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1引言
隨著Internet技術的不斷發展?；跒g覽器/Web服務器結構模型（即B/S結構模型）的熱力學數據庫得到了廣泛的應用。在這種結構模型下，一部分事務邏輯在客戶端瀏覽器實現，大部分事務邏輯在熱力學數據庫服務器端實現。然而，由于在熱力學數據庫的應用中涉及到大量的數值計算，會大量消耗服務器CPU和內存資源，從而導致熱力學數據庫服務器的負載加重，增大響應時間，因此，如不能很好地解決數值計算的速度問題，系統整體性能將受到較大的影響。
同時，在熱力學數據庫的開發過程中，開發人員不僅要集中精力將熱力學數據庫中的數學模型轉換為計算機控制代碼，而且還需要花費大量精力去實現、驗證、優化數學模型中所涉及的數值計算方法。從而加大了熱力學數據庫的開發周期和難度。
本文針對Web熱力學數據庫數值計算的特點和對性能的要求。使用面向服務的架構思想，提出了基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式，實現了Web熱力學數據庫計算模型控制與數值計算過程的分離，大大提高了系統數值計算能力和速度，同時簡化了熱力學數據庫系統實現數值計算方法的過程。
2Web熱力學數據庫架構模式研究
隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發展，Web熱力學數據庫已成為當前熱力學數據庫技術發展的主流并得到廣泛應用。但是圍繞著提高Web熱力學數據庫系統性能的研究依然沒有停止。這些研究主要集中在兩個方面，一方面是對熱力學數學模型的理論研究[1][2]，目的在于建立解決特定熱力學問題的正確、高效的數學模型。另一方面是對Web熱力學數據庫架構模式的研究[3][4]，目的在于降低系統開發難度和縮短系統開發周期，優化網絡計算性能，提高應用系統的效率和共享能力，在這類研究中，普遍采用了多層架構模式思想，將系統不同類型的工作任務分配到不同的層中執行，這樣不僅便于網絡用戶使用熱力學數據庫，同時也便于系統的協同開發，提高了系統代碼的復用性，便于業務邏輯的共享、重組和系統的維護。
2.1 三層架構模式的Web熱力學數據庫
圖1. Architecture ofthree-tiers
在圖1所示的三層架構模式中，客戶端采用瀏覽器作為的系統界面訪問工具。數據庫服務器提供高效、安全的數據存儲操作。WebServer則實現整個系統的控制。
三層架構模式主要解決了熱力學數據庫業務邏輯控制與數據存儲控制的分離，實現了“瘦客戶端”訪問，便于用戶使用，系統部署簡單，維護成本低。從圖1可以看出，熱力學數據庫系統的工作負載主要集中在Web Server，從而導致WebServer負載過重，成為影響系統性能的瓶頸。
2.2 n層架構模式的Web熱力學數據庫
圖2. Architecture of n-tiers
為了減輕三層架構模式下Web熱力學數據庫系統Web Server的工作負載，系統架構師們提出了如圖2所示的n層架構模式。其中，業務邏輯層負責熱力學數據庫的核心功能----計算模型控制和數值計算。表示層負責用戶界面控制，數據訪問層負責熱力學數據庫的訪問并屏蔽使用數據庫的細節信息。
采用n層架構模式使整個系統的工作負載分布到不同的服務器中，避免因某臺服務器負載過重而成為影響系統性能的瓶頸，也便于系統的協同開發和維護，增加了系統部署的靈活性。例如，能夠在業務邏輯層利用負載均衡技術構建應用服務器集群，解決復雜業務邏輯控制和大量用戶并發訪問的性能問題，在數據訪問層引入中間件技術，解決高效訪問數據庫的問題。
3基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式
雖然n層架構模式的Web熱力學數據庫具有很多優勢，但是在具體實現架構模式中的核心層----業務邏輯層時，面臨兩個比較棘手的問題。
一是如何實現熱力學數據庫數學模型中的數值計算，例如積分、方程組求解等，這需要熱力學數據庫開發人員耗費大量的時間和精力去編程實現各種相關數值計算求解程序。如果能夠在系統中直接引用目前成熟的科學計算軟件來解決數值計算求解問題，將大大簡化數值計算實現過程[5][6]。
二是如何提高數值計算的效率。數值計算往往會消耗計算機大量的內存和CPU資源，加重應用服務器的負載，從而導致系統的響應時間增長，成為影響系統性能的瓶頸。如果能夠將數值計算過程從業務邏輯層中分離出來，將其轉移到專用的數值計算服務器中，不僅能夠減輕應用服務器的負載，而且專用的數值計算服務器能提供更好的執行效率，從而改善系統的性能[7][8]。
本文提出的基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式能夠很好的解決以上兩個問題。該架構模式的核心思想是利用MCR框架構建高性能的、易于使用的熱力學數據庫數值計算引擎，避免了在熱力學數據庫的開發過程中直接編程實現數值計算算法，同時使熱力學數據庫計算模型控制與熱力學數據庫數值計算過程分離，從而達到簡化熱力學數據庫的開發過程和提高系統性能的目的。
MCR（MATLAB CompilerRuntime）是建立在MATLAB基礎上的一個獨立的應用框架，能夠執行MATLAB文件和函數。而MATLAB是世界上公認的功能強大、應用廣泛的科學計算軟件,具有豐富的數值計算工具和高效的數值計算效率，占據世界上數值計算軟件的主導地位。利用MATLAB提供的MATLAB Builder NE編譯工具，能夠將MATLAB數值計算函數轉換成MCR組件（.net類）。因此，在.net框架中安裝MCR就能夠實現.net應用調用MCR組件（.net類），進而可以在程序中直接使用MATLAB強大的數值計算功能。為此，本文擴展了n層架構模式，構建了如圖3所示的基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式。
圖3. Architecture of Basedon MCR
從圖3可以看出，數值計算引擎將數值計算功能從業務邏輯層中獨立出來，數值計算引擎的構建采用了Service-OrientedArchitecture（面向服務體系架構）的思想，利用Web Service技術實現SOA。SOA 是一種IT體系結構樣式，支持將業務作為鏈接服務或可重復業務任務進行集成，可在需要時通過網絡訪問這些服務和任務。SOA將應用程序的不同功能單元（稱為服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口是采用中立的基于XML的語言（也稱為Web服務描述語言，Web Services Definition Language，WSDL）定義的，它獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。這使得不同類型的業務邏輯層可以以一種統一和通用的方式與數值計算引擎進行交互，便于各種異構熱力學數據庫業務邏輯層與數值計算引擎的集成和復用，同時也能夠利用服務群集技術構建數值計算引擎集群，動態均衡數值計算負載，滿足網絡高并發、高密集的數值計算需求，優化了系統性能，大大提高了Web熱力學數據庫數值計算引擎的計算能力和速度。
1)數值計算引擎接口
對外提供統一的熱力學數值服務接口，例如焓、熵計算等。只要通信雙方定義好服務契約，數值計算引擎可以為各種同構或者異構系統提供熱力學數值計算服務，從而使數值計算引擎能夠實現跨系統的業務集成和復用。
2)數值計算類
實現數值計算引擎接口定義的具體的熱力學數值計算方法，這些方法封裝了各種熱力學基本計算公式的求解過程，例如求解焓、熵的基本積分公式等。并在方法中調用MCR組件（.net類）利用MATLAB完成具體的數值計算過程。例如定積分運算或矩陣運算等。此外，數值計算類還要負責本地調用語言數據類型與MATLAB數據類型的轉換，以及錯誤處理等輔助工作。
