浮选固液系统的热力学理论及应用

浮选是发生在固液界面的物理化学行为,涉及多种物质组分之间的相互作用,是浮选理论研究的难题之一。同时,多种浮选药剂联合使用,提高矿物的浮选效果,是提高难处理矿产资源高效利用的有效手段。但对浮选固液复杂系统的研究极其困难,至今没有形成系统的理论,组合药剂提高浮选效果的物理机制也还没有获得统一的认识,这都限制了浮选理论的发展和浮选技术的进步。基于热力学基本方程,研究了浮选过程中药剂在矿物表面吸附的熵变和吉布斯自由能变化,构建了各种物质组分相互作用的热力学平衡方程组,提出了反映浮选药剂在矿物表面吸附能力的吸附平衡常数。应用浮选热力学平衡方程组,揭示浮选中各种矿物表面同质化效应的物理本质,推导出了浮选溶度积理论、双电层理论、吸附理论的数学表达式。建立了通过增加矿物表面吸附浮选药剂种类,提高浮选药剂的吸附熵变,减少吉布斯自由能变化,提高浮选药剂吸附的效率和稳定性,从而提高难处理矿物的浮选效果的高熵浮选理论和技术方法。

地球物质科学的基本原理:固体地球科学中的热力学研究历史与展望

地球是一种物质和能量结合的存在形式。地球及其他行星的形成和运作过程实际上是物质和能量状态的演化历史。研究物质的科学是物理和化学,描述物质自然规律的语言是数学,这属于热力学的研究范畴。从19世纪中叶开尔文利用热力学理论计算地球年龄开始,热力学在地球科学领域的应用已有100多年历史,它在阐释地球和行星演化过程的基本逻辑与规律方面发挥了核心作用,引起了固体地球科学发展史中的许多重要变革。近20年来,随着物理、化学和计算机科学的不断发展,经典热力学和非平衡热力学在地球物质科学中的应用进一步发展,成为地球物质研究的基本原理体系。通过研究地球物质的形成与演化条件来揭示地球结构、动力学和演化过程的地球热力学学科已经形成。未来地球热力学的发展需要与地球物理、地球化学理论和实验相结合,在热力学数据库发展的基础上,建立合适的热力学模型来解决实际的地球科学问题。另外,地球热力学的进一步发展需要与相应的课程教学相结合、加强热力学在地球科学中的课程建设是当前的一项重要任务。热力学是地球物理、地球化学、地质学等多学科交叉研究的纽带和桥梁。如何从热力学的视角认识地球及其演变过程将会是一个永恒课题。

轴向柱塞泵热特性及热力学建模实验研究

针对轴向柱塞泵在高压和高速工况下发热过快的问题,对柱塞泵热特性和热力学建模进行了仿真分析与实验研究。首先,在摩擦副发热理论基础上,考虑了泵内油液搅动摩擦与轴承摩擦发热源,研究了柱塞泵内发热机理和传热分析的热特性理论;然后,根据柱塞泵部件复杂和固流态域区分度高的特点,阐述了所采用的控制体积法原理,将泵划分为5个控制体积后,建立了以各个控制体温度变化为导向的热力学模型;最后,采用光纤光栅温度传感器和蓝牙无线温度传感器,针对不同的控制体节点设计了传感器封装结构和布置方法,共同组成了轴向柱塞泵在线热监测系统,并进行了在不同压力条件下的对照实验,对理论模型进行了有效性验证与分析。研究结果表明:对比实验和仿真结果,模型温度变化与实际误差值在5%左右,验证了该模型能准确地反映和预测泵热力学变化过程。该结果为柱塞泵热力学状态监测提供了故障诊断基础,并为液压系统热管理系统设计提供了理论基础和设计依据。

de Rham-Gabadadze-Tolley(dRGT)黑洞的热力学与弱宇宙监督假设

有质量引力理论作为修正引力理论之一,对探究宇宙加速膨胀,以及解释暗能量和暗物质问题等有重要意义.本文研究了在常规相空间中de Rham-Gabadadze-Tolley(dRGT)有质量引力下球对称黑洞的热力学第一定律、热力学第二定律与弱宇宙监督假设是否成立;并通过图像探究熵的微分变化量随事件视界r_(d)变化的影响,以及与dRGT黑洞无量纲自由参数α,β与引力子质量对该图像的影响.在研究过程中,通过引入标量粒子的能量G动量关系,来验证黑洞热力学第一定律是否成立,通过观察事件视界对熵的微分变化量的影响,来验证黑洞热力学第二定律是否成立.研究发现,黑洞在吸收粒子的同时,其视界半径始终存在,从而使奇点始终没有裸露出来.结果表明,在dRGT有质量引力下球对称黑洞的热力学第一定律,热力学第二定律与弱宇宙监督假设均成立.

