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热能工程学科

发布时间:2015-11-12    浏览次数:960

学科简介

   热能工程学科是研究能量转换与高效利用的学科。中南大学热能工程学科致力于培养德、智、体、美全面发展,基础扎实、知识面宽、能力强、素质高,能适应社会需要,具有一定的创新能力和科学研究能力、较强的工程实践能力和良好的发展潜力的热能工程高级专门人才。本学科点源于1952年原中南矿冶学院建校初期成立的冶金炉(含热工仪表)教研室,60年代初曾办冶金炉专业;1985年与原机械系热工教研室合并,并申办热能工程专业,年招生规模1-2个班;1993年增设制冷与低温技术专业(每年1个班);1998年根据国家有关精神,将两个专业并为热能与动力工程专业 (简称热动专业),按专业大类招生,规模扩大为每年4个班,2002年招生规模扩大为每年6-7个班(约200人),并按专业方向培养本科生。本专业现有热能工程、电厂热能动力、内燃机、制冷与空调、热工过程检测与计算机控制五个专业方向。热动专业是宽口径的大专业,学生第七个学期可自主选择专业方向。本学科点于1983年获得硕士学位授予权,1998年获得博士学位授予权,2007年被批准设立动力工程及工程热物理一级学科博士后流动站;2006年热能与动力工程专业获得湖南省重点专业授牌;2007年被批准为湖南省重点特色专业。本学科在“十五”和“十一五”期间连续被列为湖南省重点学科,二期评估验收均为优秀。本学科点现有一批学术造诣深厚、成绩卓著的学科带头人。学术队伍中,包括中国工程院院士1人,教授18人(其中博士生导师10人),副教授20多人。 本学科点科研实力雄厚,近十年来承担国家“973”计划、国家“863”计划、国家科技支撑、国家自然科学基金、铁道部重点、霍英东基金、教育部新世纪人才基金、湖南省各类项目等纵向项目近100项,承担企业委托项目300多项;获得省部级以上科技奖20多项,拥有发明专利50余项;条件建设卓有成效,目前建有“湖南节能评价技术研究中心”、“湖南燃气具工程技术研究中心”、“新型热泵技术工程研究中心”、“难冶有色金属资源高效利用国家工程实验室(校内联合共建)”,拥有一批先进的仪器设备和大型软件;对外学术交流活动频繁,与美国、加拿大、瑞典、挪威、丹麦、澳大利亚、香港等多个国家和地区的著名大学和研究机构建立了合作关系。已经成为我国中南地区重要的热能工程研究与人才培养基地,整体水平居全国同类学科前列。 

特色与优势

   (1)服务对象的优势 长期坚持以冶金过程作为研究平台,鉴于其过程能耗大、环境污染严重的现状,充分利用校内交叉学科的优势,开展冶金过程与设备的节能与环保的研究,符合国家发展循环经济的理念;

   (2)区域优势 本学科点在中南地区最早获得热能工程学科博士学位授权,对本地区的相关学科的发展起着重要的推动作用。相对其他学科而言,热能工程学科在湖南省乃至中南地区发展较为缓慢,因此本学科点仍有着明显的特色与优势。

   (3)梯队学缘结构的优势绝大部分有海外著名大学和国内著名重点大学相关专业学习的经历,这将有助于发挥百家所长,产生新的学术思想和方法。

主要研究方向

   根据热能工程学科发展的优势和基础,结合国内外热能工程学科发展的主流内涵和前沿趋势,立足于学科前沿积极开展科学研究,在热能工程学科领域形成了特色明显、研究活跃且具有发展前途的四个研究方向:节能与环保新技术,现代热物性测试技术,热工过程与设备数值仿真与优化,热工过程检测、诊断与智能优化四个重点研究方向。 