3)MCR
根據數值計算類的調用請求，執行相應的MATLAB函數。
4基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式的優點
在基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式中，建立數值計算引擎將數值計算功能從熱力學數據庫業務邏輯層中分離出來，具有以下優點。
1)采用SOA思想，實現了業務邏輯層與數值計算引擎之間的松耦合，便于各種異構熱力學數據庫共享數值計算引擎服務。
2)采用SOA思想，能夠使用服務器集群技術建立數值計算服務器群，通過負載均衡技術分擔各個數值計算引擎的工作負荷，支持高密集數值計算，可靈活的增減系統數值計算能力。
3)減輕了熱力學數據庫應用服務器的負載，有利于提高系統的整體性能。
4)熱力學數據庫的業務邏輯層只關注如何使用數值計算服務，而不關心如何實現數值計算，簡化了業務邏輯層的實現過程，提高了熱力學數據庫系統開發效率。
5)能夠充分利用MATLAB豐富的數值計算工具，屏蔽了使用MATLAB的復雜的過程。同時借助于MATLAB卓越的數值計算性能提高了數值計算效率。
6)可對數值計算引擎做進一步的優化。如直接利用MATLAB并行計算功能構建多核、多處理器并行計算服務器。或利用MATLAB分布式并行計算功能構建MATLAB分布式計算計算機集群。進一步提高數值計算引擎的數值計算速度。
5結束語
在冶金、化工領域的生產和研究中，熱力學數據庫作為基本工具得到了越來越廣泛的應用，對熱力學數據庫的計算性能要求也越來越高，而系統的架構模式是影響熱力學數據庫系統性能的關鍵因素之一，是熱力學數據庫系統軟件開發的基礎。本文分析了三層和n層架構模式的Web熱力學數據庫所存在的問題，根據熱力學數據庫數值計算的特點，在n層架構模式的基礎上，提出了基于MCR框架的、多層、分布式計算的Web熱力學數據庫架構模式，可以方便的實現對MATLAB計算功能的調用而無需了解具體的技術細節，從而大大簡化了Web熱力學數據庫開發過程中實現數值計算功能過程，同時也為Web熱力學數據庫在重負載網絡環境下的應用和異構熱力學數據庫共享熱力學數值計算服務提供了一種可行方案。
參考文獻
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關鍵詞：能分析 分析 能效率 效率 損失
0 引言
隨著人們節能意識的不斷提高，為了獲取更大的經濟效益，人們將熱力學原理應用于工程實際各能量系統的分析中。能量系統的熱力學分析是根據熱力學原理對各種能量系統進行研究分析，以明確系統各部位的能量損失狀況，求取各種性能指標，對所研究的系統進行客觀評價。
1 熱力學分析的方法、內容
熱力學分析的方法主要包括兩種：以能量平衡為基礎的叫做能分析法，它是傳統的分析方法，依據熱力學第一定律，建立在能量“量”的守恒上，對熱力系統進行分析。而以平衡為基礎的叫做分析法，是近些年發展起來的一種方法，依據熱力學第二定律，是對能量“質”的分析[1][2]。
1.1 能分析法
能分析法是以熱力學第一定律為基礎，應用熱平衡原理，并以熱效率為基本評價準則，分析、評價系統能量有效利用狀況的方法。它依據能量系統建立熱力學模型，進行能量平衡計算，得出系統的熱效率和各項熱損失，得到系統熱損失的分布，從而找出系統中熱損最大的薄弱環節和部位，為改進設備和系統的用能狀況提供技術依據。
1.2 分析法
分析法是以熱力學第二定律為基礎的熱力學分析法。它是依據能量中的平衡關系，列出平衡方程并求解，通過分析，揭示能量中的轉換、傳遞、利用和損失的情況，確定出該系統或裝置的利用效率。
分析法的主要內容有[3]：
①進行物流、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參數（如溫度、壓力、組成等）。
②流計算。
③由平衡方程確定過程的損失。
④確定效率。
參與用能系統的流，可以分為三類，即輸入流、輸出流和系統內流。
①輸入流類：是指由外界的源，物流穿過系統邊界而進系統的。
②輸出流類：是指由系統通過邊界向外輸出的。
③系統內部類：是指系統的輸入于輸出之差的部分。
1.3 兩種熱力學分析法的比較
兩種熱力學分析方法都是通過輸入輸出，有效利用能和損失的平衡，求解系統的總損失，進而確定損失的分布。并通過計算出的效率有效利用率來評價系統的完善程度。但能分析法只是從不同質的能量在數量上的守恒來計算損失，因而只計算外部損失而忽視了內部損失，其評價指標也只是計算了被利用部分能的數量和輸入能的數量而忽略了其質量的變化，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的對比，不能準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、更深入也更全面，它能準確地揭示損失的原因、部位以及指出改進方向等。分析方法既可以進行系統分析，又可以進行優化綜合，它可以很便捷地進行系統優化，與經濟因素結合后還可作設備全壽期成本統計等[4]。
隨著節能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、熱能動力、制冷技術、石油化工和冶金等許多領域得到了廣泛的應用。目前，有些國家已經將方法用于熱力系統的熱經濟分析當中，而我國火電機組熱力系統的分析方法實際上都是基于熱力學第一定律的分析方法，其存在的缺點是不能揭示內部不可逆性大小，不能反映能質的蛻變情況，不能體現不可逆性對經濟性造成的影響。因此對熱力系統進行研究分析，根據分析結果所提出的問題采取相應的措施提高熱力系統的熱經濟性，具有十分重要的現實意義[5][6]。
2 鍋爐系統的熱力學分析
2.1 原始數據
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，空氣預熱器出口空氣溫度為226℃，爐膛過?？諝庀禂禐?.1。理論空氣量為4.907m3/kg，每小時燃煤量為58298kg，其燃煤的低位發熱量QL=18636
kJ/kg，全水分ω=4.9%。環境溫度為19℃，依據上述數據分別對此鍋爐系統進行能分析和分析。
2.2 分析計算
設圖中mf、ma、ms、mg和mw分別為燃料、空氣、蒸汽、煙氣和給水的質量流量；而ha、hs、hg分別表示相應物質的焓，QL為燃煤的低位發熱量，QB是損失的熱量；ef、ea、es、eg和ew表示相應各物質流的比，IQ為向環境散失熱量而引起的損失。由題設得：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
按照圖1所示的鍋爐能量平衡關系，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）
按照圖2所示的鍋爐平衡關系，可以寫出下面的平衡方程：
mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB（3）
式中IB表示整個鍋爐內部過程總的損失。考慮到mw=ms，則鍋爐內部過程總損失為：
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）對應除以（2）可得：
η=η （7）
將（6）式代入上式，則有：
η=η（1-T0） （8）
代入數據得：
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 結論
從以上的計算結果可以看出，雖然是對同一臺鍋爐進行效率計算，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”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、傳熱等鍋爐內部各個過程所造成的不可逆損失。實際上，蒸汽鍋爐的損失中最大的一項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濟性。所以，通過系統分析計算，找出損高的部位，采取相應措施進行改善。對目前我國火電機組熱力系統分析具有十分重要的意義。
