石油工程傳熱學教材及參考書教材：《傳熱學》黃善波等編，2014新版參考：《傳熱學》陶文銓、楊世銘《傳熱學》戴鍋生編考核方法閉卷考試80%平時成績20%第一章緒論§1-1傳熱學的研究對象和任務§1-2傳熱學在石油工程中的應用§1-3熱量傳遞的三種基本方式§1-4總傳熱過程§1-5傳熱學的研究方法§1-6能量守恒及應用自然界及生活中現象CPU散熱器，顯卡散熱器，一年四季更替，冬冷夏熱，保溫層空調，風扇，扇子，攪稀飯，夏天柏油馬路表面蒸發現象，航天飛機暖氣，太陽能，節能墻，冬夏穿衣與熱量的傳遞相關，與傳熱學有關§1-1傳熱學研究的對象和任務一、什么是傳熱學1、傳熱學是研究熱量傳遞規律的學科。熱量傳遞的機理、規律、計算和測試方法熱量傳遞過程的推動力：溫差熱力學第二定律：熱能只能自發地由高溫處傳到低溫處。1)物體內只要存在溫差，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，熱量就會自發的從高溫物體傳向低溫物體。

2、熱量傳遞過程

根據物體溫度與時間的關系，熱量傳遞過程可分為兩類：穩態傳熱過程、非穩態傳熱過程。

1）穩態傳熱過程（定常過程）

凡是物體中各點溫度不隨時間而變的熱傳遞過程均稱穩態傳熱過程。

2）非穩態傳熱過程（非定常過程）

凡是物體中各點溫度隨時間的變化而變化的熱傳遞過程均稱非穩態傳熱過程。

各種熱力設備在持續不變的工況下運行時的熱傳遞過程屬穩態傳熱過程；而在啟動、停機、工況改變時的傳熱過程則屬非穩態傳熱過程。

3、工程中的兩大類問題：1）計算傳熱的熱流量：反映熱傳遞快慢增強傳熱（扇子）削弱傳熱（保溫、棉衣）2）確定溫度分布：對某些現象判斷、溫度控制和其它計算大氣層溫度分布→天氣預報熱應力計算→壽命油藏地層溫度分布→蒸汽帶擴散，熱影響區域大小凝固熱應力導致裂紋發生

4、假設：1）普遍性假設：研究的物體為連續體，物體內各點的溫度等參數為時間和空間坐標的連續函數研究的物體是各向同性的、各點物性與方向無關2）特定假設：針對某一類具體問題進行的假設，如在工程壓力范圍內，溫度變化較小時假設熱導率為常數或者取平均值二、傳熱學的重要性自然界與生產過程到處存在溫差—傳熱很普遍傳熱學在日常生活、生產技術領域中的應用十分廣泛。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不一樣。為什么？③北方寒冷地區，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？不同材質的湯匙放入熱水中，哪個黃油融解更快？生產技術領域大量存在傳熱問題航空航天“熱防護系統”（TPS）：高溫葉片氣膜冷卻與發汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發汗冷卻；衛星與空間站熱控制；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、化學火箭）；太陽能高空無人飛機—航天飛機在地球軌道上將反復地經受困太陽直接輻照產生的高溫和進入地球陰影時面對接近0K的宇宙空間導致的低溫，溫度變化范圍達到-157～55℃—同時還要經受1.33×10-4Pa的高真空環境—在以7.5km/s的速度從120km高度重返地球大氣層時，飛行器表面的熱流密度大約達到2.5×105W/m2，機翼前緣和頭錐帽上的溫度高達1650℃！—除此之外還必須能夠經受太陽紫外線、高能粒子和微隕石可能的撞擊微電子：電子芯片冷卻，CPU風扇生物醫學：腫瘤高溫熱療；組織與器官的冷凍保存軍事：飛機、坦克；激光武器；彈藥貯存制冷：跨臨界二氧化碳汽車空調/熱泵；高溫水源熱泵新能源：太陽能；燃料電池目前在石油工業中導致傳熱學的地位和作用越來越重要的背景有兩個：高粘、高凝原油的開發我國油田開發的由淺到深、由易到難的開發過程高粘高凝原油是我國的重要油氣資源，分布廣、儲量大，預測我國的稠油在80億噸以上。開發稠油時的主要問題是高粘度導致的流動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阻力大，舉升困難§1-2傳熱學在石油工程中的應用高凝油——含蠟量高，凝固點高的原油，其特點是存在析蠟點和凝固點溫度低于析蠟點時，原油中的重質組分開始析出當原油溫度進一步降低至凝固點時，原油將失去流動性實踐證明，熱處理油層采油技術是開發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，防止油層中的結蠟現象，增加油藏驅油能力，減小油層流動阻力是開發稠油、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，防止原油中的重質組分析出使流動性變差注蒸汽工藝通常應用于稠油開發，主要機理：充分利用稠油粘度對溫度非常敏感這一特點，通過提高油藏溫度來降低流體粘度以改善其流動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）連續地注入到油層中，通過自燃或點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目前正處于試驗階段，它對油層的適應性較廣，有前途實際控制較難，還沒有到工業化應用的階段井筒降粘的必要性當稠油和高凝油由井底沿井筒被舉升到地面時，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組分析出導致原油在井筒內的流動性變差熱力降粘技術就是常用的一種熱力降粘技術——通過提高井筒流體溫度，降低其粘度的技術有熱流體循環加熱技術和電加熱降粘技術

