工程热力学的发展现状

2026/1/25 4:23:49

但是一个新循环的提出,从理论研究到完善为商业产品是需要经历很长时间和巨额投资的。即使是循环上的某些改进也是如此。最新式的k ahn a循环、C he ng循环、I G C C(整体式煤气联合体)循环都具有优越的应用前景。

明分析和热经济学

朋分析的出发点是当年C l a usi us所说的“能量转换中不可弥补的损失”,反映了人类对能的本性应当从“质”与“量”的结合上科学的评价其“价值”,近年来明分析的发展由局部系统向着总能系统综合分析过渡。明分析方法是七十年代初全球性“能源危机”以来世界各国的热门研究课题。

市场经济制约着能源价格,电价、热价困绕着经济管理部门和企业的技术改造。提高能源利用率,推广节能与余热利用并不是一个单纯的技术问题,还受着经济政策因素的约束。某一技术方案的实施必须是热力学的“设想”与经济学的“现实”相结合的产物。一门新的学科—热经济学便产生和发展起来。

热经济学是E。F。O be rt,M。Tri bu s和R。B。Ev a n s等人自五+年代开始进行的工作,而于六十、七十年代公布了他们运用胡的价值化与经济学代价之间相互联系的本质,提出了热力学完善性与经济学完善性具佳的可行方案。根据所研究的对象及内容,分为“热经济学分析”、“热经济学优化”和“热经济学综合”三个方面。

节能技术的意义被提高到“第五能源”的地位。它的发展提醒人们对能量从“量”到“质”认识的飞跃。能源的合理利用建立起总能系统的概念。按着能量品位的高低进行梯级利用,将功、热(冷)与物料内能等各种能量之间的配合关系与转换使用,在系统的高度上总体综合利用,而不是单一的提高某一生产设备或工艺的能源利用率、性能指标。联合循环、热电联产、余热利用、先热利用、能源工厂(能源大系统)等都列入这个概念的范畴。世界各国对余热的回收利用都非常重视,给予节能技术和设备改造以大量的投资。

我国在热力学基本理论及热力学现代应用与研究方面,如环境分析、热经济学、非平衡热力学、有限时间热力学、变质量系统热力学、连续介质热力学等方面都有长足的进展。从近几年国际国内学术会议论文和水平来看,已经基本跟上

了世界发展水平。1 9 8 9年由我国主持在中国召开了世界工程热力学每年一次的学术会议T AI ES。同年我国在武汉召开了国家自然科学基金工程热力学发展战略研讨会。1 9 8 9年国家技术监督局还颁布了有关工业企业余热分类等级和余热资源计算方法的国家标准,这是继1 9 8 8年全国余热利用学术会议召开之后出台的。这些都进一步推进了能源利用工作的开展。

三、发展方向与目标

根据我国的实际情况,国家自然科学基金战略研讨会建议着重加强下列研究方向和研究项目。

基本的热力循环和热力过程是热力装置的发展基础,仍然必须加强研究。要用现代的理论及方法使这个古典领域唤发青春。例如在工程热物理及能源利用已经普遍采纳了炯的概念和热经济学观点结合最优化方法和模糊数学的成果正确选择最优目标或评价准则等。对各种热力循环,尤其是各种新式循环与总能系统,目前正大力加强对变动工况的研究。实际上热力装置总是处在变工况状态工作,为了解其全部运行区域的性能变工况分析比设计工况难得多,这要从优化目标或评价准则开始就考虑变工况的影响。

烟分析及热经济学理论与技术尚在发展。今后的主攻方向是理论研究与应用并举,以应用研究为主。烟效率、明成本的定义对复杂系统有不同的体系划分及评价方法,尤其在基准物质体系的环境模型方面仍需作大量的工作。朋分析已将平行学科中新理论和新技术引入形成不同层次的交叉是当前和今后的重要课题,如引进系统工程、优化技术、决策和对策论及信息理论等方面的新发展。应该指出信息理论与热力学有着良好的亲缘关系,而计算机处理信息流把热力学所有参量为上机计算带来很多方便条件。

应在一些大型能量系统规划或战略研究中推行炯分析和热经济学方法寻找节能潜力。要尽快地制定出“明分析方法技术导则”,完善使用数据和图表,使其在工程应用中指导企业的节能工作。近期可做一些典型用能系统规分析的算例,找出典型行业为对象作出成果,使生产和管理部门看到实效,扭转基于热力学第一定律的热平衡观念,提高到以热力学第二定律为基础的明分析方法上来。

对炯分析的不同学派,有代表性的如Tribu s,E I一Sa y ed和Eva n s学派,Gag g iol i学派,西德的Ba e h r,英国的L in nh o f f和K o t a s以及日本的龟山一吉田学派等,通过分析比较结合我国国情,建立我国规分析系统也是当务之急。

热经济学研究的对象虽然也是能源的合理和节约利用,但是它把能的“贬值性”与能源生产中物资与劳动消耗结合起来,这在方法论上已经超越了单纯的热力学定律与一般的技术经济分析方法。开展热经济学的研究,对经济建设具有重要的现实意义。热经济学所追求的是把企业的自身发展与国家的宏观调控结合起来,兼顾节能效益与经济效益,直接为工业企业的增产节能服务,也为管理部门、计划部门提供正确的决策依据。在我国其近、中期的战略目标是逐步总结与发展形成适合中国国情的热经济学分析方法,以实际应用为背景,争取在热经济学优化和综合方面取得切实的进展。这是一项超越部门之间的实用性基础工作。近、中期内可以开展的专项研究是:适于我国特定技术及热经济学分析方法研究;能量系统的热经济学结构模式的研究;能量系统的热经济学决策模型与专家决策支持系统的研究等。更长远的方向,则是在能源、经济、环境、社会等方面形成的大体系中寻求更深刻的优化内容。

