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能源革命来袭!解读转型新出路——广义热力学动态优化

已有 1460 次阅读 2017-8-30 09:10 |个人分类:科学书摘|系统分类:博客资讯|关键词:不可逆过程的广义热力学动态优化 陈林根 夏少军 科学出版社 科学 广义热力学动态优化



20世纪70年代,在第一次中东石油危机所引发的世界性能源短缺的工程背景下,强化传热(Heat Transfer Augmentation,HTA)受到世界各国科技界和工业界的普遍关注,迅速发展成为热科学与技术领域一个非常重要的学科分支。


与此同时,以寻求热力过程性能界限、实现热力学优化为目标的这类研究工作在物理学和工程学领域也均取得了重要进展——在物理学领域,以芝加哥学派的美国Berry院士、丹麦Andresen教授和美国Salamon教授等为代表,将此类研究称为“有限时间热力学(Finite Time Thermodynamics,FTT)”;而在工程学领域,以美国Duke大学Bejan教授为代表,根据Gouy-Stodola公式——㶲损失等于环境温度与熵产生的乘积,认为熵产生最小时系统的㶲损失最小即系统的热力学性能最优,称为“热力学优化(Thermodynamic Optimization)”或“熵产生最小化(Entropy Generation Minimization,EGM)”。Bejan还针对工程中普遍存在的对流传热过程,导出了包含有限温差传热和有限压差流动不可逆性的统一熵产生表达式,在经过简单地定性分析后指出,传热强化和热绝缘(Thermal Insulation)两大类传热设计问题均可以归结为追求熵产生最小化。


1998~1999年,本文著者提出把对传热过程和热机的有限时间热力学分析方法与思路拓广到自然界和工程界中各种存在广义势差和广义位移的过程、装置与系统,广泛采用“内可逆模型(Endoreversible Model)”以突出分析主要不可逆性,建立起设计的优化理论,即“广义热力学优化(Generalized Thermodynamic Optimization,GTO)”理论。


在热量传递和热功转换过程中,换热器是各行业应用最广泛的设备,扮演着重要的角色,因此也一直是热科学和技术研究领域所关注的重点对象之一。1996~ 2003年,清华大学过增元院士等通过观察不同流动布置形式换热器的冷、热流体温度场,唯象地提出了换热器优化的“温差场均匀性原则”,即温差场越均匀,换热器效能越大。随着研究的深入,1998~2000年,过增元等从能量方程出发重新审视了对流换热的物理机制,提出可以通过改变速度场与温度场的协同关系来控制对流换热的强弱即“场协同理论(Field Synergy Theory)”。2006~2008年,过增元等进一步从导热过程与导电过程的比拟出发,提出了表征物体传热能力的新物理量“”(在2003年曾称为热量传递势容),并指出:在传热过程中,虽然热量是守恒的,但由于存在热阻,并不守恒且存在一定耗散,耗散代表了传热过程的不可逆程度。过增元等还建立了用于传热优化的“耗散极值原理”与“最小当量热阻原理”。陈群等基于热量传递、质量传递和动量传递之间的类比性,将热量的概念推广到质量传递和动量传递过程,提出了质量积与质量积耗散极值原理以及动量积与动量积耗散极值原理。程雪涛等则提出了广义流动中的积原理和孤立系统的广义积减原理,通过引入“损失”的概念,将理论拓展用于热力循环优化。


有限时间热力学、熵产生最小化、广义热力学优化理论、理论均是近40年来产生和发展起来的现代热学优化理论,促进了热力学、传热学和流体力学等各学科分支及其交叉研究的发展。综合应用热力学、传热传质学、流体力学以及其他传输科学的基础理论,采用交叉、移植、类比的研究思路,将有限时间热力学与熵产生最小化、理论相结合,实现各种形式能量传递过程和转换循环与系统的广义热力学优化,符合多学科交叉融合研究的发展趋势,是一个具有重要理论价值和广阔应用前景的研究方向。


