Термодинамический анализ перспективных технологий и их воздействия на окружающую среду.

Получение прогнозных показателей эффективности про­цессов преобразования энергии сталкивается с проблемой корректного численно­го описания физико-химических превращений, характеризующихся высокой сте­пенью неравновесности и необратимости. В силу сложности этой про­блемы развитие энергетической техники во многом основано на применении эм­пирических подходов, требующих обширных и дорогостоящих натурных и экспе­риментальных работ. Альтернативным способом прогнозирования характеристик технологий является моделирование экстремальных промежуточных состояний в физико-химических системах. Данный подход основан на распространении принципов классической равновесной термодинамики на полное множество со­стояний, в которых может оказаться физико-химическая система при релаксации к состоянию конечного равновесия. Особенностью такого подхода является принципиальная возможность описания процессов, целевые продукты которых образуются на промежуточных стадиях превращения.

Модель экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) позволяет оты­скивать термодинамически достижимые состояния, характеризующиеся макси­мальным значением свойства, интересующего исследователя: максимальные или минимальные выходы целевых или побочных продуктов превращения, макси­мальные тепловые эффекты и т.д. Сопоставление полученных таким образом пре­дельных характеристик с показателями существующих технологий позволяет как оценить потенциал совершенствования технологий данного типа, так и наметить рациональные способы воздействия на процесс, обеспечивающие улучшение его целевых характеристик.

В последние годы развиты новые модификации МЭПС, направленные на создание принципиально новой технологии построения прогнозных моделей фи­зико-химических процессов. Новые модификации МЭПС позволили в рамках единого термодинамического описания формализованно учесть ограничения на скорости химических превращений и процессов переноса.

Теоретическое обоснование допустимости и целесообразности включения в МЭПС ограничений на неравновесную и необратимую макроскопическую кине­тику, в свою очередь, потребовало выполнения нескольких самостоятельных ис­следований. Так, были проанализированы примеры равновесных описаний прин­ципиально необратимых процессов (горения; взрыва; излучения, поглощения и распространения света; диффузии; опалесценции), сделанные классиками физики — Гиббсом, Планком, Эйнштейном и другими. Исследованы трактовки понятий равновесных и обратимых процессов, предложенные А.II. Горбанем и И.В. Кар- линым в 2000-2001 гг. и основанные на объяснениях парадокса Больцмана супру­гами Эренфест. Сделан вывод о том, что определение Горбанем и Карл иным рав­новесных процессов как необратимых с точки зрения их внутренней природы мо­жет служить основой для обоснования равновесных описаний различных необра­тимых явлений. Сопоставлены возможности и погрешности анализа необратимых явлений методами равновесной и неравновесной термодинамик. В результате да­на интерпретация теоремы Пригожина непосредственно на основе второго закона термодинамики без использования предпосылок о симметрии кинетических ко­эффициентов и линейности дифференциальных уравнений кинетики. Показано, что использование равновесного описания при решении прикладных задач боль­шой размерности существенно упрощает подготовку исходной информации и от­личается простотой математического аппарата. В частности, не требуется знать полный механизм изучаемого процесса, а дифференциальные уравнения заменя­ются алгебраическими и трансцендентными. Помимо этого, рассмотрена эффек­тивность равновесных аппроксимаций в случаях, когда строгое сведение неравно­весных и необратимых явлений к равновесиям невозможно.

При формулировке новых модификаций МЭПС предложены два подхода к исключению из модели переменной времени, в том числе: 1) замена в уравнениях движения искомых параметров потенциалами и подстановка полученных формул в выражение характеристической термодинамической функции; и 2) непосредст­венное использование правых частей представленных в «автономной форме» дифференциальных уравнений движения. Наиболее перспективным оказался вто­рой подход, отличающийся простотой его реализации. Кроме того, предложен еще один оригинальный способ «чисто термодинамической» записи ограничений на скорости реакций, лимитирующих результаты суммарного процесса, заклю­чающийся в выражении констант равновесия этих реакций через их стехиометри- ческие коэффициенты.

Исследованные способы учета ограничений на макроскопическую кинетику в термодинамических моделях реализованы в следующих модификациях МЭПС:

—     образования вредных веществ при сжигании органических топлив и, в ча­стности, с одновременной записью ограничений на образование термических, то­пливных и быстрых оксидов азота;

—      шлакования поверхностей нагрева в факельных топках;

— фазовых переходов в атмосфере, сопровождающихся образованием раство­ров поллютантов на влажной поверхности аэрозолей при ограничениях на радиу­сы последних;

-нестационарного потокораспределения в многоконтурных гидравлических системах.

Для реализации перечисленных моделей развиты соответствующие вычисли­тельные методы и алгоритмы [121]. Они основаны на возможности сведения ре­шаемых задач к одноэкстремальным задачам выпуклого программирования. Све­дение достигается путем линеаризации предлагаемых систем ограничений. Пред­ложенные модификации МЭПС и вычислительные методы реализованы в виде вычислительной системы ТЕОДОР (акроним от «термодинамическое обоснование достижимости равновесий»). Вычислительная система использует мета-язык, обеспечивающий как выполнение многовариантных и взаимосвязанных расчетов непосредственно исследователем, так и программную совместимость с внешними модулями. Достоинством ТЕОДОР является ее открытость, возможность добав­ления физико-математических моделей, учитывающих специфику изучаемого объекта. Эти модели могут записываться на любом известном исследователю языке программирования.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector