《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解

《缺氧》在遊戲的後期各個工業設備會產生大量的溫度,降溫也是遊戲後期的難題之一,想要了解蒸汽渦輪機吞熱原理的玩家請看下面「禿頭叔叔克萊因」帶來的《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解,希望能夠幫助大家。

今天我們來做一個遊戲科普向的介紹,主角是遊戲中非常重要的設備——蒸汽渦輪機,它是遊戲中除了野外反熵熱量中和器以外唯一的負熵熱控裝置。(以下簡稱為蒸汽機)

首先,澄清一些下面內容中的一些基礎概念:

tick:遊戲循環中最小熱量交換計算時間單位,合0.2秒;1秒=5個ticks

DTU:遊戲中的熱量單位,可以視作對於現實J(焦耳)的對應

c:比熱容,是指沒有相變化和化學變化時,1kg均相物質溫度升高1K所需的熱量(參見初中物理)。遊戲中做了大幅簡化,基本為常數

T:溫度(我們使用的是攝氏度 ℃)

我們來看一下它的工作和熱能模型:

《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解
蒸汽渦輪機

蒸汽機發電模型:

蒸汽機共5個蒸汽吸入口,每秒每口可以最多吸收125℃以上0.4kg水蒸氣,並將這部分水蒸氣降溫至固定的95℃再排出。蒸汽機每秒吸收熱量的上限是877.59kDTU,並將之轉化為最高850W的電力。遊戲內的蒸汽機有一個和現實不同的熱量黑洞特性,如果氣室內水蒸氣溫度過高,導致每秒吸收熱量超過877.59kDTU,則蒸汽機仍然以850W電力進行輸出。

Power = Min( (85 / 21) * m * (T_steam – 95), 850) (單位W 瓦特)

m:最多2kg的水蒸氣(kg)

T_steam:蒸汽溫度

發電模型的衍生討論——蒸汽機堵口:

因為有877.59kDTU上限這一限制,從最大效用利用蒸汽熱量資源進行發電的角度,才有了控溫堵口這種活用方法。為什麼呢?

假設我們的蒸汽溫度很高,我們希望蒸汽機以幾乎滿負荷的狀態進行工作。那麼,根據吸收釋放熱量公式 Q = c * m * △T,在Q和c為常量時(Q最多為877.59kDTU、c為水比熱容4.179)。

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水的比熱容

我們可以看出△T與m水質量是關系函數。其中,m的取值可以因蒸汽機堵口設置成0.4 * n(n為蒸汽機口開放數量),可以推算以下表:

《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解

《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解
蒸汽渦輪機堵口控制樣例

所以,如果當你的蒸汽室的溫度明顯高於357.32度時,你可能就要考慮的是是否需要在火山/噴泉不超壓的情況下,增加蒸汽室內單位蒸汽的數量,或者無腦增加蒸汽室大小,分攤後以降低單位蒸汽的溫度。

另外,這里還有一個冷知識,上表內我並沒有給出只開放一口的計算。因為這種情況略有差別,遊戲內換熱計算是1 tick一次,1秒內合5次。如果只有一口吸入蒸汽的話,每秒是0.4kg,每tick平均就是0.08kg。然而,蒸汽機工作需要吸入至少0.1kg的水蒸氣才能算啟動,所以實際工作中,第一個tick的水蒸氣不足以啟動蒸汽機,它會按照每2 ticks工作1 tick來計算,所以最高輸出只有850W的一半,425W。只堵一個口是沒有大意義的。

《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解
圖中左三右上二的五個蒸汽機,發電量僅為最大功率的一半

蒸汽機發熱模型:

蒸汽機除了刪除熱量用以發電外,其自身也有過熱溫度(100℃)。在工作時,它會從兩部分吸收熱量升溫,一塊是因吸入蒸汽轉化為水出的熱量比例,這個比例是水相變熱量差的10%;另一塊是工作時自身固定發熱4kDTU。所以,整個發熱量是一個線性相關的模型。

