工程热力学的发展现状

1、工程热力学的新发展摘要 1 9 8 9 年国家自然科学基金工程热力学发展战略研讨会在武汉举 行。同年世界工程热力学年会首次由我国主持在北京举行。 对促进国民经济特 别是能源工程以及相关学科的发展产生了积极的影响。我国在热力学签本理论、 热力学近代发展及热力学应用研究方面， 基本上跟 上了世界发展的步伐。一、学科内涵及拓宽热力学是一门古老而又年轻的学科。热力学在研究各种形式能量之间相互转换以及有关物质结构热物性规律方 面属于理论基础学科。 将热力学原理 （理论热力学 ） 与工程应用相结合形成的两个 分支工程热力学、传热学，属于应用基础学科。热力学是一门具有普遍意义的学科， 它建立在对客观世界的观

2、察和正确概括 上，因此它的逻辑结构使我们有可能预测客观世界的发展变化。 热力学的这一特 征和性质用著名科学家 A l be rt E in stein 在他的著作 P h i lo s op he rSeie n tist 一书中对经典热力学的概括和描述是极其恰当的，他这样写到 : “一种 理论，其前提愈简单，所涉及的事物愈多，其适应范围愈广泛，它给人们的印象 就愈深刻。 因此经典热力学给我们深刻的印象。 它是仅有的具有普遍意义的物理 理论。我确信在其基本概念所适应的范围内，它是绝对不会被推翻的”。经典热力学起源于1 5 9 2年Ga川e o时代。工程热力学的早期历史可追 朔到 1 7 9 8

3、 年 Co u n t Rum f o r d用著名的炮膛试验首次完成功转变为热的定量研究。 V。 M。 Fair e s 则认为中国古代火药的发明应作为人类研究与应 用工程热力学的开端。热力学的重要性在于它的实用性和适用的广泛性。 工程热力学完全是结合人 类的生产实践活动发展起来的。目前工程热力学已从研究平衡体系和可逆过程发展到研究有时空变化的非 平衡体系和不可逆过程， 这一步的跨越不仅拓宽了经典热力学的研究范畴， 而且 与其它学科的交叉又形成了许多新的分支学科， 如热物性学、 热经济学、 生物热 力学、化学热力学、环境热力学等等。在应用上，目前工程热力学的研究主要集中在热力循环、 总能系统

4、的节能技 术和能源管理 （ 如烟分析和热经济学分析 ） 等方面，与其它学科交叉也有许多新领 域方面的研究。二、战略地位及国内外发展现状历史经验说明， 每一次新型动力机械及其热力循环的出现， 都会促进生产水 平、社会进步和科学技术的飞跃发展。 蒸汽机的出现带动了第一次产业革命与资 本主义成长， 也促进了各种科学的发展。 往复式内燃机、 蒸汽机以及与之相应的 奥托循环、狄塞尔循环、朗肯循环的出现和发展为上世纪末本世纪初开始的机械 化电气化的现代文明社会创造了条件 ; 相应地，与之有关的工程热力学各分支和 由其所带动的许多学科也都蓬勃发展起来。 本世纪中叶开始， 燃气轮机、 喷气发 动机、火箭及布雷

5、敦循环等的发展， 则为高速航空与宇航年代奠定了基础， 并为 工程热力学的开拓提供了条件。在军事系统和航天技术中， 发动机、火箭动力、舰艇动力以及为 “星球大战” 而发展的各项新技术也促进了工程热力学的研究。 此外， 各种类型的炉， 如冶金 炉、燃料炉、建材窑炉、石油化工炉等装置 ; 核反应堆各种换热器、制冷设备、 气体分离、液化设备、热泵、空调、通风、供热等工业与民用装置 ; 各种能源系 统，如燃料电池、热电与热离子装置、磁流体发电、太阳能、地热能、海洋能以 及风能等的利用都是工程热力学不断开拓与应用的结果。 当今热力学还涉及到生 物医学领域，如生命维持系统、人造器官等。我国工业的很多领域面临

6、着世界新技术发展的严峻挑战， 国家把调整企业结 构和提高经济效益作为推动技术进步的根本出发点。节能降耗是一个重大课题。 能源是现代人类社会生存和发展的必要条件。 有前地球上常规能源的限度迫使人 类应用工程热力学和其它工程学科如传热传质学、 燃料学、化学动力学、 流体力 学等，研究能源的有效转换与合理使用， 指导热力过程的工程设计。 结合社会科 学和人文科学的需要与制约， 尽可能地提供能源资源和物质资源， 促进人类的发 展与进步。经济的迅速发展和人口的不断增加， 当前潜在的能源危机和生态危机笼罩着 整个地球。 如果与能源生产和消费有关的技术没有根本的变革或提高， 温室效应 得不到有效控制， 臭氧

7、层的减少和热障不消除， 会给人类带来巨大的灾难。 因此 许多科学家呼吁 : 现在已经到了通盘解决能源、环境与经济问题的时候了。从战略发展的高度考虑，工程热力学的理论研究与应用必将在能源、社会、 经济与环境综合的大体系中求得新的拓宽与发展。热力学基本原理和热力循环热力学的几个基本定律奠定了经典热力学的基础并指导着工程实践应用。 但 是经典热力学是以平衡态和可逆过程为模式研究能量转换规律。 在自然界中还大 量存在着非平一 4 1一衡态和不可逆过程， 要用经典热力学的概念和方法进行研 究。早期有ho O n s a g e r于1 9 3 1年发表的“线性热力学”和 M u II er 的“扩展不可

8、逆热力学”。大约到六十年代，线性不可逆热力学理论的创建工作 才算完成。由于这一开拓性的成就翁萨格荣获了 1 9 6 8 年的诺贝尔化学奖。稍 后P r i gog in e所领导的比利时布鲁塞尔学派发展了著名的“耗散结构理论”， 把不可逆过程热力学研究推向了又一个高峰，并荣膺1 9 7 8 年诺贝尔奖。热力学理论发展的一个重要方面是热力过程在非平衡体系。（ 空间上的不均匀性）不可逆过程的性质，涉及时间上的演化问题，从而提出了“有限时间热力 学”。它推出了比可逆界限更接近于实际的性能从而得出过程变化的最佳效果。 有限时间热力学的提出还只有 2 0年的历史，它将与不可逆过程热力学相辅相成。在研究方

9、法上， 统计热力学理论促进了热离子、 热电现象等一类能量直接转 换的新方式的近代发展， 也促进了对工质热物理性质本质的认识。 热动力学理论 也是建立在分析微观粒子群统计性质的基础上， 它的独立途径属于对粒子间相互 作用作动力理论研究，推导出与过程速率有关的迁移性质 （ 如粘度、热传导性、 扩散系数 ）。信息论作为微观方法在热力学中的应用也开始有所发展。在工程热力学与动力机械的发展史上， 热力循环与动力机械理论是在不断地 产生新循环、新工质、新设想的相互带动之下逐步完善的。例如，纯喷气循环发 动机发展为内外涵循环发动机， 大大降低了耗油率， 促使高速民航机的飞快发展 ; 此热力循环加力后又适应军

10、用飞机的需要 ; 目前又朝着组合的变循环发展。热力 循环理论研究即能推动社会生产力的发展，又对相应的科学技术提出新的课题。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Cl 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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。

16、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 as 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

17、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 ;

18、 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

19、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

20、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

21、”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