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工程熱力學是熱能與動力工程專業和建筑環境與設備工程專業的重要專業基礎課，同時也是油氣儲運工程、化工機械過程與裝備和石油加工等專業的選修課。它是一門從工程實際出發來論述熱能與機械能相互轉換規律及其應用的基礎性課程。課程的特點是理論性強、概念抽象、公式圖表繁多、熱力過程變化復雜以及熱力循環的表示和分析困難。
多媒體技術是文本、圖像、動畫、聲音等運載信息的媒體結合體，以圖文并茂的形式為工程熱力學教學提供了多樣化、多視角、立體化的教學信息空間。在工程熱力學的課堂教學中，合理、適當的采用多媒體技術，不僅充實了教學內容，而且使課堂教學更加生動形象，提高了教學質量，教學效果良好吼
一、多媒體教學的必要性
工程熱力學課程的基本理論應用部分涉及許多圖片、圖形，內容圍繞工作原理圖、系統循環圖展開，傳統的板書教學需占大量的課堂時間手工繪制，效果不太理想，如果利用計算機制作成多媒體課件，集光、形、色于一體，形象直觀、內容生動，可以使視覺和聽覺同時發揮作用，增加課堂授課的生動性，激發學生學習的興趣，有利于學生認知能力的開發和對教學內容的理解。
〔一)及時更新教學內容。多媒體輔助教學，可以節約板書時間，有效地拓寬教學空間，在有限的時間內提供更多信息量，使教師有更多的時間進行重點、難點知識的講解?，F代科學技術發展迅速，日新月異，而部分教材內容不可能及時更新，在課件制作中可補充大量最新技術資料，不僅解決教材內容相對滯后的問題，而且可引薦專業發展的前沿信息，拓展學生的視野。
(二)完善傳統教學手段。多媒體將傳統教學手段難以表達的內容和難以觀察到的微觀熱現象通過文字、圖像、聲音和動畫等形式生動的表現出來，加深了學生對知識的理解，激發了學習興趣和學習主動能動性。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態出現等方式來強調重點，使學生印象深刻，更容易記住這些知識點。
(三)增強學生感性認識。工程熱力學中有許多抽象的概念和過程，如孤立系統、平衡狀態、壓縮過程、水蒸汽定壓發生過程等。僅通過書本上的概念和簡單的插圖來講述或通過學生的想象來理解、掌握這些知識點是非常困難的，而借助多媒體技術就能使這些問題迎刃而解。多媒體課件支持FLASH動畫}WMV，AVI視頻等播放插件。如在講解內燃機結構和原理時，采用FLASH制作簡單的動畫來演示汽車內燃機的工作過程，學生在動畫中能非常直觀地看到內燃機的吸氣、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，有利于學生對過程的理解和掌握，進而分析不同的壓縮過程所需功耗的不同。同時結合一些有趣的思考題。如:為何給球打氣時用濕布裹住氣筒外壁能節省體力?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省功原理，又與現實生活緊密聯系，極大的激發了學生的學習興趣。
二、多媒體教學內容的選擇
國內各類院校能源動力類專業基本都開設了工程熱力學課程，但可供課程使用的優良教材數量有限，且教材更新較慢，特別是工程背景和應用方面的知識較為匾乏。為此，首先應根據各高校學科專業特色，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體系保障。其次各專業知識是相通的，但側重點不一樣，應補充介紹同一概念在不同工程運用背景下的區別和聯系，讓學生能更好的理解基本概念做到融會貫通。比如，熱力學能是工質的內部儲存能，是溫度和比容的函數。工程流體力學課程中，認為液體流動中溫度和比容為常數，所以熱力學能不變，研究中可以忽略。而工程熱力學研究中，熱力學能是重要的狀態參數，不能忽略其變化。最后要結合專業特色，拓展工程實踐知識，開展相關工程應用專題講座，避免計算時出現手提吹風機功率在60KW以上，甚至達363KW，而汽輪機噴管出口速度只有十幾米每秒的低級常識性錯誤。
三、多媒體課件制作應注意的問題
多媒體電子教案存在直觀、形象、生動、圖形圖像功能強大、易于展示最新科研成果、教學信息量大、學生易于復習等優點，但同時存在單幅信息量少、幅間信息不連貫、前后呼應不夠、學生思維不易跟上等問題。在制作時應該揚長避短處理好以下幾點問題。
(一)多媒體模板的制作。多媒體課件需合理照顧章節間的關系，但每張幻燈片的空間有限，難以有效發揮“標題”和“正文”的相互呼應。合理制作多媒體模板，是增加課件內容邏輯性和關聯性的重要保證。為此，應根據教學大綱內容制作本章節教學內容的主題目錄，教學時采用超鏈接的方式打開。其次建議每張幻燈片分成三個區域:標題區、正文區和腳注區，并用橫線嚴格區分，做成統一的模板。在標題區右上角，角注本章標題，而在標題區中央插人本節標題。正文第一行插入本節幻燈片主要內容標題，與正文呼應，使信息盡量連貫。腳注區可插人授課日期，頁碼等輔助信息，保證每頁幻燈片的完整性。最后，應制作復習提綱，與首頁主題目錄提綱和正文重點內容呼應。
(二)文字內容的確定。工程熱力學作為一門技術基礎課程，基本概念、基本原理、基本方法是要求學生掌握的重點，需要通過大量的文字來進行表述，因而課件上的文字內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容原文照搬到課件上，授課時照本宣科。文字內容的確定必須經過反復推敲、歸納和總結，將核心內容提煉出來，完整的表述則通過授課或與同學之間的討論來完善。古人云:文章千古事，得失寸心知?；脽羝谱饕彩且粯樱欢ㄒ媲缶?。建議每張幻燈片不超過四段文字，每段文字不超過兩行。在需要特別強調的地方如前提條件和重要結論要點，用特殊強化處理標注，如PPT自帶的紅色五角星符號。當然對于課程中一些經典的概念和原理如孤立系統嫡增原理等建議給出原文，讓學生根據自己的理解提煉或用自己的言語表述，以加強對概念或原理的理解，同時培養學生的邏輯思維能力。
(三)圖像的選擇與處理。多媒體課件的優勢就是圖片功能強大，需要充分發揮。應選擇既反映工程實際又具有較高清晰度和對比度的優良圖片，這樣才不會出現投影放大后的圖像失真的問題，這一點需嚴格遵循寧缺勿濫的原則。對于原理性圖，如果直接采用軟件從書本上復制粘貼由于涉及圖像格式轉化會導致圖像像素丟失，圖像失真，建議利用PPT自帶的畫圖工具繪制，這樣既可以對圖像中各類曲線實現不同顏色、線條標記，又可以在播放時實現分層逐級播放。另外結合PPT動畫播放功能里的“擦除”效果，可實現曲線的動態繪制過程，利于學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圖上同時出現時曲線煩亂，各區間物理意義復雜易混淆。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，文字的出現應設為逐行或逐字播放，讓學生有時間記筆記和思考，不宜像放電影一樣整屏播出，此時內容繁多，眉毛連著胡子，學生分不清主次，很容易走神，更談不上理解和掌握。
作者的體會是應根據講解的思路和過程，逐級播放。特別是涉及公式推導時，應模擬黑板推導的過程，逐步或分塊出現。當然，這也會造成教師頻繁使用電腦，影響教師講解和學生思考的連貫性。建議使用多功能激光筆，實現遠程控制幻燈片播放。這樣教師一方面不用局限于講臺上，活動空間得到大大解放，另一方面也可以到講臺下加強與學生的近距離互動討論，有效維護課堂記錄。
四、多媒體教學中需注意的問題