Q = 10% * c * m * △T + const

c:4.179,水的比熱容(kDTU/(kg·℃))

蒸汽機發熱模型的衍生討論——自冷問題:

什麼時候蒸汽機可以不依賴於外界液冷的降溫,通過95℃的水做自冷?這個問題的解,可以換一個角度來看:

我們把蒸汽機這個部分作為一個單獨的整體來看,它吸收的熱是上小節中的Q = 10% * c * m * △T + const = 10% * 4.179 * 2 * △T + 4(單位為kDTU),而交換這部分熱假設只能通過95℃的水做降溫。考慮到蒸汽機達到100℃時,就無法工作,且管道中水有相變爆管的風險,故能夠使用水這種介質來降溫的最大熱量是 Q = c * m * △T = 4.179 * 2 * (100 – 95) = 41.79kDTU。

同時,我們再假設使用導熱管道能夠進行最充分的換熱,把等式連起來,我們得到:41.79 = 10% * 4.179 * 2 * △T + 4, 即溫差理論最多能夠達到45.21℃,蒸汽理論最高溫度為140.21度。

講在自冷問題的最後,由於上述計算對導熱速度和傳熱均作了完美的前提限定,事實上在實際應用中,是有風險的。所以一般來說,我們會留出10%的buff作為自冷模型的容錯餘量。

90% * 41.79 = 10% * 4.179 * 2 * △T + 4,這樣實際溫差在40.2℃,蒸汽實際最高溫度為135.21度。

考慮到實操,蒸汽溫度相對比較難可視化,根據先前供電模型的推算,此時蒸汽機大約會以330W的功率做輸出,大家是可以參看蒸汽機平均發電量就能做一個基本判斷。

衍生補充:自冷判斷的應用

基於這個溫度上限,再結合火山的噴發停止周期、噴發元素種類的比熱容,就能很容易的確定該模塊是否能夠在理論模型內自冷:

以大名鼎鼎的(la ji)金火山為例:

《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解
金的比熱容僅0.129,水的比熱容是它的32.39倍

金屬金:比熱容0.129 kDTU/(kg·℃),凝固點1063.9℃

《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解
一個典型的金火山

金火山:154.3周期內活躍92.5周期;787秒內噴發55秒;每秒噴發6kg溫度為2626.9℃的熔融金。

假設金火山保守自冷模型的定義,是在整個模組絕對不交換熱的前提下(先忽略電器熱量),在噴發的過程中,氣室內的水蒸氣在不刪除熱的情況下,仍然能夠控制在135℃以下:

金火山噴發活躍周期內的新增總熱量: Q = c * m * △T = 0.129 kDTU/(kg·℃) * 6kg/秒 * 55秒 * (2626.9℃ – 125℃) * (10/9) = 118339.65 kDTU

(10/9)的解釋:由於蒸汽機自熱及吸收刪除熱量的1/10,會重新回到蒸汽室,所以蒸汽室里的熱量是(1 + 1/10 + 1/10 * 1/10 + …) * Q 的極限,即10/(10-1) * Q。這里我戰術忽略了自熱的4kDTU,它在先前占到了10%不到的總量。

我們假設在55秒噴發周期內,即使不刪除熱,蒸汽仍不會超過135℃ :

噴發周期內新增熱量總數 118339.65 kDTU = c * m * △T = 4.179 kDTU/(kg·℃) * m * (135℃ – 125℃)。計算可得,m = 2831.77kg。(故為了不使火山超壓,至少需要 m / 150kg = 19格大小的氣室)

實際上,在噴發期間,蒸汽機也在工作,所以實際所需的水是可以比計算的要少一些的。簡單的方法,只要看自冷過程中蒸汽機最高發熱量不要超過41.79kDTU/s即可。

《缺氧》蒸汽渦輪機吞熱原理講解
沙盒debug模式下,測試安全

由於我遊戲中隨機到的這個金火山的噴發量屬於中等偏低的,一般來說,4000kg水基本可以覆蓋大多數金火山的自冷要求。

來源:遊民星空