非平衡热力学在工程应用上是大有可为的。特别是有多种不可逆因素同时存在的复杂热过程,任何以研究单一不可逆现象为主的学科如传热学、传质学、化学动力学、流体力学等无法解决的问题在非平衡热力学过程的统一理论指导下却能较为容易地获得解决。研究多因素祸合的复杂不可逆过程的交互作用正是非平衡热力学优势之所在,也是工程上普遍存在和常见的问题。为此,我国将出现“工程非平衡态热动力学”,强调“工程”和“动力学”两个方面,这是前所未有的。它的目的是研究工程中出现的非平衡热动力学过程中一些共通性的问题和处理的共通性方法。总结出具有普遍意义的工程问题分析方法和理论,从而建立起一个非平衡热动力学学科体系。为完善这门学科,理论研究涉及的间题较多,甚至连一些最基本的例如如何建立一个可靠、方便、实用而具有普适性的非平衡态热力学理论一直是人们关注的课题。

以固体系统作为研究对象的不可逆过程热力学近年来成为一个热门课题。它主要涉及固体材料在产生塑性变形时结构方程的建立。

近年来非平衡热力学及耗散结构理论,使某些哲学概念在人文科学、社会科学等方面得到应用和关注,它使这门学科向更新的领域拓展。

非平衡热力学在生物热物理方面的研究和生命过程中的应用是世人所瞩目的。人体并不是热力发动机,而是“化学发动机”,它类似于燃料电池的工作。生物体是典型的开口非平衡体系;生命过程包含了各种不同层次的复杂过程;在每一层次上都有大量不可逆的过程互相藕合进行着·要弄清这些复杂过程的规律,机理性研究与宏观的、唯象卯方法如控制论和热力学有着同样重要的作用。细分起来可以归纳为以下四个方面:非平衡热力学在生态学中的应用;非平衡热力学在生物能力学中的应用;非平衡热力学在个体发育学中的应用;非平衡热力学与中医学结合的可能性。用嫡参数作为衡量人体健康状态的指标,用嫡的积累来解释中医学所说的“中暑”、“内热”、“癖积”等概念是很贴切的,例如已提到了“嫡病”的说法。

工程热力学的应用,近、中期当务之急又容易见效的当属余热利用。这方面的工作有以下几方面:

首先是余热利用中宏观指导和软科学的研究。其中包括:有实用价值的余热资源量计算、统计和规划;余热利用总能系统的研究。以上这两个方面要会同部门和地区作余热资源统计及建立评价准则。研究分析不同工业部门、企业有代表性的余热利用总能系统,结合生产工艺、原料来源等条件,进行总能系统优化的计算机模拟研究,确定余热回收方法和设备的研制。

其次是高温气体余热回收技术的研制:以高温陶瓷为材料的各种换热器,流态化床换热器,以及强化传热表面的金属管换热器等。用于高温炉渣、溶渣与高温载热体显热的回收技术也是有意义的课题。

再次,中、低温余热回收的研究包括有低沸点工质循环发电系统,热水透平,全流发电系统和两相流膨胀机的研究,螺杆式膨胀机的研究以及各种强化换热器研究。新制冷工质和新型制冷循环的研究应更加重视。热泵在低温余热利用中将

为国家节约大量的一次能源。热泵的研究工作可归纳为以下几个方面:热泵压缩机的研制,高温热泵、高温工质的研究,混合工质、替代工质的研究,非电力驱动热泵的研究,吸收式热泵的研究,喷射式热泵的研究,混合型吸收一压缩式热泵、化学热泵的研究,热泵热回收系统的研究,热泵换热器的研究,热泵系统优化、负荷调节方式及总能系统的研究等。

当然以上这些课题不止是工程热力学的研究工作,相当程度也属于传热学、流体力学等学科的工作,是结合在一起的。

有限时间热力学目前处于初期发展阶段。其主要目的是要寻求比经典热力学界限(如最大功率定理、卡诺定理等)更为实际和有用的普遍性能界限,即所谓的有限时间热力学界限。以下几点都是值得研究的重要内容:把平衡态热力学中已有的概念,诸如热力势、可用性等进一步加以推广,使之更广泛地适用于有限时间范围。寻找各种典型的有限时间过程的最优路径。探求各类循环或非循环过程的有限时间热力学界限,这是有限时间热力学的主要目的,它在促进动力、制冷以及化学工程的发展方面将是大有可为的。

变质量系统热力学是热力学的又一分支。它是以研究变质量热力系统及其过程为主要对象,包括研究其基本规律、理论计算及工程应用,着重不稳定流和交变流过程的热力学以及变质量过程为主要过程的新型循环理论和应用。

至今,变质量系统热力学尚在开发研究阶段,值得注意的是,多学科相互渗透,综合研究,理论与实验同时开展,基础研究与技术开发相结合,开拓这一新的学科领域。


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