热力学非线性区最小熵产生原理和热力学稳定性

经典的非平衡态热力学只能在热力学线性区证明最小熵产生原理,无法在非线性区证明该定理,将热力学熵平衡方程同动力学方程组结合,使最小熵产生原理能够在热力学非线性区得以证明,使之成为非平衡态热力学线性区和非线性区都成立的普遍原理,经典的非平衡态热力学超熵未包括宏观动力过程。必须引入广义动能修正超熵才能作为系统的Lyapounov稳定性函数。但是考虑了动力过程的理想流体负超熵可以直接作为系统的Lyapounov稳定性函数,而且证明导致系统不稳定的原因是流体宏观参数扰动同宏观过程相互作用的结果,对于环境流体这个Lyapounov稳定性判据是目前得到的普遍的稳定性判据。

层流对流换热中的势容耗散极值与最小熵产

在一定的约束条件下,存在一个最优的速度场,它能够使得温度场和速度场的协同程度最好,从而使得对流换热的整体传热性能达到最优。目前对传热效果的评价存在熵产最小化和势容耗散取得极值两种不同的准测。分别根据这两种优化准则,用变分方法推导了在粘性耗散一定的条件下,稳态无内热源的层流对流换热的场协同方程,并对方腔内对流换热问题进行了优化。数值计算结果表明,势容耗散取得极值时的换热效果优于熵产最小的结果,因此势容耗散极值原理更适合做为对流换热的优化准则。

导热优化中的最小传递势容耗散与最小熵产

为了比较分析强化传热中存在的熵产最小化和传递势容耗散最小化两种不同的方法,针对体点问题,根据这两种方法对导热系数分布进行了优化。数值计算和理论分析的结果表明,根据最小传递势容耗散原理得到的结果优于最小熵产原理得到的结果。其原因在于传递势容耗散最小的优化目标是提高热量传递效率,而熵产最小的优化目标实际上是减少可用能损失。

流动换热强化的能量传递转换机制及其最小熵产原理

在线性非平衡区域,对熵产率方程进行了相位拓展,建立了流动换热熵流变化与体系总熵产之间的关系。结果表明,熵产越小时熵流越大,则换热强度越大。当传热与传质均为自发过程,质量流与热流之间同相位时,两者的相位差越小,流动换热的强度越大,它反映了两个正熵产率过程间能量传递的场协同机制;当传热与传质分别为非自发及自发过程,质量流与热流之间反相位时,两者的相位差越大,流动换热的强度越大,它反映了正熵产率过程与负熵产率过程间能量转换的热力学耦合机制。质量流与热流之间由同相位到反相位,分别对应着场协同时的能量传递机制及热力学耦合时的能量转换机制,共同反映了体系流动换热时能量传递转换的最小熵产原理。

基于最小熵产的地埋管换热器优化设计研究

对于地埋管换热器,综合考虑传热性能和消耗的功率,建立管内流体的熵产模型。考虑两支管间热短路影响,确定流体沿管长的温度分布。以最小熵产为目标,根据沿埋管深度的温度分布,在不同换热负荷条件下,确定地埋管换热器的最优长度和管径随流量的变化关系,换热负荷确定时,埋管的最优管长随流量增加而减小,地埋管的最优管径随流量的增加而增大。在流量一定的条件下,埋管的最优管长随换热负荷的增加而增加,最优管径随换热负荷的增加也相应增大。以青岛市某实验室土壤源热泵系统为例,分析最优长度和管径对换热效能及系统性能的影响。

基于最小熵产的多股流换热器通道排列分析及设计

多股流换热器的通道排列一直是其优化设计的重点和难点,本文通过建立其熵产数学模型,分析了多股流换热器换热过程中的上产生机理,得到了熵产与不同通道排列对应性能之间的关系,探讨了基于最小熵产的多股流换热器通道排列的优化设计,同时应用场协同温差均匀性优化原则进行了比较。结果表明,单位换热量的熵产最小可以作为多股流换热器通道排列的优化指标。

T>T_0燃料电池的最小熵产率优化

以最小熵产率为目标，研究了Ｔ＞Ｔ_０燃料电池的工作温度优化．导出了燃料电池的最佳工作温度Ｔ_０以及在Ｔ_０工作时效率和输出功率与电流的关系．

基于最小熵产法的大功率LED散热器的结构优化

为了提高自然对流条件下大功率LED灯的平直肋片散热器的散热性能,对该类散热器开展了结构优化分析。利用最小熵产法分析了平直肋片的厚度、数量和高度,散热器质量、风速等因素对散热器流场及传热特性的影响,结果表明:随着肋片个数量的增加,无量纲熵产和温度熵产先增加后减小,温差熵产是摩擦熵产的10倍左右。此外在热流密度不变情况下,存在最佳肋片的几何尺寸使得无量纲熵产最小,据此优化散热器肋片结构使得散热器性能达到最优。

