第1章-傳熱學(xué)緒論

1、 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)教材及參考書教材及參考書v教材：教材：傳熱學(xué)傳熱學(xué)黃善波等編，黃善波等編，20142014新版新版v參考：參考：傳熱學(xué)傳熱學(xué)陶文銓、楊世銘陶文銓、楊世銘v 傳熱學(xué)傳熱學(xué)戴鍋生戴鍋生 編編考核方法考核方法閉卷考試閉卷考試 80%平時(shí)成績平時(shí)成績 20% 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)第一章第一章 緒論緒論1-1 1-1 傳熱學(xué)的研究對象和任務(wù)傳熱學(xué)的研究對象和任務(wù)1-2 1-2 傳熱學(xué)在石油工程中的應(yīng)用傳熱學(xué)在石油工程中的應(yīng)用1-3 1-3 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式1-4 1-4 總傳熱過程總傳熱過程1-5 1-5 傳

2、熱學(xué)的研究方法傳熱學(xué)的研究方法1-6 1-6 能量守恒及應(yīng)用能量守恒及應(yīng)用 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)自然界及生活中現(xiàn)象自然界及生活中現(xiàn)象vCPU散熱器，顯卡散熱器，一年四季散熱器，顯卡散熱器，一年四季更替，冬冷夏熱，保溫層更替，冬冷夏熱，保溫層 v空調(diào)，風(fēng)扇，扇子，攪稀飯，夏天柏空調(diào)，風(fēng)扇，扇子，攪稀飯，夏天柏油馬路表面蒸發(fā)現(xiàn)象，航天飛機(jī)油馬路表面蒸發(fā)現(xiàn)象，航天飛機(jī)v暖氣，太陽能，節(jié)能墻，冬夏穿衣暖氣，太陽能，節(jié)能墻，冬夏穿衣v與熱量的傳遞相關(guān)，與傳熱學(xué)有關(guān)與熱量的傳遞相關(guān)，與傳熱學(xué)有關(guān) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)1-1 傳熱學(xué)研究的對象和任務(wù)傳熱學(xué)研究的對象和任務(wù)一、一、什么是傳熱學(xué)什

3、么是傳熱學(xué)1 1、傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。、傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。 v熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測試方法v熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差熱量傳遞過程的推動(dòng)力：溫差v熱力學(xué)第二定律：熱能只能自發(fā)地由高溫處傳到低溫處。熱力學(xué)第二定律：熱能只能自發(fā)地由高溫處傳到低溫處。 1) 1)物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳物體內(nèi)只要存在溫差，就有熱量從物體的高溫部分傳向低溫部分；向低溫部分； 2)2)物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。向低溫物體。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)

4、2 2、熱量傳遞過程、熱量傳遞過程 根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳遞過根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳遞過程可分為兩類：穩(wěn)態(tài)傳熱過程、非穩(wěn)態(tài)傳程可分為兩類：穩(wěn)態(tài)傳熱過程、非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。熱過程。 1 1）穩(wěn)態(tài)傳熱過程（定常過程）穩(wěn)態(tài)傳熱過程（定常過程） 凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的熱傳凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的熱傳遞過程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過程。遞過程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過程。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 2 2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程（非定常過程）非穩(wěn)態(tài)傳熱過程（非定常過程） 凡是物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變凡是物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變化的熱傳遞過程均稱非穩(wěn)態(tài)傳熱過程?；臒醾鬟f過程均稱非穩(wěn)態(tài)

5、傳熱過程。 各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運(yùn)行各種熱力設(shè)備在持續(xù)不變的工況下運(yùn)行時(shí)的熱傳遞過程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過程；而在啟動(dòng)、時(shí)的熱傳遞過程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過程；而在啟動(dòng)、停機(jī)、工況改變時(shí)的傳熱過程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱停機(jī)、工況改變時(shí)的傳熱過程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。過程。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3、工程中的兩大類問題：、工程中的兩大類問題：v1）計(jì)算傳熱的）計(jì)算傳熱的熱流量熱流量：反映熱傳遞快慢：反映熱傳遞快慢增強(qiáng)傳熱（扇子）增強(qiáng)傳熱（扇子）削弱傳熱（保溫、棉衣）削弱傳熱（保溫、棉衣）v2）確定）確定溫度分布溫度分布：對某些現(xiàn)象判斷、溫度控制和其它計(jì)算：對某些現(xiàn)象判斷、溫度控制和其它計(jì)算大氣層溫度分布大氣層

6、溫度分布天氣預(yù)報(bào)天氣預(yù)報(bào)熱應(yīng)力計(jì)算熱應(yīng)力計(jì)算壽命壽命油藏地層溫度分布油藏地層溫度分布蒸汽帶擴(kuò)散，熱影響區(qū)域大小蒸汽帶擴(kuò)散，熱影響區(qū)域大小凝固凝固熱應(yīng)力熱應(yīng)力導(dǎo)致導(dǎo)致裂紋發(fā)生裂紋發(fā)生 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)4、假設(shè)：、假設(shè)：v1）普遍性假設(shè)：）普遍性假設(shè)：研究的物體為連續(xù)體，物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度等參數(shù)為時(shí)研究的物體為連續(xù)體，物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度等參數(shù)為時(shí)間和空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)間和空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)研究的物體是各向同性的、各點(diǎn)物性與方向無關(guān)研究的物體是各向同性的、各點(diǎn)物性與方向無關(guān)v2）特定假設(shè)：）特定假設(shè)：針對某一類具體問題進(jìn)行的假設(shè)，如在工程壓力范圍針對某一類具體問題進(jìn)行的假設(shè)，如在工程壓力范圍

