场大挑战热工程

介绍

根据韦氏字典(《韦氏大词典》2022),“热”这个词意味着有关或由热或温度变化引起的,或者是涉及物质状态依赖于温度;“工程”一词意味着科学和数学的应用程序的属性的物质和能源在自然界是有用的人通过设计、制造、和使用复杂的产品。因此,热能工程处理的运输和利用热能(通常称为热在日常语言)的设计、制造和使用的产品。在热力学(Cengel和马,2006年)、热能代表了能源存储或包含在一个系统(或问题)在显微镜下混乱的方式,而热表示之间的能量转移系统显微镜下混乱的方式。由于系统可以以任意方式选择适合分析不同的分析师,在日常语言中热能和热常常混合在一个可互换的时尚。

热或传热可以通过媒介或出现真空。它可以通过媒介有或没有发生宏观上可观察到的运动,通常被称为对流和传导。在真空热辐射能最有效地传播,但也有可能通过一个媒介,可能是固体或气体。此外,热量可以转让,有或没有化学反应在转移过程中,或其他形式的能量,如化工、机械、电气、等等。因此,热能工程多学科,涉及流体流动、传热传质、化学反应、传热媒介出现的属性。

的数量和方向传热由热力学。热力学第一定律,能量可以被转移或转化成另一种形式的能源,但能源的总量保持不变(即。、守恒),而热力学第二定律决定的方向从温度较高系统传热(或地区)到一个较低的温度,和质量的能量是在能量转换过程中退化。退化的能量(通常称为浪费能源,通常以热的形式)是扔进我们的环境,造成环境破坏如果超过弹性极限的环境。对环境的影响引起的浪费能源倾销可以展示在许多不同的形式,如当地和全球气候变化等全球环境变化引起的温室气体排放和污染的空气、水、和土壤化学污染物的排放。

利用热,最早的账户或火,追溯到几千年前,当烹饪的食物把人类从动物,一大步在人类文明的发展和演化。做饭和取暖使用生物质作为燃料的主要应用程序持续数千年,直到工业革命蒸汽机的发明在1800年代。事实上,早在第一世纪,英雄的引擎发明见图1(IAPWS 1997),被认为是第一个记录的蒸汽机,虽然没有实际权力的来源,而不是直接前任蒸汽机的工业时代。自工业革命以来,各种各样的发电设备,分为热引擎,提供社会和经济发展的能源和电力的人类社会。常见的热引擎是需要源和水槽的温度,这引擎操作之间热量从源头转移到引擎,引擎将一部分热量转化为有用的电力设备,如机车,陆地车辆,海上船只和飞机,其余的热量被拒绝的下沉。的热量来源通常来自碳氢化合物燃料的燃烧,从而发生引擎之外的所谓的外部燃烧引擎,引擎本身内部所谓的内燃机。废热被拒绝的水池通常是我们的环境,和热拒绝通常被实现通过热交换器的环境空气或河流/湖泊/海洋,或通过排气燃烧产品的环境。热力学第二定律的第一个规则的连续操作热引擎只有一个热源,或完成转换的热量从源头到有用的工作。这表明废热拒绝对我们的环境从热引擎的操作是不可避免的,在能量转换过程的效率低于100%。

