科學(xué)降低工業(yè)能耗 高效提升能源利用

吳應(yīng)清

20世紀(jì)50—70年代，能源發(fā)展得到重視。從“一五”至“五五”計(jì)劃，國家對(duì)能源工業(yè)發(fā)展作出了具體部署，提出了節(jié)約使用電力、煤炭、石油等號(hào)召。改革開放以來，在不斷加強(qiáng)能源資源利用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)上，我國更加注重能源發(fā)展的質(zhì)量和效率。

當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，我國能源發(fā)展面臨著國內(nèi)外環(huán)境的深刻復(fù)雜變化。隨著工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程不斷加深，工業(yè)能源在能源消費(fèi)中所占的比重大大提高，降低工業(yè)能耗、提高能源利用率一直是國際能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿。

“目前，工業(yè)、交通和建筑是能耗構(gòu)成中占比最大的三個(gè)版塊，我們主要關(guān)注的是工業(yè)過程的能源利用問題，怎樣利用科學(xué)技術(shù)使其達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。”華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授劉偉說。十余年在工程熱物理及能源領(lǐng)域中砥礪前行、攻堅(jiān)克難，他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開展的研究項(xiàng)目“耗散最小化多場(chǎng)協(xié)同對(duì)流傳熱強(qiáng)化理論和方法”榮獲了2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

劉偉

立足國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，開展工業(yè)節(jié)能探索

能源是人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力，而節(jié)能降耗依賴于能源科技的發(fā)展和創(chuàng)新。

歷經(jīng)時(shí)代的更迭，劉偉親眼目睹了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的依賴，他和團(tuán)隊(duì)成員深知，工業(yè)節(jié)能的實(shí)現(xiàn)對(duì)解決工業(yè)乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源問題有著重要的戰(zhàn)略意義。立足于時(shí)代背景以及我國能源現(xiàn)狀，他們?cè)?1世紀(jì)初就開始了在工程熱物理及能源領(lǐng)域的辛苦探索，始終未曾動(dòng)搖。

如要降低工業(yè)能源的消耗？這就不得不提到換熱問題。據(jù)劉偉介紹，換熱設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)流程的關(guān)鍵裝置，廣泛應(yīng)用于電力、動(dòng)力、煉油、化工、鋼鐵、冶金、輕工、制藥、機(jī)械、食品加工以及原子能工業(yè)部門當(dāng)中。工業(yè)過程能量傳遞75%以上依靠對(duì)流傳熱。但是，工業(yè)換熱設(shè)備中流體傳熱與流動(dòng)的協(xié)同強(qiáng)化及設(shè)備內(nèi)部對(duì)流傳熱過程的能耗機(jī)制問題始終未能解決，一直是制約對(duì)流傳熱強(qiáng)化理論和技術(shù)發(fā)展的核心問題，也是導(dǎo)致工業(yè)換熱設(shè)備能效低、功耗高的重大難題。“發(fā)展對(duì)流傳熱強(qiáng)化的理論和技術(shù)，對(duì)于提高能源利用率以及推動(dòng)整個(gè)能源科技的發(fā)展都極為重要。”劉偉說。

對(duì)流傳熱中溫度、速度、壓力這3個(gè)物理量之間協(xié)同具有怎樣的復(fù)雜關(guān)系？怎樣通過科學(xué)研究建立對(duì)流傳熱強(qiáng)化的理論體系來為研發(fā)工業(yè)換熱設(shè)備奠定基礎(chǔ)？在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃課題和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助下，劉偉團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十余年研究，終于在這一領(lǐng)域取得了一系列創(chuàng)新性科研成果。

聚焦對(duì)流傳熱過程，減少工業(yè)生產(chǎn)能耗

傳熱現(xiàn)象是工業(yè)生產(chǎn)及自然界普遍存在的現(xiàn)象。而通過一定的技術(shù)手段增加能量傳遞過程的傳熱量，從而提高換熱設(shè)備效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、降低成本等目標(biāo)，里邊蘊(yùn)藏了復(fù)雜的科學(xué)問題，需要深入其中，持續(xù)開展探索。

十幾年來，劉偉及其團(tuán)隊(duì)成員堅(jiān)持在工業(yè)生產(chǎn)一線、實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行理論探索和實(shí)驗(yàn)研究，最終成功解決了壓力對(duì)流體傳熱和流動(dòng)的作用機(jī)制、傳熱與流動(dòng)的多場(chǎng)協(xié)同機(jī)制以及對(duì)流傳熱過程的能耗機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題，在動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科引起了較大的反響。

針對(duì)對(duì)流傳熱中溫度、速度、壓力這3個(gè)物理量，他們?cè)谇迦A大學(xué)過增元院士提出的場(chǎng)協(xié)同原理的基礎(chǔ)上，建立了溫度-速度-壓力三場(chǎng)協(xié)同理論，指出多物理量場(chǎng)的協(xié)同是研發(fā)高能效、低功耗工業(yè)換熱設(shè)備的關(guān)鍵；提出了流體壓力與功耗的本構(gòu)關(guān)系，建立了反映壓力與速度間協(xié)同關(guān)系的流體機(jī)械能協(xié)同方程，獲得了反映換熱設(shè)備流動(dòng)性能的協(xié)同角表達(dá)式。