7、內(nèi)，溫度變化較小時(shí)假設(shè)熱導(dǎo)率為常數(shù)或者取平均值內(nèi)，溫度變化較小時(shí)假設(shè)熱導(dǎo)率為常數(shù)或者取平均值 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)二、傳熱學(xué)的重要性二、傳熱學(xué)的重要性v自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差自然界與生產(chǎn)過程到處存在溫差傳熱很傳熱很普遍普遍v傳熱學(xué)在日常生活、生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)傳熱學(xué)在日常生活、生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。用十分廣泛。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持冬天都保持2020，那么在冬天與夏天、人在房間，那么在冬天與夏天、人在房間里所穿的衣服能否一樣？為什么？里所穿的衣服能否一樣？為什么？ 夏天人在

8、同樣溫度（如：夏天人在同樣溫度（如：2525）的空氣和水中）的空氣和水中的感覺不一樣。為什么？的感覺不一樣。為什么？ 北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利北方寒冷地區(qū)，建筑房屋都是雙層玻璃，以利于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？于保溫。如何解釋其道理？越厚越好？日常生活中的例子日常生活中的例子 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)為什么水壺的提把要包上橡膠？為什么水壺的提把要包上橡膠？ 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)不同材質(zhì)的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油不同材質(zhì)的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油融解更快？融解更快？ 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問題航空航天航空航天“熱防護(hù)系統(tǒng)熱防護(hù)系統(tǒng)”

9、（TPSTPS）：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10Ma=10）冷卻；核熱火箭、電）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽能高空無人飛機(jī)火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽能高空無人飛機(jī)航天飛機(jī)在地球軌道上將反復(fù)地經(jīng)受困太陽直接輻照產(chǎn)生的高航天飛機(jī)在地球軌道上將反復(fù)地經(jīng)受困太陽直接輻照產(chǎn)生的高溫和進(jìn)入地球陰影時(shí)面對接近溫和進(jìn)入地球陰影時(shí)面對接近0K0K

10、的宇宙空間導(dǎo)致的低溫，的宇宙空間導(dǎo)致的低溫，溫度溫度變化范圍達(dá)到變化范圍達(dá)到-157-1575555同時(shí)還要經(jīng)受同時(shí)還要經(jīng)受 1.331.331010-4-4PaPa的高真空環(huán)境的高真空環(huán)境在以在以7.5km/s7.5km/s的速度從的速度從120km120km高度重返地球大氣層時(shí)，飛行器表面的高度重返地球大氣層時(shí)，飛行器表面的熱流密度大約達(dá)到熱流密度大約達(dá)到2.52.510105 5W/mW/m2 2，機(jī)翼前緣和頭錐帽上的溫度高達(dá)機(jī)翼前緣和頭錐帽上的溫度高達(dá)16501650！除此之外還必須能夠經(jīng)受除此之外還必須能夠經(jīng)受太陽紫外線、高能粒子和微隕石可能的撞擊太陽紫外線、高能粒子和微隕石可能的撞

11、擊 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 微電子：微電子： 電子芯片冷卻，電子芯片冷卻，CPUCPU風(fēng)扇風(fēng)扇 生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；組織與器官的生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；組織與器官的冷凍保存冷凍保存 軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存軍事：飛機(jī)、坦克；激光武器；彈藥貯存 制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)/ /熱泵；熱泵；高溫水源熱泵高溫水源熱泵 新能源：太陽能；燃料電池新能源：太陽能；燃料電池 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v目前在石油工業(yè)中導(dǎo)致傳熱學(xué)的地位和作用越來越重要的背景有兩個(gè)：高粘、高凝原油的開發(fā)我國油田開發(fā)的由淺到深、由易到難的開發(fā)過程v高粘高凝原油是我國的重要油氣

12、資源，分布廣、儲(chǔ)量大，預(yù)測我國的稠油在80億噸以上。v開發(fā)稠油時(shí)的主要問題是高粘度導(dǎo)致的流動(dòng)性差一是稠油的滲流阻力大，難于從油層流入井底二是稠油在井筒的流動(dòng)阻力大，舉升困難1-2 傳熱學(xué)在石油工程中的應(yīng)用傳熱學(xué)在石油工程中的應(yīng)用 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v高凝油高凝油含蠟量高，凝固點(diǎn)高的原油，含蠟量高，凝固點(diǎn)高的原油，其特點(diǎn)是存在析其特點(diǎn)是存在析蠟點(diǎn)和凝固點(diǎn)蠟點(diǎn)和凝固點(diǎn)溫度低于析蠟點(diǎn)時(shí)，原油中的重質(zhì)組分開始析出溫度低于析蠟點(diǎn)時(shí)，原油中的重質(zhì)組分開始析出當(dāng)原油溫度進(jìn)一步降低至凝固點(diǎn)時(shí)，原油將失去流動(dòng)性當(dāng)原油溫度進(jìn)一步降低至凝固點(diǎn)時(shí)，原油將失去流動(dòng)性v實(shí)踐證明，實(shí)踐證明，熱處理油層采油技術(shù)熱處

13、理油層采油技術(shù)是開發(fā)稠油和高凝油的一是開發(fā)稠油和高凝油的一種行之有效的方法，種行之有效的方法，熱處理油層的作用：熱處理油層的作用：提高油層溫度，降低油層流體的粘度，防止油層中的結(jié)蠟現(xiàn)象，提高油層溫度，降低油層流體的粘度，防止油層中的結(jié)蠟現(xiàn)象，增加油藏驅(qū)油能力，減小油層流動(dòng)阻力增加油藏驅(qū)油能力，減小油層流動(dòng)阻力是開發(fā)稠油、高凝油的主要手段也是提高原油采收率的主要方法： 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v目前常用的熱處理油層采油技術(shù)包括注熱流體和火燒油層兩類方法v注熱流體工藝v注入的熱流體可以是蒸汽，也可以是熱水v高凝油通常采用注熱水的方法以維持原油溫度，防止原油中的重質(zhì)組分析出使流動(dòng)性變差 石油工程

