時(shí)間：2023-08-07 09:24:13
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗(yàn)，特別為您篩選了11篇化工熱力學(xué)論文范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時(shí)與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識(shí)！
1引言
隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展?；跒g覽器/Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型（即B/S結(jié)構(gòu)模型）的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫得到了廣泛的應(yīng)用。在這種結(jié)構(gòu)模型下，一部分事務(wù)邏輯在客戶端瀏覽器實(shí)現(xiàn)，大部分事務(wù)邏輯在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。然而，由于在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用中涉及到大量的數(shù)值計(jì)算，會(huì)大量消耗服務(wù)器CPU和內(nèi)存資源，從而導(dǎo)致熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負(fù)載加重，增大響應(yīng)時(shí)間，因此，如不能很好地解決數(shù)值計(jì)算的速度問題，系統(tǒng)整體性能將受到較大的影響。
同時(shí)，在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中，開發(fā)人員不僅要集中精力將熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)控制代碼，而且還需要花費(fèi)大量精力去實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中所涉及的數(shù)值計(jì)算方法。從而加大了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)周期和難度。
本文針對(duì)Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計(jì)算的特點(diǎn)和對(duì)性能的要求。使用面向服務(wù)的架構(gòu)思想，提出了基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)了Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)算模型控制與數(shù)值計(jì)算過程的分離，大大提高了系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算能力和速度，同時(shí)簡(jiǎn)化了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算方法的過程。
2Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式研究
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫已成為當(dāng)前熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展的主流并得到廣泛應(yīng)用。但是圍繞著提高Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的研究依然沒有停止。這些研究主要集中在兩個(gè)方面，一方面是對(duì)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型的理論研究[1][2]，目的在于建立解決特定熱力學(xué)問題的正確、高效的數(shù)學(xué)模型。另一方面是對(duì)Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式的研究[3][4]，目的在于降低系統(tǒng)開發(fā)難度和縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算性能，提高應(yīng)用系統(tǒng)的效率和共享能力，在這類研究中，普遍采用了多層架構(gòu)模式思想，將系統(tǒng)不同類型的工作任務(wù)分配到不同的層中執(zhí)行，這樣不僅便于網(wǎng)絡(luò)用戶使用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)也便于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)，提高了系統(tǒng)代碼的復(fù)用性，便于業(yè)務(wù)邏輯的共享、重組和系統(tǒng)的維護(hù)。
2.1 三層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫
圖1. Architecture ofthree-tiers
在圖1所示的三層架構(gòu)模式中，客戶端采用瀏覽器作為的系統(tǒng)界面訪問工具。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供高效、安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。WebServer則實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。
三層架構(gòu)模式主要解決了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制的分離，實(shí)現(xiàn)了“瘦客戶端”訪問，便于用戶使用，系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低。從圖1可以看出，熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作負(fù)載主要集中在Web Server，從而導(dǎo)致WebServer負(fù)載過重，成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸。
2.2 n層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫
圖2. Architecture of n-tiers
為了減輕三層架構(gòu)模式下Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Web Server的工作負(fù)載，系統(tǒng)架構(gòu)師們提出了如圖2所示的n層架構(gòu)模式。其中，業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的核心功能----計(jì)算模型控制和數(shù)值計(jì)算。表示層負(fù)責(zé)用戶界面控制，數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的訪問并屏蔽使用數(shù)據(jù)庫的細(xì)節(jié)信息。
采用n層架構(gòu)模式使整個(gè)系統(tǒng)的工作負(fù)載分布到不同的服務(wù)器中，避免因某臺(tái)服務(wù)器負(fù)載過重而成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸，也便于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)和維護(hù)，增加了系統(tǒng)部署的靈活性。例如，能夠在業(yè)務(wù)邏輯層利用負(fù)載均衡技術(shù)構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)器集群，解決復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯控制和大量用戶并發(fā)訪問的性能問題，在數(shù)據(jù)訪問層引入中間件技術(shù)，解決高效訪問數(shù)據(jù)庫的問題。
3基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式
雖然n層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫具有很多優(yōu)勢(shì)，但是在具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)模式中的核心層----業(yè)務(wù)邏輯層時(shí)，面臨兩個(gè)比較棘手的問題。
一是如何實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)學(xué)模型中的數(shù)值計(jì)算，例如積分、方程組求解等，這需要熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力去編程實(shí)現(xiàn)各種相關(guān)數(shù)值計(jì)算求解程序。如果能夠在系統(tǒng)中直接引用目前成熟的科學(xué)計(jì)算軟件來解決數(shù)值計(jì)算求解問題，將大大簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)過程[5][6]。
二是如何提高數(shù)值計(jì)算的效率。數(shù)值計(jì)算往往會(huì)消耗計(jì)算機(jī)大量的內(nèi)存和CPU資源，加重應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)，成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸。如果能夠?qū)?shù)值計(jì)算過程從業(yè)務(wù)邏輯層中分離出來，將其轉(zhuǎn)移到專用的數(shù)值計(jì)算服務(wù)器中，不僅能夠減輕應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載，而且專用的數(shù)值計(jì)算服務(wù)器能提供更好的執(zhí)行效率，從而改善系統(tǒng)的性能[7][8]。
本文提出的基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式能夠很好的解決以上兩個(gè)問題。該架構(gòu)模式的核心思想是利用MCR框架構(gòu)建高性能的、易于使用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計(jì)算引擎，避免了在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中直接編程實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算算法，同時(shí)使熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)算模型控制與熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計(jì)算過程分離，從而達(dá)到簡(jiǎn)化熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程和提高系統(tǒng)性能的目的。
MCR（MATLAB CompilerRuntime）是建立在MATLAB基礎(chǔ)上的一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用框架，能夠執(zhí)行MATLAB文件和函數(shù)。而MATLAB是世界上公認(rèn)的功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的科學(xué)計(jì)算軟件,具有豐富的數(shù)值計(jì)算工具和高效的數(shù)值計(jì)算效率，占據(jù)世界上數(shù)值計(jì)算軟件的主導(dǎo)地位。利用MATLAB提供的MATLAB Builder NE編譯工具，能夠?qū)ATLAB數(shù)值計(jì)算函數(shù)轉(zhuǎn)換成MCR組件（.net類）。因此，在.net框架中安裝MCR就能夠?qū)崿F(xiàn).net應(yīng)用調(diào)用MCR組件（.net類），進(jìn)而可以在程序中直接使用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能。為此，本文擴(kuò)展了n層架構(gòu)模式，構(gòu)建了如圖3所示的基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式。
圖3. Architecture of Basedon MCR
從圖3可以看出，數(shù)值計(jì)算引擎將數(shù)值計(jì)算功能從業(yè)務(wù)邏輯層中獨(dú)立出來，數(shù)值計(jì)算引擎的構(gòu)建采用了Service-OrientedArchitecture（面向服務(wù)體系架構(gòu)）的思想，利用Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)SOA。SOA 是一種IT體系結(jié)構(gòu)樣式，支持將業(yè)務(wù)作為鏈接服務(wù)或可重復(fù)業(yè)務(wù)任務(wù)進(jìn)行集成，可在需要時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些服務(wù)和任務(wù)。SOA將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是采用中立的基于XML的語言（也稱為Web服務(wù)描述語言，Web Services Definition Language，WSDL）定義的，它獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語言。這使得不同類型的業(yè)務(wù)邏輯層可以以一種統(tǒng)一和通用的方式與數(shù)值計(jì)算引擎進(jìn)行交互，便于各種異構(gòu)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)值計(jì)算引擎的集成和復(fù)用，同時(shí)也能夠利用服務(wù)群集技術(shù)構(gòu)建數(shù)值計(jì)算引擎集群，動(dòng)態(tài)均衡數(shù)值計(jì)算負(fù)載，滿足網(wǎng)絡(luò)高并發(fā)、高密集的數(shù)值計(jì)算需求，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，大大提高了Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計(jì)算引擎的計(jì)算能力和速度。
1)數(shù)值計(jì)算引擎接口
對(duì)外提供統(tǒng)一的熱力學(xué)數(shù)值服務(wù)接口，例如焓、熵計(jì)算等。只要通信雙方定義好服務(wù)契約，數(shù)值計(jì)算引擎可以為各種同構(gòu)或者異構(gòu)系統(tǒng)提供熱力學(xué)數(shù)值計(jì)算服務(wù)，從而使數(shù)值計(jì)算引擎能夠?qū)崿F(xiàn)跨系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成和復(fù)用。
2)數(shù)值計(jì)算類
實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算引擎接口定義的具體的熱力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，這些方法封裝了各種熱力學(xué)基本計(jì)算公式的求解過程，例如求解焓、熵的基本積分公式等。并在方法中調(diào)用MCR組件（.net類）利用MATLAB完成具體的數(shù)值計(jì)算過程。例如定積分運(yùn)算或矩陣運(yùn)算等。此外，數(shù)值計(jì)算類還要負(fù)責(zé)本地調(diào)用語言數(shù)據(jù)類型與MATLAB數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，以及錯(cuò)誤處理等輔助工作。
3)MCR
根據(jù)數(shù)值計(jì)算類的調(diào)用請(qǐng)求，執(zhí)行相應(yīng)的MATLAB函數(shù)。
4基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)
在基于MCR框架的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式中，建立數(shù)值計(jì)算引擎將數(shù)值計(jì)算功能從熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯層中分離出來，具有以下優(yōu)點(diǎn)。