效果優良的多媒體教學也存在學生視覺疲勞問題，這與黑板教學相比是一個固有缺陷。據贛南醫學院的一份調查數據顯示。大學生在課堂上被多媒體教學光照時間太長，學生連續2個課時接受多媒體教學，約22%產生輕度視覺疲勞，連續4個課時，輕度視覺疲勞則高達61%?？梢姡囵B一支高素質多媒體教學課件制作隊伍，是消除學生視覺疲勞和提高教學質量的關鍵。積極參加多媒體教學課件制作學習班，學習適用于大學生最佳課件制作視覺效果的理論與方法，制定多媒體教學課件制作視覺審美的基本要素、基本規范和基本參數。
同時多媒體授課時光線較暗，如果課堂授課時教師只是點點鼠標，學生瞪大雙眼看，相互之間缺乏交流，學生容易昏昏欲睡。因此教師不能只站在講臺前一字不差地朗讀講課，應當隨時觀察學生聽課的精神狀態，適當地走到屏幕前指點內容，或者豐富教師自身的面部表情和肢體語言，利用提問、現場討論等互動交流以活躍課堂氣氛與調動學生學習積極性。
1．引言
換熱器作為一種各工業領域廣泛使用的設備，它的研究倍受重視。目前關于換熱器的研究大致有兩個方向，一是研究換熱器傳熱強化，主要目的是提高換熱器流體和固壁間的對流換熱系數，進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優化，包括換熱器的熵產分析、火用效率分析等，從使換熱過程不可逆性最小的角度來優化換熱器。其中過增元提出的換熱器溫差場均勻性原則，一方面可以指導新的提高換熱器效能的方法，另一方面也可以對換熱器熱力學優化做分析。本文是從溫差場均勻性原則出發，將其應用于逆流換熱器的優化過程，并對各種優化方法進行分析比較。
2．換熱器溫差場均勻性原則
過增元在1992年《熱流體學》[1]一書中定義了溫差場不均勻因子，應用于順流、逆流和叉流換熱器，發現在相同的傳熱單元數NTU、熱容量比W和流體進口溫度的條件下，逆流換熱器溫差場最均勻，效能也最高，熵產也最小。進而在1996[2]年定義溫差場均勻性因子，提出了換熱器熱性能的溫差場均勻性原則：在NTU和W一定時，換熱器的溫差場越均勻，其效能越高。并采用數值方法對13種換熱器的溫差場和效能進行了分析，驗證此原則的正確性。通過熵產分析指出此原則是以熱力學第二定律為理論依據的。同時針對叉流換熱器，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]年給出了簡單順流、逆流、叉流換熱器溫差場均勻性因子的解析表達式，同時通過實驗的方法對此原則進行了驗證，針對多流程叉流換熱器，舉例說明用改變管路連接的方法來改變溫差場均勻因子，進而改變換熱器的效能。在2003[4]年提出基于溫差場均勻的場協同原則，同時將此原則應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的協同程度，而不是流動方式。
從上述溫差場均勻性原則的提出、驗證和發展歷程來看，這一理論已經比較成熟，也是從傳熱物理機制方面優化換熱器的新探索，可以利用它比較實際換熱器的換熱性能。很多換熱器大都是復合型流動方式的換熱器，基本上沒有解析表達式；尤其對于叉流換熱器，應用此原則，可以在NTU和W給定時，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。溫差場均勻性原則前提條件是NTU和W值恒定。對于換熱方式（逆流）已定的換熱器，在W和NTU變化時，應該如何應用此原則是本文討論的主要內容。
3．溫差場均勻性原則在逆流換熱器熱力學優化中的應用
過先生[3]將溫差場均勻性原則用于指導叉流換熱器的優化，并對優化效果進行了分析驗證。溫差場均勻性原則，是從研究對流換熱的物理機制出發[5]，用于指導各種形式換熱器的優化。本文目的就是應用這一原則來指導逆流換熱器優化方法的選擇。
3.1逆流換熱器已有熱力學優化方法比較分析
以目標函數區分的優化方法大概有兩類：一是傳熱過程熵產分析，二是定義火用效率分析。
關于熵產，徐志明、楊善讓[6]等人定義熵產生數Ns：單位換熱量的熵產。以Ns最小為目標，通過泛函求極值求得換熱器溫度和熱流的最優分布，得到結論：使W略大于1實現最優參數分布。他們從溫度分布的角度來優化換熱器，提供了一種從換熱內部的細節研究問題的思路。能大曦[7]等人在分析換熱器的熵產時得到了類似的結論：在W為1時，換熱器的Ns最小。同時指出徐志明等人研究得到的W略大于1的結論，是因為他們定義的NTU與常規的定義不同。綜合分析前二者可以得到：當NTU一定W變化時，使W為1，換熱器性能最佳。對于逆流換熱器，W為1就意味著溫差場均勻，符合溫差場均勻的原則。當W不變NTU變化時，對于Ns的變化，能大曦[7]等人的研究得到：對于逆流換熱器，W不變，隨著NTU的變化，Ns單調減小。
關于火用效率分析，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果。從上述結果看出：對于逆流換熱器，W不變，NTU較大時，隨著NTU的變化，η會越來越低，NTU不變，W變化時，η在W近似為1時取得最大。
比較熵產和火用效率兩種方法的結論可以得到，NTU不變，W變化時，二者結論基本一致。而對于W不變，NTU變化的情況，隨著W增大，Ns單調減小，而也降低了。兩種方法出現了矛盾。下面通過溫差場均勻性原則對兩種方法比較選擇。
3.2逆流換熱器熵產和溫差場均勻性分析
3.2.1逆流換熱器W變化時，看換熱器的效能、Ns、溫差不均勻因子變化規律。
分析中采用文獻中已有的表達式：
(a)換熱器的效能[8]：
(b)換熱器的熵產[7]：
(c)熵產生數[7]：
其中：。
的解析表達式見文獻[7]，換熱器的表達式見[3]，圖1給出W從0.1變到0.9時，、以及變化結果。其中
由圖中得到：隨著熱容量比接近于1，換熱器溫差場均勻性因子增加了，熵產減小了。同時結合徐志明[8]等人分析火用效率的結論，綜合得到：在NTU不變，W越接近于1，換熱器溫差場均勻性因子越大，熵產生數越小，火用效率越高。即熵產分析和火用分析均符合溫差場均勻性原則。另外從圖中看出效能隨著溫差場的均勻而降低了，用效能來評價換熱器性能和熱力學分析結論出現了矛盾。當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，熱側流體的流量很大，保證如此高的流量也要有代價，同時由于流量大，通過換熱器時阻力損失也大，與之相對應的火用損失也大，火用效率[7]降低了。因此同時得到單純用效能來評價換熱器是不可靠的結論。
3.2.2W一定，NTU變化時，溫差場均勻性因子、熵產生數以及效能的變化。為便于和火用效率[7]分析的結果作對比，取熱容量比：
得到結果如下：
圖2Ns－NTUφ-NTU和ε-NTU曲線
由上圖可見，當W不變時，隨著NTU的增加，Ns變小了，效能增加了，但溫差場變得不均勻了。結合徐志明[8]的結論，火用效率變小。發現此時火用效率判據符合溫差場的均勻性原則，而熵產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分為不平衡流動即熱容量不匹配的熵產和由于傳熱面積有限引起的熵產。能大曦[7]等人對兩部分熵產比較得到：兩部分的熵產隨NTU的變化，趨勢是相反的。由于換熱面積有限引起的熵產隨NTU增加而減小，由于不平衡流動的熵產隨NTU增加而增大。對于逆流換熱器，溫差場均勻與否只取決于W是否為1。不難理解只有由熱容量不匹配引起的熵產變化趨勢能用溫差場均勻性原則來解釋。換句話說，熵產生數來做判據包含了換熱的物理機制之外的部分，在對換熱器做優化時，應怎樣用它還有待進一步的分析。從這個角度考慮，基于換熱的物理機制建議選擇火用效率作為換熱器熱力學優化的判據。
4．結論
（1）針對逆流換熱器，比較已有優化方法，發現熵產分析和火用效率分析在W一定，NTU變化時得到的結論出現了矛盾。
（2）應用溫差場均勻性原則，對比溫差場均勻性程度變化的趨勢和熵產生數、火用效率的變化趨勢，得到火用效率和溫差場均勻程度變化趨勢相協調，選用火用效率來做優化更能反映換熱的物理機制。因此建議用火用效率來優化換熱器。
參考文獻
[1]過增元，熱流體學，清華大學出版社，1992
[2]過增元、李志信、周森泉、能大曦，中國科學（E輯），1996.2
