通过化学链方法使用氧载体中的晶格氧进行甲烷的部分氧化反应制合成气，可以实现高的产物选择性。本文采用溶胶凝胶法制备了氧载体La_1−xSr_xFe_0.8Al_0.2O₃ 用于甲烷化学链干重整反应，使用热重和固定床反应器对不同比例Sr 掺杂氧载体的反应性能进行测试。实验结果表明La_1−xSr_xFe_0.8Al_0.2O₃ 中x=0.4 的氧载体氧容量高达1.88 mmol·g⁻¹，反应性能优异，同时积碳量较少。进一步对氧载体La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Al_0.2O₃ 进行了20 次循环稳定性测试，发现氧载体保持优异的氧化还原性能，实现了61.2% 的甲烷转化率，97.1% 的CO 选择性，1.81 的H₂/CO。氧载体的表征结果显示，反应前后氧载体的微观形貌以及晶相结构均未发生改变。本文的结果表明La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Al_0.2O₃ 是适用于甲烷化学链干重整反应的高性能氧载体。

热泵供暖技术能够有效减少燃煤取暖产生的能源消耗和环境污染，但目前常用的热泵供暖系统的低温适应性较差，难以满足寒冷地区的供暖需求。考虑到斯特林热泵技术具有十分广泛的可用温区，本文研制了一台电驱动自由活塞斯特林空气源热泵，旨在考察其在不同气候条件下的供热性能。实验结果表明，在普通、寒冷和极寒地区供暖工况下，电驱动自由活塞斯特林热泵的整机制热性能系数分别达到了2.31、1.97 和1.78。随泵热温差增大，斯特林热泵的相对卡诺效率逐渐升高，其在大泵热温差下优势更加明显。

建立了地热有机朗肯循环(ORC) 系统热力学和经济性模型，以最大净输出功率为目标，优化了典型氢氟烯烃(HFOs)工质R1224yd(Z)、R1233zd(E)、R1336mzz(Z) 的蒸发和冷凝温度，分析了热经济性，并与传统工质R601、R601a、R245fa 进行了比较。结果表明，最佳工况下，R1224yd(Z) 与R245fa 的蒸发和冷凝参数接近；地热水进口温度低于130°C 时，R1336mzz(Z)净输出功率最大，相比R1233zd(E) 提高1.47%∼1.89%，但是，总换热器面积增幅超过17%；地热水进口温度高于130°C 时，R245fa 的净输出功率最大，发电成本比R1336mzz(Z) 下降15.5%∼16.8%。

本文研制了一套用于低温比定压热容(c_p) 测量的流动量热计，该量热计由恒温浴系统、流动系统、量热池和数据采集系统四部分组成，可实现115 ∼ 340 K 温度范围内的比定压热容测量，压力可达8 MPa。温度T、压力p 及比定压热容c_p 测量不确定度分别为11 mK，0.02 MPa 及0.9%。基于该量热计实测了45 个丙烷、30 个异丁烷、5 个乙烷及5 个乙烷+ 丙烷二元混合物的低温液相比定压热容数据，实测数据与高精度亥姆霍兹状态方程的计算值和呈现了较好的一致性，丙烷、异丁烷、乙烷及乙烷+ 丙烷的平均绝对相对偏差分别为0.26%、0.32%、0.31% 及0.38%，验证了该装置的可靠性。

天然气水合物开发是国家重大战略需求，距离其商业化开发还需要进一步提产增效，如何实现天然气水合物高效开采需要依托于水合物热力学机制。传统水合物热力学研究局限于相平衡特性，缺乏水合物分解过程非平衡热力学角度的考量，同时水合物分解过程中可能伴随结冰和融冰，复杂传热和传质条件下水合物开采过程的热力学特性亟待阐明。本研究利用一套2 L的天然气水合物降压开采实验系统，模拟不同分布的水合物储层，在0.55 L/min(标准工况) 的恒定排气速率下开展长降压(至1.0 MPa) 过程水合物开采研究，结果表明降压过程中水合物区域温度与压力之间存在着只受水合物分解控制的非平衡热力学关系(T[°C]=8533.8/{38.98−ln(1000p[MPa])}−275.25)，并且不受储层温度梯度影响。吉布斯相律表明相变过程热力学自由度为1，天然气水合物开采属于相变过程，其温度压力的定量关系吻合热力学理论。当水合物降压到2.1∼2.3 MPa 左右时，储层内出现瞬时结冰，导致温度突增并加速水合物分解，由于排气速率恒定，聚集的气体使压力最高上升到2.36 MPa，分析发现结冰前后水合物储层温度和压力仍满足水合物的非平衡热力学相图。本研究阐明了天然气水合物开采过程热质传递作用存在条件下相变热力学机制，能够为开采现场监测进程提供更为实用的理论依据。