对热力系统设计专业大挑战

介绍

热系统一直是我们社会的一个组成部分的主要方式为人们的日常生活提供能源和工业活动。热系统能源基础设施的核心,因为生成、分布、复苏,能源利用率和存储相关的转换、交换或热的热量转移到另一种形式的能量。连续的和专用的努力已经从工业和学术社区发展的材料、组件、设备、流程和系统热能技术,而社会和工业的重要性在热系统已经完全承认,及其经济效益被广泛赞赏的一代一代。

与科学成果的提高热力学效率和经济的热系统,人们却很少关注可持续一代和热能的利用率。认识全球气候变化及其对社会的负面影响导致我们将专注于零能源技术及其实现的发展我们的工业和地区热系统。政策的引入切割有限公司₂实现零排放和广泛的承诺到2050年从不同的国家和企业清楚地展示的重要性和紧迫性加快转变传统的热系统可持续发展。然而,它不是简单的在实践中实现快速过渡到无碳热系统。在过去的几个世纪,化石燃料的热能转化为发电能源发挥了主要作用,以及工业和国内能源系统配备了设备的利用率和单位优化从化石燃料燃烧热。清洁能源,例如生物质可再生能源,氢,等有不同的热力学性质和热物理行为,通常需要根本性的变化从材料系统集成现有的化石燃料为基础的技术。零能源技术的同时,大多数都不是技术上成熟的现成的终端用户或不够经济可行的化石燃料技术的竞争。

为了应对这些困难和缺点与零技术的引入,各种研发活动应实现节能且经济有效的利用可再生能源。当新材料合成或设备基本上是零热系统升级、技术进步等制成的发展战略应该集成到现有的能源系统或演化提出新的路径为未来可持续利用的热能。另一方面,科学的努力这些天零能源技术的发展在一个多学科、多尺度的方式,包括各种学科的自然科学和工程从量子和分子模拟流程设计和系统集成、要求multi-physics造型从量子尺度到宏观尺度。在目前的多样和复杂的研究环境,”设计“变得更加重要和必要的纪律比以前热系统的开发技术,随着热系统应该是“设计“整体选择最合适的单位,以确定最优的系统配置和满足多个目标,目标最大能源效率在最小成本支出的最安全的工作条件和环境排放。

热系统的有效和系统的设计不仅是必要提供系统技术解决方案为克服科学挑战,但也提出可持续发展的指导方针,进一步研发行为需要从科学社区。本文中,首先,探讨在面临重大挑战和行动进行热系统,实现零,然后,紧随其后的是强调科学的角色塑造未来的热系统的设计和它的重要性。

热系统零能源组合

传统的热系统主要涉及热化学反应直接将化石燃料转化为能源,或其他间接产品用于发电。主要产品从燃料的热能转化是热是工业生产的主要能源和国内的应用程序。直接供给的热量并不总是实用或经济,和热量的传递距离广泛实践。热量的传递通常是由能源载体的援助,主要是蒸汽和电力。热蒸汽要求转换各种配套设施,例如,治疗锅炉给水,蒸汽用户的分布,蒸汽冷凝水的管理,等等,规模经济是选择蒸汽底驱加热系统的重要问题。电力的使用使得它相对容易分发和传输到远程终端用户和一个简单的机械配置可能维持,而蒸汽底驱系统。然而,热电联产的蒸汽和电力是常见的,这是一个节能的方式在实践中利用可用的热量。大范围的组件,然后用来利用设备或单元,交换,或恢复热能转换成另一种形式的能量。深入的知识和丰富的数据库创建、设计、操作和集成的热系统已经积累了很长一段时间。

为了应对气候变化,快速转变为热能的脱碳系统是迫切要求。这可以用各种方式来实现:适应新的生产能源技术基于可再生能源,例如,太阳能和风能,用carbon-less或零排放能源代替化石燃料,例如,电气化、氢和生物质能源,以脱碳方式或使用化石燃料,例如,CCUS(碳捕集、利用与封存)。除了这些措施,国际能源机构(2021)也代表了一个两个元素脱碳通路的行为变化和能源效率。这些变化需要的基本转换当前能源产生的机制及其在热利用系统、热力系统的设计也带来了相当大的挑战。

热力系统设计:复杂的挑战

知识的热系统设计已基本建立了通过调查系统性能和操作特征集中系统的稳定域,而相当也一直注意能源系统及其控制的动态行为。一些通用的设计方法支持工程师的决定是现成的和行之有效的提高能源效率的热系统在稳态条件下。Thermodynamic-based工具,通常情况下,基于图形表示的数量和质量,可用热或其潜力,已经被开发出来,例如,减少系统能耗使用能源复合曲线(史密斯,2016),热回收网络设计使用能源压力的概念(坎普和Lim, 2020),最大限度地提高工作蒸汽复苏借助网站配置文件(太阳et al ., 2015)。Mathematic-aided工具提出了处理大型设计问题有复杂的目标或多个约束条件,例如,减少不可逆性的能源系统(火用)分析(Dincer罗森,2020热系统与上层建筑)和优化配置方法(Aguilar et al ., 2007)。

由于快速增长的贡献从太阳能和风能在能源领域(IRENA 2021),热系统正在进化适应能力更强,强大的能源效率和成本效益的前提下在间歇性的能源供应和热能的时间最终用途。这需要一个转变我们的设计活动从传统的热系统的稳态评估时间和sequence-oriented造型,零热系统的模拟和分析。节能的使用存储的热量及其re-utilization时滞的方式设计的复杂性大大增加,因为恢复的最合适的方法,存储和重用提供热量应确定维护高性能热系统通过系统调查同时多个单位。