熵产最小化理论在传热和热功转换优化中的应用探讨

针对传热和热功转换系统的优化设计,分析了熵产最小化理论的优化方向和适用条件.熵产直接度量系统可用能或做功能力的损失,因此熵产最小化理论的优化方向为将系统可用能或做功能力的损失降到最低,从而使系统保有最大的做功能力.然而,在工程应用中,设计目标各有不同.因此,并非所有设计目标均能与熵产最小化的设计方向一致,这就使得熵产最小化并不总是与优化目标相关联.针对传热速率、输出功率等可与熵产建立关联的优化目标,讨论了熵产最小化理论的适用条件.当这些条件不能得到满足时,最小熵产并不一定对应最优性能.对一维传热过程、换热器等传热系统和以输出功率、热功转换效率、热经济性能等为优化目标的热功转换过程进行了分析,结果验证了理论分析所得的结论.

基于最小熵产率的碘化氢分解膜反应器最优构型

建立了使用高温氦气逆流方式加热的管式活塞流碘化氢(HI)分解膜反应器数学模型,利用有限时间热力学理论和最优控制理论以总熵产率(EGR)最小为目标求解了反应器的最优构型,最优反应器的总熵产率相比参考反应器降低了15.8%。在改变氦气入口流率的情况下,设计了总熵产率与最优反应器相同的加长反应器。结果表明,两种优化后反应器总熵产率的减少主要是传热过程的不可逆性降低引起的,最优反应器局部熵产率分布更均匀。

Dulong-Petit传热规律下甲烷蒸汽重整反应器熵产率最小化

基于有限时间热力学理论,考虑管式活塞流转化管外热源与管内混合反应物间传热服从Dulong–Petit传热规律[q∝?(T)^(1.25)],对管式活塞流反应器中的甲烷蒸汽重整反应进行优化。在管外热源温度分布完全可控及氢气(H_2)产率、进口压力、进口反应混合物总摩尔流率和惰性气体氮气(N2)的摩尔流率均给定的条件下,以化学反应、粘性流动、传热过程的总熵产率最小为目标,应用非线性规划数值方法对反应器的最小熵产率以及管外温度的最优分布进行了数值求解,并与管外热源温度恒定、热源温度线性变化的两种参考反应器以及分别服从牛顿传热规律[q∝?(T)]和线性唯象传热规律[q∝?(T^(–1))]的最优反应器进行了比较。结果表明,最优反应器与2种参考反应器相比熵产率降低了58%以上;对反应器进行预加热有利于减小反应器的熵产率;对于最优反应器,中间段区域存在恒定的化学驱动力或恒定的热驱动力;传热规律对SMR反应器的热源与反应物温度最优构型及最小熵产率均有显著影响。

降膜蒸发过程熵产分析

从热力学第二定律出发,将普适体系的熵产表达推广于降膜蒸发过程熵产分析并得到熵产计算式.引入单位熵产数并得到Reynolds数大于1450(cpμ/λ)-1.06(0.5-0.25ω)-1情况下和Reynolds数之间的定量关系,据此揭示了降膜蒸发过程熵产随降膜管内液膜厚度减小先降低再增大的规律,对应存在最小熵产数.与30×2×6000传热管内磷酸降膜蒸发实验数据对比结果吻合良好,表明本文熵产计算式可以根据过程的热力参数表达降膜蒸发过程的熵产规律,对过程强化和提高热力学效率具有实际指导意义.

烯烃齐聚化工流程熵产率分析与优化

烯烃齐聚反应是一种可将低碳烯烃转化为高碳燃油的反应,在舰船燃油保障领域有着重要意义。以有限时间热力学理论为基础,对包含混合器、压缩机、换热器与反应器的烯烃齐聚化工流程进行建模,在给定压缩机效率、换热器与反应器热源温度分布和癸烯(C_(10)H_(20))产率的条件下,以流程熵产率最小为优化目标,以反应器进口压力、混合器入口组分及总摩尔流率为自变量进行优化,并将优化结果与参考化工流程和反应器熵产率最小对应流程进行比较。结果表明:通过优化使流程熵产率下降了44.41%;在优化范围内,减小混合器入口总摩尔流率与反应器进口压力可降低流程熵产率;流程最小熵产率相较于反应器熵产率最小对应流程的熵产率减小了49.29%。

