工程熱力學的發(fā)展現(xiàn)狀——論文

1、工程熱力學的新發(fā)展摘要 1 9 8 9年國家自然科學基金工程熱力學發(fā)展戰(zhàn)略研討會在武漢舉行。同年世界工程熱力學年會首次由我國主持在北京舉行。對促進國民經(jīng)濟特別是能源工程以及相關學科的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響。我國在熱力學簽本理論、熱力學近代發(fā)展及熱力學應用研究方面，基本上跟上了世界發(fā)展的步伐。一、學科內(nèi)涵及拓寬熱力學是一門古老而又年輕的學科。熱力學在研究各種形式能量之間相互轉(zhuǎn)換以及有關物質(zhì)結構熱物性規(guī)律方面屬于理論基礎學科。將熱力學原理(理論熱力學)與工程應用相結合形成的兩個分支工程熱力學、傳熱學，屬于應用基礎學科。熱力學是一門具有普遍意義的學科，它建立在對客觀世界的觀察和正確概括上，因此它的邏輯

2、結構使我們有可能預測客觀世界的發(fā)展變化。熱力學的這一特征和性質(zhì)用著名科學家a l be rt e in stein在他的著作p h i lo s op he rseie n tist一書中對經(jīng)典熱力學的概括和描述是極其恰當?shù)?，他這樣寫到:“一種理論，其前提愈簡單，所涉及的事物愈多，其適應范圍愈廣泛，它給人們的印象就愈深刻。因此經(jīng)典熱力學給我們深刻的印象。它是僅有的具有普遍意義的物理理論。我確信在其基本概念所適應的范圍內(nèi)，它是絕對不會被推翻的”。經(jīng)典熱力學起源于1 5 9 2年ga川e o時代。工程熱力學的早期歷史可追朔到1 7 9 8年co u n t rum f o r d用著名的炮膛試驗首

3、次完成功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬亩垦芯?。v。m。fair e s則認為中國古代火藥的發(fā)明應作為人類研究與應用工程熱力學的開端。熱力學的重要性在于它的實用性和適用的廣泛性。工程熱力學完全是結合人類的生產(chǎn)實踐活動發(fā)展起來的。目前工程熱力學已從研究平衡體系和可逆過程發(fā)展到研究有時空變化的非平衡體系和不可逆過程，這一步的跨越不僅拓寬了經(jīng)典熱力學的研究范疇，而且與其它學科的交叉又形成了許多新的分支學科，如熱物性學、熱經(jīng)濟學、生物熱力學、化學熱力學、環(huán)境熱力學等等。在應用上，目前工程熱力學的研究主要集中在熱力循環(huán)、總能系統(tǒng)的節(jié)能技術和能源管理(如煙分析和熱經(jīng)濟學分析)等方面，與其它學科交叉也有許多新領域方面的研究。二

4、、戰(zhàn)略地位及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀歷史經(jīng)驗說明，每一次新型動力機械及其熱力循環(huán)的出現(xiàn)，都會促進生產(chǎn)水平、社會進步和科學技術的飛躍發(fā)展。蒸汽機的出現(xiàn)帶動了第一次產(chǎn)業(yè)革命與資本主義成長，也促進了各種科學的發(fā)展。往復式內(nèi)燃機、蒸汽機以及與之相應的奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán)、朗肯循環(huán)的出現(xiàn)和發(fā)展為上世紀末本世紀初開始的機械化電氣化的現(xiàn)代文明社會創(chuàng)造了條件;相應地，與之有關的工程熱力學各分支和由其所帶動的許多學科也都蓬勃發(fā)展起來。本世紀中葉開始，燃氣輪機、噴氣發(fā)動機、火箭及布雷敦循環(huán)等的發(fā)展，則為高速航空與宇航年代奠定了基礎，并為工程熱力學的開拓提供了條件。在軍事系統(tǒng)和航天技術中，發(fā)動機、火箭動力、艦艇動力以及為“星

