碘化氢分解反应过程熵产率最小化

热化学硫碘循环是一种有潜力的制氢方式,而碘化氢分解反应是制氢过程的关键步骤,碘化氢的分解转化率决定了制氢效率的高低.为进一步从热力学第二定律的角度对碘化氢分解过程进行分析优化,本文建立了碘化氢分解一维活塞流管式反应器模型,并基于有限时间热力学理论,以系统中熵产率最小为优化目标进行研究.考虑传热、流动和化学反应过程的总熵产率,在给定的混合气体进口温度和混合气体进口压力及氢气产率约束条件下进行优化分析,分别考虑管长度固定和自由的两种情况,利用最优控制理论求解管外的热源温度最优分布.结果表明优化后的反应器中管外热源温度和混合气体温度差值存在相对恒定的子区间,并且管外热源的温度变化范围相对热源线性变化的参考反应器更广.与参考反应器相比,管长固定时(L=3 m)最优反应器的总熵产率降低了51.3%,管长自由变化时总熵产率存在二次最优,此时最优反应器长度L_(opt)=4.91 m,总熵产率相比参考反应器降低了57.6%.总熵产率的降低主要是由降低传热过程不可逆性实现的,适当延长管长可进一步降低反应过程中总熵产率.同时结合工业生产实际对如何实现热源温度最优分布进行了探讨.本文的研究结果对碘化氢分解反应器的尺寸参数和工艺条件设计可提供理论指导.     

基于耗散率最小的“盘点”脉管网络构形优化

以有限温差传热和流动阻力引起的最小耗散率和耗散数为优化目标,在圆盘总面积和脉管网络总体积给定的条件下,对圆盘区域内一级、二级和三级脉管网络进行构形优化,得到耗散率和耗散数最小的各级脉管网络最优构形.结果表明当参数B1?10??时,在相同无量纲质量流率M*(1?M*?102)下,耗散率最小和熵产率最小的一级脉管网络最优构形有明显区别.对于二级脉管网络,当无量纲质量流率在1?M*?102范围内时,传热耗散和流动耗散大小相当,此时脉管网络最优构形随质量流率变化显著.在相同脉管网络总体积和圆盘半径条件下,相同无量纲质量流率时,一级、二级和三级脉管网络最小耗散数性能几乎相同;当无量纲泵功率*5?10(?1,2,3)?i W i时,随着脉管级数的增大,脉管网络最小耗散数减小,此时增加脉管网络的复杂度有利于提高脉管网络的性能.此外,还以复合耗散率为优化目标对脉管性能进行优化.优化结果可从传热优化角度为脉管系统设计提供参考.     

液-固相变过程(火积)耗散最小化

对一类简单一维平板液-固相变过程进行了研究,在过程总时间一定的条件下,以过程的(火积)耗散最小为优化目标,应用最优控制理论导出了外界热源温度随时间变化的最优规律,得出了对应于相变过程耗散最小最优换热策略下的(火积)耗散为恒温换热策略下的(火积)耗散的8/9,且与系统其它参数无关的结论.给出了数值算例,并与传统的恒温换热策略和熵产生最小最优换热策略进行了比较.本文研究结果对实际液-固相变过程最优换热策略的选取具有一定的理论指导作用.     

海基合成燃油系统关键单元的热力学分析与优化研究进展

本文在简要回顾化学反应过程有限时间热力学研究的基础上,从海基合成燃油系统的碳、氢源捕获子系统各单元(包括电化学海水酸化单元,酸化海水CO_2捕集单元,氢气(H_2)获取单元)、燃料催化合成子系统各单元(包括"长链烃裂解"合成燃油技术路径中逆水气变换单元反应器、费托合成单元反应器,"短链烃聚合"合成燃油技术路径中CO_2氢化合成低碳烯烃单元反应器、烯烃齐聚单元反应器)性能研究方面介绍了其热力学分析与优化研究进展.研究工作结合热力学、传热学、流体力学、化学反应动力学、最优控制理论和多目标优化方法,建立模型,优化性能,探索海基合成燃油系统关键单元的热设计与优化问题.由浅入深,从建立热源温度完全可控的一维活塞流反应器模型到建立考虑真实热源载热工质的二维拟均相反应器模型;由可逆模型到不可逆模型,从建立经典平衡态热力学模型到建立考虑多种不可逆因素的有限时间热力学模型;由单目标优化到多目标优化,从熵产生率最小和比熵产生率(对目标产物产率平均的熵产生率)最小的单目标优化到综合考虑目标产物产率最大和熵产生率最小、出口平均转化率最高和最大径向温差最小的多目标优化.本文取得了一些具有重要理论意义和实用价值的研究成果,可为海基合成燃油系统的设计与优化提供科学依据和理论指导.下一步的发展方向是实现两个子系统和全系统与关键单元集成的构形热力学优化.     