第一次重大的环境退化由于排放碳氢化合物燃料的燃烧所产生的烟雾的伦敦,发生在1952年12月的严重的空气污染主要是由于燃烧煤(石头,2002)。烟瘾污染非常有毒,成千上万的人死亡,据报道,甚至窒息死牛在地里;能见度这么多路,空中,铁路运输也被带入了一个虚拟的停滞状态。这种“大城市”是人类文明的一个转折点,它明确表示,使用化石燃料的燃烧和仍然是一把双刃剑。空气污染严重的烟雾已经被公认为全球主要大城市,从洛杉矶到北京、新德里和墨西哥城。的识别有毒化学污染物对环境和人类和动物的健康一直延伸到温室气体排放引起全球气候变化的更深远的影响(联合国政府间气候变化专门委员会,2022),和全球行动的脱碳能源部门一直在大量增加,进入一个新时代的可持续清洁能源系统(联合国环境规划署,2022年),包括可再生能源和氢燃料电池。《柳叶刀》杂志上的污染和卫生委员会(兰德里根et al ., 2018)报道,“污染是最大的环境引起的疾病和过早死亡在今天的世界。疾病造成的污染负责在2015年估计有900万人过早死亡,16%的死亡worldwide-three倍的死亡人数比艾滋病、肺结核,和疟疾和15倍从所有的战争和其他形式的暴力。与污染有关的疾病在影响最严重的国家,在四个负责一个以上的死亡。“严重后果与化石燃料的燃烧是公认的,它必须处理我们的文明的可持续发展。根据最近由世界气象组织协调多部门报告,美国在科学(世界气象组织,2022年),大气中的温室气体(GHG)浓度达到历史新高,来自化石燃料燃烧排放的温室气体量超过了大流行前的水平,和国家2030年的减排承诺降低温室气体排放不足,和需要高四倍将全球变暖限制在2°C到本世纪末,和7倍才能顺利1.5°C,巴黎的目标协议(联合国,2015年)。最近的一项研究(麦凯et al ., 2022)表示,“即使是巴黎协议将变暖限制在低于2°C的目标,最好是1.5°C是不安全”,因为这可能会跨越多个气候引爆点;即使全球变暖1°C,已经通过了一个阈值,将世界置于危险境地,通过触发一些气候引爆点,导致愈演愈烈的全球气候的变化。这进一步表明温室气体减排的紧迫性和必要性的快速过渡到可持续的清洁能源系统。

我自己的职业生涯和能源研究的兴趣可以追溯到1978年的秋天,当我考入天津大学本科学习,主修内燃机。天津大学是中国第一所西式大学,和内燃机主要在前全国以及internationally-this主要是机械工程部门的一部分我承认的时候,后来搬到工程热物理学部门更名为热能工程部门。西北大学完成我的硕士和博士学位后,伊利诺斯州埃文斯顿美国,专注于液体燃料雾化喷雾剂,同时也参与许多项目处理流体流动、传热、燃烧,我搬到了加拿大。1992年1月,我开始了自己的学术生涯维多利亚大学的画展,在温哥华,温哥华附近。同时,我是一个大的研究团队致力于大型燃料电池项目由巴拉德动力系统公司,先锋在现代燃料电池技术(多嘴的人,1990)。水和热管理保持关键问题的扩大和设计为商业应用燃料电池。的后果产生从2008 - 2010年汽车工业危机应对气候变化的一种手段,流动性和电池动力汽车流行的电气化,机会出现为我们研究小组合作与汽车行业特征和各种电池的热管理,特别是在预防电池热失控的火灾隐患。

巨大的变化,技术和态度,我开始我的学术生涯以来发生了在能源领域,特别是热工程。重点是提高能量转换效率,减少化学和温室气体排放,即使这意味着牺牲在能源效率、脱碳和电气化使用可再生能源,以及能量的存储形式的电气、化学、电化学、涉及电池和氢燃料电池等,等等。重大技术进步范围从基本的能源材料,收获的新设备和系统的自然可再生能源资源,如太阳能、风能、水能、生物质能、地热、海洋波,等。电力的成本由太阳能光伏电池板和风力涡轮机已经急剧下降,已经成为比传统火力发电厂产生的电力成本,使绿色电力的可能性电气化的流动性和加热/冷却领域,例如。已取得巨大的技术经济进展,继续实现,通过先进的材料、最优工程设计和自动卷制造、复杂的工艺技术,先进的实时监控,传感、诊断和预后的设备和方法,在不同尺度和强大的计算机建模和模拟,从分子动力学模拟在纳米尺度上,晶格Boltzman方法在微尺度的计算流体动力学(CFD)在宏观尺度的分析。从能量转换的角度和电力生产,大量的研究主要集中在开发和使用低碳燃料如天然气、生物质等碳中性燃料,生物燃料和合成燃料,和无碳燃料包括氢和氨;先进能源转化技术和设备,如氢燃料电池和内燃机和燃气轮机燃烧低收入和无碳燃料以及无碳燃料;碳捕集、利用与封存(CCUS),等等。

