过去二十年中，人们已经越来越清楚地认识到自然资源是有限的，自然环境必须经过相当长的时间才能适应人类的干扰。机械工程师不仅要预计环境的变化，还要保证技术造成的局部环境变化不致严重地损害热力设备的性能。例如七十年代早期，人们普遍认为发电厂排放的废热会造成严重的环境问题，现经研究说明，这种废热排放的影响是局部的，人们更注意发电厂的效益和性能，而不是注意其对环境的影响。只有核武器所造成的灾难性的热释放才会产生全球影响。

美国机械工程师协会K-19委员会（环境热传导委员会）1983年发表了一篇阐述环境热传导的综述性文章，本文进一步阐述1983年文章讨论的部分课题，以及从那时起已变得与此有关的课题。本文观点是K-19委员会的共同看法。

热传导和气候

可以认为，气候是靠近地球表面大气层热物理性质在一段时间的平均综合反映。地球表面的热物理状态以很慢的速度不断变化。产业革命，地球人口的剧增以及过去若干世纪使用能源所造成的热传导已经证明人类的活动可以引起气候显著变化。例如萨哈拉沙漠中萨哈尔地区居民滥用土地资源几乎可以肯定是造成该地区干旱的原因，至少是加剧了干旱的程度。该地区居民滥用土地改变了局部地区的气候。土地使用过度或超过土地承受能力养殖牲畜局部改变了阳光的反照率（地球表面对阳光辐射的反射）和地表的蒸发特性，这些变化转而改变了局部地区的气候并减少了该地区的降雨量。

预测气候的影响是困难的，数以千计较小但是极其重要的因素增加了预测的复杂程度，这些因素包括海洋冰的融化和冻结，复杂表面的蒸发作用，云的形成，与，空气和海水流动有关的稳定性问题，温盐合成环流的力学等。气候科学尚处于发展阶段，因此，了解气候变化的原因和影响的重要性不应过分夸大。

液化天然气的泄漏和溢出

就目前来说，液化天然气（LNG）在可以预见的未来仍被作为可以接受的和相当丰富的燃料，工程师需要研究液化气生产、转变、输送贮存及发送等过程。目前已经成功解决的有关液化气的科学和技术方面的问题有低温热力学和液化热力学问题，极冷液体和气/液混合体的液体力学问题，超绝缘体的热传导问题，在极高热应力状态下材料的性能问题以及使用再气化能源发电问题等。

LNG主要由甲烷（GH₄）组成，但是精确成分则依产地而异。LNG的绝大部分燃烧特性与文献中叙述的碳氢化合物在空气中燃烧的特性相似，重要差别在于超低温液态燃料释放进入相对很热的大气层中。

LNG泄漏和溢出问题一有关它的燃烧和大气扩散——引起环境学家的警惕，并特别引起科学家和工程师们的兴趣。一场事故可能会造成不断泄漏或突然流出一定数量的LNG。如果发生液化天然气泄漏事故。液态气扩散在水表面或地面上，由于彼此温差太大，形成强烈的能量流动；使水面或地面冻结，使液化天然气挥发，冷且密度很高的气化的天然气笼罩在地面上，由于连续泄漏，空气和气化的天然气的不断混合，以及热膨胀的作用，混合烟雾不断扩展。空气中水蒸汽的凝结使这种烟雾呈现生动的外观。

主风向和局部地形如楼房、储罐等障碍物会影响烟雾的扩展方式。处于烟雾边缘的液化气与空气的湍流混合作用会在某些点首先形成天然气的集中，然后形成最低可燃限集中，最终达到富集限集中。评价火源引起着火的危险性，最重要的是燃料与空气产生混合作用时，混合气体在某一局部地区从最低燃烧限达到富集限的时间间隔，或者在给定的时间间隔内，从最低限扩散至富集限扩充所占空间的大小。

一旦着火，火苗将沿着混合烟雾的边缘蔓延。由于湍流作用产生的波动、混合气体的成分不均匀，蔓延的火势不规则也不稳定，燃烧形成的高温使空气浮升，把新鲜空气带入燃烧区。空气和可燃性气体及其产物的混合过程主要受放热反应本身的影响。烟雾边缘的可燃性混合气体迅速消耗完以后，在湍流的作用下，浮升的燃料和空气不断混合，燃烧继续向烟雾的中心——燃料富集区扩展，形成涡旋状上升的大火球。当燃烧向泄漏处（或溢出处表面）扩展时，燃料被迅速消耗掉，蔓延的大火逐渐失去涡旋状火焰的特征。