14、傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v注蒸汽工藝通常應(yīng)用于稠油開發(fā)，主要機(jī)理：充分利用稠油粘度對溫度非常敏感這一特點(diǎn)，通過提高油藏溫度來降低流體粘度以改善其流動(dòng)性油藏巖石受熱后的膨脹作用，可以減少最后的殘余油飽和度v注蒸汽工藝可分為蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)兩種方法，注入的蒸汽通常是濕蒸汽 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v火燒油層又稱為就地燃燒是將空氣（或氧氣、液氧）連續(xù)地注入到油層中，通過自燃或點(diǎn)火使油層中的部分原油燃燒，利用燃燒釋放出的熱量來加熱油層v目前正處于試驗(yàn)階段，它對油層的適應(yīng)性較廣，有前途v實(shí)際控制較難，還沒有到工業(yè)化應(yīng)用的階段 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 石油工程傳熱學(xué)石油

15、工程傳熱學(xué)v井筒降粘的必要性當(dāng)稠油和高凝油由井底沿井筒被舉升到地面時(shí)，由于存在著井筒熱損失，原油溫度不斷降低，使原油粘度升高或重質(zhì)組分析出導(dǎo)致原油在井筒內(nèi)的流動(dòng)性變差v熱力降粘技術(shù)就是常用的一種熱力降粘技術(shù)通過提高井筒流體溫度，降低其粘度的技術(shù)有熱流體循環(huán)加熱技術(shù)和電加熱降粘技術(shù) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v熱流體降粘技術(shù)在地面上產(chǎn)生高溫流體（油或熱水），然后通過特殊管柱注入到井筒中建立循環(huán)通道，以加熱井筒中生產(chǎn)流體的工藝技術(shù)v電加熱降粘技術(shù)利用電熱桿或伴熱電纜，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，提高井筒生產(chǎn)流體溫度的工藝技術(shù) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 石油工程傳熱學(xué)石油工

16、程傳熱學(xué)v對稠油和高凝油的開發(fā)，加熱降粘或通過加熱維持溫度是熱處理油層技術(shù)和井筒熱力降粘技術(shù)的目的v其中涉及到的傳熱問題的分析和解決是工藝的關(guān)鍵所在 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v目前我國石油勘探的現(xiàn)狀：v再找到像大慶油田似的油田幾乎不可能，而且淺井、地層條件好的油藏也越來越少v我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對能源需求量的增加，迫使我們不得不開發(fā)深層、超深層油藏和低產(chǎn)能區(qū)塊（低滲透）對深層、超深層油藏，4000-5000米很常見深井的問題：井口和井底溫差增加，井口、井底溫差一般在150-180，有的甚至超過了200大溫差無論對鉆井、固井和采油工藝都會(huì)產(chǎn)生影響 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v鉆井：鉆井液是鉆

17、井工程的血液，它主要是冷卻鉆頭、清洗井底、攜帶和懸浮巖屑的作用。對特殊地層還發(fā)展了低密度鉆井流體技術(shù)。v無論常規(guī)鉆井液還是低密度鉆井液，在進(jìn)行深井、超深井作業(yè)時(shí)，已經(jīng)不能忽略井口、井底的溫度差異對它們的攜帶性能、冷卻性能、懸浮性能的影響v需要了解井筒內(nèi)水泥漿的溫度沿井深的變化情況 在實(shí)驗(yàn)室開展鉆井液在高溫高壓下的性能研究外對鉆井液在井筒內(nèi)的流動(dòng)和傳熱規(guī)律進(jìn)行研究，確定鉆井液的溫度在井深范圍內(nèi)的變化規(guī)律，從而為鉆井工藝的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v固井工程的好壞是衡量一口油井質(zhì)量的重要指標(biāo)v固井工程中要注入水泥漿，而井筒內(nèi)的溫度變化對水泥漿的稠化時(shí)間、流變性質(zhì)、凝固時(shí)間、抗壓

18、強(qiáng)度等都會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而對固井質(zhì)量產(chǎn)生影響。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v水力壓裂是油田增產(chǎn)的重要措施，不僅用于低滲透油藏，而且在中、高滲透油藏中效果也很好v壓裂液是對壓裂效果至關(guān)重要，同樣是配制而成的，壓裂液性能受溫度的影響較大v對深井和超深井的壓裂，也存在著類似的問題，井筒溫度的變化將影響到壓裂液的粘滯性、懸砂能力、造縫能力和濾失速度等 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v采油中舉升工藝的設(shè)計(jì)也存在設(shè)類似的問題，溫度主要通過影響原油物性而影響到其流動(dòng)規(guī)律的，因此許多舉升工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算都離不開井筒內(nèi)溫度場的計(jì)算v如電潛泵舉升技術(shù)、水力活塞泵舉升技術(shù)、水力射流泵采油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，都離不開溫度場

19、的計(jì)算。這需要傳熱學(xué)的知識 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v石油工業(yè)既是產(chǎn)能大戶，也是耗能大戶，其中油氣生產(chǎn)中的能耗費(fèi)用在生產(chǎn)成本中約占20%50%v現(xiàn)在石油石化總公司對各油田公司的成本控制很嚴(yán)，而油田沿襲下來的傳統(tǒng)是管理粗放、工藝落后、設(shè)備陳舊v要實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，必須降低成本，提高效益，為此應(yīng)該狠抓節(jié)能降耗，其中許多問題都與傳熱學(xué)有直接的關(guān)系 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v傳熱學(xué)是熱工系列課程教學(xué)的主要內(nèi)容之一，是傳熱學(xué)是熱工系列課程教學(xué)的主要內(nèi)容之一，是石油工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性、應(yīng)用石油工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性、應(yīng)用性極強(qiáng)。是否能夠熟練掌握課程的內(nèi)容，直接影性極強(qiáng)。是