广义热力学优化理论


运动是物质的属性,能量是物质运动的度量,物质的每一种运动形式是能量的一种表现形式。虽然物质运动的形式多种多样,能量的表现形式也千差万别,但它们具有共同的本质,各种形式的能量可以直接相加。由热力学第一定律可知,热力学的微元广义功∆W的表达式为




式中,p、T、μ、U和F分别为相对于基准点为0的压强、温度、化学势、电势和机械力;V、S、G、Qe和L分别为体积、熵、质量、电量和位移。从上式可看出,“有限时间热力学”或“熵产生最小化”理论的研究对象实质上主要是以温度T为驱动力、熵S为位移和以化学势μ为驱动力、质量G为位移的传统热力学系统。Radcenco的广义热力学理论研究表明:自然界存在守恒和耗散作用的物理系统均可以用基于能量变换的广义多变过程来统一描述,即FLn = 常数或F=常数·Ln,式中n∈(0,∞),为表征相互作用强度的广义多变指数,F为广义力,L为广义位移。广义力F包括机械作用力、物体质量、机械动量、线性加速度(含重力加速度)、角加速度、线速度和角速度、线性和切向应力、压力、表面张力、容积势、静电场强度、磁场强度、化学势和热力学温度。广义位移L包括线性和角位移、线性冲量、运动学动量、线性伸长率、周向变形率、比容、电荷、静电感应、极化矢量、磁感应、磁化矢量、质量和熵。因此,机械、电、磁、化学、气动等过程和装置均可与传统的热过程采取统一处理思想与方法进行分析和优化。


1998~1999年,本文著者提出将传统热力系统的有限时间热力学理论拓广到上述广义热力学系统,广泛采用内可逆模型以突出主要不可逆性,建立起设计和运行优化理论,即“广义热力学优化理论”。广义热力学优化理论的提出,为有限时间热力学的进一步深化和发展提供了具有建设性意义的新思想。


单从“广义热力学优化理论”这一名词的表面含义来看,它所覆盖的领域是相当广泛的。凡是涉及物理量传递与转换的过程和系统均是广义热力学优化理论的研究对象。已有学者将传统热力过程与循环的有限时间热力学研究思路拓广到流体流动做功过程、电容器充电过程、电池做功电路、经济贸易过程和系统等一系列非传统热力过程与循环的最优性能和最优构型研究。然而上述研究均仅限于具体的研究对象,没有系统地讨论这些研究对象和传统热力研究对象之间的区别与联系,也就无法从个别的研究结论中获得具有一般意义上普适性的研究结果。以热力学、传热传质学、电学和经济学中各种广义流传递过程和广义能量转换系统为例,表1给出了标量情形下各种流动过程间物理量一一对比关系,表2给出了各种能量转换系统间一一对比关系(标量情形)。表1和表2是本文作者对相关研究领域国内外文献的研究内容进行总结与归纳得到的,从中可看出不同学科不可逆广义流传递过程和广义能量转换循环间的相似关系是显著存在的。


表1 各种流动过程间物理量一一对比关系(标量情形)


表2 各种能量转换系统间一一对比关系(标量情形)







《不可逆过程的广义热力学动态优化》

作者:陈林根,夏少军

责编:陈构洪,陈琼,武洲

北京:科学出版社,2017.6

ISBN:978-7-03-053854-3


基于广义热力学优化理论,《不可逆过程的广义热力学动态优化》对工程界和人类社会中广泛存在的不可逆热流、质量流、电流和商品流传递过程开展了动态优化研究。本书汇集著者多年研究成果,第1章介绍有限时间热力学、熵产生最小化、广义热力学优化、理论等各种热学优化理论的产生、发展与物理内涵,并回顾与本书相关的动态优化问题的研究现状。第2~7章分别对传热过程、传质过程、电容器充电与电池做功电路、贸易过程和广义流传递过程动态优化问题进行研究,提出广义热力学动态优化理论,给出解决各种不可逆广义流传递过程动态优化问题的统一方法以及普适研究结果。本书在研究方法上以交叉、移植和类比为主,最大特点在于深化物理学理论研究的同时,注重多学科交叉融合研究并紧贴工程实际,在研究过程中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,最终实现基于广义热力学优化理论的不可逆过程动态优化研究成果集成。





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