1)采用SOA思想，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)值計(jì)算引擎之間的松耦合，便于各種異構(gòu)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫共享數(shù)值計(jì)算引擎服務(wù)。
2)采用SOA思想，能夠使用服務(wù)器集群技術(shù)建立數(shù)值計(jì)算服務(wù)器群，通過負(fù)載均衡技術(shù)分擔(dān)各個(gè)數(shù)值計(jì)算引擎的工作負(fù)荷，支持高密集數(shù)值計(jì)算，可靈活的增減系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算能力。
3)減輕了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載，有利于提高系統(tǒng)的整體性能。
4)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的業(yè)務(wù)邏輯層只關(guān)注如何使用數(shù)值計(jì)算服務(wù)，而不關(guān)心如何實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算，簡(jiǎn)化了業(yè)務(wù)邏輯層的實(shí)現(xiàn)過程，提高了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)效率。
5)能夠充分利用MATLAB豐富的數(shù)值計(jì)算工具，屏蔽了使用MATLAB的復(fù)雜的過程。同時(shí)借助于MATLAB卓越的數(shù)值計(jì)算性能提高了數(shù)值計(jì)算效率。
6)可對(duì)數(shù)值計(jì)算引擎做進(jìn)一步的優(yōu)化。如直接利用MATLAB并行計(jì)算功能構(gòu)建多核、多處理器并行計(jì)算服務(wù)器。或利用MATLAB分布式并行計(jì)算功能構(gòu)建MATLAB分布式計(jì)算計(jì)算機(jī)集群。進(jìn)一步提高數(shù)值計(jì)算引擎的數(shù)值計(jì)算速度。
5結(jié)束語
在冶金、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)和研究中，熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫作為基本工具得到了越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的計(jì)算性能要求也越來越高，而系統(tǒng)的架構(gòu)模式是影響熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，是熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。本文分析了三層和n層架構(gòu)模式的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫所存在的問題，根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫數(shù)值計(jì)算的特點(diǎn)，在n層架構(gòu)模式的基礎(chǔ)上，提出了基于MCR框架的、多層、分布式計(jì)算的Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式，可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)MATLAB計(jì)算功能的調(diào)用而無需了解具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，從而大大簡(jiǎn)化了Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算功能過程，同時(shí)也為Web熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫在重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用和異構(gòu)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫共享熱力學(xué)數(shù)值計(jì)算服務(wù)提供了一種可行方案。
參考文獻(xiàn)
[1]粟智.基于MATLAB熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2003，39(10): 525-527
[2]巨少華,唐謨堂,楊聲海.用MATLAB編程求解ZN（Ⅱ）-NH4CL―NH3-H2O體系熱力學(xué)模型[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,36(5):821-826
[3]魏靜.熱力學(xué)計(jì)算軟件的研制[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,26（4）:409-411
[4]陳占恒,邢獻(xiàn)然,黃小衛(wèi),李紅衛(wèi).稀土化合物熱力學(xué)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的研究開發(fā)[J].稀土,2005,26(2):48-52
[5]羅炳華,高躍飛,劉榮華,趙鵬.基于MATLAB與C#的火炮CAD系統(tǒng)開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2010, (2) :44-47
[6]袁泉,石昭祥.運(yùn)用設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)MATLAB與.NET交互編程[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008，25(1) :140-142
[7]張婧婧.基于Web和 MATLAB的控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[J].襄樊學(xué)院學(xué)報(bào),2010,31(5): 61-64
關(guān)鍵詞：能分析 分析 能效率 效率 損失
0 引言
隨著人們節(jié)能意識(shí)的不斷提高，為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益，人們將熱力學(xué)原理應(yīng)用于工程實(shí)際各能量系統(tǒng)的分析中。能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析是根據(jù)熱力學(xué)原理對(duì)各種能量系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，以明確系統(tǒng)各部位的能量損失狀況，求取各種性能指標(biāo)，對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。
1 熱力學(xué)分析的方法、內(nèi)容
熱力學(xué)分析的方法主要包括兩種：以能量平衡為基礎(chǔ)的叫做能分析法，它是傳統(tǒng)的分析方法，依據(jù)熱力學(xué)第一定律，建立在能量“量”的守恒上，對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析。而以平衡為基礎(chǔ)的叫做分析法，是近些年發(fā)展起來的一種方法，依據(jù)熱力學(xué)第二定律，是對(duì)能量“質(zhì)”的分析[1][2]。
1.1 能分析法
能分析法是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，應(yīng)用熱平衡原理，并以熱效率為基本評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，分析、評(píng)價(jià)系統(tǒng)能量有效利用狀況的方法。它依據(jù)能量系統(tǒng)建立熱力學(xué)模型，進(jìn)行能量平衡計(jì)算，得出系統(tǒng)的熱效率和各項(xiàng)熱損失，得到系統(tǒng)熱損失的分布，從而找出系統(tǒng)中熱損最大的薄弱環(huán)節(jié)和部位，為改進(jìn)設(shè)備和系統(tǒng)的用能狀況提供技術(shù)依據(jù)。
1.2 分析法
分析法是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的熱力學(xué)分析法。它是依據(jù)能量中的平衡關(guān)系，列出平衡方程并求解，通過分析，揭示能量中的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況，確定出該系統(tǒng)或裝置的利用效率。
分析法的主要內(nèi)容有[3]：
①進(jìn)行物流、熱量衡算，確定輸入、輸出體系中各種物流量、熱流量、功流量以及各物流的狀態(tài)參數(shù)（如溫度、壓力、組成等）。
②流計(jì)算。
③由平衡方程確定過程的損失。
④確定效率。
參與用能系統(tǒng)的流，可以分為三類，即輸入流、輸出流和系統(tǒng)內(nèi)流。
①輸入流類：是指由外界的源，物流穿過系統(tǒng)邊界而進(jìn)系統(tǒng)的。
②輸出流類：是指由系統(tǒng)通過邊界向外輸出的。
③系統(tǒng)內(nèi)部類：是指系統(tǒng)的輸入于輸出之差的部分。
1.3 兩種熱力學(xué)分析法的比較
兩種熱力學(xué)分析方法都是通過輸入輸出，有效利用能和損失的平衡，求解系統(tǒng)的總損失，進(jìn)而確定損失的分布。并通過計(jì)算出的效率有效利用率來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的完善程度。但能分析法只是從不同質(zhì)的能量在數(shù)量上的守恒來計(jì)算損失，因而只計(jì)算外部損失而忽視了內(nèi)部損失，其評(píng)價(jià)指標(biāo)也只是計(jì)算了被利用部分能的數(shù)量和輸入能的數(shù)量而忽略了其質(zhì)量的變化，即忽略了過程的不可逆性所帶來的損失。而且能效率的分子分母常常是不同質(zhì)的對(duì)比，不能準(zhǔn)確地表征能量的利用程度，而效率和分析法正好能解決上述缺陷，所以分析法要比能分析法更科學(xué)、更深入也更全面，它能準(zhǔn)確地揭示損失的原因、部位以及指出改進(jìn)方向等。分析方法既可以進(jìn)行系統(tǒng)分析，又可以進(jìn)行優(yōu)化綜合，它可以很便捷地進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，與經(jīng)濟(jì)因素結(jié)合后還可作設(shè)備全壽期成本統(tǒng)計(jì)等[4]。
隨著節(jié)能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、熱能動(dòng)力、制冷技術(shù)、石油化工和冶金等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，有些國(guó)家已經(jīng)將方法用于熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)分析當(dāng)中，而我國(guó)火電機(jī)組熱力系統(tǒng)的分析方法實(shí)際上都是基于熱力學(xué)第一定律的分析方法，其存在的缺點(diǎn)是不能揭示內(nèi)部不可逆性大小，不能反映能質(zhì)的蛻變情況，不能體現(xiàn)不可逆性對(duì)經(jīng)濟(jì)性造成的影響。因此對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，根據(jù)分析結(jié)果所提出的問題采取相應(yīng)的措施提高熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5][6]。
2 鍋爐系統(tǒng)的熱力學(xué)分析
2.1 原始數(shù)據(jù)
某電廠鍋爐，其出口蒸汽壓力為p=13.72MPa，溫度為330℃，給水溫度tw=215℃，尾部排煙溫度為135℃，過熱蒸汽量為410t/h，空氣預(yù)熱器出口空氣溫度為226℃，爐膛過?？諝庀禂?shù)為1.1。理論空氣量為4.907m3/kg，每小時(shí)燃煤量為58298kg，其燃煤的低位發(fā)熱量QL=18636
kJ/kg，全水分ω=4.9%。環(huán)境溫度為19℃，依據(jù)上述數(shù)據(jù)分別對(duì)此鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行能分析和分析。
2.2 分析計(jì)算
設(shè)圖中mf、ma、ms、mg和mw分別為燃料、空氣、蒸汽、煙氣和給水的質(zhì)量流量；而ha、hs、hg分別表示相應(yīng)物質(zhì)的焓，QL為燃煤的低位發(fā)熱量，QB是損失的熱量；ef、ea、es、eg和ew表示相應(yīng)各物質(zhì)流的比，IQ為向環(huán)境散失熱量而引起的損失。由題設(shè)得：mf=58298kg，ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg，ms=410000kg，不考慮鍋爐排污損失mw=ms=410000kg，由已知溫度查表得：
ha=509.4kJ/kg sa=7.2245kJ/（kg?k） hs=3469.8kJ/kg，ss=3.5449kJ/（kg?k），hw=598.4kJ/kg，sw=2.4747kJ/（kg?k），ha=292.25kJ/kg，so=6.6732kJ/（kg?k）
圖1 鍋爐的能量平衡
圖2 鍋爐的平衡
按照?qǐng)D1所示的鍋爐能量平衡關(guān)系，得出能量平衡方程：
mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB （1）
其中QB、mghg為損失的能量，而mshs-mwhw=ms（hs-hw）為有效利用的能量，則該鍋爐的能效率為：
η=
=
=1.91（2）
按照?qǐng)D2所示的鍋爐平衡關(guān)系，可以寫出下面的平衡方程：
mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB（3）
式中IB表示整個(gè)鍋爐內(nèi)部過程總的損失?？紤]到mw=ms，則鍋爐內(nèi)部過程總損失為：
IB=mfef+maea-ms（es-ew）-mgeg-IQ（4）
該鍋爐的目的效率η應(yīng)為：
η= （5）
由于es=（hs-h0）-T0（Ss-S0），ew=（hw-h0）-T0（Sw-S0）兩式相減得：
es-ew=（hs-hw）-T0（Ss-Sw） （6）
用（5）對(duì)應(yīng)除以（2）可得：
η=η （7）
將（6）式代入上式，則有：
η=η（1-T0） （8）
代入數(shù)據(jù)得：
ea=（ha-h0）-T0（sa-so）
=（509.4kj/kg-292.25kj/kg）-292.3（7.2245-6.6732）
=56.01
η=η（1-T0）
=0.91（1-）
=0.69
3 結(jié)論
從以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然是對(duì)同一臺(tái)鍋爐進(jìn)行效率計(jì)算，但能效率和效率相差很大，能效率為91%而效率僅為69%，能效率的計(jì)算主要取決與鍋爐排煙向外界散熱的多少，主要考慮的是能量“數(shù)”的變化。但效率則不同，它不僅考慮了鍋爐燃燒過程中的外部損失，而且考慮了燃燒、傳熱等鍋爐內(nèi)部各個(gè)過程所造成的不可逆損失。實(shí)際上，蒸汽鍋爐的損失中最大的一項(xiàng)就是燃料燃燒和傳熱造成的損失，所以雖然從能效率即能量的數(shù)量上來看鍋爐損失的不多，但這部分能量都是高品位的能量，價(jià)值都很高[7][8]。
由此可見，效率比能效率更能完善地反映鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性。所以，通過系統(tǒng)分析計(jì)算，找出損高的部位，采取相應(yīng)措施進(jìn)行改善。對(duì)目前我國(guó)火電機(jī)組熱力系統(tǒng)分析具有十分重要的意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]鄭體寬.熱力發(fā)電廠.中國(guó)電力出版社，2001.
[2]郭民臣，魏楠.電廠熱力系統(tǒng)矩陣熱平衡方程式及其應(yīng)用[J].動(dòng)力工程，2002，22（2）：1733-1738.
[3]杜亞榮.600MW機(jī)組熱力系統(tǒng)的熱力學(xué)分析與優(yōu)化.碩士學(xué)位論文，保定：華北電力大學(xué)動(dòng)力系，2007.
[4]朱明善.能量系統(tǒng)的分析.清華大學(xué)出版社，1988.
[5]林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論.西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.