20、否能夠熟練掌握課程的內(nèi)容，直接影響到后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。響到后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。v通過學(xué)習(xí)能熟練掌握傳熱過程的基本規(guī)律、實(shí)驗(yàn)通過學(xué)習(xí)能熟練掌握傳熱過程的基本規(guī)律、實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)及分析計(jì)算方法，從而達(dá)到認(rèn)識、控制、測試技術(shù)及分析計(jì)算方法，從而達(dá)到認(rèn)識、控制、優(yōu)化傳熱過程的目的。優(yōu)化傳熱過程的目的。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)1-2 熱量傳遞的三種基本方式熱量傳遞的三種基本方式 v井筒舉升傳熱過程井筒舉升傳熱過程蒸汽（產(chǎn)出液）蒸汽（產(chǎn)出液）油管內(nèi)油管內(nèi)側(cè)表面：熱對流側(cè)表面：熱對流油管內(nèi)側(cè)表面油管內(nèi)側(cè)表面外側(cè)表面：外側(cè)表面：熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)油管外側(cè)表面油管外側(cè)表面油套環(huán)空：油套環(huán)空：熱對流、熱輻射熱

21、對流、熱輻射產(chǎn)出液、油管、環(huán)空、套管、水泥環(huán)、地層產(chǎn)出液、油管、環(huán)空、套管、水泥環(huán)、地層 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱） 1 、概念、概念 定義定義1 1：當(dāng)物體內(nèi)有溫度差或兩個(gè)不同溫度的物體相接當(dāng)物體內(nèi)有溫度差或兩個(gè)不同溫度的物體相接觸時(shí)，在物體各部分之間觸時(shí)，在物體各部分之間不發(fā)生相對位移不發(fā)生相對位移的情況下，物的情況下，物質(zhì)微粒（分子、原子或自由電子）的熱運(yùn)動(dòng)傳遞了熱量，質(zhì)微粒（分子、原子或自由電子）的熱運(yùn)動(dòng)傳遞了熱量，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱。這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱。 定義定義2 2：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時(shí)，依靠分子、物體各部分之間不發(fā)

22、生相對位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。稱導(dǎo)熱。 如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2、導(dǎo)熱的特征、導(dǎo)熱的特征v必須有溫差必須有溫差v同一物體或物體直接接觸，不發(fā)生宏觀上的相對同一物體或物體直接接觸，不發(fā)生宏觀上的相對位移位移v依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量傳遞熱量（本質(zhì)）（本質(zhì)）v無能量形式的轉(zhuǎn)化無能量形式的轉(zhuǎn)化v固、液、氣固、液、氣 固體

23、最常見，靜止、流動(dòng)的流體固體最常見，靜止、流動(dòng)的流體 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3、傅里葉定律 v（ 1822 年，法國物理學(xué)家） 分析一種最簡單的導(dǎo)熱問題。如圖：一塊大平壁，壁厚為，一側(cè)表面積為A，兩側(cè)表面分別維持均勻恒定溫度tw1和tw2。是個(gè)一維導(dǎo)熱問題。根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過表面1到表面2的熱量（熱流量）與導(dǎo)熱面積A和導(dǎo)熱溫差(tw1-tw2)成正比，與厚度成反比，即 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)12wwttA 式中，式中， 是比例系數(shù)，稱是比例系數(shù)，稱為為熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率，又稱，又稱導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。 t 是導(dǎo)熱溫差，是導(dǎo)熱溫差，或或K。 tA 或或 石油工程傳熱

24、學(xué)石油工程傳熱學(xué)v導(dǎo)熱系數(shù)：表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，是一種物性參數(shù)，單位： W/mK。v同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，即使同一種材料導(dǎo)熱系數(shù)值與溫度等因素有關(guān)。金屬材料最高，良導(dǎo)電體，也是良導(dǎo)熱體，液體次之，氣體最小。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)例題例題1-1 有三塊分別由純銅（熱導(dǎo)率有三塊分別由純銅（熱導(dǎo)率1=398 W/(mK)）、黃銅（熱導(dǎo)率）、黃銅（熱導(dǎo)率2=109W/(mK)）和碳）和碳鋼（熱導(dǎo)率鋼（熱導(dǎo)率3=40W/(mK)）制成的大平板，厚度）制成的大平板，厚度都為都為10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1 tw2 = 50不變，試求通過每塊平板的導(dǎo)熱熱流

25、密度。不變，試求通過每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。解：解： 這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，對于純銅板：這是通過大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，對于純銅板： 262111W/m1099.101.0/50398wwttq 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)對于黃銅板對于黃銅板 262122W/m10545.001.0/50109wwttq對于碳鋼板對于碳鋼板 262132W/m102.001.0/5040wwttq 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)二、熱對流二、熱對流 1 1 、基本概念、基本概念 1) 1) 熱對流：熱對流：是由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而是由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流使

26、流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。 對流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫對流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差差對流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。對流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。自然自然界不存在單一的熱對流。界不存在單一的熱對流。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2) 2) 表面對流換熱表面對流換熱：流動(dòng)流體流過一個(gè)溫度流動(dòng)流體流過一個(gè)溫度不同的物體表面時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞過程，不同的物體表面時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞過程，稱為對流傳熱。稱為對流傳熱。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 2 、對流換熱的分類、對流換熱的分類 1 1）根據(jù)對流換熱時(shí)）根據(jù)對流換熱時(shí)是否發(fā)生相