FactSage热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性中的应用

商用热力学计算软件FactSage在耐火材料抗渣侵蚀性研究中起到重要作用,因此在耐火材料研究中应用越来越广泛。本文总结了近15年来热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性研究中的应用,重点介绍了耐火材料抗渣侵蚀研究中常用的热力学计算模型,分析了各种模型的原理、特点、适用情景、精确度与局限性,并给出了详细的运用实例。此外,本文介绍了热力学计算与其他方法相结合运用的实例,包含ANSYS、动力学分析、分子动力学模拟等方法,规避热力学计算的局限性,更加全面地分析熔渣对耐火材料的侵蚀行为。最后,本文对热力学计算存在的问题进行了归纳,并基于现有研究现状对其发展前景与方向进行了展望。

能量利用系统的构形热力学优化理论——研究进展与太阳能驱动热电冷氢联产系统优化应用初探

首先介绍了有限时间热力学、构形设计和构形热力学优化等热学优化新理论的起源和最新研究进展;其次介绍了这些新理论在热力循环和部件性能优化中的应用研究进展;然后基于能量的高效梯级利用,提出了基于太阳能和燃料补能的能源供给方式,集成燃气轮机循环、超临界二氧化碳布雷顿循环、有机朗肯循环、吸收式制冷循环和制氢过程,建立太阳能驱动热电冷氢联产系统新构型;最后对此联产系统新构型的构形热力学优化作了初步探讨。核心是围绕联产系统的“热-电-冷-氢”协同优化机理及调控机制、热力部件“流-结构-性能”的耦合演化规律与传热和热功转换强化机理、联产系统的能量高效梯级利用与多参数构形热力学优化三个关键科学问题,考虑子循环串/并/混联三种模式,综合运用理论解析、数值计算和实验验证的方法,开展联产系统的有限时间热力学优化、热力部件的构形设计、联产系统的构形热力学优化、三种联产系统优化结果的综合比较,实现联产系统热力部件与热力循环性能的一体化全局优化,促进形成一种多联产总能系统能量梯级利用优化理论的思路与框架,服务“双碳”战略。

晃动条件下大型液氢舱罐的动力学及热力学特性

大型液氢舱罐在不同海况下会呈现出复杂的动力学响应及热力学响应,并在很大程度上影响舱罐的安全,因此,建立一个数值模型来研究晃动条件下船用大型低温舱罐中液氢的动力学特性及热动力学特性。应用流体体积(VOF)方法捕获晃动过程中自由表面的波动,使用Lee相变模型来描述晃动过程中的蒸发冷凝现象并与已有试验进行对比验证。研究不同充注水平和晃动条件下液氢的自由表面形状和面积变化,舱壁压力变化,舱罐内气液温度变化以及相变引发的降压现象。结果表明:固有频率附近的晃动伴随着射流和破碎液面的产生,会对舱壁产生抨击压力;液面破碎程度越剧烈,液位越高,舱内压力下降速率越快;舱罐内气液温度演化经历了热分层、晃动混合和总体温升等3个阶段。研究结果对进一步理解非等温低温舱罐中流体的晃动动力学及热力学特性具有重要意义。

线上线下双模式教育的应用——以机械电子工程专业必修课《热力学与传热学基础》为例

后疫情时代,为适应教学要求,逐渐衍生出线上线下双模式的教学方式。本文以机械电子工程专业的必修课《热力学与传热学基础》为例介绍了线上线下双模式教育在教学中的应用。首先介绍了《热力学与传热学基础》这门专业必修课的主要授课内容、学习目标和考核标准,其次以理想气体基本热力学过程的p-v图和T-s图为例,说明了双模式教育的应用为教学带来的好处。

虚拟仿真在工程热力学课程教学中的应用

燃气轮机装置热力循环是工程热力学课程中的重要知识点。为加深学生对相关概念的理解,弥补传统工程热力学实验在热力循环章节内容方面的空白,依托航空发动机虚拟仿真平台开设了航空发动机热力循环分析实验。通过虚拟试车和实验数据分析加强学生对相关知识点的理解,提升学习效果。教学实践表明,该实验有效地解决了燃气轮机装置热力循环知识点比较抽象的问题,帮助学生将相关理论知识与实际工程相结合,提升了学生的创新实践能力,为飞行器动力工程专业后续专业课程的学习奠定了良好的基础。