技术进步在热系统通常是由多功能材料的引入,不同的杂交技术,增加新的节能热管理子系统或脱碳导致复杂的系统配置和操作控制。

开发新的上下文中的热系统,这将是宝贵的对科学家和工程师管理系统的设计方法设计有效零热系统的复杂性,从而支持组合决策以及帮助获得概念的见解为复杂的热力系统和设计指导方针。然而,更通用的开发和系统设计方法仅和动态操作条件下非常有限,主要是由于数值复杂性相关动力学方程及其计算,以及系统的复杂性与多层次集成。这样开发屏幕允许范围广泛的零设计选择及其技术经济评价的影响,与零热力系统的优化设计可以系统地确定了信心,一起操作条件的战略选择。

热力系统设计的挑战:扩大和系统开发

提出了多种设计选项,相比之下,在整个生命周期评估和修改的过程开发直到完成热系统的工艺流程图和相应的质量和能量平衡决定。设计选择的考虑是在迭代和互动方式与过程开发的所有阶段,包括实验室实验,实验台测试,试验工厂测试和演示。这种互动是非常重要的,以确保系统的完整性和技术可行性。

构造原型或试验工厂和耗时的测试执行,不可避免地需要相当长的时间过程和系统开发的行业,例如,8年从最初的想法到化工行业(商业规模生产沃格尔,2005)。尽管综合管理过程开发活动可以减少总的持续时间,系统开发时间的最小化可能并不简单,因为在热物理的数据不可用,系统扩大和不完整的过程中不确定性的知识。模块化设计的单位可能是一个选项来增加生产规模或能力在某种程度上,这种灵活性权衡通过规模经济与经济效益的关系。

活跃、迅速和彻底实现零技术在我们的社会中是必要的,以满足我们的目标的零雄心壮志,到2050年,减少开发时间的零热系统尽可能几乎下降将是高度期望。在各个方面可以支持过程开发计算机辅助设计和高性能计算。计算化学被广泛用于计算结构、属性和相互作用的分子,它允许识别小说化学物质或材料,或预测化学现象或物理属性。基于分子动力学计算机辅助材料设计,机器学习技术,等等,了解材料的化学和物理也很有用在原子水平,支持功能材料的开发,发现tailored-made小说的材料。这些发展,相当多的时间和精力要求收集热力学和物理性质,或寻找创新的新一代能源材料,可以大大节省。

热系统的设计包括材料或组件或单位的选择,选择最合适的配置和足够的决心子系统之间的集成,以及经济收益和实用性之间的战略平衡。因此,开发新的热系统本身就涉及了大量的有前途的设计的调查选项,它不仅要求资源也是时间。计算机辅助工艺设计可以发挥重要作用有助于减少开发时间。组合决策可以由数学优化系统的辅助,可以执行复杂的经济和/或环境权衡为主要设计变量和建议最佳的系统结构和操作条件,考虑约束和实际的限制。重复性实验和耗时的手工试点测试需要在系统开发阶段可以有效地减少援助的理论计算和仿真。

相信科学进步的热系统自动化设计工具将集中的重要研究领域之一,因为这样的发展使我们能够充分理解零热能的可持续效益和显著提高零热量的吸收技术行业和社区。

热力系统设计的挑战:氢和电气化

化石燃料是一个主要玩家在电力和能源行业。由于威胁有关气候变化和迫切需要的清洁能源,可再生电力预计将电力行业的主要贡献者和氢被认为是未来的主要能源运营商之一。传统的热系统主要是基于化石燃料的燃烧产生的热量,进一步利用发电。例如,热系统在制造业通常包括蒸汽锅炉、燃气轮机和基于化石燃料的炉子,然后蒸汽和电力是分布式和各单位的服务工厂。

氢燃料从化石燃料转向可再生电力需要当前热系统的巨大转变。现有的燃烧和热能技术应该适应适应热生成氢的燃烧或促进氢燃料能源的利用率。伟大的护理应给予更换燃烧发电供热与electricity-based相比一个在工业生产,因为生产严重与供热,此外,热量的供应或生产系统的恢复是一个内置的元素。

非常积极的参与各种行业实施电气化已经观察到,包括水泥、钢铁、炼油、化工、等一系列的电动技术,例如,电极锅炉、电加热器¹和热泵。尽管一系列燃料切换技术和工业电气化trl高(技术准备水平)和可供商业应用,仍然需要大量的“设计”工作为工业实现(元素能量&雅各布斯,2018)。引入公共取暖和电气化行业不仅影响个人能量平衡为单位的水平,而且燃料平衡和公用事业管理整个系统,这就需要确定最经济的组合对低碳技术路线或选项。作为最优解决方案为一体的氢能源和电气加热很可能非常依赖于应用程序的作用,科学需要提高我们的技能和专才在系统设计中显然是必要的热系统的开发技术。

结束语

气候变化需要紧急行动,零热技术的发展有重大影响,对建设低碳社会的贡献。关键技术挑战是面临在学术和工业社区的热系统设计进行了讨论,作者想把视为机遇而非困难。的“热力系统设计”部分“热能工程前沿”发布的所有方面的原始理论和严谨的研究结果为雷竞技rebat热系统流程设计和系统集成。“设计“热系统代表了创造性行为定义的类型和特性的热能产品或过程的形式,可以系统地、有效地支持科学决策和工程判断为热系统实现可持续的解决方案。因此,相信这种“热系统设计”部分提供创新性的贡献至关重要的知识和在热管理和工程带来新的突破。同时,本节将发挥关键作用提供一个令人兴奋的论坛,我们的研究人员和工程师通过共享创新、研究、开发和示范的热系统设计。

作者的贡献

作者证实了这项工作的唯一贡献者和已批准出版。

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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脚注

¹带电加热包括感应加热、电弧加热、红外加热、等离子体加热、微波加热和电阻加热。

引用