5、球大戰(zhàn)”而發(fā)展的各項新技術也促進了工程熱力學的研究。此外，各種類型的爐，如冶金爐、燃料爐、建材窯爐、石油化工爐等裝置;核反應堆各種換熱器、制冷設備、氣體分離、液化設備、熱泵、空調(diào)、通風、供熱等工業(yè)與民用裝置;各種能源系統(tǒng)，如燃料電池、熱電與熱離子裝置、磁流體發(fā)電、太陽能、地熱能、海洋能以及風能等的利用都是工程熱力學不斷開拓與應用的結果。當今熱力學還涉及到生物醫(yī)學領域，如生命維持系統(tǒng)、人造器官等。我國工業(yè)的很多領域面臨著世界新技術發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)，國家把調(diào)整企業(yè)結構和提高經(jīng)濟效益作為推動技術進步的根本出發(fā)點。節(jié)能降耗是一個重大課題。能源是現(xiàn)代人類社會生存和發(fā)展的必要條件。有前地球上常規(guī)能源的限度迫

6、使人類應用工程熱力學和其它工程學科如傳熱傳質(zhì)學、燃料學、化學動力學、流體力學等，研究能源的有效轉(zhuǎn)換與合理使用，指導熱力過程的工程設計。結合社會科學和人文科學的需要與制約，盡可能地提供能源資源和物質(zhì)資源，促進人類的發(fā)展與進步。經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，當前潛在的能源危機和生態(tài)危機籠罩著整個地球。如果與能源生產(chǎn)和消費有關的技術沒有根本的變革或提高，溫室效應得不到有效控制，臭氧層的減少和熱障不消除，會給人類帶來巨大的災難。因此許多科學家呼吁:現(xiàn)在已經(jīng)到了通盤解決能源、環(huán)境與經(jīng)濟問題的時候了。從戰(zhàn)略發(fā)展的高度考慮，工程熱力學的理論研究與應用必將在能源、社會、經(jīng)濟與環(huán)境綜合的大體系中求得新的拓寬與

7、發(fā)展。熱力學基本原理和熱力循環(huán)熱力學的幾個基本定律奠定了經(jīng)典熱力學的基礎并指導著工程實踐應用。但是經(jīng)典熱力學是以平衡態(tài)和可逆過程為模式研究能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。在自然界中還大量存在著非平一4 1一衡態(tài)和不可逆過程，要用經(jīng)典熱力學的概念和方法進行研究。早期有h。o n s a g e r于1 9 3 1年發(fā)表的“線性熱力學”和m u l l er的“擴展不可逆熱力學”。大約到六十年代，線性不可逆熱力學理論的創(chuàng)建工作才算完成。由于這一開拓性的成就翁薩格榮獲了1 9 6 8年的諾貝爾化學獎。稍后p r i gog in e所領導的比利時布魯塞爾學派發(fā)展了著名的“耗散結構理論”，把不可逆過程熱力學研究推向了又

8、一個高峰，并榮膺1 9 7 8年諾貝爾獎。熱力學理論發(fā)展的一個重要方面是熱力過程在非平衡體系。(空間上的不均勻性)不可逆過程的性質(zhì)，涉及時間上的演化問題，從而提出了“有限時間熱力學”。它推出了比可逆界限更接近于實際的性能從而得出過程變化的最佳效果。有限時間熱力學的提出還只有2 0年的歷史，它將與不可逆過程熱力學相輔相成。在研究方法上，統(tǒng)計熱力學理論促進了熱離子、熱電現(xiàn)象等一類能量直接轉(zhuǎn)換的新方式的近代發(fā)展，也促進了對工質(zhì)熱物理性質(zhì)本質(zhì)的認識。熱動力學理論也是建立在分析微觀粒子群統(tǒng)計性質(zhì)的基礎上，它的獨立途徑屬于對粒子間相互作用作動力理論研究，推導出與過程速率有關的遷移性質(zhì)(如粘度、熱傳導性、擴

