石油工程傳熱學(xué)教材及參考書(shū)教材：《傳熱學(xué)》黃善波等編，2014新版參考：《傳熱學(xué)》陶文銓、楊世銘《傳熱學(xué)》戴鍋生編考核方法閉卷考試80%平時(shí)成績(jī)20%第一章緒論§1-1傳熱學(xué)的研究對(duì)象和任務(wù)§1-2傳熱學(xué)在石油工程中的應(yīng)用§1-3熱量傳遞的三種基本方式§1-4總傳熱過(guò)程§1-5傳熱學(xué)的研究方法§1-6能量守恒及應(yīng)用自然界及生活中現(xiàn)象CPU散熱器，顯卡散熱器，一年四季更替，冬冷夏熱，保溫層空調(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)暖氣，太陽(yáng)能，節(jié)能墻，冬夏穿衣與熱量的傳遞相關(guān)，與傳熱學(xué)有關(guān)§1-1傳熱學(xué)研究的對(duì)象和任務(wù)一、什么是傳熱學(xué)1、傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。熱量傳遞的機(jī)理、規(guī)律、計(jì)算和測(cè)試方法熱量傳遞過(guò)程的推動(dòng)力：溫差熱力學(xué)第二定律：熱能只能自發(fā)地由高溫處傳到低溫處。1)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；

2)物體之間存在溫差時(shí)，熱量就會(huì)自發(fā)的從高溫物體傳向低溫物體。

2、熱量傳遞過(guò)程

根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，熱量傳遞過(guò)程可分為兩類：穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程、非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

1）穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程（定常過(guò)程）

凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變的熱傳遞過(guò)程均稱穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

2）非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程（非定常過(guò)程）

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(guò)程均稱非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

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(guò)程屬穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；而在啟動(dòng)、停機(jī)、工況改變時(shí)的傳熱過(guò)程則屬非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。

3、工程中的兩大類問(wèn)題：1）計(jì)算傳熱的熱流量：反映熱傳遞快慢增強(qiáng)傳熱（扇子）削弱傳熱（保溫、棉衣）2）確定溫度分布：對(duì)某些現(xiàn)象判斷、溫度控制和其它計(jì)算大氣層溫度分布→天氣預(yù)報(bào)熱應(yīng)力計(jì)算→壽命油藏地層溫度分布→蒸汽帶擴(kuò)散，熱影響區(qū)域大小凝固熱應(yīng)力導(dǎo)致裂紋發(fā)生

4、假設(shè)：1）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)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(wú)關(guān)2）特定假設(shè)：針對(duì)某一類具體問(wèn)題進(jìn)行的假設(shè)，如在工程壓力范圍內(nèi)，溫度變化較小時(shí)假設(shè)熱導(dǎo)率為常數(shù)或者取平均值二、傳熱學(xué)的重要性自然界與生產(chǎn)過(guò)程到處存在溫差—傳熱很普遍傳熱學(xué)在日常生活、生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。①人體為恒溫體。若房間里氣體的溫度在夏天和冬天都保持20℃，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？②夏天人在同樣溫度（如：25℃）的空氣和水中的感覺(jué)不一樣。為什么？③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？日常生活中的例子為什么水壺的提把要包上橡膠？不同材質(zhì)的湯匙放入熱水中，哪個(gè)黃油融解更快？生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱問(wèn)題航空航天“熱防護(hù)系統(tǒng)”（TPS）：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；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學(xué)火箭）；太陽(yáng)能高空無(wú)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(yáng)直接輻照產(chǎn)生的高溫和進(jìn)入地球陰影時(shí)面對(duì)接近0K的宇宙空間導(dǎo)致的低溫，溫度變化范圍達(dá)到-157～55℃—同時(shí)還要經(jīng)受1.33×10-4Pa的高真空環(huán)境—在以7.5km/s的速度從120km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2.5×105W/m2，機(jī)翼前緣和頭錐帽上的溫度高達(dá)1650℃！—除此之外還必須能夠經(jīng)受太陽(yáng)紫外線、高能粒子和微隕石可能的撞擊微電子：電子芯片冷卻，CPU風(fēng)扇生物醫(yī)學(xué)：腫瘤高溫?zé)岑?；組織與器官的冷凍保存軍事：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)/熱泵；高溫水源熱泵新能源：太陽(yáng)能；燃料電池目前在石油工業(yè)中導(dǎo)致傳熱學(xué)的地位和作用越來(lái)越重要的背景有兩個(gè)：高粘、高凝原油的開(kāi)發(fā)我國(guó)油田開(kāi)發(fā)的由淺到深、由易到難的開(kāi)發(fā)過(guò)程高粘高凝原油是我國(guó)的重要油氣資源，分布廣、儲(chǔ)量大，預(yù)測(cè)我國(guó)的稠油在80億噸以上。開(kāi)發(fā)稠油時(shí)的主要問(wèn)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)用高凝油——含蠟量高，凝固點(diǎn)高的原油，其特點(diǎn)是存在析蠟點(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(kāi)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)性實(shí)踐證明，熱處理油層采油技術(shù)是開(kāi)發(fā)稠油和高凝油的一種行之有效的方法，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，增加油藏驅(qū)油能力，減小油層流動(dòng)阻力是開(kāi)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：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注熱流體工藝——注入的熱流體可以是蒸汽，也可以是熱水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)性變差注蒸汽工藝通常應(yīng)用于稠油開(kāi)發(fā)，主要機(jī)理：充分利用稠油粘度對(duì)溫度非常敏感這一特點(diǎn)，通過(guò)提高油藏溫度來(lái)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