关于电弧放电中Steenbeck最小弧压原理的讨论

Steenbeck最小弧压原理在电弧等离子体研究中被广泛使用,然而历史上关于该假设仍然有不少争议。为了澄清最小弧压原理中的矛盾及其合适的使用条件,重新梳理了其发展历史并做了进一步分析讨论。分析结果表明,根据Steenbeck电弧通道模型和最小弧压原理,将得出并不真实的弧柱半径。其次,比较了多种电弧理论方法与能量方程（Elenbaas-Heller方程）之间的联系,证明Steenbeck最小弧压原理的引入是没有必要的。最后,总结了关于Steenbeck最小弧压原理和最小熵产原理、电磁学方程之间的联系和差别,表明Steenbeck最小弧压原理与经典理论之间的矛盾和冲突。

CO_(2)氢化合成低碳烯烃反应流程熵产率最小化

CO_(2)氢化合成低碳烯烃是一种非石油原料合成烯烃路径,具有广阔的应用前景。以有限时间热力学理论为基础,对包含混合器、压缩机、换热器与CO_(2)氢化合成低碳烯烃反应器的反应流程进行建模及优化。在压缩机效率和癸烯(C10H20)产率均给定以及换热器与反应器热源温度完全可控的条件下,以整个流程的熵产率最小为优化目标,对流程最小熵产率及换热器与反应器的热源温度分布最优构型进行数值求解,并将最优流程与反应器熵产率最小对应流程进行对比。结果表明:通过优化使反应流程熵产率相比参考反应流程下降7.77%;在优化范围内,选取较低的换热器出口温度、适当提高H2摩尔分数与降低CO_(2)摩尔分数可以降低反应流程的熵产率。研究结果对CO_(2)氢化合成低碳烯烃反应流程最优设计具有一定理论指导意义。

稠油管输起始加热温度熵产最小优化设计

基于熵产率最小化原理,分析了原油在输送过程中散热损失和摩擦阻力引起的熵产情况,优化了熵产率最小所对应的管输起始加热温度。研究结果表明:最小熵产率与输送流量、起始温度和管道管径有关,输量对熵产率有一定的影响,输量越高,输送单位质量原油的熵产率越低,但随输量的增加,熵产率降低的幅度逐渐减少;只有适当的起始加热温度才能保证单位质量原油输送单位距离所产生的熵产率最小;对应最小熵产率的原油起始温度随管径的增大而降低。最小熵产率优化设计方法克服了热经济设计方法需要材料价格、施工费用等参数难于准确选取和所得结果与当前物价及贷款利率有关的缺点。

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Lopt=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.

直接冷却高温超导电流引线的有限时间热力学分析

用有限时间热力学最小熵产率的方法对连续冷却电流引线进行优化 ,比较高温超导电流引线连续冷却和冷端冷却两种直接冷却方式。优化后的连续冷却电流引线上热流量随温度的降低而减小 ,温度在高温段变化较快 ,熵产率小。冷端冷却时在整个引线上热流量分布相同 ,温度在低温端变化较明显 ,熵产率较大。优化后的连续冷却方式比冷端冷却方式合理。

对流换热过程的热力学优化与传热优化

为了进一步明确对流换热过程中热力学优化与传热优化之间的差异,本文分别利用熵产最小原理,(?)耗散极值原理针对两种边界条件下的对流换热问题进行分析,讨论熵产、(?)耗散与有用能损失以及对流换热能力之间的关系.结果表明,熵产最小意味着系统的有用能损失最小,但并不反映系统的对流换热能力的强弱;而(?)耗散取极值意味着系统的对流换热能力最强,但与系统的有用能损失不存在对应关系。因此,对于将降低有用能损失作为优化目标的换热问题应采用熵产最小原理进行分析;而对于需要将提高换热能力作为优化目标的对流换热问题应采用(?)耗散极值原理进行分析。

普适内可逆热机循环模型及其生态学优化

用有限时间热力学的方法分析了空气标准内可逆热机循环,导出了存在传热损失时,由两个加热过程、一个放热过程和两个绝热过程组成的普适的空气标准内可逆热机循环的功率、效率和生态学性能,并由数值计算分析了循环过程对循环性能的影响特点。所得结果包含了内可逆D iese l循环、O tto循环、B rayton循环、A tk inson循环和Dua l循环的特性。