[3]GuoZeng-Yuan,ZhouSen-Quan,LiZhi-Xin.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2002,45:2119-2127
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[7]能大曦、李志信、過增元，工程熱物理學報，Vol.No.1,Jan.1997
[8]楊善讓、徐志明等，工程熱物理學報，Dec.1996
[9]楊世銘、陶文銓等，傳熱學，高等教育出版社，1998
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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存在的一種狀態，也稱物質第四態。它是由完全或部分電離的導電氣體組成，其中可包含電子、正離子（原子或分子）、負離子（原子或分子）、激發態的原子或分子、基態的原子或分子、游離基等六種類型的粒子。這些粒子的正負電荷數量和密度大致相等，因而，等離子體在宏觀上保持電中性。
產生等離子體的方法很多，自然界雷電、日冕、極光等均可產生等離子體。在實驗室里可用放電、燃燒和激光等方法產生等離子體.處于等離子態的各種物質微粒具有極強的化學活性，在一定的條件下可獲得較完全的化學反應。
通常用于化學合成反應的等離子體（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，常用于無機合成和有機物裂解反應的高溫熱源，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輝光放電而產生。體系中電子溫度可高達數千至數萬K，而氣體溫度很低，大致在室溫至上百℃。
一、等離子體熱力學
眾所周知，對完全熱力學平衡狀態（反應時間足夠長，以致各種“自發的”不可逆過程均已完成），其宏觀物理狀態都可用T、v，T、P；S、V；S、P等狀態函數中的任一對單值地描述。其中T是絕對溫度，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平衡狀態，則可以套用熱力學關系式對等離子體的熱力學性質加以描述，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、重力場等外場中，因而平衡只能是局部的（即對于一個小的等離子體元而育）。為此，系統中各點處的平衡參數（尤其是溫度）各不相同，在很大程度上取決于外場的分布和大小。此外，等離子體中存在著彈性碰抽、復合、粒子對光子的吸收和輻射等多種復雜的微觀過程，而這些微觀過程又往往伴隨著動能和動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計平衡，即在給定的類型中，粒子的坐標、動量和內部狀態等有一個唯一確定的分布。迄今為止，還沒有可靠的實臉方法能用來測量等離子體的各種熱力學性質，而只能用統計熱力學的方法從理論上對它們定義。
對于低溫等離子體，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，其熱力學性質的計算可簡化為以下三部分：
1.用平衡態理想氣體統計熱力學公式計算“純粹”單個成份的熱力學參數；
2.用化學平衡的完全方程組（包括解離和電離方程）來計算等離子體的成份；
3.從已知的單個成份的函數值計算整個體系的熱力學函數。
二、等離子體用于無機化學合成
1.利用等離子體合成陶瓷超細粉
陶瓷在無機材料中占有重要的地位。隨著各種新型陶瓷材料的出現，它在許多尖端工業中獲得新的應用。利用等離子體來合成陶瓷超細粉作為一種開發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。其方法是將反應物注入到熱等離子體中進行高溫化學反應，然后通過超強冷卻生成微粉體。其特點是在超高溫蒸氣的冷卻過程中產生非平衡化學反應。這方面已發表過不少論文，但由于大部分工藝是把反應物直接導入直流等離子體噴管，特別是用氯化物和反應性強的氣體作反應物時，電極受到劇烈的腐蝕，再加上對等離子體本身的基礎現象沒有充分了解，因而發展并不很快。70年代，等離子體化學迅猛發展，逐步搞清了采用普通直流等離子體噴管進行陶瓷合成的極限和反應過程的控制以及化學反應速度理論所要求的反應時間的極限，于是利用高頻電場感應等離子體噴射合成陶瓷的方法應運而生。高頻感應等離子體又叫感應偶合等離子體，是Reed于1961年研制成功的。其優點有二：一是氣體流速比直流等離子體的噴射速度約低一個數量級，至多不過30m/s，易于獲得數厘米直徑的等離子體，反應物可在等離子區滯留10毫秒，因而能在等離子區進行較充分的化學反應，對反應過程也能進行控制，二是無電極放電，不會出現反應物對電極的腐蝕和電極物質混入反應體系成為雜質，可以使用級化物、O2、uf6等各種強反應性氣體。
采用高頻等離子體合成陶瓷微粉體時，根據注入物質是粉體還是氣體，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，獲得超高溫蒸氣，在冷卻過程中進行化學反應，后者是氣體物質在等離子體中進行解離、分解等一系列高溫化學反應和其后的冷卻過程中的化學反應。我們把前者稱為“反應性高頻等離子體蒸發法”，后者稱為“高頻感應等離子體化學氣相淀積法”。
超高純度的氧化物系陶瓷，格外受到人們青睞，特別是雜質含量只有lbbm（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膜
薄膜在材料科學中占有極其重要的地位。等離子體化學的許多工作都與薄膜的制備和研究有關，上述“高頻等離子體化學氣相淀積法”通常即是針對制膜而言的。這方面的研究近20年來進展非?？?。在半導體工業中，這種技術已成為大規模集成電路干式生產工藝中的重要環節。自1973年以來，英、美、日等國相繼用這種技術制成了氫化非晶硅（α-Si：H）薄膜。利用該技術可以制備Al2O3、BN、TiN等絕緣、耐腐蝕、耐磨的固體薄膜，正處于走向實用化的階段。
高頻等離子體淀積薄膜工藝分為等離子體增強化學氣相淀積（PACVD）和等離子體增強物理氣相淀積（PAPVD）兩大類。PACVD是使反應性氣體通過等離子體區進行化學反應后在襯底上成膜，其電場頻率可從300Hz直到微波，但較常用的是13.5MHz。與基于熱化學的化學氣相淀積（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、超導膜、外延硅、SiC、WSi2以及各種薄膜敏感元件的制備。
PAPVD是基于動量傳遞的鍍膜技術。其基本原理是，在等離子體空間，放電氣體的粒子被電場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。由于濺射的粒子動能可高達1-40eV，所以膜與基體的結合強度要比普通物理氣相淀積（PVD）如蒸發鍍膜高得多。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PAPVD設備加設磁控裝置，以約束等離子體中帶電粒子的運動，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中的原子反應和聚合反應，主要包含等離子態聚合（PSP）和等離子體誘導聚合（PIP）兩個方面。二者的區別在于，前者是通過等離子體活化的原子或分子物種的再結合和聚集的高分子化，包括氣相反應中間產物的間接聚合過程，而后者是通過等離子體物種作引發劑誘導的鏈鎖聚合過程，是使單體的化學結構不受破壞的表面相的直接聚合。