工程熱力學(xué)是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)和建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、化工機(jī)械過程與裝備和石油加工等專業(yè)的選修課。它是一門從工程實(shí)際出發(fā)來論述熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及其應(yīng)用的基礎(chǔ)性課程。課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、公式圖表繁多、熱力過程變化復(fù)雜以及熱力循環(huán)的表示和分析困難。
多媒體技術(shù)是文本、圖像、動(dòng)畫、聲音等運(yùn)載信息的媒體結(jié)合體，以圖文并茂的形式為工程熱力學(xué)教學(xué)提供了多樣化、多視角、立體化的教學(xué)信息空間。在工程熱力學(xué)的課堂教學(xué)中，合理、適當(dāng)?shù)牟捎枚嗝襟w技術(shù)，不僅充實(shí)了教學(xué)內(nèi)容，而且使課堂教學(xué)更加生動(dòng)形象，提高了教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)效果良好吼
一、多媒體教學(xué)的必要性
工程熱力學(xué)課程的基本理論應(yīng)用部分涉及許多圖片、圖形，內(nèi)容圍繞工作原理圖、系統(tǒng)循環(huán)圖展開，傳統(tǒng)的板書教學(xué)需占大量的課堂時(shí)間手工繪制，效果不太理想，如果利用計(jì)算機(jī)制作成多媒體課件，集光、形、色于一體，形象直觀、內(nèi)容生動(dòng)，可以使視覺和聽覺同時(shí)發(fā)揮作用，增加課堂授課的生動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，有利于學(xué)生認(rèn)知能力的開發(fā)和對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。
〔一)及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容。多媒體輔助教學(xué)，可以節(jié)約板書時(shí)間，有效地拓寬教學(xué)空間，在有限的時(shí)間內(nèi)提供更多信息量，使教師有更多的時(shí)間進(jìn)行重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)的講解。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異，而部分教材內(nèi)容不可能及時(shí)更新，在課件制作中可補(bǔ)充大量最新技術(shù)資料，不僅解決教材內(nèi)容相對(duì)滯后的問題，而且可引薦專業(yè)發(fā)展的前沿信息，拓展學(xué)生的視野。
(二)完善傳統(tǒng)教學(xué)手段。多媒體將傳統(tǒng)教學(xué)手段難以表達(dá)的內(nèi)容和難以觀察到的微觀熱現(xiàn)象通過文字、圖像、聲音和動(dòng)畫等形式生動(dòng)的表現(xiàn)出來，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)能動(dòng)性。另外多媒體可通過字體的縮放、顏色的變化或明暗交替以及動(dòng)態(tài)出現(xiàn)等方式來強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，使學(xué)生印象深刻，更容易記住這些知識(shí)點(diǎn)。
(三)增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)。工程熱力學(xué)中有許多抽象的概念和過程，如孤立系統(tǒng)、平衡狀態(tài)、壓縮過程、水蒸汽定壓發(fā)生過程等。僅通過書本上的概念和簡(jiǎn)單的插圖來講述或通過學(xué)生的想象來理解、掌握這些知識(shí)點(diǎn)是非常困難的，而借助多媒體技術(shù)就能使這些問題迎刃而解。多媒體課件支持FLASH動(dòng)畫}WMV，AVI視頻等播放插件。如在講解內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)和原理時(shí)，采用FLASH制作簡(jiǎn)單的動(dòng)畫來演示汽車內(nèi)燃機(jī)的工作過程，學(xué)生在動(dòng)畫中能非常直觀地看到內(nèi)燃機(jī)的吸氣、壓縮、燃燒和排氣，再配合P-V圖畫出熱力過程，看起來一目了然，有利于學(xué)生對(duì)過程的理解和掌握，進(jìn)而分析不同的壓縮過程所需功耗的不同。同時(shí)結(jié)合一些有趣的思考題。如:為何給球打氣時(shí)用濕布裹住氣筒外壁能節(jié)省體力?汽車油門是控制油量還是空氣量?這樣既能有效鞏固壓縮機(jī)省功原理，又與現(xiàn)實(shí)生活緊密聯(lián)系，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
二、多媒體教學(xué)內(nèi)容的選擇
國(guó)內(nèi)各類院校能源動(dòng)力類專業(yè)基本都開設(shè)了工程熱力學(xué)課程，但可供課程使用的優(yōu)良教材數(shù)量有限，且教材更新較慢，特別是工程背景和應(yīng)用方面的知識(shí)較為匾乏。為此，首先應(yīng)根據(jù)各高校學(xué)科專業(yè)特色，選擇合適的教材和參考書，為多媒體課件制作提供最基本的知識(shí)體系保障。其次各專業(yè)知識(shí)是相通的，但側(cè)重點(diǎn)不一樣，應(yīng)補(bǔ)充介紹同一概念在不同工程運(yùn)用背景下的區(qū)別和聯(lián)系，讓學(xué)生能更好的理解基本概念做到融會(huì)貫通。比如，熱力學(xué)能是工質(zhì)的內(nèi)部?jī)?chǔ)存能，是溫度和比容的函數(shù)。工程流體力學(xué)課程中，認(rèn)為液體流動(dòng)中溫度和比容為常數(shù)，所以熱力學(xué)能不變，研究中可以忽略。而工程熱力學(xué)研究中，熱力學(xué)能是重要的狀態(tài)參數(shù)，不能忽略其變化。最后要結(jié)合專業(yè)特色，拓展工程實(shí)踐知識(shí)，開展相關(guān)工程應(yīng)用專題講座，避免計(jì)算時(shí)出現(xiàn)手提吹風(fēng)機(jī)功率在60KW以上，甚至達(dá)363KW，而汽輪機(jī)噴管出口速度只有十幾米每秒的低級(jí)常識(shí)性錯(cuò)誤。
三、多媒體課件制作應(yīng)注意的問題
多媒體電子教案存在直觀、形象、生動(dòng)、圖形圖像功能強(qiáng)大、易于展示最新科研成果、教學(xué)信息量大、學(xué)生易于復(fù)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在單幅信息量少、幅間信息不連貫、前后呼應(yīng)不夠、學(xué)生思維不易跟上等問題。在制作時(shí)應(yīng)該揚(yáng)長(zhǎng)避短處理好以下幾點(diǎn)問題。
(一)多媒體模板的制作。多媒體課件需合理照顧章節(jié)間的關(guān)系，但每張幻燈片的空間有限，難以有效發(fā)揮“標(biāo)題”和“正文”的相互呼應(yīng)。合理制作多媒體模板，是增加課件內(nèi)容邏輯性和關(guān)聯(lián)性的重要保證。為此，應(yīng)根據(jù)教學(xué)大綱內(nèi)容制作本章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的主題目錄，教學(xué)時(shí)采用超鏈接的方式打開。其次建議每張幻燈片分成三個(gè)區(qū)域:標(biāo)題區(qū)、正文區(qū)和腳注區(qū)，并用橫線嚴(yán)格區(qū)分，做成統(tǒng)一的模板。在標(biāo)題區(qū)右上角，角注本章標(biāo)題，而在標(biāo)題區(qū)中央插人本節(jié)標(biāo)題。正文第一行插入本節(jié)幻燈片主要內(nèi)容標(biāo)題，與正文呼應(yīng)，使信息盡量連貫。腳注區(qū)可插人授課日期，頁碼等輔助信息，保證每頁幻燈片的完整性。最后，應(yīng)制作復(fù)習(xí)提綱，與首頁主題目錄提綱和正文重點(diǎn)內(nèi)容呼應(yīng)。
(二)文字內(nèi)容的確定。工程熱力學(xué)作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，基本概念、基本原理、基本方法是要求學(xué)生掌握的重點(diǎn)，需要通過大量的文字來進(jìn)行表述，因而課件上的文字內(nèi)容不可避免要占有較大篇幅。需要特別注意的是切忌將大量教材內(nèi)容原文照搬到課件上，授課時(shí)照本宣科。文字內(nèi)容的確定必須經(jīng)過反復(fù)推敲、歸納和總結(jié)，將核心內(nèi)容提煉出來，完整的表述則通過授課或與同學(xué)之間的討論來完善。古人云:文章千古事，得失寸心知。幻燈片制作也是一樣，一定要精益求精。建議每張幻燈片不超過四段文字，每段文字不超過兩行。在需要特別強(qiáng)調(diào)的地方如前提條件和重要結(jié)論要點(diǎn)，用特殊強(qiáng)化處理標(biāo)注，如PPT自帶的紅色五角星符號(hào)。當(dāng)然對(duì)于課程中一些經(jīng)典的概念和原理如孤立系統(tǒng)嫡增原理等建議給出原文，讓學(xué)生根據(jù)自己的理解提煉或用自己的言語表述，以加強(qiáng)對(duì)概念或原理的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。
(三)圖像的選擇與處理。多媒體課件的優(yōu)勢(shì)就是圖片功能強(qiáng)大，需要充分發(fā)揮。應(yīng)選擇既反映工程實(shí)際又具有較高清晰度和對(duì)比度的優(yōu)良圖片，這樣才不會(huì)出現(xiàn)投影放大后的圖像失真的問題，這一點(diǎn)需嚴(yán)格遵循寧缺勿濫的原則。對(duì)于原理性圖，如果直接采用軟件從書本上復(fù)制粘貼由于涉及圖像格式轉(zhuǎn)化會(huì)導(dǎo)致圖像像素丟失，圖像失真，建議利用PPT自帶的畫圖工具繪制，這樣既可以對(duì)圖像中各類曲線實(shí)現(xiàn)不同顏色、線條標(biāo)記，又可以在播放時(shí)實(shí)現(xiàn)分層逐級(jí)播放。另外結(jié)合PPT動(dòng)畫播放功能里的“擦除”效果，可實(shí)現(xiàn)曲線的動(dòng)態(tài)繪制過程，利于學(xué)生理解和掌握熱力過程曲線。比如，理想氣體幾種基本熱力過程在P-V圖上同時(shí)出現(xiàn)時(shí)曲線煩亂，各區(qū)間物理意義復(fù)雜易混淆。采用上述方法可以得到很好的解決。
(四)多媒體課件的放映。在課件放映時(shí)，文字的出現(xiàn)應(yīng)設(shè)為逐行或逐字播放，讓學(xué)生有時(shí)間記筆記和思考，不宜像放電影一樣整屏播出，此時(shí)內(nèi)容繁多，眉毛連著胡子，學(xué)生分不清主次，很容易走神，更談不上理解和掌握。
作者的體會(huì)是應(yīng)根據(jù)講解的思路和過程，逐級(jí)播放。特別是涉及公式推導(dǎo)時(shí)，應(yīng)模擬黑板推導(dǎo)的過程，逐步或分塊出現(xiàn)。當(dāng)然，這也會(huì)造成教師頻繁使用電腦，影響教師講解和學(xué)生思考的連貫性。建議使用多功能激光筆，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制幻燈片播放。這樣教師一方面不用局限于講臺(tái)上，活動(dòng)空間得到大大解放，另一方面也可以到講臺(tái)下加強(qiáng)與學(xué)生的近距離互動(dòng)討論，有效維護(hù)課堂記錄。
四、多媒體教學(xué)中需注意的問題
效果優(yōu)良的多媒體教學(xué)也存在學(xué)生視覺疲勞問題，這與黑板教學(xué)相比是一個(gè)固有缺陷。據(jù)贛南醫(yī)學(xué)院的一份調(diào)查數(shù)據(jù)顯示。大學(xué)生在課堂上被多媒體教學(xué)光照時(shí)間太長(zhǎng)，學(xué)生連續(xù)2個(gè)課時(shí)接受多媒體教學(xué)，約22%產(chǎn)生輕度視覺疲勞，連續(xù)4個(gè)課時(shí)，輕度視覺疲勞則高達(dá)61%?？梢姡囵B(yǎng)一支高素質(zhì)多媒體教學(xué)課件制作隊(duì)伍，是消除學(xué)生視覺疲勞和提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。積極參加多媒體教學(xué)課件制作學(xué)習(xí)班，學(xué)習(xí)適用于大學(xué)生最佳課件制作視覺效果的理論與方法，制定多媒體教學(xué)課件制作視覺審美的基本要素、基本規(guī)范和基本參數(shù)。