熱流體降粘技術——在地面上產生高溫流體（油或熱水），然后通過特殊管柱注入到井筒中建立循環通道，以加熱井筒中生產流體的工藝技術電加熱降粘技術——利用電熱桿或伴熱電纜，將電能轉化為熱能，提高井筒生產流體溫度的工藝技術對稠油和高凝油的開發，加熱降粘或通過加熱維持溫度是熱處理油層技術和井筒熱力降粘技術的目的其中涉及到的傳熱問題的分析和解決是工藝的關鍵所在目前我國石油勘探的現狀：——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越少我國社會經濟的發展對能源需求量的增加，迫使我們不得不開發深層、超深層油藏和低產能區塊（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產生影響

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。對特殊地層還發展了低密度鉆井流體技術。無論常規鉆井液還是低密度鉆井液，在進行深井、超深井作業時，已經不能忽略井口、井底的溫度差異對它們的攜帶性能、冷卻性能、懸浮性能的影響需要了解井筒內水泥漿的溫度沿井深的變化情況在實驗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的流動和傳熱規律進行研究，確定鉆井液的溫度在井深范圍內的變化規律，從而為鉆井工藝的設計提供理論依據固井工程的好壞是衡量一口油井質量的重要指標固井工程中要注入水泥漿，而井筒內的溫度變化對水泥漿的稠化時間、流變性質、凝固時間、抗壓強度等都會產生影響，進而對固井質量產生影響。水力壓裂是油田增產的重要措施，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壓裂效果至關重要，同樣是配制而成的，壓裂液性能受溫度的影響較大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采油中舉升工藝的設計也存在設類似的問題，溫度主要通過影響原油物性而影響到其流動規律的，因此許多舉升工藝的設計計算都離不開井筒內溫度場的計算如電潛泵舉升技術、水力活塞泵舉升技術、水力射流泵采油系統的設計和計算，都離不開溫度場的計算。這需要傳熱學的知識石油工業既是產能大戶，也是耗能大戶，其中油氣生產中的能耗費用在生產成本中約占20%～50%現在石油石化總公司對各油田公司的成本控制很嚴，而油田沿襲下來的傳統是管理粗放、工藝落后、設備陳舊要實施可持續發展戰略，必須降低成本，提高效益，為此應該狠抓節能降耗，其中許多問題都與傳熱學有直接的關系傳熱學是熱工系列課程教學的主要內容之一，是石油工程專業必修的專業基礎課，理論性、應用性極強。是否能夠熟練掌握課程的內容，直接影響到后續專業課的學習效果。通過學習能熟練掌握傳熱過程的基本規律、實驗測試技術及分析計算方法，從而達到認識、控制、優化傳熱過程的目的。§1-2熱量傳遞的三種基本方式