意见丰富关于能源技术的未来发展方向,和没有能源技术是完美的热力学第二定律的结果,所有流程涉及能源退化和能量损失,影响我们的环境在不同但不宜礼仪。对话、辩论和有效的能源政策制定者之间的通信,工业和学术界将有助于更好地理解复杂的能源和能源方面转变,更好的塑造未来的发展方向;最重要的是,它将有助于更好地应对挑战伴随能源使用经济、环境和社会。如前所述,所有流程将涉及能源退化成废热,因此所有能量流程涉及热生成和转移,或热能工程的范围。

热能工程是先天在机械工程,但这是真正的多学科,涉及物理、化学、事项和材料以及他们的财产变化,材料科学与工程、化学工程、电气与电子工程,过程工程和数学建模等。例如,瓶颈IC(集成电路)芯片的小型化是如何设计这样的芯片与有效的转移或耗散所产生的巨大热量在一个非常小的规模。因此,管理日报,有必要把它分成部分,和它们之间肯定会有重叠。雷竞技rebat热能工程前沿寻求成为总理杂志覆盖齐全相关的主题在热科学和工程领域,包括基础和应用基础研究,行业的工程和技术开发。一个强大的重点是应用方面相关的设计、开发、演示和组件的实现,设备,设备,技术,和系统涉及热过程的生产、传输、存储、利用、保护和管理的能源和提高能源效率和减少能源消耗。《华尔街日报》尤其关注的是寻址技术进步这支持联合国可持续发展目标(西班牙)^#7:获得负担得起的、可靠的、可持续的,和现代能源;和西班牙# 13:紧急行动应对气候变化及其影响,通过科学知识传播和沟通,有效的发现和技术创新。这时,以下部分覆盖着更多的介绍是他们成熟。

冷却和加热的发展

冷却和加热(或加热)建立环境直接关系到人类的舒适和生活质量水平。加热也是必不可少的许多工业流程,包括钢铁,石化,化学。结合、加热占据了全球近一半的最终能源消耗(国际能源署,2021),空间和水加热占全球能源消费的40%以上,相关的温室气体排放(国际能源署,2021),因为加热的需求主要是通过燃烧化石燃料。因此,加热的脱碳是必须实现的目标零到2050年温室气体排放;和无碳加热的路径包括与可再生电力电气化通过热泵空调、碳中性和无碳燃料的使用。因此,“冷却和加热的发展”部分将集中在基础和应用研究涉及制冷、热泵、热管理、空调和湿度测定法,环保制冷剂,废热回收和利用,以及利用单相或相变材料蓄热。重点是新的和新兴技术以及重大改进现有技术。传热传质方面的相关的冷却和加热也是本节不可分离的部分。

燃烧工程

燃烧也许是最古老的人类文明依靠科学技术,也可能是在最不发达的学科,因为它涉及许多学科,包括化学热力学、化学动力学、流体流动、热量和质量输运,催化等。改善燃烧现象的理解需要他人的发展和成熟。火已经使用了数千年,但现代的理解燃烧现象始于18世纪安托万的开创性工作(扬特2008),因为他发现了氧气在燃烧中所起的作用,和他认识和命名的氧氢(1778)和(1783)。蒸汽机的发展与外部燃烧导致了工业革命,内燃机的发明导致了经济上重要的汽车工业。同样,商业航空发芽与燃气涡轮发动机,与火箭发动机和太空时代开始。今天绝对多数的能源需求仍在通过含碳燃料的燃烧,负责全球温室气体排放的87% (里奇et al ., 2020)。这需要的理解机制中的化学污染物的生成反应区,和低排放和零排放的发展燃烧设备和系统。“燃烧工程”部分将重点关注multi-physics和多尺度燃烧现象的理解,运用先进的理论、实验和数值技术;的发展模式不同的复杂性和精度设计和操作各种燃烧设备和系统;安全、高效燃烧设备的适应性和系统使用碳中性和无碳燃料包括零排放应用程序最重要的是氢和氨;oxy-combustion技术的发展促进碳捕集、利用与封存;生成的各种有机废物流的能量稳定物价每天循环经济;和绿化的发电和推进系统对于移动应用程序,从地面运输、水面舰艇、航空和太空旅行。重点也在创新化学能量转换过程,更好地整合热解、气化、燃烧和热液过程,和杂交的过程包括热化学与电化学转换,转换solar-thermal-chemical系统(如太阳能燃料),浪费能源和能量载体系统,核能源氢系统,等等。本节的主要目的是为了存档改进的理解,和跨学科综合新设计方法和系统的燃烧减少到零排放,减缓气候变化。