一类单向等温传质过程积耗散最小化

对一类服从菲克扩散传质定律[g∝△ （c）]的单向等温传质过程进行了研究,首先从质量积的定义式出发,导出反映该传质过程质量传递能力损失不可逆性的积耗散函数,然后应用最优控制理论获得了对应于传质过程积耗散最小时的高、低浓度侧关键组分浓度的沿程最优分布,并与熵产生最小、传质流率一定（浓度之差为常数）和浓度之比为常数（化学势之差为常数）等传质策略进行了比较.结果表明对应于积耗散最小时的最优传质策略为高、低浓度侧关键组分浓度之差的平方与低浓度侧惰性成分浓度的乘积为常数,而对应于熵产生最小时高、低浓度侧关键组分的浓度之差的平方与低浓度侧关键组分浓度之比为常数;当传质过程不涉及能量转换时,优化准则应为积耗散最小,浓度之差为常数的传质策略要优于浓度之比为常数的传质策略.本文的研究结果对于实际传质过程最优设计与运行具有一定的理论指导意义.     

基于广义传热定律的传热与热功转换优化

基于广义传热定律,本文分别从熵产和（火积）损失的角度对简单的传热过程与热功转换过程进行了优化,对熵产和（火积）损失的概念在上述过程优化中的适用性进行了讨论分析.研究表明,对于传热过程,（火积）损失率就是（火积）耗散率,该概念可有效优化传热过程.然而,在给定传热温差时,最大传热量不与最小熵产率对应,因此熵产最小化方法不一定适用于传热优化.对于热功转换过程,最大（火积）损失率和最小熵产率同时与系统最大输出功率对应.因此熵产最小化方法和（火积）理论均可用于优化本文讨论的热功转换过程.     

换热器优化中均分原则的适用性分析

在许多物理过程的优化设计中,其优化结果反映为某些物理量或者函数的均匀分布,即相应的均分原则.针对两股流和三股流换热器的优化分析,讨论了热力学力场均匀性原则、ΔT/T场均匀性原则和温差场均匀性原则三项均分原则的适用性.研究表明,当换热量给定时,前两项原则既不能给出最小的换热器熵产率,又不能给出最高的换热器效能;而当换热器实现最佳传热性能时,前两项原则得不到满足.对于温差场均匀性原则,不论冷热流体间的传热系数是否为常数,均可基于理论对其进行数学证明.当冷热流体温差场完全均匀时,换热器的耗散热阻达到最小值.可见,温差场均匀性原则可以给出换热器的最佳传热性能.进一步,本文给出了简单的案例,直观地验证了上述结论.理论与案例分析的结果进一步表明,热力学力场均匀性原则和ΔT/T场均匀性原则都是基于熵产的概念得到的,而熵产从做功能力损失的角度衡量不可逆性,导致这两项原则与传热优化的目的不一致,而且其推导过程中所采用的传热定律也不符合实际的传热过程;而用于证明温差场均匀性原则的(火积)耗散则从传热能力损失的角度衡量传热过程的不可逆性,其优化目标与传热优化目标则是一致的.这就是前两项原则不适用于换热器优化分析而温差场均匀性原则适用的根本原因.     

基于广义传热定律的斯特林循环熵产分析和■分析

基于广义传热定律,本文将■理论和熵产最小化理论应用于有限热容热源下的斯特林循环的优化分析,以系统输出功和热效率为分析对象,讨论了■损失率、功引起的■变化率、■耗散率、■损失系数、熵产率、熵产数和改进熵产数等参数在优化分析中的适用性.本文主要讨论了3种不同的工况.研究表明,在这3种不同的工况下,■损失率和功引起的■变化率始终随着输出功率的增加而增加,■损失系数也一直随热效率增大而增大;然而,■耗散率的增大或熵产率的减小并不总是使得输出功率增大,同时,熵产数和改进熵产数也并不总随热效率的增大而减小.可见,对本文讨论的3种工况而言,■损失率、功引起的■变化率以及■损失系数这3个概念是适用的,其他参数则并不总是适用.基于上述分析结果,本文还对关于■理论的争议进行了简要的讨论,分析了某些负面评论存在的主要问题,如篡改原文、逻辑不一致、简单重复学术观点、重新命名关键概念甚至人身攻击等.这些■理论的负面评论并不属于真正的学术讨论,需要加以注意;本文的研究结果在一定程度上也可作为对部分负面评论的回应.     

基于（火积）耗散率最小的伞形柱状肋片构形优化

采用解析解法,以无量纲平均热阻作性能指标,对柱状一级组合的伞形肋片进行构形优化,得到了伞形肋片的最优构形.结果表明：单元级柱状肋数量越大,肋片的导热性能越差;在某些设计参数下,优化后的伞形肋片退化为柱状肋;优化后的伞形肋片的直径受设计参数的影响很小.基于耗散率定义的平均热阻反映了整个伞形肋片在传热过程中的导热性能.工程上对肋片进行热优化设计时,在极限安全温度下应尽量选择对应耗散率（平均热阻）最小的构形设计.