同時(shí)多媒體授課時(shí)光線較暗，如果課堂授課時(shí)教師只是點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)，學(xué)生瞪大雙眼看，相互之間缺乏交流，學(xué)生容易昏昏欲睡。因此教師不能只站在講臺(tái)前一字不差地朗讀講課，應(yīng)當(dāng)隨時(shí)觀察學(xué)生聽課的精神狀態(tài)，適當(dāng)?shù)刈叩狡聊磺爸更c(diǎn)內(nèi)容，或者豐富教師自身的面部表情和肢體語言，利用提問、現(xiàn)場(chǎng)討論等互動(dòng)交流以活躍課堂氣氛與調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。
1．引言
換熱器作為一種各工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的設(shè)備，它的研究倍受重視。目前關(guān)于換熱器的研究大致有兩個(gè)方向，一是研究換熱器傳熱強(qiáng)化，主要目的是提高換熱器流體和固壁間的對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而提高換熱器的效能。二是從可用能的角度研究換熱器的熱力學(xué)優(yōu)化，包括換熱器的熵產(chǎn)分析、火用效率分析等，從使換熱過程不可逆性最小的角度來優(yōu)化換熱器。其中過增元提出的換熱器溫差場(chǎng)均勻性原則，一方面可以指導(dǎo)新的提高換熱器效能的方法，另一方面也可以對(duì)換熱器熱力學(xué)優(yōu)化做分析。本文是從溫差場(chǎng)均勻性原則出發(fā)，將其應(yīng)用于逆流換熱器的優(yōu)化過程，并對(duì)各種優(yōu)化方法進(jìn)行分析比較。
2．換熱器溫差場(chǎng)均勻性原則
過增元在1992年《熱流體學(xué)》[1]一書中定義了溫差場(chǎng)不均勻因子，應(yīng)用于順流、逆流和叉流換熱器，發(fā)現(xiàn)在相同的傳熱單元數(shù)NTU、熱容量比W和流體進(jìn)口溫度的條件下，逆流換熱器溫差場(chǎng)最均勻，效能也最高，熵產(chǎn)也最小。進(jìn)而在1996[2]年定義溫差場(chǎng)均勻性因子，提出了換熱器熱性能的溫差場(chǎng)均勻性原則：在NTU和W一定時(shí)，換熱器的溫差場(chǎng)越均勻，其效能越高。并采用數(shù)值方法對(duì)13種換熱器的溫差場(chǎng)和效能進(jìn)行了分析，驗(yàn)證此原則的正確性。通過熵產(chǎn)分析指出此原則是以熱力學(xué)第二定律為理論依據(jù)的。同時(shí)針對(duì)叉流換熱器，提出了分配換熱面積來改善換熱器性能的新方法。過先生又在2002[3]年給出了簡(jiǎn)單順流、逆流、叉流換熱器溫差場(chǎng)均勻性因子的解析表達(dá)式，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)此原則進(jìn)行了驗(yàn)證，針對(duì)多流程叉流換熱器，舉例說明用改變管路連接的方法來改變溫差場(chǎng)均勻因子，進(jìn)而改變換熱器的效能。在2003[4]年提出基于溫差場(chǎng)均勻的場(chǎng)協(xié)同原則，同時(shí)將此原則應(yīng)用于多股流換熱器中，提出換熱器傳熱性能的高低取決于冷熱流體溫度場(chǎng)的協(xié)同程度，而不是流動(dòng)方式。
從上述溫差場(chǎng)均勻性原則的提出、驗(yàn)證和發(fā)展歷程來看，這一理論已經(jīng)比較成熟，也是從傳熱物理機(jī)制方面優(yōu)化換熱器的新探索，可以利用它比較實(shí)際換熱器的換熱性能。很多換熱器大都是復(fù)合型流動(dòng)方式的換熱器，基本上沒有解析表達(dá)式；尤其對(duì)于叉流換熱器，應(yīng)用此原則，可以在NTU和W給定時(shí)，改變傳熱面積的分布或是管路連接方式，來改變換熱器的效能。溫差場(chǎng)均勻性原則前提條件是NTU和W值恒定。對(duì)于換熱方式（逆流）已定的換熱器，在W和NTU變化時(shí)，應(yīng)該如何應(yīng)用此原則是本文討論的主要內(nèi)容。
3．溫差場(chǎng)均勻性原則在逆流換熱器熱力學(xué)優(yōu)化中的應(yīng)用
過先生[3]將溫差場(chǎng)均勻性原則用于指導(dǎo)叉流換熱器的優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了分析驗(yàn)證。溫差場(chǎng)均勻性原則，是從研究對(duì)流換熱的物理機(jī)制出發(fā)[5]，用于指導(dǎo)各種形式換熱器的優(yōu)化。本文目的就是應(yīng)用這一原則來指導(dǎo)逆流換熱器優(yōu)化方法的選擇。
3.1逆流換熱器已有熱力學(xué)優(yōu)化方法比較分析
以目標(biāo)函數(shù)區(qū)分的優(yōu)化方法大概有兩類：一是傳熱過程熵產(chǎn)分析，二是定義火用效率分析。
關(guān)于熵產(chǎn)，徐志明、楊善讓[6]等人定義熵產(chǎn)生數(shù)Ns：?jiǎn)挝粨Q熱量的熵產(chǎn)。以Ns最小為目標(biāo)，通過泛函求極值求得換熱器溫度和熱流的最優(yōu)分布，得到結(jié)論：使W略大于1實(shí)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)分布。他們從溫度分布的角度來優(yōu)化換熱器，提供了一種從換熱內(nèi)部的細(xì)節(jié)研究問題的思路。能大曦[7]等人在分析換熱器的熵產(chǎn)時(shí)得到了類似的結(jié)論：在W為1時(shí)，換熱器的Ns最小。同時(shí)指出徐志明等人研究得到的W略大于1的結(jié)論，是因?yàn)樗麄兌x的NTU與常規(guī)的定義不同。綜合分析前二者可以得到：當(dāng)NTU一定W變化時(shí)，使W為1，換熱器性能最佳。對(duì)于逆流換熱器，W為1就意味著溫差場(chǎng)均勻，符合溫差場(chǎng)均勻的原則。當(dāng)W不變NTU變化時(shí)，對(duì)于Ns的變化，能大曦[7]等人的研究得到：對(duì)于逆流換熱器，W不變，隨著NTU的變化，Ns單調(diào)減小。
關(guān)于火用效率分析，徐志明、楊善讓[8]等人，給出考慮阻力的火用效率取極大值的方法。通過定義火用效率：
分析火用效率隨NTU和W的變化，下圖是他們分析的結(jié)果。從上述結(jié)果看出：對(duì)于逆流換熱器，W不變，NTU較大時(shí)，隨著NTU的變化，η會(huì)越來越低，NTU不變，W變化時(shí)，η在W近似為1時(shí)取得最大。
比較熵產(chǎn)和火用效率兩種方法的結(jié)論可以得到，NTU不變，W變化時(shí)，二者結(jié)論基本一致。而對(duì)于W不變，NTU變化的情況，隨著W增大，Ns單調(diào)減小，而也降低了。兩種方法出現(xiàn)了矛盾。下面通過溫差場(chǎng)均勻性原則對(duì)兩種方法比較選擇。
3.2逆流換熱器熵產(chǎn)和溫差場(chǎng)均勻性分析
3.2.1逆流換熱器W變化時(shí)，看換熱器的效能、Ns、溫差不均勻因子變化規(guī)律。
分析中采用文獻(xiàn)中已有的表達(dá)式：
(a)換熱器的效能[8]：
(b)換熱器的熵產(chǎn)[7]：
(c)熵產(chǎn)生數(shù)[7]：
其中：。
的解析表達(dá)式見文獻(xiàn)[7]，換熱器的表達(dá)式見[3]，圖1給出W從0.1變到0.9時(shí)，、以及變化結(jié)果。其中
由圖中得到：隨著熱容量比接近于1，換熱器溫差場(chǎng)均勻性因子增加了，熵產(chǎn)減小了。同時(shí)結(jié)合徐志明[8]等人分析火用效率的結(jié)論，綜合得到：在NTU不變，W越接近于1，換熱器溫差場(chǎng)均勻性因子越大，熵產(chǎn)生數(shù)越小，火用效率越高。即熵產(chǎn)分析和火用分析均符合溫差場(chǎng)均勻性原則。另外從圖中看出效能隨著溫差場(chǎng)的均勻而降低了，用效能來評(píng)價(jià)換熱器性能和熱力學(xué)分析結(jié)論出現(xiàn)了矛盾。當(dāng)NTU一定，如果要求不同的W得到相同的換熱量的話，那么W小的流體，熱側(cè)流體的流量很大，保證如此高的流量也要有代價(jià)，同時(shí)由于流量大，通過換熱器時(shí)阻力損失也大，與之相對(duì)應(yīng)的火用損失也大，火用效率[7]降低了。因此同時(shí)得到單純用效能來評(píng)價(jià)換熱器是不可靠的結(jié)論。
3.2.2W一定，NTU變化時(shí)，溫差場(chǎng)均勻性因子、熵產(chǎn)生數(shù)以及效能的變化。為便于和火用效率[7]分析的結(jié)果作對(duì)比，取熱容量比：
得到結(jié)果如下：
圖2Ns－NTUφ-NTU和ε-NTU曲線
由上圖可見，當(dāng)W不變時(shí)，隨著NTU的增加，Ns變小了，效能增加了，但溫差場(chǎng)變得不均勻了。結(jié)合徐志明[8]的結(jié)論，火用效率變小。發(fā)現(xiàn)此時(shí)火用效率判據(jù)符合溫差場(chǎng)的均勻性原則，而熵產(chǎn)分析卻和原則相反了。Bejan[10]曾把逆流換熱器傳熱過程的熵產(chǎn)分為不平衡流動(dòng)即熱容量不匹配的熵產(chǎn)和由于傳熱面積有限引起的熵產(chǎn)。能大曦[7]等人對(duì)兩部分熵產(chǎn)比較得到：兩部分的熵產(chǎn)隨NTU的變化，趨勢(shì)是相反的。由于換熱面積有限引起的熵產(chǎn)隨NTU增加而減小，由于不平衡流動(dòng)的熵產(chǎn)隨NTU增加而增大。對(duì)于逆流換熱器，溫差場(chǎng)均勻與否只取決于W是否為1。不難理解只有由熱容量不匹配引起的熵產(chǎn)變化趨勢(shì)能用溫差場(chǎng)均勻性原則來解釋。換句話說，熵產(chǎn)生數(shù)來做判據(jù)包含了換熱的物理機(jī)制之外的部分，在對(duì)換熱器做優(yōu)化時(shí)，應(yīng)怎樣用它還有待進(jìn)一步的分析。從這個(gè)角度考慮，基于換熱的物理機(jī)制建議選擇火用效率作為換熱器熱力學(xué)優(yōu)化的判據(jù)。
4．結(jié)論
（1）針對(duì)逆流換熱器，比較已有優(yōu)化方法，發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)分析和火用效率分析在W一定，NTU變化時(shí)得到的結(jié)論出現(xiàn)了矛盾。
（2）應(yīng)用溫差場(chǎng)均勻性原則，對(duì)比溫差場(chǎng)均勻性程度變化的趨勢(shì)和熵產(chǎn)生數(shù)、火用效率的變化趨勢(shì)，得到火用效率和溫差場(chǎng)均勻程度變化趨勢(shì)相協(xié)調(diào)，選用火用效率來做優(yōu)化更能反映換熱的物理機(jī)制。因此建議用火用效率來優(yōu)化換熱器。
參考文獻(xiàn)
[1]過增元，熱流體學(xué)，清華大學(xué)出版社，1992
[2]過增元、李志信、周森泉、能大曦，中國(guó)科學(xué)（E輯），1996.2
[3]GuoZeng-Yuan,ZhouSen-Quan,LiZhi-Xin.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2002,45:2119-2127
[4]過增元、魏澎、程新廣，科學(xué)通報(bào)，2003.11
[5]過增元，科學(xué)通報(bào).2000.45(19):2118-2122
[6]徐志明、楊善讓、陳鐘頎，化工學(xué)報(bào)，Vol.46No.1,1995.2
[7]能大曦、李志信、過增元，工程熱物理學(xué)報(bào)，Vol.No.1,Jan.1997
[8]楊善讓、徐志明等，工程熱物理學(xué)報(bào)，Dec.1996
[9]楊世銘、陶文銓等，傳熱學(xué)，高等教育出版社，1998
主管單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)
主辦單位：中國(guó)化工學(xué)會(huì)
出版周期：半月
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：大16開
國(guó)際刊號(hào)：0438-1157
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：11-1946/TQ
郵發(fā)代號(hào)：2-370
發(fā)行范圍：國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時(shí)間：1923
期刊收錄：
CA 化學(xué)文摘(美)(2009)
CBST 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽(yù)：
中科雙效期刊
將氣體加熱到攝氏幾千度以上就形成等離子體。等離子體是宇宙中物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，也稱物質(zhì)第四態(tài)。它是由完全或部分電離的導(dǎo)電氣體組成，其中可包含電子、正離子（原子或分子）、負(fù)離子（原子或分子）、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子、游離基等六種類型的粒子。這些粒子的正負(fù)電荷數(shù)量和密度大致相等，因而，等離子體在宏觀上保持電中性。