人們用等離子態聚合技術成功地制備了許多性能特異的亞穩態結構的有機高聚物、硅、氮化硅和有機金屬化合物以及這些材料的超薄膜，發展了一種新興的薄膜制備技術一一等離子體聚合淀積。用這種技術制得的高聚物薄膜有超?。蛇_幾個納米）、堅實致密、均勻、無針孔、結構上高度交聯、無定形、與基體粘附力強等優點，具有優良的化學、機械、光學和電氣性能，可以制成高強度耐磨膜、光學保護膜、電學絕緣膜、反滲透膜、選擇性滲透膜等，從而在化工、半導體、微電子學、光學、光纖、激光和太陽能等方面有著十分廣泛的應用。
四、結語
等離子體化學是一門新興的交叉學科，又是一門綜合性的技術。國外在這方面的研究較早，目前已有不少等離子體化學專著和會議論文集出版，有些研究成果被用于工業生產并生重大經濟效益。
中圖分類號：F4文獻標識碼：A
一、引言
立足于我國以煤為主的能源結構，在發電行業里發展了多種清潔煤技術，其中以煤氣化為核心的多聯產系統是解決我國未來可持續發展的方向之一。
多聯產系統是一個非常復雜的系統，主要的產品輸出有兩種形式：化學品和電力資源?；瘜W品的化學能與輸出電力的電能，品位不同，單位(火用)價格不同。如果將兩者等同起來可能只會得到盡量提高系統熱力學效率的片面結論，為此需要將(火用)與經濟結合進行分析――(火用)經濟學分析。(火用)經濟學分析的依據是熱力學與經濟學結合的原理，在合適的熱力學量度（熱效率、(火用)效率）與資金支付方面尋找一種最佳關系，使產品的能耗最低，單位成本最小，經濟效益最佳。
二、熱經濟學分析在多聯產系統中的應用
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%；發電單元的(火用)效率為42.41%。其中，入口單元煤的化學(火用)為27，557.7kJ?kg-1coal。
在甲醇合成單元中，提高未反應氣的循環率可以提高系統的(火用)效率。然而，在合成甲醇單元中，未反應氣的循環率的提高勢必增加甲醇合成單元及其后續單元中各設備的負荷，導致設備裝置增大，投資成本和運營成本增加。從熱力學角度分析多聯產系統，只能得到系統能量利用的合理性，但系統(火用)效率高并不代表經濟上的最佳。因此，需要熱力學分析與經濟學分析結合起來的(火用)經濟學分析法，分析甲醇合成單元中分流器分流值f對系統經濟性和(火用)效率的影響，尋求最優值。
為了分析工藝參數（循環率f）對系統各單元的影響，在保持多聯產進料煤不變的情況下，通過改變f值對甲醇合成單元進行模擬。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的原料氣60%返回合成塔，以提高甲醇產量。隨著f值的增加，氣體流量也相應的增加。若其他操作條件保持不變，為了保證循環物流的輸送和甲醇合成的轉化率，甲醇合成單元中的設備也相應增大。本文通過多項式回歸，以合成氣一次通過（f=0）甲醇的產量為準，然后將不同f值時的氣體流量與之相比，得到裝置放大倍數與f值的代數關系式為：
F1＝326.576×f5-662.539×f4＋471.843×f3-134.908×f2+13.939×f+0.9184
裝置放大（縮?。┍稊抵饕巧婕胺悄芰抠M用（主要包括初投資折舊費、運行管理費及維修費）。可以說，循環率f越大時增加了設備的損耗，從而放大了非能量費用；但對發電單元卻正好相反，循環率越大，未反應氣體通過分流器繼續循環，進入發電單元的合成氣相應減少，從而減少了設備的損耗，縮小了非能量費用。而發電單元的發電量與f值的代數關系式為：
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率f的值，甲醇產量會隨著f值的升高而增加。合成氣的(火用)轉化產物甲醇的轉化率隨f值的變化關系式為：
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氣（未反應氣）量降低，未反應氣的(火用)值占進料合成氣的百分比隨f值的變化關系式為：
F4＝－105.132×f5+317.1×f4-339.293×f3+144.83×f2-3.7096×f+0.9679
本文參照產品的市場價格，計算產品的單位(火用)成本，然后以系統的利潤最大化為目標，用mathematica建立多聯產系統的(火用)優化方程。通過優化求解，尋找系統(火用)效率和經濟效益的最佳關系，使產品的能耗最低，單位成本最小，經濟利益最大。按照成本方程和(火用)平衡方程，該多聯產系統的優化方程，如下所示。
目標方程為：max profit=Exc-Exc-Z
式中，Ex為系統輸出的第i種產品(火用)；Ex為系統輸入的第j種燃料(火用)；c和c分別表示輸出產品和輸入產品的單位(火用)價格；Z為系統中初投資折舊費、運行管理費及維修費等各項費用的總和；profit為該系統的利潤。
上述目標方程的約束方程為：
①EX3=F3×EX2
②EX4=F4×EX2
③EX5=0.4241×EX4
④EX2=0.8527×EX1
⑤EX1=27557.7×6×107
⑥Y甲醇=F1
⑦Y發電=F2
⑧Z甲醇=Z甲醇0×（Y甲醇）0.62
⑨Z發電=Z發電0×（Y發電）-0.62
式中，EX1表示年投入煤化學(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氣體的(火用)值；EX5=表示發電單元電的(火用)值；Zi0表示f=0時第i單元的設備投資折舊費、運行管理費及維修費等各項費用的總和，為了簡化經濟計算，假定設備的殘值率15%，設備折舊費按25年直線折舊計算，年度設備維修費占設備初始投資的0.5%，設備管理費占設備初始投資的1%。原料煤的(火用)價C1為6.5317×10-6元/kJ，產品甲醇的(火用)價C3為2.368×10-4元/kJ，產品電的(火用)價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個工作日計算，則年處理煤共6×107t。合成氣單元、甲醇合成單元和發電單元設備的初始投資分別為39，705萬元，77，866萬元，發電設備的單位造價1，400元/Kw。具體的計算過程可從下面的計算得出。把上述計算代入各方程，通過運籌學的線性規劃求解可求算出目標方程的最優值。
從前面的(火用)分析可知，要增加化學品甲醇的產量或提高系統的(火用)效率，必須加大甲醇合成單元尾氣的循環率，即提高f值。然而，提高尾氣的循環率，則會增加甲醇合成單元及其后續單元中各設備的負荷，導致投資成本和運營成本增加。本文建立的多聯產系統熱經濟優化模型是在mathematica中實現，通過調用mathematica的求最大值函數，得到最優的f值為0.7173，此時系統的利潤額最大，為22，860萬元。
三、結論
熱經濟學分析是將系統用能的合理性和經濟效益綜合起來評價的方法，具有很強的實際應用意義。本文將(火用)分析與經濟分析相結合，建立多聯產系統的熱經濟優化模型，通過模型的優化求解，得出甲醇合成單元中循環率f的最優值為0.7173，此時系統的利潤額最大，為22，860萬元。
（作者單位：北京化工大學）
主要參考文獻：
1.引言
物理化學是一門通過研究物質的物理現象和化學現象來探求化學基本規律的學科，是化工、輕化、高分子、環境工程等專業的一門重要的基礎理論課，其概念性、理論性、系統性、邏輯性很強，涉及的公式多，應用條件嚴格，比較抽象，初學者往往覺得困難較大。而且，近年來隨著高校擴招，使得物理化學這門基礎課往往采用大班教學，課堂通常要容納百人左右，增加了教師調動課堂氣氛的難度;此外擴招后的學生對知識的吸收能力和理解水平以及學習積極性有所降低。如何在科技迅速發展，交叉滲透口益突出的當今，克服這些困難，提高物理化學教學質量，是每一個物化教師應當不斷研究的課題。
2.目前物理化學教學中存在的一些問題