(1) 节能与环保新技术

   研究内容:“能源短缺”和“全球气候变化”已经成为国际社会关注的焦点,本学科高度重视能源、资源、环境问题,把节约资源和保护环境作为主要研究任务。结合“节能减排”的要求以及本学科的优势,重点研究我国未来能源和节能减排的关键科学问题、先端技术问题,推进用能设备与系统的“三高两低一零”化(高效率、高可靠、高寿命、低碳耗、低污染、零排放)。主要研究内容包括低碳冶金工艺和技术、高效低污染燃烧技术、生物质能利用新技术、先进工业炉技术、二氧化碳捕获技术、能源发展战略和技术路线、先进能源管理与服务模式等。 

   研究特色:从事的冶金过程强化与节能研究、高温空气燃烧与气化技术研究、生物质能热化学转换新技术、醇基燃料燃烧技术、热工和冶金过程的污染控制等研究都是节能环保领域的研究热点。充分发挥中南大学学科门类较齐的优势,组织能源、冶金、化工、自动控制、机械等多学科交叉的研究团队联合攻关,通过与企业合作实现重大技术集成和产品示范。坚持以热工过程中动量、质量和热量传递的机理研究为基础,以强化动量、质量和热量传递为指引,通过优化工艺参数和结构参数,研发相关的高新技术,提升技术指标和经济指标。研究活动既涉及工业领域,又渗透民用领域。 

   研究突破:1)攻克了强化冶金过程的关键技术:提出了强化冶金过程中动量、质量和热量传输速率的理论和节能降耗的途径与措施。开发的强化传热传质技术,使氧化铝生产能耗降低20~25%,设备产能提高30%,成本降低10~15%,部级鉴定为“国际首创”,获国家发明二等奖。为韶关冶炼厂提出的锌精馏炉强化燃烧和传热技术,提高了锌精馏炉的产能和效率,获中国有色金属工业科学技术二等奖。为湘钢提出的高炉强化喷煤措施,每年可节约能源500万元。 2)开发了多项低碳能源技术:提出了低氧弥散燃烧模式,开发成功多项先进燃烧技术。与株冶合作,以合同能源管理模式建成国内第一台低氧弥散燃烧熔铅装置,被省科技厅鉴定为国际领先。提出的高温空气和闪速气化技术,获得多项国家发明专利。在生物柴油与石化燃料油混合燃烧关键技术上取得突破,获得国家支撑计划支持。研发的新型复合燃烧机寿命提高一倍以上,获得国家科技部科技型中小企业创新基金资助。醇基燃料燃烧技术研究获得重大进展,被列为省科技厅扶持项目。3)开发了污染防治系列技术:套筒式湿法除尘脱硫技术获湖南省科技进步三等奖;湿法除尘脱硫技术与装备获机械工业科学技术三等奖。将微生物技术与环保问题有机结合,应用于有毒铬渣的处理,不仅使固体废物达到环保要求,同时还可获得宝贵的铬资源;应用于重金属废水处理,使重金属冶炼企业的废水实现零排放,获得省科技计划重点项目的资助。废旧物资(铜、塑料)高质化利用关键技术研究与应用获湖南省科学技术进步奖。电石渣处理及其在酸性废水治理中的应用技术获中国有色金属工业科技进步奖一等奖。 

(2) 现代热物性测试技术

   研究内容:1)熔盐蓄热材料热物性测量新方法的研究:在国家自然科学基金“熔盐相变蓄热材料热物性测试新方法的研究”、“ 金属相变过程固、液相熔点热物性动态测定方法”,国家回国人员基金“利用相界面移动速率测定热物性的研究”等项目支持下,创新性地研究了高温金属、合金及熔盐熔点温度下热物性测量新方法,解决了高温、相变情况下热流量难以检测、物质晶型易转变等问题,弥补了国内外现有测试方法的不足,为金属及高温蓄能材料-熔盐的研究和应用提供了新的热物性数据。2)冶金烟气及工质热物性的研究:在国家自然科学基金-云南联合基金重点项目“有色冶金中低温余热高效回收利用的基础研究”和湖南省节能减排重大专项“钢铁烧结生产节能和烟气脱硫关键技术装备的研发和工程示范”的支持下,研究有色冶金烟气、朗肯循环低沸点介质及钢铁烧结烟气的热物理性质,为冶金过程烟气的余热利用奠定了基础。3)新的电、热测量方法研究:在国家自然科学基金项目“空气冷却电子封装器件多物理场耦合热设计优化研究”、高等学校博士学科点专项科研基金“高密度电子封装传热的全息仿真及无污染焊料的热物性测试”及中瑞政府间科技合作项目“无铅焊料和导电胶的热物性测定”等项目的支持下提出了新的电、热测量方法,测定了微电子封装材料及焊料的热物性及其他物理性质。 

