不可逆过程广义热力学动态优化研究进展

广义热力学优化理论是热科学与技术领域的研究热点之一.本文首先回顾了有限时间热力学、熵产生最小化理论、理论、广义热力学优化理论的产生与发展,深入剖析了上述热学优化理论的物理内涵及其相互间异同点,然后从传热过程、传质过程、电容器充电电路和经济贸易过程等不可逆过程动态优化研究方面介绍了广义热力学优化理论的研究进展,重点比较了熵产生最小化理论和理论在传热传质过程优化中的异同点,最后指出除在研究对象范围和研究内容方面进一步拓展与细化外,追求物理模型的统一性、优化方法的通用性和优化结果的普适性是广义热力学优化理论的另一重要发展趋势.     

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.     

船海用蒸汽动力装置构形优化理论研究进展

本文从船舶蒸汽动力装置和海洋热能转换装置两个方面介绍了船海用蒸汽动力装置构形优化理论研究进展.首先回顾了包括蒸发器、过热器、经济器、锅炉整体和冷凝器在内的船舶蒸汽动力装置主要换热部件模型和包括蒸发器、冷凝器、双压透平和整体系统在内的海洋热能转换装置主要换热和能量转换部件和系统模型,然后介绍了基于熵产生最小化理论、有限时间热力学理论、理论和构形理论等现代热学理论的两种装置主要部件的构形优化和海洋热能转换系统的构形热力学优化工作,重点比较了优化前后、不同优化目标和不同系统结构下优化结果的异同.最后,对构形热力学优化应用于一般动力系统能量传递和转换过程优化设计和节能降耗的理论研究做出了展望.     

斯特林循环输出功率优化分析

基于有限时间热力学理论,结合理论和熵产理论,以输出功率最大为目标对斯特林循环进行了分析和优化,探讨了损失、耗散、熵产、熵产数及改进熵产数在系统参数优化方面的适用性.研究表明,当循环的热源为给定温度的无限热容热源时,系统的最大损失率对应于最大输出功率,最小熵产率和耗散率极值不与最大输出功率对应.当系统的热源为有限热容热源时,在给定高低温热源流体入口温度和热容量流的条件下,系统的最大损失率、最小熵产率、最小熵产数和最小改进熵产数均对应于系统最大输出功率,而耗散率极值不对应.随着高温热源流体热容量流增加,系统的输出功率、损失率、熵产率和耗散率均随之增加,而熵产数和改进熵产数先减小后增加.综合而言,在本文讨论的各种工况下,损失的概念用于斯特林循环输出功率优化时,其一致性优于本文讨论的其他参数.     

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.     

对“辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数”一文的讨论

陈则韶等人在"辐射热力学的新进展——辐射有效能光量子等效温度光量子熵常数"(中文版见中国科学E辑:技术科学,2009,39(4):609～617;英文版见Sci China Ser E-Tech Sci,2008,51(8):1096―1109)—文中,通过赋予单个光子以有效能和熵等宏观热力学参数,提出了光子等效温度和光子熵常数概念.本文证明若将这些概念及其推论用于宏观热力学系统,将得到违背宏观热力学定律的结论,说明光子等效温度和光子熵常数概念是错误的.     

广义流传递过程的广义耗散最小化

广义热力学优化理论研究的重要内容之一是追求优化结果的普适性.本文首先在回顾现有文献关于传热、传质、电容器充电、经济贸易过程等不可逆过程动态优化研究工作的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,通过定义广义势、广义力、广义流、广义势容、广义耗散、广义耗散力等物理量,建立了一类广义流传递过程的广义热力学物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义流守恒方程约束下求解广义流传递过程广义耗散最小化.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果即最优性条件,并基于普适的优化结果得到了一些新结论.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在换热过程、等温节流、单向等温传质、双向等温传质、等温结晶过程、电容器充电过程、经济贸易过程等特例中的应用.最后,提出了不可逆过程"广义热力学动态优化"的研究思想.本文的研究结果丰富和完善了广义热力学优化理论.     