27、變是否發(fā)生相變分：有相分：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱。變的對流換熱和無相變的對流換熱。 沸騰換熱及凝結(jié)換熱：液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對流沸騰）。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 2）根據(jù)引起）根據(jù)引起流動(dòng)的原因流動(dòng)的原因分：自然對流和強(qiáng)制對流。分：自然對流和強(qiáng)制對流。v自然對流：自然對流： 由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。動(dòng)。 如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。v強(qiáng)制對流：強(qiáng)制對流： 流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所流體的流動(dòng)

28、是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的。造成的。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3 3、對流換熱的特征、對流換熱的特征v對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱（氣體而言，分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)刻存在）；不是熱（氣體而言，分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)刻存在）；不是基本傳熱方式基本傳熱方式v熱傳導(dǎo)與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程熱傳導(dǎo)與熱對流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過程v流體與固體壁面相互接觸流體與固體壁面相互接觸v有相對宏觀位移有相對宏觀位移v無能量形式的轉(zhuǎn)換無能量形式的轉(zhuǎn)換 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)4 、牛頓冷卻公式、牛頓冷卻公式當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為tf的流體流過溫度為的流體流過溫

29、度為tw、面積為、面積為A的固體壁的固體壁面時(shí)：面時(shí)：流體被冷卻時(shí)：流體被冷卻時(shí)：wfttt cAht 流體被加熱時(shí)：流體被加熱時(shí)：fwttt vt壁面與流體的溫差（亦稱溫壓），約定永遠(yuǎn)取正值 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)hc表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，對流傳熱系數(shù)，單位表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，對流傳熱系數(shù)，單位 。 2W/ mK hc的物理意義：的物理意義：單位溫差作用下通過單位面單位溫差作用下通過單位面積的熱流量。積的熱流量。 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小相對位置，而且與流體的

30、流面的形狀、大小相對位置，而且與流體的流速有關(guān)。速有關(guān)。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)一般地，一般地，就介質(zhì)而言：就介質(zhì)而言：水的對流換熱比空水的對流換熱比空氣強(qiáng)烈；氣強(qiáng)烈； 就換熱方式而言：就換熱方式而言：有相變的強(qiáng)于無相變的；有相變的強(qiáng)于無相變的；強(qiáng)制對流強(qiáng)于自然對流。強(qiáng)制對流強(qiáng)于自然對流。 對流換熱研究的基本任務(wù)：對流換熱研究的基本任務(wù)：用理論分析或用理論分析或?qū)嶒?yàn)的方法推出各種場合下表面換熱導(dǎo)數(shù)實(shí)驗(yàn)的方法推出各種場合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。的關(guān)系式。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)例題例題1-2 一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為一室內(nèi)暖氣片的散

31、熱面積為3m2，表面溫度，表面溫度為為tw = 50，和溫度為，和溫度為20的室內(nèi)空氣之間自然對流的室內(nèi)空氣之間自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h = 4 W/(m2K)。試問該暖氣。試問該暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣?解：解： 暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱，暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對流換熱， Q= Ah(tw tf) = 3m24 W/(m2K)(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相當(dāng)于功率為即相當(dāng)于功率為0.36kW的電暖氣。的電暖氣。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)三、熱輻射 1 1、基本概念、基本概念 1 1

32、）輻射和熱輻射）輻射和熱輻射 物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射輻射。凡是。凡是T0KT0K的物體都會(huì)向外界以電磁波的方式發(fā)射具有一定的物體都會(huì)向外界以電磁波的方式發(fā)射具有一定能量的粒子能量的粒子( (光子光子) )，原因很多：核聚變、裂變、溫度等。，原因很多：核聚變、裂變、溫度等。 因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射熱輻射。 2 2 ）輻射換熱）輻射換熱 物體間相互輻射和相互吸收能量的過程稱輻射換熱。物體間相互輻射和相互吸收能量的過程稱輻射換熱。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2.輻射換熱的特征輻射換熱的特征不需要冷熱物

33、體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量在真空中就可以傳遞能量在輻射換熱過程中伴隨著在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換能量形式的轉(zhuǎn)換： 物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能電磁波能電磁波能物體熱力學(xué)能物體熱力學(xué)能無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量物體輻射給高溫物體的能量;總的結(jié)果是熱由高溫傳到低總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫溫T0K，就有能量輻射，就有能量輻射與絕

34、對溫度呈四次方關(guān)系，溫度越高，輻射能力越強(qiáng)與絕對溫度呈四次方關(guān)系，溫度越高，輻射能力越強(qiáng)與物體的種類和表面狀況有關(guān)與物體的種類和表面狀況有關(guān) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3 3）導(dǎo)熱、對流、輻射的評述）導(dǎo)熱、對流、輻射的評述 導(dǎo)熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在導(dǎo)熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物有物質(zhì)存在質(zhì)存在的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在中間介質(zhì)，可以在真空真空中傳遞，而且在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。中輻射能的傳遞最有效。 在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。而且伴

35、隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v在輻射時(shí)，輻射體內(nèi)熱能 輻射能；在吸收時(shí)，輻射能 受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過程是一種能量互變過程。 輻射換熱是一種雙向熱流同時(shí)存在的換熱過程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)輻射換熱不需要中間介質(zhì)，在真空中即可進(jìn)行，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。因此，又稱其為非接觸性傳熱。 熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。 物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱，對流的基本特點(diǎn)。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3.斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律（Stefan-B