產(chǎn)生等離子體的方法很多，自然界雷電、日冕、極光等均可產(chǎn)生等離子體。在實(shí)驗(yàn)室里可用放電、燃燒和激光等方法產(chǎn)生等離子體.處于等離子態(tài)的各種物質(zhì)微粒具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，在一定的條件下可獲得較完全的化學(xué)反應(yīng)。
通常用于化學(xué)合成反應(yīng)的等離子體（溫度低于104K，壓力在10-3一103atm之間）屬于物理上低溫等離子體范疇。它又可分為熱等離子體和冷等離子體。前者是由稠密氣體在常壓或高壓下電弧放電或高頻放電而產(chǎn)生。體系中電子溫度和氣體溫度接近相等，約3000～5000K，常用于無機(jī)合成和有機(jī)物裂解反應(yīng)的高溫?zé)嵩?，后者是由稀薄氣體在低氣壓下用激光、射頻或微波電源激發(fā)輝光放電而產(chǎn)生。體系中電子溫度可高達(dá)數(shù)千至數(shù)萬K，而氣體溫度很低，大致在室溫至上百℃。
一、等離子體熱力學(xué)
眾所周知，對(duì)完全熱力學(xué)平衡狀態(tài)（反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，以致各種“自發(fā)的”不可逆過程均已完成），其宏觀物理狀態(tài)都可用T、v，T、P；S、V；S、P等狀態(tài)函數(shù)中的任一對(duì)單值地描述。其中T是絕對(duì)溫度，P是壓力，v是體積，S是熵。
如果把等離子體看作是處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，則可以套用熱力學(xué)關(guān)系式對(duì)等離子體的熱力學(xué)性質(zhì)加以描述，例如熱等離子體比較接近這種情形。然而，等離子體通常是空間不均勻的，且處在電場(chǎng)、重力場(chǎng)等外場(chǎng)中，因而平衡只能是局部的（即對(duì)于一個(gè)小的等離子體元而育）。為此，系統(tǒng)中各點(diǎn)處的平衡參數(shù)（尤其是溫度）各不相同，在很大程度上取決于外場(chǎng)的分布和大小。此外，等離子體中存在著彈性碰抽、復(fù)合、粒子對(duì)光子的吸收和輻射等多種復(fù)雜的微觀過程，而這些微觀過程又往往伴隨著動(dòng)能和動(dòng)量的交換以及粒子的形成或湮滅。這些都決定了等離子中只能建立所謂的統(tǒng)計(jì)平衡，即在給定的類型中，粒子的坐標(biāo)、動(dòng)量和內(nèi)部狀態(tài)等有一個(gè)唯一確定的分布。迄今為止，還沒有可靠的實(shí)臉方法能用來測(cè)量等離子體的各種熱力學(xué)性質(zhì)，而只能用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的方法從理論上對(duì)它們定義。
對(duì)于低溫等離子體，可將其看成理想氣體的混合物，如果忽略粒子間的庫侖作用，其熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算可簡(jiǎn)化為以下三部分：
1.用平衡態(tài)理想氣體統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)公式計(jì)算“純粹”單個(gè)成份的熱力學(xué)參數(shù)；
2.用化學(xué)平衡的完全方程組（包括解離和電離方程）來計(jì)算等離子體的成份；
3.從已知的單個(gè)成份的函數(shù)值計(jì)算整個(gè)體系的熱力學(xué)函數(shù)。
二、等離子體用于無機(jī)化學(xué)合成
1.利用等離子體合成陶瓷超細(xì)粉
陶瓷在無機(jī)材料中占有重要的地位。隨著各種新型陶瓷材料的出現(xiàn)，它在許多尖端工業(yè)中獲得新的應(yīng)用。利用等離子體來合成陶瓷超細(xì)粉作為一種開發(fā)新型陶瓷材料的有力手段越來越受到人們的重視。
早在60年代后半期，就已經(jīng)開始研究采用等離子體噴射的陶瓷熔射法，用此法已制出部分氧化物和碳化物系陶瓷。60年代初期，有人開始采用熱等離子體法合成陶瓷微粉體。其方法是將反應(yīng)物注入到熱等離子體中進(jìn)行高溫化學(xué)反應(yīng)，然后通過超強(qiáng)冷卻生成微粉體。其特點(diǎn)是在超高溫蒸氣的冷卻過程中產(chǎn)生非平衡化學(xué)反應(yīng)。這方面已發(fā)表過不少論文，但由于大部分工藝是把反應(yīng)物直接導(dǎo)入直流等離子體噴管，特別是用氯化物和反應(yīng)性強(qiáng)的氣體作反應(yīng)物時(shí)，電極受到劇烈的腐蝕，再加上對(duì)等離子體本身的基礎(chǔ)現(xiàn)象沒有充分了解，因而發(fā)展并不很快。70年代，等離子體化學(xué)迅猛發(fā)展，逐步搞清了采用普通直流等離子體噴管進(jìn)行陶瓷合成的極限和反應(yīng)過程的控制以及化學(xué)反應(yīng)速度理論所要求的反應(yīng)時(shí)間的極限，于是利用高頻電場(chǎng)感應(yīng)等離子體噴射合成陶瓷的方法應(yīng)運(yùn)而生。高頻感應(yīng)等離子體又叫感應(yīng)偶合等離子體，是Reed于1961年研制成功的。其優(yōu)點(diǎn)有二：一是氣體流速比直流等離子體的噴射速度約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，至多不過30m/s，易于獲得數(shù)厘米直徑的等離子體，反應(yīng)物可在等離子區(qū)滯留10毫秒，因而能在等離子區(qū)進(jìn)行較充分的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)過程也能進(jìn)行控制，二是無電極放電，不會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)物對(duì)電極的腐蝕和電極物質(zhì)混入反應(yīng)體系成為雜質(zhì)，可以使用級(jí)化物、O2、uf6等各種強(qiáng)反應(yīng)性氣體。
采用高頻等離子體合成陶瓷微粉體時(shí)，根據(jù)注入物質(zhì)是粉體還是氣體，可選擇二種稍有不同的工藝：前者是粉體在等離子體中蒸發(fā)，獲得超高溫蒸氣，在冷卻過程中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，后者是氣體物質(zhì)在等離子體中進(jìn)行解離、分解等一系列高溫化學(xué)反應(yīng)和其后的冷卻過程中的化學(xué)反應(yīng)。我們把前者稱為“反應(yīng)性高頻等離子體蒸發(fā)法”，后者稱為“高頻感應(yīng)等離子體化學(xué)氣相淀積法”。
超高純度的氧化物系陶瓷，格外受到人們青睞，特別是雜質(zhì)含量只有l(wèi)bbm（10-2）的SiOa微粉體，作為電子材料，今后的需求量將迅速增加。而在制備SiOa微粉的諸多工藝中，尤以用氧等離子體載化SiCl4的方法為最佳。
2.高頗等離子休淀積無機(jī)膜
薄膜在材料科學(xué)中占有極其重要的地位。等離子體化學(xué)的許多工作都與薄膜的制備和研究有關(guān)，上述“高頻等離子體化學(xué)氣相淀積法”通常即是針對(duì)制膜而言的。這方面的研究近20年來進(jìn)展非?？?。在半導(dǎo)體工業(yè)中，這種技術(shù)已成為大規(guī)模集成電路干式生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)。自1973年以來，英、美、日等國(guó)相繼用這種技術(shù)制成了氫化非晶硅（α-Si：H）薄膜。利用該技術(shù)可以制備Al2O3、BN、TiN等絕緣、耐腐蝕、耐磨的固體薄膜，正處于走向?qū)嵱没碾A段。
高頻等離子體淀積薄膜工藝分為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PACVD）和等離子體增強(qiáng)物理氣相淀積（PAPVD）兩大類。PACVD是使反應(yīng)性氣體通過等離子體區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后在襯底上成膜，其電場(chǎng)頻率可從300Hz直到微波，但較常用的是13.5MHz。與基于熱化學(xué)的化學(xué)氣相淀積（CVD）方法相比，PACVD可以大大降低淀積溫度，從而不致使襯底發(fā)生相變或變形。例如用CVD方法在硅片上淀積Si3N4膜需要900℃以上高溫，而用PACVD方法只要350℃，而且成膜質(zhì)量高，從而使Si3N4得以成功地用作集成電路鈍化膜。PACVD還可以用于磷硅玻璃、非晶材料、超導(dǎo)膜、外延硅、SiC、WSi2以及各種薄膜敏感元件的制備。
PAPVD是基于動(dòng)量傳遞的鍍膜技術(shù)。其基本原理是，在等離子體空間，放電氣體的粒子被電場(chǎng)加速轟擊陰極靶材料使其原子飛濺出來，淀積在基體材料上形成薄膜。由于濺射的粒子動(dòng)能可高達(dá)1-40eV，所以膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度要比普通物理氣相淀積（PVD）如蒸發(fā)鍍膜高得多。而且淀積溫度低，甚至可在塑料上鍍膜。用PAPVD方法可以淀積金屬（如Cu、Ag、Au、Ti等），氧化物（如ZnO、SiO2等）、碳化物（如SiC、TiC、TaC等）、氮化物（如AlN、Si3N4、NiN、TaN等）薄膜。此外，還可以對(duì)PAPVD設(shè)備加設(shè)磁控裝置，以約束等離子體中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，從而大大提高淀積速率。
三、利用低溫等離子體合成高聚物
等離子體聚合是多分子反應(yīng)中的原子反應(yīng)和聚合反應(yīng)，主要包含等離子態(tài)聚合（PSP）和等離子體誘導(dǎo)聚合（PIP）兩個(gè)方面。二者的區(qū)別在于，前者是通過等離子體活化的原子或分子物種的再結(jié)合和聚集的高分子化，包括氣相反應(yīng)中間產(chǎn)物的間接聚合過程，而后者是通過等離子體物種作引發(fā)劑誘導(dǎo)的鏈鎖聚合過程，是使單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)不受破壞的表面相的直接聚合。
人們用等離子態(tài)聚合技術(shù)成功地制備了許多性能特異的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的有機(jī)高聚物、硅、氮化硅和有機(jī)金屬化合物以及這些材料的超薄膜，發(fā)展了一種新興的薄膜制備技術(shù)一一等離子體聚合淀積。用這種技術(shù)制得的高聚物薄膜有超薄（可達(dá)幾個(gè)納米）、堅(jiān)實(shí)致密、均勻、無針孔、結(jié)構(gòu)上高度交聯(lián)、無定形、與基體粘附力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的化學(xué)、機(jī)械、光學(xué)和電氣性能，可以制成高強(qiáng)度耐磨膜、光學(xué)保護(hù)膜、電學(xué)絕緣膜、反滲透膜、選擇性滲透膜等，從而在化工、半導(dǎo)體、微電子學(xué)、光學(xué)、光纖、激光和太陽能等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。
四、結(jié)語
等離子體化學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，又是一門綜合性的技術(shù)。國(guó)外在這方面的研究較早，目前已有不少等離子體化學(xué)專著和會(huì)議論文集出版，有些研究成果被用于工業(yè)生產(chǎn)并生重大經(jīng)濟(jì)效益。
中圖分類號(hào)：F4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
一、引言
立足于我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，在發(fā)電行業(yè)里發(fā)展了多種清潔煤技術(shù)，其中以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是解決我國(guó)未來可持續(xù)發(fā)展的方向之一。
多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，主要的產(chǎn)品輸出有兩種形式：化學(xué)品和電力資源。化學(xué)品的化學(xué)能與輸出電力的電能，品位不同，單位(火用)價(jià)格不同。如果將兩者等同起來可能只會(huì)得到盡量提高系統(tǒng)熱力學(xué)效率的片面結(jié)論，為此需要將(火用)與經(jīng)濟(jì)結(jié)合進(jìn)行分析――(火用)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析。(火用)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析的依據(jù)是熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合的原理，在合適的熱力學(xué)量度（熱效率、(火用)效率）與資金支付方面尋找一種最佳關(guān)系，使產(chǎn)品的能耗最低，單位成本最小，經(jīng)濟(jì)效益最佳。
