼嘯而起, 飛向英國, 它採用結構簡單的脈衝發動機, 混合氣體爆燃後噴出, 產生負壓, 再吸入燃料和空氣, 進行下次燃燒, 一秒鐘幾十次, 發出嗡嗡的聲音, 它飛得不快, 英軍戰機可以用機翼掀翻它, 但架不住便宜量大, 德軍發射了上萬枚, 它至少還能被攔截, 隨後V2導彈更加迅猛, 落地時達到四倍音速, 根本攔不住, 導彈時代到來了, 飛行器速度很高時, 空氣減速也會被壓縮, 不再需要空壓機和渦輪, 這就是衝壓發動機的原理, 它結構簡單, 適合高速飛行, 美軍著名的黑鳥偵察機, 可以調整進氣口追踢, 從渦噴模式切換到衝壓模式, 速度超過三倍音速, 當時沒有導彈追得上它, 人們發現, 內燃機出現點火故障時, 有時候會發出巨響, 把氣缸活塞都炸壞, 這就是暴風, 它會產生高於音速的衝擊波, 比暴燃更加強烈, 只有在特定混合比例和壓力下 才能發生, 斜暴震和旋轉暴震發動機 是目前正在研究的方向, 它們將帶來新的航空革命, 震撼英國的德軍V2導彈, 是世界上首款彈道導彈, 它的火箭發動機自帶氧化劑, 不需要空氣, 設計師是馮布勞恩, 德國戰敗時, 小鬍子想弄死一衆科學家, 馮布勞恩只好投向美國, 美軍上校錢學森 曾對他進行審訊, 在冷戰時期, 馮布勞恩和錢學森的老師馮卡門 被譽爲美國科學界的耀眼雙星, 馮布勞恩 發射了美國首顆衛星, 研發了多款彈道導彈和運載火箭, 馮卡門 則在空氣動力學, 超音速理論, 風動和火箭等方面貢獻卓越, 在燃燒學上, 馮卡門與錢學森 引入連續介質學基理, 創立了反應流體力學。 美蘇爭霸開始了, 雙方爭相刷大火箭, 起先是埋進地下, 採用液體燃料, 發射前加註, 升級成固體燃料後就小型化了, 可以裝進潛艇, 火車或運輸車, 成爲毀天滅地的大殺器。 它是霍亂的根源, 也可以變成和平的基石。 到了90年代, 藉助激光技術, 人們可以測量顆粒的速度, 溫度和濃度, 隨着計算機的發展, 可以在電腦上模擬燃燒過程, 出現計算流體力學。 蒸汽革命後的200多年, 燃燒研究突飛猛進, 太空探索逐步展開。 1957年,第一顆衛星升空, 1965年實現太空行走, 1971年建立了空間站, 人類先後探索了月球, 火星,金星等, 探測器旅行者號 正在飛出太陽系。 新大航海時代的征程, 已經開始了。