工程热物理与能源利用学科国内外研究现状与发展趋势

工程热物理与能源利用学科国内外研究现状与发展趋势

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一．工程热物理与能源利用学科概论

工程热物理与能源利用学科是研究能量以热和功为主以及其他更多能量形式在转化、传递中的基本规律及利用技术的基础科学，主要包括工程热力学、内流体力学、传热传质学、燃烧学、多相流、热物理量测技术基础、可再生能源利用中的热物理问题，以及与工程热物理与能源利用学科领域交叉的相关问题。它的科学原理和技术进步是动力机械设计制造和运行调控的依据，广泛地适用于国民经济各个领域，标志着一个国家科技和经济发展的水平。

能源、材料、信息是当代国民经济发展的三大支柱，能源的开发和合理利用是整个社会发展的源泉和战略依据。标志和决定着一个国家的竞争实力和综合国力。

近百年来，几乎每次能源动力方面的突破，都带来了生产力的变革和飞越，蒸汽机的问世，开创了人类近代文明发展的新时代；内燃机、蒸汽轮机的出现和发展又为电气化、机械化的现代社会进步创造了条件；涡轮发动机和火箭发动机的发展，则为高速航空航天年代奠定了基础；核能的利用为人类开拓了利用能源的新的前景。能源与人类的生存与发展密切相关。

二．工程热物理与能源利用研究现状

在工程热力学领域，从20世纪50年代开始，形成了诸如“非平衡态热力学”“不可逆过程热力学”“扩展不可逆热力学”“理论热力学”等不同的学派。其中非平衡态热力学的应用最为广泛，特别是在化学、物理化学过程和生物学、生化系统中的应用更令人瞩目。

随着高新技术的发展，微尺度热现象日益成为热科学中的一个研究热点。微尺度包括微空间尺度、微时间尺度及微结构。在微尺度下惯用的介质连续性假定

可能不再成立。建立在此假定基础上的相关理论存在疑问，这就迫使人们回到对物质世界最基本的认识和模型上，即回归到由分子、原子、电子等微粒组成的离散系统行为上，于是分子模拟法应运而生，而计算机科学的发展为这一方法提供了有力的支撑，使之一迅速发展。

在学科交叉与领域渗透的层面，以燃料化学能梯级利用为突破口，探索研究能源动力系统中能的综合梯级利用和CO

2

控制原理与方法。针对能源动力系统能量利用效率低和环境污染严重的难题，以化工动力多联产系统、太阳能热化学利

用系统、减排CO

2的能源动力系统为对象，研究能的综合梯级利用和CO

2

控制原

理及其方法，构建可持续发展的能源动力系统，推动工程热物理学科交叉发展，满足我国节能减排的重大需求。

三．工程热物理与能源利用学科的发展趋势

对于工程热力学的研究，世界能源科学技术研究正趋向于取代20世纪传统热力循环，将在能源和环境科技方面带来革命性突破。例如，美国能源部启动了21世纪远景计划、煤的转化利用总能系统（发电、氢分离、生产化工产品多联和分离回收CO

2

等）、洁净煤技术（CCT）计划、先进发电系统和先进透平动力系统（ATS）等。美国在洁净煤技术方面资助的重点是先进的发电系统及与发电有关的污染控制技术，前三轮主要针对缓解酸雨的技术；第四轮与第五轮主要考虑以

后的能源供应形势与需求，重视控制CO

2排放，要求把CO

2

排放量控制在1990年

水平，而电力需求又不断增加，必然要求煤炭的利用效率更高，SO

x 、NO

x

、CO

2

等

排放更少。预计到2050年，新系统的CO

2

等有害物将实现准零排放、燃煤发电效

率达到60%,以及天然气发电效率达75%。

欧共体推出的未来能源计划重点是促进欧洲能源利用新技术的开发，增加生物质能源和其他可再生能源的利用，减少对石油的依赖和煤炭造成的环境污染，改善能源转换和利用的研究开发中，优先考虑减少污染排放及提高能源转换和利用效率。正在研究开发的有：整体煤气化联合循环发电、煤与生物质及废弃物联合气化（或燃烧）、固体燃料气化燃料电池联合循环、循环硫化床燃烧、基于生

物质能利用的负CO

2

排放等。

日本新能源综合开发机构（NEDO）的新日光计划中，开展了新能源释放方式

的研究，如新型高温空气燃烧方式，具有O

2/CO

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燃烧的动力循环等，以达到同时

解决能源和环境问题的目的；发展氢能的世界能源网络项目，包括氢的制造（电解、太阳能热化学制氢），氢的储运，氢的转化和利用（燃料电池汽车及发电、氢氧联合循环）三个部分；也开展“煤气化联合循环动力系统”和“煤气化制氢”等研究，目的在于提高效率，降低废气排放，如超临界蒸汽循环、流化床燃烧及煤气化联合循环发电、煤气化燃料电池联合发电技术、烟道气的脱硫的脱氮等。值得注意的是，政府资助的资金，正大量从煤的高效转换研究转移到全球温室效应方面的研究。

研发和推广低碳能源技术，构建高效洁净的能源动力系统开辟构建高效、洁净的新型煤炭利用技术能源动力系统是工程热力学与能源利用学科的重要发展方向，其中化工-动力多联产系统以及分布式供能系统能够大幅度改善能源系统的节能与环保性能，具有非常好的发展前景，是学科发展的热点。大力发展风能等可再生能源风力发电是当今新能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式。

特别值得注意的是，工程热物理研究已不只是停留在宏观问题的层面，也在向微观领域进发。如今，各种微动力装置和热设备应运而生，微、纳尺度下特有的种种现象提出了一系列有趣的研究课题，这将是工程热物理学科发展的一个崭新的方向，也是其今后蓬勃发展的一个重要方向。

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