二、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析在多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用
本文輸入輸出的(火用)分析表明：氣化爐單元的(火用)效率為85.27%；凈化、變換與甲醇合成單元的(火用)效率為85.08%；發(fā)電單元的(火用)效率為42.41%。其中，入口單元煤的化學(xué)(火用)為27，557.7kJ?kg-1coal。
在甲醇合成單元中，提高未反應(yīng)氣的循環(huán)率可以提高系統(tǒng)的(火用)效率。然而，在合成甲醇單元中，未反應(yīng)氣的循環(huán)率的提高勢(shì)必增加甲醇合成單元及其后續(xù)單元中各設(shè)備的負(fù)荷，導(dǎo)致設(shè)備裝置增大，投資成本和運(yùn)營(yíng)成本增加。從熱力學(xué)角度分析多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，只能得到系統(tǒng)能量利用的合理性，但系統(tǒng)(火用)效率高并不代表經(jīng)濟(jì)上的最佳。因此，需要熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)學(xué)分析結(jié)合起來的(火用)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法，分析甲醇合成單元中分流器分流值f對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和(火用)效率的影響，尋求最優(yōu)值。
為了分析工藝參數(shù)（循環(huán)率f）對(duì)系統(tǒng)各單元的影響，在保持多聯(lián)產(chǎn)進(jìn)料煤不變的情況下，通過改變f值對(duì)甲醇合成單元進(jìn)行模擬。其中，f=0表示合成氣一次通過，而f=0.6表示合成氣通過合成塔后未反應(yīng)的原料氣60%返回合成塔，以提高甲醇產(chǎn)量。隨著f值的增加，氣體流量也相應(yīng)的增加。若其他操作條件保持不變，為了保證循環(huán)物流的輸送和甲醇合成的轉(zhuǎn)化率，甲醇合成單元中的設(shè)備也相應(yīng)增大。本文通過多項(xiàng)式回歸，以合成氣一次通過（f=0）甲醇的產(chǎn)量為準(zhǔn)，然后將不同f值時(shí)的氣體流量與之相比，得到裝置放大倍數(shù)與f值的代數(shù)關(guān)系式為：
F1＝326.576×f5-662.539×f4＋471.843×f3-134.908×f2+13.939×f+0.9184
裝置放大（縮?。┍稊?shù)主要是涉及非能量費(fèi)用（主要包括初投資折舊費(fèi)、運(yùn)行管理費(fèi)及維修費(fèi)）?？梢哉f，循環(huán)率f越大時(shí)增加了設(shè)備的損耗，從而放大了非能量費(fèi)用；但對(duì)發(fā)電單元卻正好相反，循環(huán)率越大，未反應(yīng)氣體通過分流器繼續(xù)循環(huán)，進(jìn)入發(fā)電單元的合成氣相應(yīng)減少，從而減少了設(shè)備的損耗，縮小了非能量費(fèi)用。而發(fā)電單元的發(fā)電量與f值的代數(shù)關(guān)系式為：
F2＝－105.132×f5＋317.1×f4-339.293×f3+144.83×f2-3.7096×f+0.9679
改變甲醇合成單元中分流器循環(huán)率f的值，甲醇產(chǎn)量會(huì)隨著f值的升高而增加。合成氣的(火用)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物甲醇的轉(zhuǎn)化率隨f值的變化關(guān)系式為：
F3＝6.9413×f5-20.1406×f4+22.419×f3-11.9558×f2+3.1119×f+0.4456
同理，隨著f值的增大甲醇單元排放出來的燃?xì)猓ㄎ捶磻?yīng)氣）量降低，未反應(yīng)氣的(火用)值占進(jìn)料合成氣的百分比隨f值的變化關(guān)系式為：
F4＝－105.132×f5+317.1×f4-339.293×f3+144.83×f2-3.7096×f+0.9679
本文參照產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格，計(jì)算產(chǎn)品的單位(火用)成本，然后以系統(tǒng)的利潤(rùn)最大化為目標(biāo)，用mathematica建立多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的(火用)優(yōu)化方程。通過優(yōu)化求解，尋找系統(tǒng)(火用)效率和經(jīng)濟(jì)效益的最佳關(guān)系，使產(chǎn)品的能耗最低，單位成本最小，經(jīng)濟(jì)利益最大。按照成本方程和(火用)平衡方程，該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化方程，如下所示。
目標(biāo)方程為：max profit=Exc-Exc-Z
式中，Ex為系統(tǒng)輸出的第i種產(chǎn)品(火用)；Ex為系統(tǒng)輸入的第j種燃料(火用)；c和c分別表示輸出產(chǎn)品和輸入產(chǎn)品的單位(火用)價(jià)格；Z為系統(tǒng)中初投資折舊費(fèi)、運(yùn)行管理費(fèi)及維修費(fèi)等各項(xiàng)費(fèi)用的總和；profit為該系統(tǒng)的利潤(rùn)。
上述目標(biāo)方程的約束方程為：
①EX3=F3×EX2
②EX4=F4×EX2
③EX5=0.4241×EX4
④EX2=0.8527×EX1
⑤EX1=27557.7×6×107
⑥Y甲醇=F1
⑦Y發(fā)電=F2
⑧Z甲醇=Z甲醇0×（Y甲醇）0.62
⑨Z發(fā)電=Z發(fā)電0×（Y發(fā)電）-0.62
式中，EX1表示年投入煤化學(xué)(火用)；EX2表示氣化爐單元出口的(火用)值；EX3表示甲醇合成單元甲醇的(火用)值；EX4=表示甲醇合成單元未反應(yīng)氣體的(火用)值；EX5=表示發(fā)電單元電的(火用)值；Zi0表示f=0時(shí)第i單元的設(shè)備投資折舊費(fèi)、運(yùn)行管理費(fèi)及維修費(fèi)等各項(xiàng)費(fèi)用的總和，為了簡(jiǎn)化經(jīng)濟(jì)計(jì)算，假定設(shè)備的殘值率15%，設(shè)備折舊費(fèi)按25年直線折舊計(jì)算，年度設(shè)備維修費(fèi)占設(shè)備初始投資的0.5%，設(shè)備管理費(fèi)占設(shè)備初始投資的1%。原料煤的(火用)價(jià)C1為6.5317×10-6元/kJ，產(chǎn)品甲醇的(火用)價(jià)C3為2.368×10-4元/kJ，產(chǎn)品電的(火用)價(jià)C5為1.6651×10-5元/kJ。Shell氣化爐日處理煤250～400t，若取300t/天，每年按200個(gè)工作日計(jì)算，則年處理煤共6×107t。合成氣單元、甲醇合成單元和發(fā)電單元設(shè)備的初始投資分別為39，705萬元，77，866萬元，發(fā)電設(shè)備的單位造價(jià)1，400元/Kw。具體的計(jì)算過程可從下面的計(jì)算得出。把上述計(jì)算代入各方程，通過運(yùn)籌學(xué)的線性規(guī)劃求解可求算出目標(biāo)方程的最優(yōu)值。
從前面的(火用)分析可知，要增加化學(xué)品甲醇的產(chǎn)量或提高系統(tǒng)的(火用)效率，必須加大甲醇合成單元尾氣的循環(huán)率，即提高f值。然而，提高尾氣的循環(huán)率，則會(huì)增加甲醇合成單元及其后續(xù)單元中各設(shè)備的負(fù)荷，導(dǎo)致投資成本和運(yùn)營(yíng)成本增加。本文建立的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型是在mathematica中實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)用mathematica的求最大值函數(shù)，得到最優(yōu)的f值為0.7173，此時(shí)系統(tǒng)的利潤(rùn)額最大，為22，860萬元。
三、結(jié)論
熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析是將系統(tǒng)用能的合理性和經(jīng)濟(jì)效益綜合起來評(píng)價(jià)的方法，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。本文將(火用)分析與經(jīng)濟(jì)分析相結(jié)合，建立多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，通過模型的優(yōu)化求解，得出甲醇合成單元中循環(huán)率f的最優(yōu)值為0.7173，此時(shí)系統(tǒng)的利潤(rùn)額最大，為22，860萬元。
（作者單位：北京化工大學(xué)）
主要參考文獻(xiàn)：
1.引言
物理化學(xué)是一門通過研究物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象來探求化學(xué)基本規(guī)律的學(xué)科，是化工、輕化、高分子、環(huán)境工程等專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)理論課，其概念性、理論性、系統(tǒng)性、邏輯性很強(qiáng)，涉及的公式多，應(yīng)用條件嚴(yán)格，比較抽象，初學(xué)者往往覺得困難較大。而且，近年來隨著高校擴(kuò)招，使得物理化學(xué)這門基礎(chǔ)課往往采用大班教學(xué)，課堂通常要容納百人左右，增加了教師調(diào)動(dòng)課堂氣氛的難度;此外擴(kuò)招后的學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收能力和理解水平以及學(xué)習(xí)積極性有所降低。如何在科技迅速發(fā)展，交叉滲透口益突出的當(dāng)今，克服這些困難，提高物理化學(xué)教學(xué)質(zhì)量，是每一個(gè)物化教師應(yīng)當(dāng)不斷研究的課題。
2.目前物理化學(xué)教學(xué)中存在的一些問題
課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于物理化學(xué)理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、公式、定律多，很多同學(xué)對(duì)物理化學(xué)畏懼、缺乏信心，普遍感到困難。由于學(xué)習(xí)卜的困難，有的同學(xué)甚至產(chǎn)生了放棄的心理，以致上課根本就不聽;由于缺乏對(duì)所學(xué)專業(yè)的總體把握，部分學(xué)生沒有認(rèn)識(shí)到物理化學(xué)與專業(yè)課程之間的關(guān)系，對(duì)學(xué)習(xí)物理化學(xué)的必要性理解不夠，抱著應(yīng)付考試的心態(tài)學(xué)習(xí)物理化學(xué)，很多學(xué)生寄希望于考試前的突擊學(xué)習(xí);還有的學(xué)生存在盲目自信、眼高手低的缺點(diǎn)，上課雖然能聽懂，但是不復(fù)習(xí)而且不獨(dú)立完成作業(yè)。眾所周知，物理化學(xué)的公式龐雜眾多，必須經(jīng)過自己的反復(fù)推導(dǎo)練習(xí)才能熟練應(yīng)用。由于其理論性強(qiáng)，公式多且較為繁雜，教師、學(xué)生都花了不少精力，但往往都沒有達(dá)到預(yù)期的效果，教學(xué)效率不高，所以如何提高物理化學(xué)的教學(xué)效率具有現(xiàn)實(shí)的意義。
2.1把物理化學(xué)的特點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)