热引擎

热机的热量来自燃料的燃烧与空气在一个较高的温度₁,并将热量的一部分转化为有用的工作(通常是权力的形式),而拒绝低温余热,周围的T₂,因此它也通常被称为2 t引擎。燃烧过程可以发生在所谓的引擎本身的外外部燃烧引擎,如汽轮机和英雄的引擎所示图1;对内燃机燃烧发生在引擎本身,如汽油和柴油发动机也涉及活塞向后和向前移动,因此也被称为往复式发动机。发动机内部的工作流体,吸收并拒绝的热量可以保持在一个气相,如汽油和柴油发动机和燃气涡轮机,它也可以改变阶段之间的液体和蒸汽阶段,比如在汽轮机和有机郎肯循环(兽人)。也可以将热量从高温源在T₁成有用的工作,如电能、没有任何运动部件在热电发电机,而拒绝余热较低温度T来源₂。

的最大能源效率将热量转化为为卡诺热机有限的工作效率如下:

因此,可能的方法来提高发动机效率是提高高温T₁和更低的温度较低₂。然而,高温材料引擎是有限的建设、发展与高温材料公差或发动机表面涂层隔热层,以防止热穿透到发动机零件两种可能的材料研究。较低温度₂有限的周围环境,如大气的温度,或河流/湖泊/海水的余热将被拒绝。在现实中,燃烧的碳氢燃料在空气中可以产生T₁在2200 K的顺序,而环境温度T₂在300 K的顺序,因此,卡诺效率可高达86%以上。实际热机通常低于一半的这卡诺效率由于热火输给了发动机冷却液来维持发动机部分温度和足够的机械强度,温度和热排气流中包含。因此,恢复和利用的余热冷却、排气流是一种有效的方法来提高实际热机效率。

历史上第一个现代内燃机的发明早在1804年由艾萨克·德·Rivaz专利授予1807年1月30日在巴黎(专利号731);他做“世界上第一个内燃机驱动的汽车”在1808年(2001年全译本),)。他的内燃机与电点火氢作为燃料使用。然而,今天的支柱内燃机使用汽油油作为燃料,和液体燃料通常是通过一个雾化器注入燃烧室驱散的液体燃料成小液滴蒸发很快形成可燃燃料燃烧之前vapor-air混合物。燃油喷射和空气管理是重要的发动机性能和排放在燃烧过程中形成。后处理系统是重要的减少尾气的排放法规规定的可接受的水平。为了满足零排放目标,碳中和燃料生物和合成燃料和氢和氨等无碳燃料被认为是替代燃料。然而,由于燃料的物理和化学性质的变化,全新设计的引擎需要修改或优化其性能和操作。例如,生物燃料通常有较高的粘度和表面张力,导致雾化困难,燃油喷射和燃烧过程中重大的改变是必需的。此外,无碳燃料的氢,一种电化学能量转换方法通过燃料电池与重大技术进步获得动力(多嘴的人,1990;李,2006),而不是燃烧氢发动机设计和操作带来了许多挑战。