課堂教學中發現，由于物理化學理論性強、內容抽象、公式、定律多，很多同學對物理化學畏懼、缺乏信心，普遍感到困難。由于學習卜的困難，有的同學甚至產生了放棄的心理，以致上課根本就不聽;由于缺乏對所學專業的總體把握，部分學生沒有認識到物理化學與專業課程之間的關系，對學習物理化學的必要性理解不夠，抱著應付考試的心態學習物理化學，很多學生寄希望于考試前的突擊學習;還有的學生存在盲目自信、眼高手低的缺點，上課雖然能聽懂，但是不復習而且不獨立完成作業。眾所周知，物理化學的公式龐雜眾多，必須經過自己的反復推導練習才能熟練應用。由于其理論性強，公式多且較為繁雜，教師、學生都花了不少精力，但往往都沒有達到預期的效果，教學效率不高，所以如何提高物理化學的教學效率具有現實的意義。
2.1把物理化學的特點轉變為課堂教學的優勢
物理化學的特點是條理清晰、推理嚴密，要把物理化學的特點轉變為課堂教學的優勢。要學好物理化學必須把握物理化學思維的特點，在課堂上經常把物理化學的教材的主線拎出來，并且反復強調，使學生不再感覺到內容散亂，找不到規律。物理化學的難點在土冊熱力學基本定律部分，涉及的計算、證明推理不僅內容繁多，而且難度高，很容易打擊初學者的學習成就感和積極性，這時候就特別需要教師在課堂上回顧復習知識點的來龍去脈，強化學生對所學內容的感知。在每一章內，要強調本章的基本思路，而開始新的一章時章時，要強調這一冊書內容的安排規律，此外還要注重每一章節的復習以及學期末復習。比如第一冊內容的安排，在學習熱力學第一定律之前就應當講清楚:首先學習熱力學基本定律，然后將這些基本規律用于稍復雜的多組分體系、化學反應以及相平衡體系。這種反復強調可以讓學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，有利于學生更好地掌握細節，細節之間增加了有機的聯系，自然容易學好記牢。而且，在教學中不能僅僅局限于物理化學問題本身，還要經常讓學生從物理化學具體的知識點中走出來，審視物理化學解決問題的方法。例如，熱力學定律學完之后首先處理的是單組分體系，然后再處理多組分體系，在第二冊又在此基礎上處理有電能以及表面能參與的體系，這樣一種循序的、由簡單到復雜的處理問題的方法在解決其他問題時也是很重要的。因此，學習物理化學也應當是一個方法論的學習過程。
2.2注意課堂教學的趣味性
知識的趣味性是重要的學習推動力，把理論性強、抽象而枯燥的內容變得生動有趣，是提高課堂教學的有效手段。如果一直按課本的內容平鋪直敘，只能使學生感到乏味和厭倦。課堂提問是重要的方法，與實際生活相聯系的問題，多提問，可以調動學生的思維的積極性。例如，在學習“表面現象”這一節時，可以創設生活中常見有容易被忽略的實例。(1 )荷葉上的露珠為什么呈球形而不是長方體或是正方體呢?學生在思考這個問題時，我們可以趁機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，過一會兒毛巾的另一端也會潮濕，這是為什么?新買的毛巾很容易浸濕，但是經長時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生帶著興趣進人毛細現象的學習。當學生學完知識理論并且會運用所學的來分析現象找答案時，教師將成就感。
2.3注意理論知識和實際的結合
(1 )比如水蒸氣蒸餾。在學組氣液相圖后，知道了兩種完全不互溶液體形成的液態混合物的沸點低于任一組分的沸點，這一點對于分離提純一些不溶于水的有機物非常有用，采用水蒸氣蒸餾的方法，不僅可以降低提純溫度節約能量，而且在低溫下還有利于保護易分解的有機物。此外，這樣還把物理化學的知識和前面有機化學里的內容聯系了起來，使學生的腦海里的知識點不再孤立。(2)通過熱力學第二定律中的熱機內容的學習，學生了解了熱機的工作原理，并且學會了計算熱機效率，這時可以將這些與實際生活中的空調聯系起來，將空調供暖與取暖器相比較，這時學生們會發現通過熱機供暖的優越性，加深對熱機的理解，將有利于熱力學第二定律其他章節的學習。(3)在學習完電化學中電池對外做功計算后，可以將同樣的物質經過化學反應后放熱并將放出的熱設計成熱機對外做功，并將之與用同樣的物質設計成電池對外做功相比較，又會發現通過電池對外作功的優越性，這不僅加深了對電化學的理解，而且加深了對熱力學第二定律的理解。通過理論與實踐的結合，讓學生感受到物理化學其實并不難，而且挺有用，消除學生的物理化學無用論思想。
2.4適當采用多媒體教學
多媒體教學具有直觀性、生動性和簡潔性，適當采用多媒體教學，也可以一定程度上調動學生在課堂土的積極性。信息技術的發展和普及為教學提供了很大的便利，目前很多學校相當一部分教室都配備了電腦、實物投影儀。通過制作教學幻燈片可以省卻教師在課堂上的板書時間，而且講解圖表時也更加方便，富余的時間還可以補充一些本學科的前沿知識。但是，也應當對多媒體教學的負面一影響有充分的認識。在課堂教學中發’現，在使用多媒體教學后，學生記筆記的積極性明顯下降，其實記課堂筆記也是一個主動學習的過程，而在使用多媒體教學時，學生完全處于被動接受知識.的狀態，課堂教學的內容在學生的腦海里成了匆匆過客。因此，多媒體教學的應用要適可而止，以免適得其反。
2.5注重考核方法的與時俱進
考核是教學的重要環節，如何設計適合的考核方法，提高學生的學習動力和積極性，對學生的學習效果和綜合素一質的提高給出合理的評價，也是廣大物一化教師應當思考的問題。我們主要采取了開卷與閉卷、平時成績和考試成績相。結合的方式。
開卷與閉卷相結合。每一門課程開一始時，很多學生最關注的不是這門課要學什么，而是這門課怎么考試、考什么。讓考試成為學生學習的指揮棒，弊端是顯而易見的，學習的過程和結果是可悲的?？荚噾斒且环N促進學生學習的手段，而不應當成為學生臨時抱佛腳的幫兇。傳統的終結式考試模式，即在一學期末進行一次考核，雖然易于組織便于操作，但顯然不利于教學目標的實現。我們參照了其他一些院校的做法，確定了開卷和閉卷相結合的考核模式。開卷的形式是開展十分鐘不定期課堂練習.內容以講解過的知識點為主，可以翻看書和筆記，但不準相互交流討論，一這樣可以督促學生平時的學習消化。而且從學生平時掌握知識的情況，教師還可以對教學作及時的反饋。期末采取閉卷考試，測試學生是否牢固掌握物理化學基本概念和原理方面的知識。在考試.的命題方面，要設計既能反映學生知識水平又能檢測學生能力素質的考題。由于有平時學習，在期末考試時學生就不至于慌亂無措。
化學平衡和相平衡是熱力學的基本應用，學生通常會在學習這部分內容的時候意識到物理化學和藥學的密切聯系，作為教師，應該有意識的引導和幫助學生建立和掌握這種聯系，為此，在教學中，我們通常選擇以現實中存在的藥物合成反應為例子，向學生講解相關公式的應用，而在相平衡中，我們在理論教學的同時，還會向學生解釋冷凍干燥技術、超臨界二氧化碳萃取、水蒸氣蒸餾等相關藥物提取技術，特別是在學元相圖時，我們會引導學生思考，低共熔點的存在，對于藥物劑型設計有何影響，如何利用和避免這種影響，并向學生展示其具體應用。相比化學熱力學，化學動力學與藥學的關系更加明顯[4]，其基本理論在藥物穩定性、藥物體內代謝等方面具有顯而易見的應用，在教學中，我們強化了這種聯系，通過設計習題，以具體藥物的代謝速率、藥物貯存期預測等相關案例為載體，讓學生親自動手應用動力學理論，解決專業問題，這一方面有利于學生對于物理化學基本知識的掌握，也有利于學生后續相關課程的學習，采用這種以專業需求為導向的教學方法，能夠明顯的提高教學效果。同樣的，在講授表面化學、膠體化學部分內容時，我們也以滿足專業需求為出發點調整了相關教學內容。根據我校藥學專業培養計劃，在講授這部分內容時，學生已經開始了藥劑學課程的學習，部分知識學生其實已經有所了解，比如表面張力、表面活性劑等內容，為避免重復，在授課時，我們更加側重于在理論的高度去分析、解釋相關的內容，這樣會更加有助于學生對已學知識的理解與掌握。
2結合學生實際，改革教學方法
教學過程是一個師生之間互動的過程，目的是使學生掌握所傳授的知識，然而，不同學生的學習基礎不同，對知識的理解、領悟能力也有所差別，因此需要教師根據學生的實際情況，靈活的把握教學內容和教學方法。筆者所在學校為地方本科院校，學生數理基礎較差，抽象思維能力不足，對公式繁多、邏輯性強的物理化學課程有明顯的畏難情緒，有較多的學生認識不到物理化學與藥學專業的聯系，因此學習興趣和積極性不高，同時，學校有大專和本科兩個不同層次，不同層次的學生知識基礎和學習能力有所差別，對于物理化學課程的要求也有所不同，這些具體的現狀，既是我們在教學中所面臨的困難，也是我們把握教學內容和教學方法的重要依據。