物理化學(xué)的特點(diǎn)是條理清晰、推理嚴(yán)密，要把物理化學(xué)的特點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。要學(xué)好物理化學(xué)必須把握物理化學(xué)思維的特點(diǎn)，在課堂上經(jīng)常把物理化學(xué)的教材的主線拎出來，并且反復(fù)強(qiáng)調(diào)，使學(xué)生不再感覺到內(nèi)容散亂，找不到規(guī)律。物理化學(xué)的難點(diǎn)在土冊(cè)熱力學(xué)基本定律部分，涉及的計(jì)算、證明推理不僅內(nèi)容繁多，而且難度高，很容易打擊初學(xué)者的學(xué)習(xí)成就感和積極性，這時(shí)候就特別需要教師在課堂上回顧復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的來龍去脈，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的感知。在每一章內(nèi)，要強(qiáng)調(diào)本章的基本思路，而開始新的一章時(shí)章時(shí)，要強(qiáng)調(diào)這一冊(cè)書內(nèi)容的安排規(guī)律，此外還要注重每一章節(jié)的復(fù)習(xí)以及學(xué)期末復(fù)習(xí)。比如第一冊(cè)內(nèi)容的安排，在學(xué)習(xí)熱力學(xué)第一定律之前就應(yīng)當(dāng)講清楚:首先學(xué)習(xí)熱力學(xué)基本定律，然后將這些基本規(guī)律用于稍復(fù)雜的多組分體系、化學(xué)反應(yīng)以及相平衡體系。這種反復(fù)強(qiáng)調(diào)可以讓學(xué)生站在更高的角度來看這門課程，把握課程總體，理清課程思路，有利于學(xué)生更好地掌握細(xì)節(jié)，細(xì)節(jié)之間增加了有機(jī)的聯(lián)系，自然容易學(xué)好記牢。而且，在教學(xué)中不能僅僅局限于物理化學(xué)問題本身，還要經(jīng)常讓學(xué)生從物理化學(xué)具體的知識(shí)點(diǎn)中走出來，審視物理化學(xué)解決問題的方法。例如，熱力學(xué)定律學(xué)完之后首先處理的是單組分體系，然后再處理多組分體系，在第二冊(cè)又在此基礎(chǔ)上處理有電能以及表面能參與的體系，這樣一種循序的、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的處理問題的方法在解決其他問題時(shí)也是很重要的。因此，學(xué)習(xí)物理化學(xué)也應(yīng)當(dāng)是一個(gè)方法論的學(xué)習(xí)過程。
2.2注意課堂教學(xué)的趣味性
知識(shí)的趣味性是重要的學(xué)習(xí)推動(dòng)力，把理論性強(qiáng)、抽象而枯燥的內(nèi)容變得生動(dòng)有趣，是提高課堂教學(xué)的有效手段。如果一直按課本的內(nèi)容平鋪直敘，只能使學(xué)生感到乏味和厭倦。課堂提問是重要的方法，與實(shí)際生活相聯(lián)系的問題，多提問，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維的積極性。例如，在學(xué)習(xí)“表面現(xiàn)象”這一節(jié)時(shí)，可以創(chuàng)設(shè)生活中常見有容易被忽略的實(shí)例。(1 )荷葉上的露珠為什么呈球形而不是長(zhǎng)方體或是正方體呢?學(xué)生在思考這個(gè)問題時(shí)，我們可以趁機(jī)引入表面和表面張力的概念。(2)將干毛巾的一端浸在水盆中時(shí)，過一會(huì)兒毛巾的另一端也會(huì)潮濕，這是為什么?新買的毛巾很容易浸濕，但是經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用的毛巾就變得不容易浸濕，這又是為什么?通過這些問題又可以讓學(xué)生帶著興趣進(jìn)人毛細(xì)現(xiàn)象的學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生學(xué)完知識(shí)理論并且會(huì)運(yùn)用所學(xué)的來分析現(xiàn)象找答案時(shí)，教師將成就感。
2.3注意理論知識(shí)和實(shí)際的結(jié)合
(1 )比如水蒸氣蒸餾。在學(xué)組氣液相圖后，知道了兩種完全不互溶液體形成的液態(tài)混合物的沸點(diǎn)低于任一組分的沸點(diǎn)，這一點(diǎn)對(duì)于分離提純一些不溶于水的有機(jī)物非常有用，采用水蒸氣蒸餾的方法，不僅可以降低提純溫度節(jié)約能量，而且在低溫下還有利于保護(hù)易分解的有機(jī)物。此外，這樣還把物理化學(xué)的知識(shí)和前面有機(jī)化學(xué)里的內(nèi)容聯(lián)系了起來，使學(xué)生的腦海里的知識(shí)點(diǎn)不再孤立。(2)通過熱力學(xué)第二定律中的熱機(jī)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了熱機(jī)的工作原理，并且學(xué)會(huì)了計(jì)算熱機(jī)效率，這時(shí)可以將這些與實(shí)際生活中的空調(diào)聯(lián)系起來，將空調(diào)供暖與取暖器相比較，這時(shí)學(xué)生們會(huì)發(fā)現(xiàn)通過熱機(jī)供暖的優(yōu)越性，加深對(duì)熱機(jī)的理解，將有利于熱力學(xué)第二定律其他章節(jié)的學(xué)習(xí)。(3)在學(xué)習(xí)完電化學(xué)中電池對(duì)外做功計(jì)算后，可以將同樣的物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后放熱并將放出的熱設(shè)計(jì)成熱機(jī)對(duì)外做功，并將之與用同樣的物質(zhì)設(shè)計(jì)成電池對(duì)外做功相比較，又會(huì)發(fā)現(xiàn)通過電池對(duì)外作功的優(yōu)越性，這不僅加深了對(duì)電化學(xué)的理解，而且加深了對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解。通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，讓學(xué)生感受到物理化學(xué)其實(shí)并不難，而且挺有用，消除學(xué)生的物理化學(xué)無用論思想。
2.4適當(dāng)采用多媒體教學(xué)
多媒體教學(xué)具有直觀性、生動(dòng)性和簡(jiǎn)潔性，適當(dāng)采用多媒體教學(xué)，也可以一定程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生在課堂土的積極性。信息技術(shù)的發(fā)展和普及為教學(xué)提供了很大的便利，目前很多學(xué)校相當(dāng)一部分教室都配備了電腦、實(shí)物投影儀。通過制作教學(xué)幻燈片可以省卻教師在課堂上的板書時(shí)間，而且講解圖表時(shí)也更加方便，富余的時(shí)間還可以補(bǔ)充一些本學(xué)科的前沿知識(shí)。但是，也應(yīng)當(dāng)對(duì)多媒體教學(xué)的負(fù)面一影響有充分的認(rèn)識(shí)。在課堂教學(xué)中發(fā)’現(xiàn)，在使用多媒體教學(xué)后，學(xué)生記筆記的積極性明顯下降，其實(shí)記課堂筆記也是一個(gè)主動(dòng)學(xué)習(xí)的過程，而在使用多媒體教學(xué)時(shí)，學(xué)生完全處于被動(dòng)接受知識(shí).的狀態(tài)，課堂教學(xué)的內(nèi)容在學(xué)生的腦海里成了匆匆過客。因此，多媒體教學(xué)的應(yīng)用要適可而止，以免適得其反。
2.5注重考核方法的與時(shí)俱進(jìn)
考核是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，如何設(shè)計(jì)適合的考核方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和積極性，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和綜合素一質(zhì)的提高給出合理的評(píng)價(jià)，也是廣大物一化教師應(yīng)當(dāng)思考的問題。我們主要采取了開卷與閉卷、平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)相。結(jié)合的方式。
開卷與閉卷相結(jié)合。每一門課程開一始時(shí)，很多學(xué)生最關(guān)注的不是這門課要學(xué)什么，而是這門課怎么考試、考什么。讓考試成為學(xué)生學(xué)習(xí)的指揮棒，弊端是顯而易見的，學(xué)習(xí)的過程和結(jié)果是可悲的?？荚噾?yīng)當(dāng)是一種促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的手段，而不應(yīng)當(dāng)成為學(xué)生臨時(shí)抱佛腳的幫兇。傳統(tǒng)的終結(jié)式考試模式，即在一學(xué)期末進(jìn)行一次考核，雖然易于組織便于操作，但顯然不利于教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。我們參照了其他一些院校的做法，確定了開卷和閉卷相結(jié)合的考核模式。開卷的形式是開展十分鐘不定期課堂練習(xí).內(nèi)容以講解過的知識(shí)點(diǎn)為主，可以翻看書和筆記，但不準(zhǔn)相互交流討論，一這樣可以督促學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)消化。而且從學(xué)生平時(shí)掌握知識(shí)的情況，教師還可以對(duì)教學(xué)作及時(shí)的反饋。期末采取閉卷考試，測(cè)試學(xué)生是否牢固掌握物理化學(xué)基本概念和原理方面的知識(shí)。在考試.的命題方面，要設(shè)計(jì)既能反映學(xué)生知識(shí)水平又能檢測(cè)學(xué)生能力素質(zhì)的考題。由于有平時(shí)學(xué)習(xí)，在期末考試時(shí)學(xué)生就不至于慌亂無措。
化學(xué)平衡和相平衡是熱力學(xué)的基本應(yīng)用，學(xué)生通常會(huì)在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的時(shí)候意識(shí)到物理化學(xué)和藥學(xué)的密切聯(lián)系，作為教師，應(yīng)該有意識(shí)的引導(dǎo)和幫助學(xué)生建立和掌握這種聯(lián)系，為此，在教學(xué)中，我們通常選擇以現(xiàn)實(shí)中存在的藥物合成反應(yīng)為例子，向?qū)W生講解相關(guān)公式的應(yīng)用，而在相平衡中，我們?cè)诶碚摻虒W(xué)的同時(shí)，還會(huì)向?qū)W生解釋冷凍干燥技術(shù)、超臨界二氧化碳萃取、水蒸氣蒸餾等相關(guān)藥物提取技術(shù)，特別是在學(xué)元相圖時(shí)，我們會(huì)引導(dǎo)學(xué)生思考，低共熔點(diǎn)的存在，對(duì)于藥物劑型設(shè)計(jì)有何影響，如何利用和避免這種影響，并向?qū)W生展示其具體應(yīng)用。相比化學(xué)熱力學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)與藥學(xué)的關(guān)系更加明顯[4]，其基本理論在藥物穩(wěn)定性、藥物體內(nèi)代謝等方面具有顯而易見的應(yīng)用，在教學(xué)中，我們強(qiáng)化了這種聯(lián)系，通過設(shè)計(jì)習(xí)題，以具體藥物的代謝速率、藥物貯存期預(yù)測(cè)等相關(guān)案例為載體，讓學(xué)生親自動(dòng)手應(yīng)用動(dòng)力學(xué)理論，解決專業(yè)問題，這一方面有利于學(xué)生對(duì)于物理化學(xué)基本知識(shí)的掌握，也有利于學(xué)生后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，采用這種以專業(yè)需求為導(dǎo)向的教學(xué)方法，能夠明顯的提高教學(xué)效果。同樣的，在講授表面化學(xué)、膠體化學(xué)部分內(nèi)容時(shí)，我們也以滿足專業(yè)需求為出發(fā)點(diǎn)調(diào)整了相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)我校藥學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，在講授這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生已經(jīng)開始了藥劑學(xué)課程的學(xué)習(xí)，部分知識(shí)學(xué)生其實(shí)已經(jīng)有所了解，比如表面張力、表面活性劑等內(nèi)容，為避免重復(fù)，在授課時(shí)，我們更加側(cè)重于在理論的高度去分析、解釋相關(guān)的內(nèi)容，這樣會(huì)更加有助于學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的理解與掌握。
2結(jié)合學(xué)生實(shí)際，改革教學(xué)方法