传热机制和应用程序

热可以转移在很多礼仪,主要分为传导传热时主要是由于微观粒子的随机运动,热量传递的媒介;对流热转移时主要是由于宏观上可观察到的流体运动;和热辐射热传播电磁波的形式。这个分类可能会产生误导,因为在实际应用中所有这三种传热方式有可能同时发生,通常被称为传热模式相结合,和之间的交互模式,容易让现象和分析复杂和挑战性。例如,大气运动加上洋流和吸收、反射、辐射和传播从太阳和地球使挑战当地天气的准确预测超出5天,和全球气候变化。

热辐射也是独一无二的,它可以通过传播介质(固体、液体或气体)或没有介质(真空)和波长的依赖。thermos-economic分析,(火用)或(火用)效率通常是用作热系统性能指标(Dincer罗森,2007)。(火用)的传导和对流传热可以很容易地表达的热量转移和传热的温度发生在系统及其参考环境,和(火用)的辐射也以类似的方式处理(Petela 1964;Candau 2003)。从(火用)代表了系统包含有用的能量可以转化成工作,由于太阳能光伏电池可以将太阳辐射与合适的波长转换为电能,这也意味着热辐射的(火用)是波长的依赖(罗德里格斯et al ., 2022)。辐射传热分析进一步挑战源自其传播通过吸收、反射和传输介质,还包括其他传热模式。因此,本节主要集中在基础研究和应用研究在辐射传热和组合的各个方面,和研究有关的现象和过程包括热传导、对流和辐射传输的最一般情况下半透明分散不同性质的媒体。

微纳米传热

传统的传热,到目前为止,在这篇文章中所讨论的,包括热能的转移时,连续介质假设是有效的;和它与能量守恒耦合建模与傅立叶定律传导。另一方面,当发生热传递的距离相当或比特征长度尺度短(平均自由路径长度)的系统或/和热传递发生的时间相当或比特征短时间尺度(弛豫时间)系统的连续模型休息因为重要的新现象出现(中场,2007)。通常,微-纳米传热被称为热能量转移的研究连续介质模型分解时,尽管重要的是涉及的相对长度和时间尺度而不是绝对长度尺度。理解在微传热和nano-length尺度具有显著的实际应用,如热管理的电子、光学、光电设备,开发新型微纳米材料和系统,超细材料的热性能和性能评价和现代小型系统,发展新材料具有不同的热传输能量转换和利用的属性。

热科学和能源系统

热科学处理热量和能量,或涉及热能量转换和/或系统的热性能的变化。它的目标是达到最大系统性能和新设备/子系统提高整个系统的性能和安全。显然,这包括热力学和传热考虑物理和化学过程之间的交互。热科学是用在许多实际应用,主要是为发电能源系统和推进有关。因此,“热科学和能源系统”部分重点是新想法,测量技术,和发现领域的传热传质和/或流体,在热能工程和技术领域,包括新能源材料,浪费能源、热能存储技术,能源计量与管理技术,可持续性的能源系统,等。强调低碳环保、减缓气候变化,联合国可持续发展目标。

热系统设计

热系统包括存储和热量的传递,并可以实现蓄热与存储介质的温度变化或没有相变。的过程在很大程度上是由热力学的原理,传热和流体力学。他们出现在一个广泛的实际应用,如制造、材料加工、发电和推进、能量转换、交通和建筑环境控制。热系统的设计需要一个集成的方法,通常是通过开放式的问题和实现设计项目(Jaluria Kulacki, 2018)。设计条件的变化(如流速、入口温度、压力)和组件的几何形状(如长度、形状和配置)对系统性能可以通过建模和仿真分析,以及实验。这个“热系统设计”部分侧重于基础研究和应用科学在所有方面的流程设计和系统集成组件、设备、热能工程相关设备和系统。重点将放在创新、研究、开发和示范计算机辅助过程的热力系统的设计方法和系统分析。

作者的贡献

XL完成这篇文章。

确认

XL感激地承认了加拿大自然科学和工程研究理事会和其他联邦和省级资助机构的坚定的金融支持他的研究多年来他的学术生涯。

的利益冲突

作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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