針對這些現狀，我們靈活選擇教學方法；提高教學效果。比如：采用案例分析法、問題引入法等教學方法，通過展示具體的藥學或生活實踐案例，引出其背后隱藏的物理化學原理，通過理論聯系實際，啟發學生思考，加強學生對于理論知識的掌握。比如，在講解動力學部分時，分析藥物在人體內的吸收、代謝過程，分析其動力學特性對于藥物劑型設計的影響。活用講授法這一基礎教學方法，對教學內容有所取舍，以適應學生實際情況和專業需求。對于物理化學繁多的公式，講授時可以弱化公式的推導過程，對于?？粕鷦t可以完全取消公式推導的講解，轉而強調公式的應用條件，并通過習題的方式，幫助學生掌握其具體應用。熟練和合理使用多媒體技術。多媒體技術的出現，讓教學過程變得更加靈活有效，方便快捷，通過圖像、視頻，學生可以對知識有更加直觀的體會。比如，在學習固體的潤濕這部分內容時，通過展示大量豐富的相關圖像和視頻，比如，原油泄漏環境中的海鳥、“魔法砂”的神奇現象、荷葉上的水滴等，教師可以靈活的讓學生理解教學內容，并用理論對這些現象進行分析，既有利于知識的掌握，又活躍了課堂氛圍。
3以應用為導向，重視實驗教學
0 引言
半空間體受移動載荷作用的問題是交通運輸、土木工程以及地震工程中最基礎的一類課題。例如，由高速火車或者地鐵引起的噪聲和振動是現代城市結構設計中必須要考慮的重要因素。對移動車輛或者地鐵引起的微振動的評估，以確保精密儀器的正常運行，對于土木工程設計部門來說同樣重要。研究運動荷載作用下地基的動力響應，對于我國，尤其是對于在南方軟土之上發展新型高速鐵路，開發磁懸浮列車也具有重要的理論和工程意義。
在文獻[1-3]中，人們研究了在移動載荷作用下彈性或者粘彈性半空間的動力學響應。但是，利用單相介質來模擬由土顆粒和水組成的二相飽和介質會產生一定的誤差。為了進一步探討在移動載荷作用下由二相飽和介質組成的地基的動力學響應，基于多孔飽和介質的Biot理論[4]，金波等[5-7]用Fourier變換研究了受勻速移動簡諧力作用的多孔彈性半平面問題，發現多孔飽和彈性固體在移動荷載下的動力響應與單相彈性固體的動力響應明顯不同，多孔飽和彈性半平面的應力和孔隙水壓力都隨振動頻率或載荷移動速度的增加而增加。
雖然，用Biot理論成功地解決了許多工程實際問題，然而當地層介質中的孔洞不含液體時，用Biot理論來描述流體飽和多孔介質顯得不夠準確。為了彌補這一不足，同時考慮溫度的影響，Goodman，Cowin和Iesan等人[8-11]發展了一種較為完善的孔隙熱彈性理論。該理論的基本假設為：材料的體積密度是兩個場，即基體材料密度場和體積百分比場的乘積物理論文，這樣，材料體積密度的表達式可由一個獨立的動態變量表示，這個變量就是孔隙體積百分比。然后由熱力學第一、第二定律導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構和功能雙重用途，具有相對密度低、比強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優點，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、機械、醫藥和環保等諸多領域具有廣泛的應用前景，而且相比其他理論也更適合用于研究特殊的連續體和地質材料，如巖石，砂土等的力學特性。
本文基于孔隙熱彈性線性理論，首先建立了在移動周期載荷作用下二維孔隙熱彈性地基動力響應問題的數學模型，其中包括動量平衡方程、平衡力的平衡方程、能量方程、周期性邊界條件、初始條件等。在此基礎上，分別采用微分求積法(DQM)和有限差分法(FDM) 在空間和時間域內對控制方程進行離散，并求解。作為算例，首先研究受移動諧載荷作用下孔隙熱彈性地基的動力學響應。然后，分析了在極限車載作用下孔隙熱彈性地基的動力學特性，考察了車速對沉降、孔隙體積百分比和溫度的影響。通過計算和分析看到，本文提出的用于處理周期性問題DQM，具有精度高、收斂性好，計算效率高等特點。對于求解各種土質條件下地基的動力學響應具有獨到之處。
1問題的數學描述
現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主要過程,約占世界鋅總產量的10%。
濕法煉鋅包括傳統的濕法煉鋅和全濕法煉鋅兩類。
傳統的濕法煉鋅實際上是火法與濕法的聯合流程,包括焙燒、浸出、凈化、電積和熔鑄五個主要過程。全濕法煉鋅是在硫化鋅精礦直接加壓浸出的技術基礎上形成的。濕法煉鋅約占世界鋅總產量的90%。
鐵閃鋅礦[(1-n)Zn.nFe]S通過機械磨礦和選礦的方法很難使鐵分離,導致產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了18%左右,這就是所謂的高鐵閃鋅礦精礦。
我國是世界上最大的鋅生產國,高鐵閃鋅礦資源分布非常廣泛,礦藏量巨大,約占我國已探明可利用鋅資源的20%。
現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渣中,使渣含鋅在20%左右。生產中采用熱酸浸出(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)
同時渣中殘留的硫化鋅使三價鐵還原到2價而溶解:
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,但大量鐵也轉入溶液,溶液含鐵量達到20mg/L~40mg/L。若采用常規的中和水解除鐵,因為形成體積龐大的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聯系人王書民,電話:(0914)2986027;手機:13991420293;E-mail:
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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生下述反應:
2ZnS+2HSO+O=2ZnSO+2HO+2S(1-4)
當有鐵溶解時將發生下列反應:
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生如下反應:
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為鐵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隨著鋅一起進入到浸取液之中,高的鐵含量必將對以后的除鐵工藝帶來巨大了困難。
目前,對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濟損失,即使是含鐵較低的鋅礦,浸取液的凈化仍然是人們長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
文獻表明,火法煉鋅終將逐漸退出歷史舞臺,生物浸取離進入工業化應用還有非常遠的路要走,而現行的濕法煉鋅并不能同時實現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,根據已有文獻和我們的研究成果,提出了高鐵閃鋅礦精礦的催化高氧氨浸工藝。其基本原理設想為:
高壓反應釜中,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行攪拌,計時。浸取液利用原子吸收分光光度計分析。反應如下:
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熱力學計算