   研究特色:1)通过相变过程来测定相变点附近的热物性参数,无须另外施加温度梯度,确保了被测物质结构和性质的真实性;2)可在一组实测中同时获得固、液两相多个热物性数据,还可同时测得固、液相的电阻率和洛伦茨数,实现了多物理参数同时测量;3)将数值模拟方法引入热物性测试的建模、设计和误差分析,提出了相变界面移动数值计算方法,简化了测试装置,提高了仪器精度。新方法是本方向学科带头人与挪威科技大学M. Lamvik教授联合创立和发展起来的,在该领域一直居领先地位。  

   研究突破:解决了物质在高温、相变情况下热流量难以检测、物质晶型易转变,因而无适宜的热物性测试方法,以致热物性数据匮乏这一国内外难题,丰富了物质熔点温度热物性数据,论文发表于国际热物理杂志、高温高压等国际知名杂志,并在多次国际热物性大会上引起多国专家的广泛关注和好评。 

(3) 热工过程与设备的数值仿真与优化

   研究内容:致力于大型高能耗热工设备、新型制冷系统与设备、材料加工过程的计算机数值仿真与优化的研究。1)在所主持国家自然科学基金、“973”与“863”等项目的支持下,系统研究了铝电解槽、碳阳极焙烧炉、铝液熔炼炉、保温炉、闪速炉、锌精馏炉、锅炉、管道化溶出设备等多场(流场、温度场、浓度场及电、磁、力场)耦合数值仿真与优化方法,开发出了可实现有关炉窑软检测、操作参数与结构参数优化的软件,并将由各参数微观场的数值计算推进到传输过程的动态仿真,不断提高仿真结果的精度,为冶金热工过程优化与节能发挥了重大作用。2)在所主持的国家自然科学基金、“863项目”的支持下,在二氧化碳热泵系统、热回收型多功能空气源热泵系统、地源热泵系统、治理冻土病害热棒冷却路基技术等新型制冷系统及设备方面,开展了系列数值仿真、性能优化与产品开发的工作,取得了很多重要的成果,获得了重大的社会效益和经济效益。3)利用有关国际合作项目,开展了金属材料焊接过程中传热与传质现象的分析,建立多场耦合数值模型模拟了焊接中复杂的瞬态输运现象,分析了其中的内在物理机理,对提高焊接质量和效率发挥了重要的作用。 

   研究特色:数值仿真是实现热工过程优化和开发现代高效能热工设备的重要手段,对于在冶金、材料、动力、制冷、汽车等企业迈向大规模、低污染、高效率、现代化的进程中起到重大推动作用。本学科以大型高能耗热工设备为主要研究,建立基于传输过程与高温反应工程的数学模型,开展多场多参数耦合数值模拟方法与应用的研究;在有色冶金炉窑,率先发展了全息数值仿真与优化技术,开辟了“数学模拟—全息仿真—整体优化”新的技术开发路线。 