教學(xué)過程是一個(gè)師生之間互動(dòng)的過程，目的是使學(xué)生掌握所傳授的知識(shí)，然而，不同學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同，對(duì)知識(shí)的理解、領(lǐng)悟能力也有所差別，因此需要教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，靈活的把握教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。筆者所在學(xué)校為地方本科院校，學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)較差，抽象思維能力不足，對(duì)公式繁多、邏輯性強(qiáng)的物理化學(xué)課程有明顯的畏難情緒，有較多的學(xué)生認(rèn)識(shí)不到物理化學(xué)與藥學(xué)專業(yè)的聯(lián)系，因此學(xué)習(xí)興趣和積極性不高，同時(shí)，學(xué)校有大專和本科兩個(gè)不同層次，不同層次的學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力有所差別，對(duì)于物理化學(xué)課程的要求也有所不同，這些具體的現(xiàn)狀，既是我們?cè)诮虒W(xué)中所面臨的困難，也是我們把握教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的重要依據(jù)。
針對(duì)這些現(xiàn)狀，我們靈活選擇教學(xué)方法；提高教學(xué)效果。比如：采用案例分析法、問題引入法等教學(xué)方法，通過展示具體的藥學(xué)或生活實(shí)踐案例，引出其背后隱藏的物理化學(xué)原理，通過理論聯(lián)系實(shí)際，啟發(fā)學(xué)生思考，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的掌握。比如，在講解動(dòng)力學(xué)部分時(shí)，分析藥物在人體內(nèi)的吸收、代謝過程，分析其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于藥物劑型設(shè)計(jì)的影響。活用講授法這一基礎(chǔ)教學(xué)方法，對(duì)教學(xué)內(nèi)容有所取舍，以適應(yīng)學(xué)生實(shí)際情況和專業(yè)需求。對(duì)于物理化學(xué)繁多的公式，講授時(shí)可以弱化公式的推導(dǎo)過程，對(duì)于專科生則可以完全取消公式推導(dǎo)的講解，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)公式的應(yīng)用條件，并通過習(xí)題的方式，幫助學(xué)生掌握其具體應(yīng)用。熟練和合理使用多媒體技術(shù)。多媒體技術(shù)的出現(xiàn)，讓教學(xué)過程變得更加靈活有效，方便快捷，通過圖像、視頻，學(xué)生可以對(duì)知識(shí)有更加直觀的體會(huì)。比如，在學(xué)習(xí)固體的潤(rùn)濕這部分內(nèi)容時(shí)，通過展示大量豐富的相關(guān)圖像和視頻，比如，原油泄漏環(huán)境中的海鳥、“魔法砂”的神奇現(xiàn)象、荷葉上的水滴等，教師可以靈活的讓學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，并用理論對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行分析，既有利于知識(shí)的掌握，又活躍了課堂氛圍。
3以應(yīng)用為導(dǎo)向，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)
0 引言
半空間體受移動(dòng)載荷作用的問題是交通運(yùn)輸、土木工程以及地震工程中最基礎(chǔ)的一類課題。例如，由高速火車或者地鐵引起的噪聲和振動(dòng)是現(xiàn)代城市結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要考慮的重要因素。對(duì)移動(dòng)車輛或者地鐵引起的微振動(dòng)的評(píng)估，以確保精密儀器的正常運(yùn)行，對(duì)于土木工程設(shè)計(jì)部門來說同樣重要。研究運(yùn)動(dòng)荷載作用下地基的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)于我國(guó)，尤其是對(duì)于在南方軟土之上發(fā)展新型高速鐵路，開發(fā)磁懸浮列車也具有重要的理論和工程意義。
在文獻(xiàn)[1-3]中，人們研究了在移動(dòng)載荷作用下彈性或者粘彈性半空間的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。但是，利用單相介質(zhì)來模擬由土顆粒和水組成的二相飽和介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。為了進(jìn)一步探討在移動(dòng)載荷作用下由二相飽和介質(zhì)組成的地基的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，基于多孔飽和介質(zhì)的Biot理論[4]，金波等[5-7]用Fourier變換研究了受勻速移動(dòng)簡(jiǎn)諧力作用的多孔彈性半平面問題，發(fā)現(xiàn)多孔飽和彈性固體在移動(dòng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)與單相彈性固體的動(dòng)力響應(yīng)明顯不同，多孔飽和彈性半平面的應(yīng)力和孔隙水壓力都隨振動(dòng)頻率或載荷移動(dòng)速度的增加而增加。
雖然，用Biot理論成功地解決了許多工程實(shí)際問題，然而當(dāng)?shù)貙咏橘|(zhì)中的孔洞不含液體時(shí)，用Biot理論來描述流體飽和多孔介質(zhì)顯得不夠準(zhǔn)確。為了彌補(bǔ)這一不足，同時(shí)考慮溫度的影響，Goodman，Cowin和Iesan等人[8-11]發(fā)展了一種較為完善的孔隙熱彈性理論。該理論的基本假設(shè)為：材料的體積密度是兩個(gè)場(chǎng)，即基體材料密度場(chǎng)和體積百分比場(chǎng)的乘積物理論文，這樣，材料體積密度的表達(dá)式可由一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)態(tài)變量表示，這個(gè)變量就是孔隙體積百分比。然后由熱力學(xué)第一、第二定律導(dǎo)出各向異性孔隙線性熱彈性材料的基本方程。
由于孔隙熱彈性材料兼具結(jié)構(gòu)和功能雙重用途，具有相對(duì)密度低、比強(qiáng)度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優(yōu)點(diǎn)，它們多見于天然多孔材料、人造多孔材料和生物工程材料等，不但在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、機(jī)械、醫(yī)藥和環(huán)保等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而且相比其他理論也更適合用于研究特殊的連續(xù)體和地質(zhì)材料，如巖石，砂土等的力學(xué)特性。
本文基于孔隙熱彈性線性理論，首先建立了在移動(dòng)周期載荷作用下二維孔隙熱彈性地基動(dòng)力響應(yīng)問題的數(shù)學(xué)模型，其中包括動(dòng)量平衡方程、平衡力的平衡方程、能量方程、周期性邊界條件、初始條件等。在此基礎(chǔ)上，分別采用微分求積法(DQM)和有限差分法(FDM) 在空間和時(shí)間域內(nèi)對(duì)控制方程進(jìn)行離散，并求解。作為算例，首先研究受移動(dòng)諧載荷作用下孔隙熱彈性地基的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。然后，分析了在極限車載作用下孔隙熱彈性地基的動(dòng)力學(xué)特性，考察了車速對(duì)沉降、孔隙體積百分比和溫度的影響。通過計(jì)算和分析看到，本文提出的用于處理周期性問題DQM，具有精度高、收斂性好，計(jì)算效率高等特點(diǎn)。對(duì)于求解各種土質(zhì)條件下地基的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)具有獨(dú)到之處。
1問題的數(shù)學(xué)描述
現(xiàn)代煉鋅方法分為火法煉鋅與濕法煉鋅兩大類,以濕法冶煉為主。
火法煉鋅包括焙燒、還原蒸餾和精煉三個(gè)主要過程,約占世界鋅總產(chǎn)量的10%。
濕法煉鋅包括傳統(tǒng)的濕法煉鋅和全濕法煉鋅兩類。
傳統(tǒng)的濕法煉鋅實(shí)際上是火法與濕法的聯(lián)合流程,包括焙燒、浸出、凈化、電積和熔鑄五個(gè)主要過程。全濕法煉鋅是在硫化鋅精礦直接加壓浸出的技術(shù)基礎(chǔ)上形成的。濕法煉鋅約占世界鋅總產(chǎn)量的90%。
鐵閃鋅礦[(1-n)Zn.nFe]S通過機(jī)械磨礦和選礦的方法很難使鐵分離,導(dǎo)致產(chǎn)出的鋅精礦中含鋅量低(≤45%)、含鐵量高(≥10%),有些含鐵量甚至高達(dá)了18%左右,這就是所謂的高鐵閃鋅礦精礦。
我國(guó)是世界上最大的鋅生產(chǎn)國(guó),高鐵閃鋅礦資源分布非常廣泛,礦藏量巨大,約占我國(guó)已探明可利用鋅資源的20%。
現(xiàn)行的濕法煉鋅都未能很好地解決高鐵閃鋅礦精礦在冶煉過程中存在的問題。
1高鐵閃鋅礦精礦冶煉面臨的窘境
1.1傳統(tǒng)濕法
在鋅精礦的沸騰焙燒過程中,不可避免地生成鐵酸鋅(ZnOFeO),它是一種難溶于稀硫酸的鐵氧體。
ZnO+FeO==ZnOFeO(1-1)
在一般酸浸條件下,ZnOFeO不溶解而留在中性浸出殘?jiān)?使渣含鋅在20%左右。生產(chǎn)中采用熱酸浸出(溫度90-95℃,始酸大于150g/L,終酸40-60g/L),使渣中的鋅溶解:
ZnOFeO+4HSO=ZnSO+Fe(SO)+4HO(1-2)
同時(shí)渣中殘留的硫化鋅使三價(jià)鐵還原到2價(jià)而溶解:
ZnS+Fe(SO)=ZnSO+2FeSO+S(1-3)
熱酸浸出后金屬浸出率顯著提高,鉛、銀富集于渣中,但大量鐵也轉(zhuǎn)入溶液,溶液含鐵量達(dá)到20mg/L~40mg/L。若采用常規(guī)的中和水解除鐵,因?yàn)樾纬审w積龐大的Fe(OH)膠體無法濃縮和過濾。為從高鐵溶液中沉淀除鐵,需要采用高成本的黃鉀鐵礬[KFe(SO)(OH)]
②聯(lián)系人王書民,電話:(0914)2986027;手機(jī):13991420293;E-mail:
收稿日期:2010年月日;接受日期:
法、針鐵礦(FeOOH)法和赤鐵礦(FeO)法等新的除鐵方法。
1.2完全濕法
在加壓浸出條件下,鋅精礦中的硫化鋅與硫酸發(fā)生下述反應(yīng):
2ZnS+2HSO+O=2ZnSO+2HO+2S(1-4)
當(dāng)有鐵溶解時(shí)將發(fā)生下列反應(yīng):
ZnS+Fe(SO)=ZnSO+2FeSO+S(1-5)
4FeSO+2HSO+O=2Fe(SO)+2HO(1-6)
在加壓浸出鋅精礦石、鐵閃鋅礦、磁黃鐵礦中的鐵都有可能溶出:
4FeS+15O+2HO=2Fe(SO)+2HSO(1-7)
4FeS+15O+8HO=2FeO+8HSO(1-8)
在高溫、低酸溶液中的鐵可以發(fā)生如下反應(yīng):
3Fe(SO)+PbSO+12HO=PbFe(SO)(OH)+6HSO(1-9)
Fe(SO)+(x+3)HO=FeOxHO+3HSO(1-10)
3Fe(SO)+14HO=(HO)Fe(SO)(OH)+5HSO(1-11)
但是,高酸浸取盡管能減少鋅因?yàn)殍F酸鋅的生成造成鋅的流失,但高酸浸取之后,浸取液中含有的大量的鐵離子,為以后的凈化工藝帶來困難;高氧酸浸已經(jīng)成為濕法煉鋅的主流,很多研究工作卓有成效。但是,高氧酸浸并不能阻止鐵等雜質(zhì)隨著鋅一起進(jìn)入到浸取液之中,高的鐵含量必將對(duì)以后的除鐵工藝帶來巨大了困難。
目前,對(duì)于高鐵礦還沒有一種好的辦法既能除去鐵而又不至于造成大的經(jīng)濟(jì)損失,即使是含鐵較低的鋅礦,浸取液的凈化仍然是人們長(zhǎng)期研究所要解決的問題。
2氨浸方法的提出與理論研究
2.1高鐵閃鋅礦的氨浸工藝的提出
文獻(xiàn)表明,火法煉鋅終將逐漸退出歷史舞臺(tái),生物浸取離進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用還有非常遠(yuǎn)的路要走,而現(xiàn)行的濕法煉鋅并不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋅的高浸出率和鐵的低浸出率。為解決這一矛盾,本課題組一直致力于鐵、銅、鋅、鈷、鎳、鎘等金屬的分離研究,根據(jù)已有文獻(xiàn)和我們的研究成果,提出了高鐵閃鋅礦精礦的催化高氧氨浸工藝。其基本原理設(shè)想為:
高壓反應(yīng)釜中,加入礦粉、催化劑、氨水、碳銨等,充入高壓氧氣,利用凝固末端電磁攪拌器進(jìn)行攪拌,計(jì)時(shí)。浸取液利用原子吸收分光光度計(jì)分析。反應(yīng)如下:
2MS+O+8NH+2HO=2[M(NH)]+2S+4OH(2-1)
其中,M=Zn、Cu(Co、Ni、Cd生成六配位離子,Co要氧化為Co)
4FeS+3O+4CO+6HO=4Fe(OH)CO+8S+8OH(2-2)
2.2熱力學(xué)計(jì)算