在烟雾中的所有物体至少受到两种热作用：当火焰从烟雾边缘烧向泄漏源时，虽然过程短暂，但是所有物体必须经受剧烈的传导热和辐射热。然后，当火焰在泄漏源（或溢出池）燃烧时，燃烧过程向附近所有物体辐射能量，包括火源管道（或液化气罐）以及附近的管道（和气罐），有使事故进一步恶化的可能性。

核废料的处理

商业发电的核裂变型反应堆的核废料处理问题受到广泛的注意。1982年颁布的核废料政府法案命令燃尽的核废料应贮放在类似矿井样的地下洞穴贮存地中。像其它方案一样，这些方案的最终目的是减少核废料包装对生物圈的放射性辐射。

已采用的方案是建成有多重阻止核废料向外辐射和传导的障碍圈，使用的障碍物有人造物质，也有天然物质。对埋藏地设计进行技术评审要应用系统工程方法。

卡特政府期间，规定不得对核废料进行再处理，结果增加了必须永久贮存的核废料的数量，因此，国家的核设备面临的问题是：必须为核废料寻找一个暂时的存放地。目前，从核反应堆取出的核废料用湿贮存方法保存5 ~ 18年，让核废料衰变热减少，使燃料棒的温度下降到一个可以接受的水平，另一种方法是干贮存方法，该法燃料棒的温度要高一些。每根燃料棒的衰变功率约为0.1 ~ 1千瓦，积累的核废料（包括轻水反应堆的核废料）的放热表明，湿贮存和干贮存方法都要使用。根据目前的法令，这些核废料棒最终将置于永久性的地下洞穴贮存地。

商业核电站核废料的地质处理涉及所有三种热传导方式，贮存时间从几年到几千年，贮存地长度从几米到数公里，这些因素的不同组合提出了不同的热传导问题。

核废物与岩石的相互作用。无论核废料贮罐是水平放置还是垂直放置，贮罐与洞壁岩石的缝隙中要填充碎石或充填材料。填充物的作用是支承贮罐或环绕贮罐，外面设置一道防水障碍防止地下水渗到贮罐表面（防止贮?腐蚀和对流传导），还要设置一道防辐射障碍防止万一贮罐损坏放射性物质外泄。膨润土吸水后体积膨胀，具有良好的密封作用，因此，目前考虑用膨润土作为候选填充剂。但是膨润土干结后会产生许多径向和轴向裂纹，使填充剂成为多孔或多缝的结构，降低填充剂的隔离效果。

贮藏地。贮藏核废料的井式贮藏地必须通风，保证工人们放置和取回核废料包的安全，贮井气流基本的传热问题是不均匀受热井壁中的强迫对流和混合对流。对这一问题已进行了大量的基础研究工作。

地质学。预测贮藏核废料而造成的地下洞穴的传热过程是最困难的课题，这种地质力学过程使得难以作出精确预测。问题的主要部分涉及渗透性多孔隙填充物料中热传递和浮力引起的热对流传导。现有的计算机模型还不能令人信服地综合计算贮藏系统的性能和它对地质的影响，不能进行贮藏地实地温度场试验，实验室难以进行与实际情况相仿的长时间的模型试验，对模型的热物理特性和贮藏场所选地岩石的其他特性也极难修正。最终有可能在选择核废料贮藏地以及论证建造可行性方面应用一种综合近似分析，实验室试验和场试验数据的计算机分析模型。

排热系统

发电厂的主要副产品是废热。生产1千瓦电力同时还生产了2千瓦的废热。如果目前对能源消耗所作的预测无误，到1990年将需要相当1200个1千兆瓦发电厂。流经这些工厂冷却水的总流量是密西西比河、哥伦比亚河和圣 · 劳伦斯河总的水流量的两倍，废热将使这些流水的平均温度升高10℃。