9、散系數(shù))。信息論作為微觀方法在熱力學中的應用也開始有所發(fā)展。在工程熱力學與動力機械的發(fā)展史上，熱力循環(huán)與動力機械理論是在不斷地產(chǎn)生新循環(huán)、新工質(zhì)、新設想的相互帶動之下逐步完善的。例如，純噴氣循環(huán)發(fā)動機發(fā)展為內(nèi)外涵循環(huán)發(fā)動機，大大降低了耗油率，促使高速民航機的飛快發(fā)展;此熱力循環(huán)加力后又適應軍用飛機的需要;目前又朝著組合的變循環(huán)發(fā)展。熱力循環(huán)理論研究即能推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展，又對相應的科學技術提出新的課題。但是一個新循環(huán)的提出，從理論研究到完善為商業(yè)產(chǎn)品是需要經(jīng)歷很長時間和巨額投資的。即使是循環(huán)上的某些改進也是如此。最新式的k ahn a循環(huán)、c he ng循環(huán)、i g c c(整體式煤氣聯(lián)合體

10、)循環(huán)都具有優(yōu)越的應用前景。明分析和熱經(jīng)濟學朋分析的出發(fā)點是當年c l a usi us所說的“能量轉(zhuǎn)換中不可彌補的損失”，反映了人類對能的本性應當從“質(zhì)”與“量”的結合上科學的評價其“價值”，近年來明分析的發(fā)展由局部系統(tǒng)向著總能系統(tǒng)綜合分析過渡。明分析方法是七十年代初全球性“能源危機”以來世界各國的熱門研究課題。市場經(jīng)濟制約著能源價格，電價、熱價困繞著經(jīng)濟管理部門和企業(yè)的技術改造。提高能源利用率，推廣節(jié)能與余熱利用并不是一個單純的技術問題，還受著經(jīng)濟政策因素的約束。某一技術方案的實施必須是熱力學的“設想”與經(jīng)濟學的“現(xiàn)實”相結合的產(chǎn)物。一門新的學科熱經(jīng)濟學便產(chǎn)生和發(fā)展起來。熱經(jīng)濟學是e。f。

11、o be rt，m。tri bu s和r。b。ev a n s等人自五+年代開始進行的工作，而于六十、七十年代公布了他們運用胡的價值化與經(jīng)濟學代價之間相互聯(lián)系的本質(zhì)，提出了熱力學完善性與經(jīng)濟學完善性具佳的可行方案。根據(jù)所研究的對象及內(nèi)容，分為“熱經(jīng)濟學分析”、“熱經(jīng)濟學優(yōu)化”和“熱經(jīng)濟學綜合”三個方面。節(jié)能技術的意義被提高到“第五能源”的地位。它的發(fā)展提醒人們對能量從“量”到“質(zhì)”認識的飛躍。能源的合理利用建立起總能系統(tǒng)的概念。按著能量品位的高低進行梯級利用，將功、熱(冷)與物料內(nèi)能等各種能量之間的配合關系與轉(zhuǎn)換使用，在系統(tǒng)的高度上總體綜合利用，而不是單一的提高某一生產(chǎn)設備或工藝的能源利用率、

12、性能指標。聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱利用、先熱利用、能源工廠(能源大系統(tǒng))等都列入這個概念的范疇。世界各國對余熱的回收利用都非常重視，給予節(jié)能技術和設備改造以大量的投資。我國在熱力學基本理論及熱力學現(xiàn)代應用與研究方面，如環(huán)境分析、熱經(jīng)濟學、非平衡熱力學、有限時間熱力學、變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學、連續(xù)介質(zhì)熱力學等方面都有長足的進展。從近幾年國際國內(nèi)學術會議論文和水平來看，已經(jīng)基本跟上了世界發(fā)展水平。1 9 8 9年由我國主持在中國召開了世界工程熱力學每年一次的學術會議t ai es。同年我國在武漢召開了國家自然科學基金工程熱力學發(fā)展戰(zhàn)略研討會。1 9 8 9年國家技術監(jiān)督局還頒布了有關工業(yè)企業(yè)余熱分類等級