对耗散结构中熵的探讨

经典耗散结构对其有序的分析虽然误用了热力学第二定律和无序度的熵,但这掩盖不了耗散结构本身的价值。耗散结构的有序是耗散结构在形成过程中各因子之间形成的相互联系,它是一个宏观整体的概念,反映了系统内部的联系程度,与无序度熵有着本质的区别。对于系统内的桌一粒子、要素、子系统来说是并无有序的概念可言。耗散结构中熵的实质是宏观有序和能量转换,体现的是热力学第一定律。热力学第二定律的使用前提是孤立系统,耗散结构中并不存在孤立的内部系统,无序度熵的引入,严重误导了对熵的本质理解。不能用封闭的、静态的、机械的、线性的观点看待开放的、动态的、有机的、非线性的物理过程。探讨熵的实质。对科学研究的方法和思维有重要意义。     

不可逆循环的广义热力学动态优化研究进展

本文在简要回顾有限时间热力学、熵产生最小化理论、理论、广义热力学优化理论的基础上,从理论热力循环(包括恒温热源理论热机循环,变温热源理论热机循环,串接、联合和多热源理论热机循环,具有非均匀工质的理论热机循环,多级热力循环)、理论化学机循环(包括单级等温化学机循环,单级非等温化学机循环,多级等温化学机循环,多级非等温化学机循环)、工程热力与化学循环(包括活塞式加热气缸膨胀过程,内燃机循环,光驱动发动机循环)、商业机循环等不可逆循环动态优化研究方面介绍了广义热力学优化理论的研究进展,最后指出除在研究对象范围和研究内容方面进一步拓展与细化外,追求物理模型的统一性、优化方法的通用性和优化结果的普适性是广义热力学优化理论的另一重要发展趋势,包括建立广义机模型.     

摩擦磨损的热力学研究：现状和展望

摩擦系统的复杂性和影响因素的多样性使摩擦学理论远落后于工业的需求．本文回顾并从统计热力学熵的角度讨论了摩擦的本质，分析了摩擦磨损研究的方法和摩擦体系热力学研究的现状．认为熵能够成为表述摩擦磨损过程演变的主参量，熵平衡方程可望作为摩擦学理论的基石．展望摩擦体系的非平衡态热力学在摩擦学相关领域的应用前景．     

线性唯象传热条件下甲烷蒸汽重整反应器熵产生最小化

针对一类传热、流动与化学反应相耦合的管式活塞流甲烷蒸汽重整反应器,考虑转化管外热源与管内反应物间传热服从线性唯象传热定律[q∝Δ(T~(1))],在氢气产率、进口压力、进口总摩尔流率、惰性气体(N_2)摩尔流率均给定及外界热源温度完全可控的条件下,以传热、流动、化学反应过程的总熵产生率最小为目标,应用有限时间热力学理论和方法,借助非线性规划数值方法求解了过程最小熵产生率及相应外界热源温度沿程最优分布规律,并与热源温度恒定、热源温度线性变化两种传热策略下的参考反应器以及牛顿传热定律[q∝Δ(T)]下熵产生最小最优反应器进行了比较.结果表明,与两类参考反应器相比,优化热源温度分布规律后可使反应器总熵产生率降低58%以上,主要是通过降低传热过程熵产生率实现的;采用较短的反应器可较好地实现预定生产目标;对于熵产生最小时的过程最优路径,存在恒定的热驱动力或恒定的化学驱动力中间段区域;传热规律对过程熵产生最小时热源与反应混合物温度最优构型有显著影响.     

电催化分解水研究进展

能源问题是当今世界的热点问题之一。作为最重要的可再生清洁能源之一,氢能是解决当前能源危机的重要途径之一。本文综述了电解水制氢原理和目前电解水制氢的发展现状,并预测了电催化分解水制氢的发展与应用前景。     

对“辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数”一文的讨论

陈则韶等人在“辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数”（中文版见中国科学E辑：技术科学,2009,39（4）：609～617;英文版见Sci China Ser E-Tech Sci,2008,51（8）：1096—1109）一文中,通过赋予单个光子以有效能和熵等宏观热力学参数,提出了光子等效温度和光子熵常数概念．本文证明若将这些概念及其推论用于宏观热力学系统,将得到违背宏观热力学定律的结论,说明光子等效温度和光子熵常数概念是错误的．     

回复“对‘辐射热力学的新进展——辐射有效能光量子等效温度 光量子熵常数’一文的讨论”

本文关于"对‘辐射热力学的新进展——辐射有效能光量子等效温度光量子熵常数’一文的讨论"中所举例证进行了分析,指明其例证中对相关概念的理解和使用有误.同时进一步阐述了光量子等效温度、光谱辐射有效能和光子熵常数与宏观态温度、热能有效能和宏观态熵的异同点,指出辐射能具有微观态的量子作用特性和宏观态的平均热能作用特性的双重性.     