36、oltzmann Law）黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體。體。 或稱絕對黑體?；蚍Q絕對黑體。（Black bodyBlack body）黑體的輻射能力與吸收能力黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng)最強(qiáng),黑體的吸收和輻射能力黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的在同溫度的物體中是最大的而且輻射熱量服從于而且輻射熱量服從于斯忒斯忒藩藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律。 Ludwig Boltzmann (1844-1906)Ludwig Boltzmann (1844-1906) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)4bAT （1-7）其中其中 T 黑體的熱力學(xué)溫度黑

37、體的熱力學(xué)溫度 K ； 斯忒潘斯忒潘玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為射常數(shù)），其值為 ； A輻射表面積輻射表面積 m2 。 b-8245.67 10 W/ mK 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 實(shí)際物體輻射熱流量根據(jù)斯忒潘玻耳茲曼定律求得： 其中 物體自身向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量； 物體的發(fā)射率（黑度），其值總小于1，它與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān)。4bAT （ 1-8 ） 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 要計(jì)算輻射換熱量，必須考慮投到物體上的輻射熱量的吸收過程，即收支平衡量，詳見第6章。 物體包容在一個(gè)很大的表面溫度為的空腔內(nèi)，物體與空腔表面間的輻射換熱量 441

38、12()sbATT （ 1-9 ） 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v當(dāng)一個(gè)物體表面既有對流傳熱又有輻射傳熱時(shí)，當(dāng)一個(gè)物體表面既有對流傳熱又有輻射傳熱時(shí)，工程上常將它們綜合在一起。為方便起見，將輻工程上常將它們綜合在一起。為方便起見，將輻射換熱公式寫成牛頓冷卻公式的形式：射換熱公式寫成牛頓冷卻公式的形式：11rrwfh A tt vhr為表面輻射傳熱系數(shù)，為表面輻射傳熱系數(shù)，W/(mK)。v對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)hc和輻射傳熱系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)hr之和稱為表之和稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，即，即h=hc+hr 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)1-3 總傳熱過程總傳熱過

39、程一、總傳熱過程一、總傳熱過程 1 、概念、概念 熱量從溫度較高一側(cè)的流熱量從溫度較高一側(cè)的流體通過固體壁面?zhèn)鞯綔囟润w通過固體壁面?zhèn)鞯綔囟容^低一側(cè)流體中去的過程較低一側(cè)流體中去的過程稱總傳熱過程，簡稱傳熱稱總傳熱過程，簡稱傳熱過程。過程。 導(dǎo)熱導(dǎo)熱對流對流輻射輻射對流對流 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 、傳熱過程的組成、傳熱過程的組成 一般包括串聯(lián)的一般包括串聯(lián)的三個(gè)環(huán)節(jié)三個(gè)環(huán)節(jié)： 熱流體熱流體 壁面高溫側(cè)壁面高溫側(cè) 壁面高溫側(cè)壁面高溫側(cè) 壁面低溫側(cè)壁面低溫側(cè) 壁面低溫側(cè)壁面低溫側(cè) 冷流體冷流體 穩(wěn)態(tài)過程通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)過程通過串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。熱流量相同。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱

40、學(xué)3 、傳熱過程的計(jì)算 11112222cfwwwcwfAhttAttAhtt （a）（b）（c） 針對穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，即針對穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，即 Q=const Q=const 如圖如圖1-31-3，其，其傳熱環(huán)節(jié)有三種情況傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，則其熱，則其熱流量的表達(dá)式如下：流量的表達(dá)式如下： 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)將式（將式（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）改寫成溫差的形）改寫成溫差的形式：式：11112222/fwcwwwfcttAhttAttAh（d）（e）（f） 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)三式相加，整理可得:也可以表示成：也可以表示成： 式中，式中，K稱為傳熱系數(shù)，

41、單位為稱為傳熱系數(shù)，單位為 。 2W/ mK1212()11ffccAtthh12()ffAK ttAK t （1-8）11211ccKhh 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)二、傳熱系數(shù)二、傳熱系數(shù) 1 、概念、概念 是指用來表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的指標(biāo)。是指用來表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的指標(biāo)。數(shù)值數(shù)值上等于冷熱流體間溫差上等于冷熱流體間溫差1K時(shí)，單位傳熱面積在時(shí)，單位傳熱面積在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量。單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量。 K值越大，則傳熱過程越強(qiáng)，反之，則弱。其大值越大，則傳熱過程越強(qiáng)，反之，則弱。其大小小受較多的因素的影響：受較多的因素的影響： 參與傳熱過程的兩種流體的種類；參與傳熱過程的兩種流體的種

42、類； 傳熱過程是否有相變傳熱過程是否有相變 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 說明：說明：若流體與壁面間有輻射換熱現(xiàn)象，若流體與壁面間有輻射換熱現(xiàn)象，上述計(jì)算未考慮之。要計(jì)算輻射換熱，則：上述計(jì)算未考慮之。要計(jì)算輻射換熱，則：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)取復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)取復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，包含由輻射換熱折算出來的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)包含由輻射換熱折算出來的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在內(nèi)。其方法見在內(nèi)。其方法見8-48-4節(jié)。節(jié)。 傳熱系數(shù)的表達(dá)式為傳熱系數(shù)的表達(dá)式為: : 12111Khh（1-12） 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué) 傳熱系數(shù)的表達(dá)式揭示了傳熱系數(shù)的構(gòu)成，傳熱系數(shù)的表達(dá)式揭示了傳熱系數(shù)的構(gòu)成，