隔热油管隔热层中支撑材料热力耦合特性分析

在稠油开采注蒸汽热采过程中,隔热油管可以有效减少井筒径向传热损失。实际生产中,隔热油管中的支撑材料(玻璃纤维)容易破损,导致散热损失增加,影响稠油热采效果。筛选更优质的支撑材料,增强隔热油管性能,有待深入研究。建立支撑材料多物理场耦合模型,针对玻璃纤维、碳纤维和复合玻璃纤维材料,进行了实际模拟计算;据此分析了支撑材料的温度、应力和位移变化特性。结果表明:随时间变化,复合玻璃纤维Mises应力最大、玻璃纤维次之、碳纤维最小,建议隔热管以复合玻璃纤维为支撑材料。研究结果为延长隔热油管使用寿命、提高稠油采收效果提供一定技术支撑。

基于青藏高原和印度洋区域热力状况的气候预测先兆信号

围绕青藏高原和印度洋区域热力状况对南亚季风、水汽输送和区域气候的影响,本文梳理总结了相关研究进展,重点聚焦在青藏高原和印度洋区域热力状况和热力差异与季风活动、水汽输送等重要气候指标的联系,并据此提出了印度洋和高原区域在次季节、季节尺度的气候预测指标和方法。对认识青藏高原和印度洋区域热力状况对气候的影响,改善该区域气候预测的能力具有参考意义。

报国赤心·守正创新·倾心育新——电动势法测定化学反应热力学函数实验的课程思政设计

课程思政的有效融入是教学质量提升和高素质人才培养的关键。我们以“电动势法测定化学反应的热力学函数”这一实验项目为例,构建了一次深入的实验探究与思政教育相结合的教学实践活动。通过对电动势测定原理和方法的探讨以及反应热力学量的导出,学生们不仅深化了对相关基础理论知识的理解,提升了他们解决实际问题的实验技能和创新能力;同时强化了学生的家国情怀以及责任担当意识。

R32制冷系统在变吸气状态下的热力性能

压缩机的吸气状态对系统的性能有重要影响,通过理论与实验的方法,探究不同吸气条件下系统性能的变化,以寻找实现系统最佳运行时的吸气状态。基于小型水冷冷水机组实验系统,调节电子膨胀阀的开度来控制制冷剂在系统内的流量,进而通过实验探究吸气状态对制冷系统性能的影响。结果表明:在吸气状态从过热到气液两相的过程中,系统的制冷量会先增加后减少。与此同时,压缩机的功耗会先略微上升,随后缓慢下降。排气温度的变化则表现为两段式的降低,特别是在吸气达到两相状态时,温降更为明显。吸气干度在0.98—1.00时,可以实现系统的制冷量和系统性能系数C_(OP)的最优,能显著提高制冷系统的整体性能和经济效益。这些发现对于解决恶劣工况下压缩机润滑油碳化问题以及优化制冷系统具有重要意义。

集中供热系统水力热力耦合特性辨识方法研究

集中供热系统的运行能效主要受其水力热力特性的影响,换热站作为连接热源、热网和热用户的枢纽,是分析系统水力热力特性的关键,站内设备的长期运行性能衰减会导致供热系统整体能耗升高、能效下降,因此有必要对站内设备的运行性能进行诊断.基于换热站实测运行数据,分别采用最小二乘法和梯度下降对站内主要设备包括换热器、循环泵和调节阀的性能曲线进行了辨识,从而构建了集中供热系统的水力热力特性计算方法,全面分析了某典型换热站主要设备性能衰减情况和能耗水平,对主要设备运行性能进行了评估,并对设备维护的经济性和碳减排效果进行了计算.结果表明:换热站内主要设备性能存在不同程度衰减,其中换热器传热系数由1.00 kW/(m^(2)·K)下降至0.64 kW/(m^(2)·K),循环泵标况扬程由22.4 m下降至17.3 m,调节阀流通能力由183.0 t/h下降至82.4 t/h,且阀门整体开度较低,以上问题导致了系统整体能耗的增加;为消除气候变化对集中供热系统能耗分析的影响,结合度日数和实际供热面积,对系统能耗进行评价,与标准年相比,测试年采暖季同期平均热耗和电耗分别增加了0.86 GJ/(104 m^(2)·℃·d)和2.38 kW·h/(104 m^(2)·℃·d);对主要设备进行清洗和更换后,集中供热系统采暖季诊断时间内的同期累计电耗可降低16.3%,全生命周期内CO_(2)排放量可减少128.5 t.