劉偉說：“在換熱設(shè)備中，流體流動(dòng)有兩種基本方式，分別為層流和湍流，相較于層流而言，湍流的流動(dòng)速度更快，而工程換熱設(shè)備中的流體大多處于湍流狀態(tài)。”為了揭示湍流傳熱與流動(dòng)的多物理量場(chǎng)協(xié)同機(jī)制，在層流基礎(chǔ)上，他和團(tuán)隊(duì)成員還提出了湍流傳熱與流動(dòng)的協(xié)同關(guān)系式，表征了湍流流場(chǎng)中溫度、速度和壓力的協(xié)同規(guī)律，將場(chǎng)協(xié)同理論從層流拓展到湍流領(lǐng)域，建立了湍流傳熱的溫度-速度-壓力三場(chǎng)協(xié)同傳熱強(qiáng)化理論。

減少對(duì)流傳熱過程的不可逆耗散是降低工業(yè)換熱設(shè)備能耗的根本。“如果一個(gè)換熱設(shè)備的耗散損失達(dá)到最小化，那它的運(yùn)行效率也會(huì)大大提高。”劉偉說。為此，他和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了可用勢(shì)函數(shù)和傳熱與流動(dòng)?損最小化理論，牽頭制定了工業(yè)余能評(píng)價(jià)國家標(biāo)準(zhǔn)，建立了耗散最小化對(duì)流傳熱強(qiáng)化理論，并成功用于高能效、低功耗工業(yè)換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)。

基于減少傳遞過程不可逆耗散的傳熱與流動(dòng)?損，劉偉團(tuán)隊(duì)還提出了混流均溫低耗散傳熱強(qiáng)化新方法，研發(fā)出高能效、低功耗縱流式換熱設(shè)備。同時(shí)，確定了換熱設(shè)備傳熱強(qiáng)化的熱量收益與功耗代價(jià)間的關(guān)系，建立了反映流體換熱與擾動(dòng)協(xié)同強(qiáng)化的效能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，填補(bǔ)了工業(yè)換熱設(shè)備缺乏傳熱強(qiáng)化綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的空白。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了耗散最小化多場(chǎng)協(xié)同對(duì)流傳熱強(qiáng)化新理論，提出了減少過程能耗的對(duì)流傳熱強(qiáng)化新方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流傳熱強(qiáng)化理論和技術(shù)的重大突破，指導(dǎo)研制出系列高效能、低功耗大型工業(yè)換熱設(shè)備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)了傳熱學(xué)科及工業(yè)換熱裝備的發(fā)展。科研成果還形成國家標(biāo)準(zhǔn)1部，發(fā)明專利9項(xiàng)，獲湖北省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

團(tuán)隊(duì)合影

矢志不渝科研攻關(guān)，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員引領(lǐng)

基礎(chǔ)研究決定一個(gè)國家科技創(chuàng)新能力的底蘊(yùn)和后勁。然而，基礎(chǔ)研究的難度大、投入少、周期長(zhǎng)、見效慢，長(zhǎng)期的默默探索十分考驗(yàn)科研人的耐心與毅力。十幾年時(shí)間匆匆即逝，如今回看科研路上的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，劉偉團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了無數(shù)困難和阻礙。在他看來，這一切都是科學(xué)研究的常態(tài)，作為一名科研工作者，從未覺得這會(huì)是阻攔他們前行的關(guān)卡。

在科技探索的道路上，支撐著劉偉不斷前行的是“為國家做有用的科研”的信念，而團(tuán)隊(duì)成員協(xié)同奮進(jìn)、攻堅(jiān)克難更給了他砥礪前行的信心。“清華大學(xué)的過增元教授、西安交通大學(xué)的陶文銓教授，是工程熱物理學(xué)科的兩位著名院士，兩位先生年過八旬仍然活躍在科研的一線，就像‘定海神針’，他們從事科研的追求以及敬業(yè)的態(tài)度，一直在默默影響著我們。”劉偉說。

桃李不言，下自成蹊。多年來，劉偉傾心在教育事業(yè)中，他所培養(yǎng)的研究生，如今分布在國內(nèi)外高校以及各大企業(yè)、科研院所，為國家和行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)著自己的力量。每當(dāng)談起這些，劉偉身上就會(huì)自然迸發(fā)出一種自豪感。在他看來，科學(xué)研究與人才培養(yǎng)是一項(xiàng)永恒的課題。他很慶幸，能在這份事業(yè)中實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，全球能源格局深度調(diào)整，轉(zhuǎn)型進(jìn)程顯著加快，能源生產(chǎn)和消費(fèi)繼續(xù)向“清潔、低碳、安全、高效”的方向發(fā)展。在時(shí)代發(fā)展大潮中，未來我國能源工業(yè)的節(jié)能降耗、綠色環(huán)保仍大有可為。劉偉深知，理論與應(yīng)用研究并行才能服務(wù)好國家的重大需求。前路任重而道遠(yuǎn)，立足于國家的能源大背景，劉偉團(tuán)隊(duì)已做好了準(zhǔn)備，迎接今后的科研挑戰(zhàn)！