13、和余熱資源計算方法的國家標準，這是繼1 9 8 8年全國余熱利用學術會議召開之后出臺的。這些都進一步推進了能源利用工作的開展。三、發(fā)展方向與目標根據(jù)我國的實際情況，國家自然科學基金戰(zhàn)略研討會建議著重加強下列研究方向和研究項目?；镜臒崃ρh(huán)和熱力過程是熱力裝置的發(fā)展基礎，仍然必須加強研究。要用現(xiàn)代的理論及方法使這個古典領域喚發(fā)青春。例如在工程熱物理及能源利用已經(jīng)普遍采納了炯的概念和熱經(jīng)濟學觀點結合最優(yōu)化方法和模糊數(shù)學的成果正確選擇最優(yōu)目標或評價準則等。對各種熱力循環(huán)，尤其是各種新式循環(huán)與總能系統(tǒng)，目前正大力加強對變動工況的研究。實際上熱力裝置總是處在變工況狀態(tài)工作，為了解其全部運行區(qū)域的性能變

14、工況分析比設計工況難得多，這要從優(yōu)化目標或評價準則開始就考慮變工況的影響。煙分析及熱經(jīng)濟學理論與技術尚在發(fā)展。今后的主攻方向是理論研究與應用并舉，以應用研究為主。煙效率、明成本的定義對復雜系統(tǒng)有不同的體系劃分及評價方法，尤其在基準物質(zhì)體系的環(huán)境模型方面仍需作大量的工作。朋分析已將平行學科中新理論和新技術引入形成不同層次的交叉是當前和今后的重要課題，如引進系統(tǒng)工程、優(yōu)化技術、決策和對策論及信息理論等方面的新發(fā)展。應該指出信息理論與熱力學有著良好的親緣關系，而計算機處理信息流把熱力學所有參量為上機計算帶來很多方便條件。應在一些大型能量系統(tǒng)規(guī)劃或戰(zhàn)略研究中推行炯分析和熱經(jīng)濟學方法尋找節(jié)能潛力。要盡快

15、地制定出“明分析方法技術導則”，完善使用數(shù)據(jù)和圖表，使其在工程應用中指導企業(yè)的節(jié)能工作。近期可做一些典型用能系統(tǒng)規(guī)分析的算例，找出典型行業(yè)為對象作出成果，使生產(chǎn)和管理部門看到實效，扭轉(zhuǎn)基于熱力學第一定律的熱平衡觀念，提高到以熱力學第二定律為基礎的明分析方法上來。對炯分析的不同學派，有代表性的如tribu s，e i一sa y ed和eva n s學派，gag g iol i學派，西德的ba e h r，英國的l in nh o f f和k o t a s以及日本的龜山一吉田學派等，通過分析比較結合我國國情，建立我國規(guī)分析系統(tǒng)也是當務之急。待添加的隱藏文字內(nèi)容3熱經(jīng)濟學研究的對象雖然也是能源的合

16、理和節(jié)約利用，但是它把能的“貶值性”與能源生產(chǎn)中物資與勞動消耗結合起來，這在方法論上已經(jīng)超越了單純的熱力學定律與一般的技術經(jīng)濟分析方法。開展熱經(jīng)濟學的研究，對經(jīng)濟建設具有重要的現(xiàn)實意義。熱經(jīng)濟學所追求的是把企業(yè)的自身發(fā)展與國家的宏觀調(diào)控結合起來，兼顧節(jié)能效益與經(jīng)濟效益，直接為工業(yè)企業(yè)的增產(chǎn)節(jié)能服務，也為管理部門、計劃部門提供正確的決策依據(jù)。在我國其近、中期的戰(zhàn)略目標是逐步總結與發(fā)展形成適合中國國情的熱經(jīng)濟學分析方法，以實際應用為背景，爭取在熱經(jīng)濟學優(yōu)化和綜合方面取得切實的進展。這是一項超越部門之間的實用性基礎工作。近、中期內(nèi)可以開展的專項研究是:適于我國特定技術及熱經(jīng)濟學分析方法研究;能量系統(tǒng)

