這個簡單問題難倒了好多人
一臺經(jīng)過嚴(yán)格保溫近乎絕熱的壓力容器空罐，其上端經(jīng)過截止閥與蒸汽管道相連。蒸汽管道內(nèi)的蒸汽壓力1.1Mpag,溫度350℃?，F(xiàn)開啟罐體頂部的閥門使蒸汽進(jìn)入罐內(nèi)，直到罐內(nèi)壓力也達(dá)到1.1Mpag后關(guān)閉進(jìn)口閥門。
問：這時罐內(nèi)蒸汽溫度是多少℃？
“350℃”，您是不是也會毫不猶豫地這樣回答？這個問題，是孚雷德在提供蒸汽節(jié)能培訓(xùn)前向參會技術(shù)人員進(jìn)行問卷調(diào)查的內(nèi)容之一，幾乎所有人都毫不猶豫地給出了如此答案。從常識性來看，這種回答似乎沒有問題，但熱力學(xué)自有其奇妙之處，其真知超出我們通常的認(rèn)知，使得好多專業(yè)人員都被這個看起來簡單的問題難倒了！
下面讓我們一起來根據(jù)熱力學(xué)知識，求出其正確答案。
首先，進(jìn)入罐內(nèi)蒸汽的質(zhì)量min－流出罐內(nèi)的蒸汽質(zhì)量mout＝罐體內(nèi)蒸汽質(zhì)量變化△m。由于mout＝0，△m＝min。則，對于一臺空罐而言，如上充滿蒸汽后，罐內(nèi)的蒸汽質(zhì)量m＝△m＝min
其次，Ein－Eout＝△E, (Qin+Win+ Em/in)－(Qout+Wout+ Em/out) ＝△E┄┄①。其中，Q為熱能變化量，W為機(jī)械能變化量，Em為由蒸汽質(zhì)量改變引起的能量變化部分?！鱁為過程中能量的總變化量。由于整個過程沒有熱傳遞和機(jī)械功，所以①式中的所有Q和W均為零，則上式簡化為Em/in－Em/out＝△E┄┄②。
另外，在整個過程中，沒有蒸汽從罐體內(nèi)流出，因此②式變?yōu)镋m/in＝△E。又由于充滿同等壓力的蒸汽后，罐內(nèi)蒸汽的總能量E就是△E，故Em/in＝E┄┄③。
還有，流動的蒸汽總能量由蒸汽的熱焓、動能、勢能三部分組成，即Em/in＝H+Ki+Pi ┄┄④；靜止的蒸汽總能量由蒸汽的內(nèi)能、動能、勢能三部分組成，即E＝U+K+P┄┄⑤。將式④、⑤代入式③式得：H+Ki+Pi＝U+K+P┄┄⑥。因罐體是靜止的，蒸汽進(jìn)入罐體前后動能和勢能沒有發(fā)生變化，故式⑥變?yōu)椋篐＝U，即h* min＝u*m。而從前面可知，m＝△m＝min，則h＝u，意味著罐內(nèi)蒸汽的內(nèi)能等于蒸汽進(jìn)入罐體前的熱焓值。
根據(jù)管道蒸汽壓力1.1Mpag、溫度350℃查得h＝3154.2kj/kg。那么，按照蒸汽壓力1.1Mpag和u＝3154.2kj/kg查得，罐內(nèi)蒸汽溫度大約518℃。
管道內(nèi)的蒸汽進(jìn)入罐內(nèi)后，溫度提高了168℃。這樣的結(jié)果令很多人大跌眼鏡！其回答錯誤當(dāng)然也在意料之中。問題是，哪里來的熱能讓蒸汽的溫度升高？答案是，流動蒸汽的熱焓h＝Pv(流動能)+ u(內(nèi)能)，流動的蒸汽進(jìn)入罐體內(nèi)流動停止，其流動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能的增加體現(xiàn)在蒸汽溫度的提高。
理解此問題的實(shí)際意義 在選擇蒸汽儲罐時，如果按錯誤的理解選擇了耐壓耐溫1.1Mpag/溫度350℃的壓力容器罐，就容易發(fā)生危險，因?yàn)楣迌?nèi)的蒸汽參數(shù)實(shí)際是1.1Mpag/518℃。
您是否也曾被這個看似簡單的問題難倒過？通過上面的內(nèi)容，您想必已經(jīng)明其果、知其因。希望孚雷德的每篇文章都能給關(guān)注我們的朋友們帶來收獲，哪怕就那么一點(diǎn)點(diǎn)。