回复“对‘辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度光量子熵常数’一文的讨论”

本文关于“对‘辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数’一文的讨论”中所举例证进行了分析, 指明其例证中对相关概念的理解和使用有误. 同时进一步阐述了光量子等效温度、光谱辐射有效能和光子熵常数与宏观态温度、热能有效能和宏观态熵的异同点, 指出辐射能具有微观态的量子作用特性和宏观态的平均热能作用特性的双重性.     

钢铁生产流程物流-能流-环境作用机理及广义热力学优化

将有限时间热力学、构形理论和(火积)理论等现代热学理论与冶金流程工程学相结合,提出钢铁生产流程广义热力学优化理论.在搭建钢铁流程能耗排放仿真平台和建立分析与生命周期评价结合的物流-能流-环境作用评价方法的基础上,基于钢铁生产流程广义热力学优化理论对单体组件、工序模块、功能子系统和流程进行物流-能流-环境作用机理研究,并开展多学科、多目标的广义热力学优化.优化后流程和工艺的选择、物流和能流的分配、余能余热综合利用更加合理,流程系统得到集成、运行调控更加合理,物流-能流-环境得到综合协调,实现流程能源的高效配置和余能的梯级利用,系统能耗和排放显著降低.本文通过探索钢铁生产流程高效、节能、减排技术途径为钢铁联合企业能源环保中心的设计运行提供了理论支撑,也为一般物质转化过程高效节能的相关共性问题的解决提供了研究平台,奠定了科学和技术基础.     

辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数

对辐射热力学中光谱辐射能热力学特性研究的新进展进行了回顾．介绍了表征光量子能量品质的光量子等效温度乃新参数，给出了乃与波长的关系式λTλ=c3=5．33016×10^-3m·K和光量子熵常数sλ=3．72680×10^-23J／K．用Tλ和sλ讨论了黑体光谱辐射力、平衡态空腔辐射能、开口系辐射流等的有效能、熵参数、焓参数的表征及光子气的状态变化过程的熵变化；通过光谱辐射有效能的分析，证明了用于光合作用的光谱辐射能量的有效能效率大于光能量的有效能利用率．讨论了辐射能转换器的辐射有效能不可逆损失的计算方法．     

基于三角形单元体的气-固反应器构形优化

将构形理论引入多孔介质气。固反应问题中进行研究，首先以三角形单元体为研究对象，以传热传质过程中的熵产生最小为优化目标，对给定微小区域进行外形优化；在此基础上，将得到的最优结构的三角形单元体组装成新的矩形构形体，进行同样的构形优化；持续类似工作直至覆盖整个控制体，得到了完整的解析解；由数值计算分析了相关参数对熵产生的影响；与相关文献中以矩形单元体为基础进行构形优化得到的结果进行了比较分析。     

固体氧化物燃料电池-斯特林热机混合动力系统的性能优化

应用电化学、非平衡态热力学和有限时间热力学等理论,建立包含多种不可逆损失的固体氧化物燃料电池与斯特林热机组合而成的混合动力循环系统理论模型,导出混合系统的输出功率和效率的表达式,确定混合系统的最大输出功率和最大效率及其工作在最大输出功率或工作在最大效率时的运行条件,给出系统的优化工作区域,详细讨论了热力学循环过程的不可逆性对混合系统优化性能的影响,探讨了固体氧化物燃料电池与斯特林热机之间的最佳匹配关系.所得结果可为实际混合动力系统的设计和优化运行提供理论依据.     

基于专利分析的全球制氢技术发展态势研究

氢作为一种高效清洁的能源和理想的能源互联媒介,有着广泛的应用场景,被公认将在能源转型过程中发挥举足轻重的作用.本研究从专利分析的视角出发,对全球制氢技术的发展态势进行研究.研究发现,近10年电解水制氢技术研发热度及成果的发展速度遥遥领先于化石燃料制氢技术,且未来还有进一步增长的潜力.电解水技术研究聚焦在质子交换膜电解水...