   研究突破:与中国铝业公司等单位合作,以现代大型高效能铝电解槽的优化与开发为目标进行铝电解槽电、磁、热、流、力等多物理场的计算机数值仿真优化技术,为我国开发出系列大型高效能铝电解槽并使炼铝成套技术与装备在国际工程项目招标中处于优势地位发挥了重大作用。同时,也为我国将反应器多物理场的计算机数值仿真技术推广应用到其他热工设备的优化与设计奠定了基础。将其应用于工程实践中,取得了“高产、优质、长寿、低耗及低污染”的显著效果。相关研究成果获得了省部级科技进步二等奖1项、三等奖2项。主编出版了《传递过程原理及其数值仿真》;《冶金过程数值模拟分析技术的应用》、《Simulation and Optimization of Furnaces and Lils for NonferrousMetallurgical Engineering》等学术著作。在跨临界二氧化碳空调及热泵系统取得了系列国际先进水平的成果,是国内最早研究跨临界二氧化碳制冷系统的单位之一,发表在国内外权威学报上的有关研究论文得到国内外同行广泛的正面评价。 

(4) 热工过程检测、诊断与智能决策

   研究内容:1) 非常规条件下热工参数检测:针对热工过程计量与测控的重大难题,即高温、高粘、大流量、微压差等条件下的热工检测问题,开展了系列研究。基于CCD比色测温原理以及烟雾的辐射特性,应用高温辐射体颜色信息的图像目标识别方法去除辐射体周围的烟雾噪声,以及适当的非线性校正函数校正温度,对高温场测量仪进行了研制;应用消除噪声干扰的图像预处理算法以及基于图像质量的特征参数提取方法,对发动机喷油系统喷雾均匀度的检测装置进行了研发。2) 涡街流场参数检测与特性诊断:采用重整化群算法模拟管内涡街的产生、发展和耗散过程,结合功率谱分析方法,提出了一种非侵入式的管壁差压测量与信号处理方法,消除了检测元件对尾迹流场的干扰,显著提高了测量精度;将管壁差压法提取的涡街特性应用气液两相流的测量,能较好地识别气液两相流的流型,获得气液泡状流的流量和含气率等重要参数。3) 热工过程的诊断与优化控制:a以热工过程计算与数值模拟为基础,应用智能信息处理技术,结合不完备信息处理与多源异类数据融合方法,研究了介观信息与宏观参数之间的关系、智能集成软计算的理论与方法,建立了全息检测模型,为非稳态、非均一、非平衡复杂系统的在线监测提供了有效方法,通过对热工过程的分析与诊断,实现了多目标约束条件下生产过程的优化与控制,从而达到高产、优质、长寿、低耗、低污染整体目标。 

   研究特色:非常规条件下热工参数的自动检测是实现工业过程诊断、提高工业过程自动控制水平的前提条件,成为国际热点研究问题。发挥交叉学科优势,综合应用传递过程原理及其数值模拟技术、先进测试方法、数字图像提取技术、智能信息处理技术以及计算机技术,解决了微差压小流量、高温熔体等非常规条件下热工参数的检测难题,实现了涡街场参数检测与特性诊断,结合不完备信息处理与多源异类数据融合方法,为复杂系统提供了热工过程的诊断与决策支持系统,实现了多目标约束条件下生产过程的优化与控制。 

   研究突破:涡街流场参数检测与特性诊断的研究得到7项国家和省部级科技项目的资助,研究成果在《Measurement Scienceand Technology》、《Chemical Engineering Communications》等国际期刊上发表,并得到国际同行的广泛认可和正面评价,授权专利6项,获省部级奖1项;在多项国家与省基金项目的资助下,研发出了高温熔体温度检测装置;提出了基于数字图像处理技术检测喷嘴流量分布不均匀度的方法,开发出了液压、恒温、图像采集一体化的发动机喷嘴流量均匀性测试系统,并被应用于航空部门;提出了基于小波-神经网络技术的铝电解槽针振信息元分析新方法,研发了关键极节能技术,降低电耗127kWh/t-Al,鉴定为国际领先,获得部级三等奖,授权发明专利2项;开发了反射炉熔炼再生铜的热工诊断与优化决策系统,节能显著,创造经济效益近1亿,获得省部级一等奖,提出了置备高性能非氧化物耐火制品的燃气隔烟高温氮化新工艺,鉴定为国际领先,获市科技进步一等奖1项。  



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