43、即它等于組成傳熱過程諸環(huán)節(jié)的即它等于組成傳熱過程諸環(huán)節(jié)的 、 及及 之和的倒數(shù)。如果對式（之和的倒數(shù)。如果對式（1-121-12）取倒）取倒數(shù)，還可理解得更深刻些。此時(shí)數(shù)，還可理解得更深刻些。此時(shí)1/1 h/2/1 h或或 12111Khh（1-131-13）12111AKAhAAh（1-141-14） 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)此式與歐姆定律此式與歐姆定律 比較，比較， 具有具有電阻電阻之功能。之功能。 由此可見：傳熱過程熱阻是由各構(gòu)成環(huán)節(jié)的由此可見：傳熱過程熱阻是由各構(gòu)成環(huán)節(jié)的熱阻熱阻組成。組成。 串聯(lián)熱阻疊加原則：串聯(lián)熱阻疊加原則：在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通

44、過各個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量都相等，過程中，如果通過各個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量都相等，則串聯(lián)熱量傳遞過程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)則串聯(lián)熱量傳遞過程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻之和。節(jié)熱阻之和。RUI/1/ AK 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v表示成熱阻的形式，有表示成熱阻的形式，有 f1f211 11 122- 111tttAKAhAA h 123tttRRRR 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2.熱阻熱阻導(dǎo)熱熱阻：導(dǎo)熱熱阻：W AttAThermal resistance for conductionThermal resistance for conduction K/WdRA2 mK/Wdr 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳

45、熱學(xué)對流換熱熱阻對流換熱熱阻hhrthtqRthAt 1 )(11 () K WhRhA21 mK WhrhThermal resistance for convection 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)f1f2121 1112222t - t111tQAKAhAAA h121122111trKhh121 11 12222111tRAKAhAAA h2mK/WK越大，傳熱越好。若要增大越大，傳熱越好。若要增大K K，可，可增大增大, , h減小雙層壁面?zhèn)鳠釤嶙桦p層壁面?zhèn)鳠釤嶙?石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)例題例題1-3 一房屋的混凝土外墻的厚度為一房屋的混凝土外墻的厚度為 =200mm，混，混

46、凝土的熱導(dǎo)率為凝土的熱導(dǎo)率為 =1.5W/(mK) ，冬季室外空氣溫度，冬季室外空氣溫度為為tf2=-10, 有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m2K)，室內(nèi)空氣溫度為，室內(nèi)空氣溫度為tf1= 25，和墻壁，和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=5 W/(m2K)。假設(shè)墻壁及。假設(shè)墻壁及兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時(shí)間而變化，兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時(shí)間而變化，求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度。求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度。解：解： 由給定條件可知，這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)傳熱過程。通由給定條件可知，這是一

47、個(gè)穩(wěn)態(tài)傳熱過程。通過墻壁的熱流密度，即單位面積墻壁的散熱損過墻壁的熱流密度，即單位面積墻壁的散熱損失為失為 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)212f1f11hhttq222/100)(201)(5 . 115. 0)(51)10(25mWKmWKmWmKmWK根據(jù)牛頓冷卻公式，對于內(nèi)、外墻面與空氣之間的根據(jù)牛頓冷卻公式，對于內(nèi)、外墻面與空氣之間的對流換熱，對流換熱， 1w1f1tthq2f2w2tthqChqtt5111f1wChqtt5122f2w 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)1-4 傳熱學(xué)的研究方法傳熱學(xué)的研究方法v理論研究方法理論研究方法數(shù)學(xué)分析法：數(shù)學(xué)分析法：合理簡化和假設(shè)，建立物理模型合

48、理簡化和假設(shè)，建立物理模型數(shù)學(xué)模數(shù)學(xué)模型型求解微分方程求解微分方程積分近似法：積分近似法：邊界層微分方程邊界層微分方程簡化積分簡化積分比比 擬擬 法：法：熱量、動(dòng)量類比關(guān)系，動(dòng)量傳遞熱量、動(dòng)量類比關(guān)系，動(dòng)量傳遞熱量傳遞熱量傳遞數(shù)值計(jì)算法：數(shù)值計(jì)算法：微分方程組離散化微分方程組離散化迭代、消元求解迭代、消元求解v實(shí)驗(yàn)研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法v相輔相成，理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的正確性相輔相成，理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的正確性 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)1-5 能量守恒能量守恒1 關(guān)于能量守恒原理v能量轉(zhuǎn)化與守恒原理是自然界中普遍遵循的基本原理之一，它是由無數(shù)客觀事實(shí)總結(jié)出來的最基本、最普遍的定

49、律，恩格斯稱其為絕對的自然定律。v該原理是在19世紀(jì)中期提出的，是建立在眾多科學(xué)家工作的基礎(chǔ)上，如卡諾、焦耳、邁爾和赫爾姆茲等人v在1847年德國物理學(xué)家赫爾姆茲在論力的守恒一文中第一次進(jìn)行系統(tǒng)地闡述。他將力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過程。 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v能量守恒原理的提出是物理學(xué)界的一件大事，完成了物理學(xué)上的第二次大綜合 v能量守恒原理的應(yīng)用非常廣泛，對不同的問題、在不同的角度它有不同的表述方法v最基本的表述是：“能量不能消失，也不能創(chuàng)造，它只能由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體；對于和外界無任何聯(lián)系的孤立系統(tǒng)，總能保持不變”。