17、的熱經(jīng)濟學結構模式的研究;能量系統(tǒng)的熱經(jīng)濟學決策模型與專家決策支持系統(tǒng)的研究等。更長遠的方向，則是在能源、經(jīng)濟、環(huán)境、社會等方面形成的大體系中尋求更深刻的優(yōu)化內(nèi)容。非平衡熱力學在工程應用上是大有可為的。特別是有多種不可逆因素同時存在的復雜熱過程，任何以研究單一不可逆現(xiàn)象為主的學科如傳熱學、傳質(zhì)學、化學動力學、流體力學等無法解決的問題在非平衡熱力學過程的統(tǒng)一理論指導下卻能較為容易地獲得解決。研究多因素禍合的復雜不可逆過程的交互作用正是非平衡熱力學優(yōu)勢之所在，也是工程上普遍存在和常見的問題。為此，我國將出現(xiàn)“工程非平衡態(tài)熱動力學”，強調(diào)“工程”和“動力學”兩個方面，這是前所未有的。它的目的是研究工

18、程中出現(xiàn)的非平衡熱動力學過程中一些共通性的問題和處理的共通性方法?？偨Y出具有普遍意義的工程問題分析方法和理論，從而建立起一個非平衡熱動力學學科體系。為完善這門學科，理論研究涉及的間題較多，甚至連一些最基本的例如如何建立一個可靠、方便、實用而具有普適性的非平衡態(tài)熱力學理論一直是人們關注的課題。以固體系統(tǒng)作為研究對象的不可逆過程熱力學近年來成為一個熱門課題。它主要涉及固體材料在產(chǎn)生塑性變形時結構方程的建立。近年來非平衡熱力學及耗散結構理論，使某些哲學概念在人文科學、社會科學等方面得到應用和關注，它使這門學科向更新的領域拓展。非平衡熱力學在生物熱物理方面的研究和生命過程中的應用是世人所矚目的。人體并

19、不是熱力發(fā)動機，而是“化學發(fā)動機”，它類似于燃料電池的工作。生物體是典型的開口非平衡體系;生命過程包含了各種不同層次的復雜過程;在每一層次上都有大量不可逆的過程互相藕合進行著要弄清這些復雜過程的規(guī)律，機理性研究與宏觀的、唯象卯方法如控制論和熱力學有著同樣重要的作用。細分起來可以歸納為以下四個方面:非平衡熱力學在生態(tài)學中的應用;非平衡熱力學在生物能力學中的應用;非平衡熱力學在個體發(fā)育學中的應用;非平衡熱力學與中醫(yī)學結合的可能性。用嫡參數(shù)作為衡量人體健康狀態(tài)的指標，用嫡的積累來解釋中醫(yī)學所說的“中暑”、“內(nèi)熱”、“癖積”等概念是很貼切的，例如已提到了“嫡病”的說法。工程熱力學的應用，近、中期當務之

20、急又容易見效的當屬余熱利用。這方面的工作有以下幾方面:首先是余熱利用中宏觀指導和軟科學的研究。其中包括:有實用價值的余熱資源量計算、統(tǒng)計和規(guī)劃;余熱利用總能系統(tǒng)的研究。以上這兩個方面要會同部門和地區(qū)作余熱資源統(tǒng)計及建立評價準則。研究分析不同工業(yè)部門、企業(yè)有代表性的余熱利用總能系統(tǒng)，結合生產(chǎn)工藝、原料來源等條件，進行總能系統(tǒng)優(yōu)化的計算機模擬研究，確定余熱回收方法和設備的研制。其次是高溫氣體余熱回收技術的研制:以高溫陶瓷為材料的各種換熱器，流態(tài)化床換熱器，以及強化傳熱表面的金屬管換熱器等。用于高溫爐渣、溶渣與高溫載熱體顯熱的回收技術也是有意義的課題。再次，中、低溫余熱回收的研究包括有低沸點工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，熱水透平，全流發(fā)電系統(tǒng)和兩相流膨脹