目前处理发电厂废热的两种主要方法是一次通过冷却法和冷却塔循环冷却法。在一次通过冷却系统中，从水源（河、湖或海洋）抽取的水通过冷凝器被加热，再直接排放回水源。热水被排放回水源的方法由于可能对环境产生影响而引起人们相当大的兴趣。水中排放管口高速排出热水使热水与受热冷水迅速混合，使靠近排水口的一个相当小的混合区内水温升高，其余大量的冷水将逐渐加热到高于天然水温。

环境限制和改善热性能是采用冷却塔和冷凝器热排放系统考虑的两个主要因素，下面叙述电力工业在此方面进行的部分努力。

蒸发冷却塔。目前建造的四分之三以上的蒸汽发电厂将采用蒸发冷却塔。关于热排放研究和发展的主要课题是闭环湿式冷却。这一工作集中在预测、试验和改善冷却塔的热性能。关于对环境的重要影响，主要研究课题是预测和测定冷却塔热流特别是可见卷流和冷却塔漂流物的空间分布物。

提高冷却塔的热效率可降低涡轮排放压力，增加电厂的热效率，降低成本。1984年制造了一种井式试验设备，用来评价冷却塔用各种填充物的热性能和液压性能（这种填充物是冷却塔内促使蒸发、排放热量的物质），该设备已完成了调试，并在1985年进行了充填性能试验。这座安装在休斯敦电灯和电力公司工厂中的1.5 MW的设备，可对各种填充剂的交叉流动或交互流动情况进行试验研究。

关于蒸发冷却塔对环境影响的研究集中在可见卷流的研究上（该卷流是形成遮蔽、积冰和淞层的源泉），还对漂浮盐滴的解吸作用（这种过程对植物有潜在危害性，是造成腐蚀的原因）进行了研究。已经发展的计算机程序可以预测单个或多个冷却塔的可见卷流轨迹和漂浮盐滴的解吸附形式。

水保留式冷却系统。在典型的蒸汽发电厂中，生产一兆瓦电力，每分钟大约需要500加仑循环水。一个效率为20%的蒸汽冷却系统每年需要16000英亩 · 英尺的水量，这些水足以供一个9万人的城镇使用。

冷却湖和蓄水池。目前对冷却池和冷却湖的研究旨在更好地了解蒸发过程，更好地进行几何设计以便改进冷却池的热液性能。温度场研究指出：在使用适当的数学模型分析和解释场试验数据时，可以用现有定律修改蒸发速度数据。

蒸汽表面冷凝器。电力研究所对415个火力发电厂的研究揭示蒸汽表面冷凝的主要问题是管道的腐蚀和冷凝器的结垢（包括淤泥、砾片以及贻贝、藤壶等有机物的生长），因此，工作方向转为更换管道，使用抗腐蚀的钛管和高合金不锈钢管道。通过采用增强型传热管、控制积垢、改进管束设计等方法改善冷凝器的排气性能和管系的设计提高管道的热性能。

1980年，田纳西州Valley Authority公司更换了它在加勒廷工厂的第一套冷凝器，用的是一种波纹管道。与传统的直管相比，这种管道可使热转换效率增力34 ~ 43%，这种管道的缺点在于清洗困难，管内摩擦损失也较大。

降低热传导性能的主要原因是生物积垢和生水锈，电力研究所对用化学方法处理闭环冷却系统生水锈问题进行了几年研究，最近，已发明了一些控制冷却管内淤泥生成的工艺方法，其中一种方法是在某一时间内对一段管道短时脉冲状释放高浓度氯化剂。与现有氯化处理方法相比较，这种处理方法应该更有效地控制生物积垢，达到环保要求，一台评价氯化作用和生物积垢各种系统参数的试验设备由电力研究所监督已经在迈阿密大学制造。另一法是在管道内壁涂上一薄层表面低能涂层，这种涂层可以减少淤泥，使积垢层脱落。

环境热传导现象的特点是作用空间范围大，作用时间长，但是阐述和解决这些问题的方法与传统机械工程方法仍然相似，所以机械工程师可以在环境热传导领域作出重要贡献。

[Mechanical Engineering，1987年2月]

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*本文作者是美国机械工程师协会关于环境热传导的k-19委员会的主席。