基于有限元的热力耦合场匣钵运动分析与优化

为解决装有锂离子电池正极材料的匣钵在辊道窑烧结过程中易出现异常横向运动使匣钵破损的问题,本研究通过分析匣钵异常运动特性的影响因素对其进行优化。首先,利用Solidworks软件建立辊道-匣钵传动系统简化模型,对匣钵进行受力分析,推导出匣钵发生异常横向运动的原因是辊棒的弹性变形;其次,通过Abaqus软件进行有限元仿真,对比分析热力耦合场和重力场下匣钵的位移曲线以及辊棒的受力情况。结果表明,与重力场相比,热力耦合场的辊棒弹性变形量更大,且热力耦合场匣钵横向位移在0~1 s内相对重力场增大,而在1~5 s内相对重力场减小,说明在温度和重力共同作用下所引起的辊棒弹性变形是导致匣钵异常横向运动的主要原因。在此基础上,设计了一种匣钵传动机构,包括辊棒支撑机构、匣钵夹紧装置及匣钵挡齐装置,并通过对比生产验证了改进机构的可行性。本研究对在辊道窑烧结过程中匣钵异常横向运动的影响因素进行分析并提供了一种改进机构,有助于推进锂离子电池正极材料生产设备的发展。

案例教学在提高冶金热力学课程教学效果中的运用

冶金热力学是应用热力学的基本原理来研究冶金过程中能量的相互转化及化学反应进行的方向和限度,以及影响反应进行的各种因素,目的在于控制反应向所需要的方向进行。该文通过案例教学措施激发学生对冶金热力学课程的学习兴趣,深化学生对热力学基本理论知识的理解,以提高学生分析和解决实际问题的实践能力,进而提高冶金热力学课程的教学质量和水平。

地热能全流发电用两相单螺杆膨胀机理论膨胀过程热力特性研究

针对地热能发电技术存在的系统效率与热源利用率低的问题,对全流循环发电系统中替代传统汽轮机使用的单螺杆膨胀机进行了热力特性分析。基于质量守恒方程、能量守恒方程与湿蒸汽维里状态方程,建立了考虑液体闪蒸与气液平衡的单螺杆膨胀机理论全流膨胀过程的热力学模型,探索了进气温度与干度对气液两相工质状态及膨胀机热力特性的影响机理。结果表明:当进气温度由140℃升高至170℃时,湿蒸汽工质的质量、压力和温度均得到提升,单螺杆膨胀机的输出功率也由210 kW提升至约260 kW,等熵效率在进气温度为160℃时取得77%的最佳值;进气干度的提高会减少进入工作腔湿蒸汽工质质量,进而导致膨胀结束后介质压力与温度的降低,但显著促进了膨胀机的性能参数包括输出功率和等熵效率的提高,当进气干度为0.3时,单螺杆膨胀机的输出功率超过了500 kW,等熵效率也可达76.5%。上述研究结果对应用于地热能全流发电的两相单螺杆膨胀机的热力特性分析与改善以及全流发电技术的优化有一定的参考意义。

集成碳捕集的1000 MW超超临界燃煤机组热力系统优化与性能研究

为降低CO_(2)的能耗并且提高发电效率,以超超临界二次再热-碳捕集系统为参考系统,提出了耦合太阳和ORC系统的二次再热-碳捕集优化方案。利用Ebsilon软件构建了优化系统模型,并进行了热力性能、经济性和运行性能分析。结果表明:与参考系统相比,优化系统热效率提高了4.78%,热耗降低了1005 kJ/(kW·h),煤耗降低了36.50 g/(kW·h);太阳能辅助系统年运行时间占比为60%,均省煤量可达到2.0×10^(4)t。优化方案具有更好的热经济性并且减少了发电耗煤量,为CO_(2)捕集和减排提供优化思路。

Pt-Pd-Ni体系相图与热力学研究进展

铂基催化剂具有活性高、选择性好、电化学稳定性佳等优点,在工业催化和燃料电池领域具有非常重要的地位。然而,由于成本较高、可用性较低限制了其实际发展。因此,有必要优化铂基催化剂的利用率,设计低成本和高稳定性的铂基催化剂。本研究首先介绍了在燃料电池催化剂领域具有应用前景的Pt-Pd-Ni系合金电催化剂的发展和研究现状,然后详细介绍了Pt-Pd-Ni体系的三个二元系相图与热力学评估数据和研究进展,并对Pt-Pd-Ni三元系的一些实验研究进展和今后的研究工作提出展望,对不同相结构对催化性能的影响进行了分析和讨论。通过Pt-Pd-Ni系相图和相结构等的研究将为燃料电池用新型贵金属合金催化材料的设计及工业应用奠定理论和实验基础。

热力学ΔG^(θ)-T图在化学选矿焙烧作业中的应用

热力学是物理化学课程的重要组成部分,可用于计算体系能量的变化和判断给定条件下反应能否发生等。矿物加工工程专业的物理化学课程的教与学需紧密围绕热力学的基础理论、方法和工具开展,结合地区矿产资源优势,熟练掌握热力学中的ΔG^(θ)-T图的原理及使用方法。结合铁矿石、铝土矿、煤矸石和富钾页岩等的资源加工利用实例,介绍了ΔG^(θ)-T图在解决焙烧作业工程实际问题中的应用。