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(guò)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(lái)加熱油層目前正處于試驗(yàn)階段，它對(duì)油層的適應(yīng)性較廣，有前途實(shí)際控制較難，還沒(méi)有到工業(yè)化應(yīng)用的階段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)性變差熱力降粘技術(shù)就是常用的一種熱力降粘技術(shù)——通過(guò)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)

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(guò)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)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)對(duì)稠油和高凝油的開(kāi)發(fā)，加熱降粘或通過(guò)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)的目的其中涉及到的傳熱問(wèn)題的分析和解決是工藝的關(guān)鍵所在目前我國(guó)石油勘探的現(xiàn)狀：——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(lái)越少我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)能源需求量的增加，迫使我們不得不開(kāi)發(fā)深層、超深層油藏和低產(chǎn)能區(qū)塊（低滲透）對(duì)深層、超深層油藏，4000-5000米很常見(jiàn)深井的問(wèn)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(guò)了200℃大溫差無(wú)論對(duì)鉆井、固井和采油工藝都會(huì)產(chǎn)生影響

鉆井：鉆井液是鉆井工程的血液，它主要是冷卻鉆頭、清洗井底、攜帶和懸浮巖屑的作用。對(duì)特殊地層還發(fā)展了低密度鉆井流體技術(shù)。無(wú)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(duì)它們的攜帶性能、冷卻性能、懸浮性能的影響需要了解井筒內(nèi)水泥漿的溫度沿井深的變化情況在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展鉆井液在高溫高壓下的性能研究外對(duì)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)固井工程的好壞是衡量一口油井質(zhì)量的重要指標(biāo)固井工程中要注入水泥漿，而井筒內(nèi)的溫度變化對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間、流變性質(zhì)、凝固時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等都會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)固井質(zhì)量產(chǎn)生影響。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壓裂液是對(duì)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對(duì)深井和超深井的壓裂，也存在著類似的問(wèn)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采油中舉升工藝的設(shè)計(jì)也存在設(shè)類似的問(wèn)題，溫度主要通過(guò)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(kāi)井筒內(nèi)溫度場(chǎng)的計(jì)算如電潛泵舉升技術(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(kāi)溫度場(chǎng)的計(jì)算。這需要傳熱學(xué)的知識(shí)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%現(xiàn)在石油石化總公司對(duì)各油田公司的成本控制很嚴(yán)，而油田沿襲下來(lái)的傳統(tǒng)是管理粗放、工藝落后、設(shè)備陳舊要實(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(wèn)題都與傳熱學(xué)有直接的關(guān)系傳熱學(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)用性極強(qiáng)。是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。通過(guò)學(xué)習(xí)能熟練掌握傳熱過(guò)程的基本規(guī)律、實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及分析計(jì)算方法，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)、控制、優(yōu)化傳熱過(guò)程的目的?！?-2熱量傳遞的三種基本方式

井筒舉升傳熱過(guò)程蒸汽（產(chǎn)出液）→油管內(nèi)側(cè)表面：熱對(duì)流油管內(nèi)側(cè)表面→外側(cè)表面：熱傳導(dǎo)油管外側(cè)表面→油套環(huán)空：熱對(duì)流、熱輻射產(chǎn)出液、油管、環(huán)空、套管、水泥環(huán)、地層一、熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）