50、石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v機(jī)械能守恒定律是力學(xué)角度上的能量守恒原理，它表述為：v對由若干物體組成的系統(tǒng)，若系統(tǒng)只有保守力（沿封閉路徑運(yùn)行一周后，所做功為零的力，如重力、彈性力、萬有引力等）作功，其他非保守力和一切外力所作總功為零，則系統(tǒng)內(nèi)的各物體的動(dòng)能和勢能可以相互轉(zhuǎn)換，但總能量保持不變v熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)角度上能量轉(zhuǎn)換與守恒原理，它說明在熱能與機(jī)械能的熱功轉(zhuǎn)換過程，能量的總量是守恒的 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v對于和外界沒有質(zhì)量交換的閉口系統(tǒng)而言，表述為“物體從外界吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加和對外做的功”。v傳熱學(xué)中的能量守恒原理實(shí)際上就是來自于熱力學(xué)第一定律v能量守恒原理是分

51、析傳熱問題的基本依據(jù)v從某種角度上講，一切傳熱問題所遵循的基本規(guī)律只有兩個(gè)：特定傳熱方式的特殊規(guī)律能量守恒原理v掌握了能量守恒原理及應(yīng)用，掌握了傳熱學(xué)的一半精華 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v能量守恒原理在傳熱學(xué)中的應(yīng)用，依分析對象的不同而不同v傳熱學(xué)中的分析對象有兩種：即控制容積和控制表面v能量守恒原理應(yīng)用于控制容積或控制表面時(shí)，最終得到的方程形式是不同的 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 控制容積的能量守恒原理v控制容積：由若干表面圍成的封閉空間：封閉空間內(nèi)是實(shí)施能量守恒的研究對象，封閉空間稱為外界環(huán)境幾何上，這些表面將控制容積與外界環(huán)境的分界面、邊界面物理上，能量和物質(zhì)可以通過分界面進(jìn)出控

52、制容積v根據(jù)需要，可以取整個(gè)研究物體作為控制容積，也可以從研究物體中取微元體作為控制容積 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v對選定的控制容積，任一瞬間的能量守恒原理可以表述為：sEoutinin從從各個(gè)方向以各種方式進(jìn)入各個(gè)方向以各種方式進(jìn)入控制容積的熱流量控制容積的熱流量 控制容積內(nèi)熱源的控制容積內(nèi)熱源的瞬時(shí)熱功率瞬時(shí)熱功率 out從從各個(gè)方向以各種方式離開各個(gè)方向以各種方式離開控制容積的熱流量控制容積的熱流量 sE控制容積中控制容積中儲(chǔ)存熱能的增加速率儲(chǔ)存熱能的增加速率 2 控制容積的能量守恒原理 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)v在時(shí)間段內(nèi)，控制容積能量守恒的形式為：invoutsEEEE vE

53、in為時(shí)間內(nèi)從各個(gè)方向以各種方式進(jìn)入控制容積的熱量vEv為時(shí)間內(nèi)控制容積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量vEout為時(shí)間內(nèi)從各個(gè)方向以各種方式離開控制容積的熱量vEs為控制容積中儲(chǔ)存熱能的增加 2 控制容積的能量守恒原理 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 控制容積的能量守恒原理v說明：v（1）注意單位的一致性：采用W，各項(xiàng)均應(yīng)用W（傳熱速率）；用J（熱量總量）則均用J v（2）流入和流出項(xiàng)是表面現(xiàn)象，與在表面上發(fā)生的過程有關(guān)，正比于表面積所有方向各種方式 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 控制容積的能量守恒原理v（3）內(nèi)熱源：其他形式的熱量轉(zhuǎn)化而來通電導(dǎo)體因電阻作用使部分電能轉(zhuǎn)化為熱能受微波輻射作用產(chǎn)生的熱能燃料

54、因燃燒由化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能v通常，內(nèi)熱源是一種容積現(xiàn)象，與控制容積的大小成正比 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 控制容積的能量守恒原理v傳熱學(xué)中，通常用內(nèi)熱源強(qiáng)度表示內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量能力的大小v內(nèi)熱源強(qiáng)度：單位體積的物體在單位時(shí)間內(nèi)所釋放出的熱能，單位為W/m3v內(nèi)熱源也稱為熱產(chǎn)（heat generation），可以是負(fù)的v負(fù)的內(nèi)熱源也稱為熱沉或熱匯（heat sink） 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)2 控制容積的能量守恒原理v（4）控制容積儲(chǔ)存熱能的增加是指物體熱力學(xué)能的增加v物體熱力學(xué)能的變化意味著物體的溫度隨時(shí)間發(fā)生變化:v對穩(wěn)態(tài)的傳熱問題，物體的內(nèi)熱能無變化TmcEs 石油工程傳熱學(xué)石油

55、工程傳熱學(xué)2 控制容積的能量守恒原理v（5）傳熱學(xué)中控制容積有微元容積（微元體）和有限容積兩種形式v對微元容積實(shí)施能量守恒時(shí)得到的一般是微分方程，用有限容積則得到的是積分方程 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3 控制表面的能量守恒原理v任何物體和系統(tǒng)總存在表面v通過它，物體和外界環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)和能量的傳遞，這些表面稱為控制表面v控制表面的特點(diǎn)：只是一個(gè)幾何面，既沒有體積，也沒有質(zhì)量 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3 控制表面的能量守恒原理v控制容積能量守恒式中：v無內(nèi)熱源項(xiàng)和儲(chǔ)存熱能變化項(xiàng)v只有進(jìn)入和離開，無論在什么情況下進(jìn)入的總是等于離開的 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)3 控制表面的能量守恒原理v控制表面的能量守恒：outin v顯然，無論對于穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)，它總是成立的 soutginEEEE 石油工程傳熱學(xué)石油工程傳熱學(xué)4 傳熱學(xué)中能量守恒的實(shí)施過程v（1）明確研究對象，做出適當(dāng)?shù)暮喕僭O(shè)v（2）在研究對象中定義控制容積或控制表面v（3）對控制容積或控制表面列出能量守恒