1、概念

定義1：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)，在物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移的情況下，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，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。定義2：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)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)生的熱量傳遞稱導(dǎo)熱。如：固體與固體之間及固體內(nèi)部的熱量傳遞。2、導(dǎo)熱的特征必須有溫差同一物體或物體直接接觸，不發(fā)生宏觀上的相對(duì)位移依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量（本質(zhì)）無(wú)能量形式的轉(zhuǎn)化固、液、氣固體最常見(jiàn)，靜止、流動(dòng)的流體3、傅里葉定律

（1822年，法國(guó)物理學(xué)家）

分析一種最簡(jiǎn)單的導(dǎo)熱問(wèn)題。如圖：一塊大平壁，壁厚為δ，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(wèn)題。根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)表面1到表面2的熱量Φ（熱流量）與導(dǎo)熱面積A和導(dǎo)熱溫差(tw1-tw2)成正比，與厚度δ成反比，即式中，是比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。Δt是導(dǎo)熱溫差，℃或K?；?qū)嵯禂?shù)λ：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/m·K。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。例題1-1有三塊分別由純銅（熱導(dǎo)率λ1=398W/(m·K)）、黃銅（熱導(dǎo)率λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（熱導(dǎo)率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側(cè)表面的溫差都維持為tw1–tw2=50℃不變，試求通過(guò)每塊平板的導(dǎo)熱熱流密度。解：這是通過(guò)大平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，對(duì)于純銅板：

對(duì)于黃銅板

對(duì)于碳鋼板

二、熱對(duì)流

1、基本概念

1)熱對(duì)流：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(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流僅發(fā)生在流體中，流體中有溫差—對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。自然界不存在單一的熱對(duì)流。

2)表面對(duì)流換熱：流動(dòng)流體流過(guò)一個(gè)溫度不同的物體表面時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞過(guò)程，稱為對(duì)流傳熱。

2、對(duì)流換熱的分類

1）根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)是否發(fā)生相變分：有相變的對(duì)流換熱和無(wú)相變的對(duì)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(duì)流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對(duì)流沸騰）。2）根據(jù)引起流動(dòng)的原因分：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。

如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的。3、對(duì)流換熱的特征對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱（氣體而言，分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)刻存在）；不是基本傳熱方式熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程流體與固體壁面相互接觸有相對(duì)宏觀位移無(wú)能量形式的轉(zhuǎn)換4、牛頓冷卻公式當(dāng)溫度為tf的流體流過(guò)溫度為tw、面積為A的固體壁面時(shí)：流體被冷卻時(shí)：流體被加熱時(shí)：Δt——壁面與流體的溫差（亦稱溫壓），約定永遠(yuǎn)取正值hc—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)，單位。

hc的物理意義：?jiǎn)挝粶夭钭饔孟峦ㄟ^(guò)單位面積的熱流量。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。一般地，就介質(zhì)而言：水的對(duì)流換熱比空氣強(qiáng)烈；就換熱方式而言：有相變的強(qiáng)于無(wú)相變的；強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)于自然對(duì)流。對(duì)流換熱研究的基本任務(wù)：用理論分析或?qū)嶒?yàn)的方法推出各種場(chǎng)合下表面換熱導(dǎo)數(shù)的關(guān)系式。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值范圍例題1-2一室內(nèi)暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內(nèi)空氣之間自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=4W/(m2·K)。試問(wèn)該暖氣片相當(dāng)于多大功率的電暖氣?解：暖氣片和室內(nèi)空氣之間是穩(wěn)態(tài)的自然對(duì)流換熱，

Q=Ah(tw–tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW即相當(dāng)于功率為0.36kW的電暖氣。

三、熱輻射

1、基本概念

1）輻射和熱輻射

物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射。凡是T>0K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(光子)，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)象稱為熱輻射。2）輻射換熱

物體間相互輻射和相互吸收能量的過(guò)程稱輻射換熱。

2.輻射換熱的特征——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——在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換：物體熱力學(xué)能→電磁波能→物體熱力學(xué)能——無(wú)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溫——T>0K，就有能量輻射——與絕對(duì)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)3）導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的評(píng)述①

導(dǎo)熱、對(duì)流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。②在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。

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(guò)程是一種能量互變過(guò)程。③輻射換熱是一種雙向熱流同時(shí)存在的換熱過(guò)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

④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。⑤熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。

⑥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(duì)流的基本特點(diǎn)。

3.斯蒂芬-玻爾茲曼定律（Stefan-BoltzmannLaw）黑體：能全部吸收投射到其表面輻射能的物體?；蚍Q絕對(duì)黑體。（Blackbody）黑體的輻射能力與吸收能力最強(qiáng),黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的而且輻射熱量服從于斯忒藩——玻耳茲曼定律。LudwigBoltzmann(1844-1906)（1-7）其中T——黑體的熱力學(xué)溫度K；

——斯忒潘—玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為；

A——輻射表面積m2

。

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Φ——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)。（1-8）

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(guò)程，即收支平衡量，詳見(jiàn)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

（1-9）當(dāng)一個(gè)物體表面既有對(duì)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(jiàn)，將輻射換熱公式寫成牛頓冷卻公式的形式：hr為表面輻射傳熱系數(shù)，W/(m·K)。對(duì)流傳熱系數(shù)hc和輻射傳熱系數(shù)hr之和稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，即h=hc+hr§1-3

總傳熱過(guò)程一、總傳熱過(guò)程1、概念

熱量從溫度較高一側(cè)的流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鞯綔囟容^低一側(cè)流體中去的過(guò)程稱總傳熱過(guò)程，簡(jiǎn)稱傳熱過(guò)程。

導(dǎo)熱對(duì)流輻射對(duì)流2、傳熱過(guò)程的組成

一般包括串聯(lián)的三個(gè)環(huán)節(jié)：①熱流體→壁面高溫側(cè)②壁面高溫側(cè)→壁面低溫側(cè)

③壁面低溫側(cè)→冷流體

穩(wěn)態(tài)過(guò)程通過(guò)串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱流量相同。

3、傳熱過(guò)程的計(jì)算

（a）（b）（c）

針對(duì)穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，即Q=const

如圖1-3，其傳熱環(huán)節(jié)有三種情況，則其熱流量的表達(dá)式如下：將式（a）、（b）、（c）改寫成溫差的形式：（d）（e）（f）三式相加，整理可得:也可以表示成：式中，K稱為傳熱系數(shù)，單位為。

（1-8）二、傳熱系數(shù)

1、概念

是指用來(lái)表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的指標(biāo)。數(shù)值上等于冷熱流體間溫差1K時(shí)，單位傳熱面積在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量。

K值越大，則傳熱過(guò)程越強(qiáng)，反之，則弱。其大小受較多的因素的影響：

①參與傳熱過(guò)程的兩種流體的種類；②傳熱過(guò)程是否有相變

說(shuō)明：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：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(lái)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在內(nèi)。其方法見(jiàn)8-4節(jié)。傳熱系數(shù)的表達(dá)式為:

（1-12）

傳熱系數(shù)的表達(dá)式揭示了傳熱系數(shù)的構(gòu)成，即它等于組成傳熱過(guò)程諸環(huán)節(jié)的、及之和的倒數(shù)。如果對(duì)式（1-12）取倒數(shù)，還可理解得更深刻些。此時(shí)或（1-13）（1-14）此式與歐姆定律比較，具有電阻之功能。由此可見(jiàn)：傳熱過(guò)程熱阻是由各構(gòu)成環(huán)節(jié)的熱阻組成。串聯(lián)熱阻疊加原則：在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞過(guò)程中，如果通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量都相等，則串聯(lián)熱量傳遞過(guò)程的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻之和。表示成熱阻的形式，有

2.熱阻導(dǎo)熱熱阻：Thermalresistanceforconduction對(duì)流換熱熱阻ThermalresistanceforconvectionK越大，傳熱越好。若要增大K，可增大雙層壁面?zhèn)鳠釤嶙枥}1-3

一房屋的混凝土外墻的厚度為=200mm，混凝土的熱導(dǎo)率為=1.5W/(m·K)，冬季室外空氣溫度為tf2=-10℃,有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h2=20W/(m2·K)，室內(nèi)空氣溫度為tf1=25℃，和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h1=5W/(m2·K)。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，求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度。解：由給定條件可知，這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。通過(guò)墻壁的熱流密度，即單位面積墻壁的散熱損失為根據(jù)牛頓冷卻公式，對(duì)于內(nèi)、外墻面與空氣之間的對(duì)流換熱，§1-4傳熱學(xué)的研究方法理論研究方法數(shù)學(xué)分析法：合理簡(jiǎn)化和假設(shè)，建立物理模型→數(shù)學(xué)模型→求解微分方程積分近似法：邊界層微分方程→簡(jiǎn)化積分比擬法：熱量、動(dòng)量類比關(guān)系，動(dòng)量傳遞→熱量傳遞數(shù)值計(jì)算法：微分方程組離散化→迭代、消元求解實(shí)驗(yàn)研究方法相輔相成，理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的正確性§1-5能量守恒1關(guān)于能量守恒原理能量轉(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(wú)數(shù)客觀事實(shí)總結(jié)出來(lái)的最基本、最普遍的定律，恩格斯稱其為絕對(duì)的自然定律。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在1847年德國(guó)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(guò)程。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

能量守恒原理的應(yīng)用非常廣泛，對(duì)不同的問(wèn)題、在不同的角度它有不同的表述方法最基本的表述是：“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(duì)于和外界無(wú)任何聯(lián)系的孤立系統(tǒng)，總能保持不變”。

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：對(duì)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(wàn)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(shì)能可以相互轉(zhuǎn)換，但總能量保持不變熱力學(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(shuō)明在熱能與機(jī)械能的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程，能量的總量是守恒的對(duì)于和外界沒(méi)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(duì)外做的功”。傳熱學(xué)中的能量守恒原理實(shí)際上就是來(lái)自于熱力學(xué)第一定律能量守恒原理是分析傳熱問(wèn)題的基本依據(jù)從某種角度上講，一切傳熱問(wèn)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)的一半精華能量守恒原理在傳熱學(xué)中的應(yīng)用，依分析對(duì)象的不同而不同傳熱學(xué)中的分析對(duì)象有兩種：即控制容積和控制表面能量守恒原理應(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2控制容積的能量守恒原理控制容積：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(duì)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(guò)分界面進(jìn)出控制容積根據(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

對(duì)選定的控制容積，任一瞬間的能量守恒原理可以表述為：Φin—從各個(gè)方向以各種方式進(jìn)入控制容積的熱流量—控制容積內(nèi)熱源的瞬時(shí)熱功率

Φout—從各個(gè)方向以各種方式離開(kāi)控制容積的熱流量—控制容積中儲(chǔ)存熱能的增加速率

2控制容積的能量守恒原理在時(shí)間段Δτ內(nèi)，控制容積能量守恒的形式為：Ein為Δτ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Ev為Δτ時(shí)間內(nèi)控制容積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量Eout為Δτ時(shí)間內(nèi)從各個(gè)方向以各種方式離開(kāi)控制容積的熱量ΔEs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2控制容積的能量守恒原理說(shuō)明：（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

（2）流入和流出項(xiàng)是表面現(xiàn)象，與在表面上發(fā)生的過(guò)程有關(guān)，正比于表面積所有方向各種方式2控制容積的能量守恒原理（3）內(nèi)熱源：其他形式的熱量轉(zhuǎn)化而來(lái)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)生的熱能燃料因燃燒由化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能通常，內(nèi)熱源是一種容積現(xiàn)象，與控制容積的大小成正比2控制容積的能量守恒原理傳熱學(xué)中，通常用內(nèi)熱源強(qiáng)度表示內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量能力的大小內(nèi)熱源強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積的物體在單位時(shí)間內(nèi)所釋放出的熱能，單位為W/m3內(nèi)熱源也稱為熱產(chǎn)（heatgeneration），可以是負(fù)的負(fù)的內(nèi)熱源也稱為熱沉或熱匯（heatsink）2控制容積的能量守恒原理（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:對(duì)穩(wěn)態(tài)的傳熱問(wèn)題，物體的內(nèi)熱能無(wú)變化2控制容積的能量守恒原理（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對(duì)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3控制表面的能量守恒原理任何物體和系統(tǒng)總存在表面通過(guò)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控制表面的特點(diǎn)：只是一個(gè)幾何面，既沒(méi)有體積，也沒(méi)有質(zhì)量3控制表面的能量守恒原理控制容積能量守恒式中：——無(wú)內(nèi)熱源項(xiàng)和儲(chǔ)存熱能變化項(xiàng)——只有進(jìn)入和離開(kāi)，無(wú)論在什么情況下進(jìn)入的總是等于離開(kāi)的

3控制表面的能量守恒原理控制表面的能量守恒：顯然，無(wú)論對(duì)于穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)，它總是成立的

4傳熱學(xué)中能量守恒的實(shí)施過(guò)程（1）明確研究對(duì)象，做出適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化假設(shè)（2）在研究對(duì)象中定義控制容積或控制表面（3）對(duì)控制容積或控制表面列出能