井筒舉升傳熱過程蒸汽（產出液）→油管內側表面：熱對流油管內側表面→外側表面：熱傳導油管外側表面→油套環空：熱對流、熱輻射產出液、油管、環空、套管、水泥環、地層一、熱傳導（導熱）

1、概念

定義1：當物體內有溫度差或兩個不同溫度的物體相接觸時，在物體各部分之間不發生相對位移的情況下，物質微粒（分子、原子或自由電子）的熱運動傳遞了熱量，這種現象稱為熱傳導簡稱導熱。定義2：物體各部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱導熱。如：固體與固體之間及固體內部的熱量傳遞。2、導熱的特征必須有溫差同一物體或物體直接接觸，不發生宏觀上的相對位移依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量（本質）無能量形式的轉化固、液、氣固體最常見，靜止、流動的流體3、傅里葉定律

（1822年，法國物理學家）

分析一種最簡單的導熱問題。如圖：一塊大平壁，壁厚為δ，一側表面積為A，兩側表面分別維持均勻恒定溫度tw1和tw2。是個一維導熱問題。根據傅里葉定律，單位時間內通過表面1到表面2的熱量Φ（熱流量）與導熱面積A和導熱溫差(tw1-tw2)成正比，與厚度δ成反比，即式中，是比例系數，稱為熱導率，又稱導熱系數，W/(m·K)。Δt是導熱溫差，℃或K。或導熱系數λ：表征材料導熱性能優劣的參數，是一種物性參數，單位：W/m·K。同材料的導熱系數值不同，即使同一種材料導熱系數值與溫度等因素有關。金屬材料最高，良導電體，也是良導熱體，液體次之，氣體最小。例題1-1有三塊分別由純銅（熱導率λ1=398W/(m·K)）、黃銅（熱導率λ2=109W/(m·K)）和碳鋼（熱導率λ3=40W/(m·K)）制成的大平板，厚度都為10mm，兩側表面的溫差都維持為tw1–tw2=50℃不變，試求通過每塊平板的導熱熱流密度。解：這是通過大平壁的一維穩態導熱問題，對于純銅板：

對于黃銅板

對于碳鋼板

二、熱對流

1、基本概念

1)熱對流：是由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。對流僅發生在流體中，流體中有溫差—對流的同時必伴隨有導熱現象。自然界不存在單一的熱對流。

2)表面對流換熱：流動流體流過一個溫度不同的物體表面時產生的熱量傳遞過程，稱為對流傳熱。

2、對流換熱的分類

1）根據對流換熱時是否發生相變分：有相變的對流換熱和無相變的對流換熱。沸騰換熱及凝結換熱：液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結的對流換熱，稱為沸騰換熱及凝結換熱（相變對流沸騰）。2）根據引起流動的原因分：自然對流和強制對流。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動。

如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動。強制對流：流體的流動是由于水泵、風機或其他壓差作用所造成的。3、對流換熱的特征對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導熱（氣體而言，分子熱運動時刻存在）；不是基本傳熱方式熱傳導與熱對流同時存在的復雜熱傳遞過程流體與固體壁面相互接觸有相對宏觀位移無能量形式的轉換4、牛頓冷卻公式當溫度為tf的流體流過溫度為tw、面積為A的固體壁面時：流體被冷卻時：流體被加熱時：Δt——壁面與流體的溫差（亦稱溫壓），約定永遠取正值hc—表面傳熱系數，對流傳熱系數，單位。

hc的物理意義：單位溫差作用下通過單位面積的熱流量。表面傳熱系數的大小與傳熱過程中的許多因素有關。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小相對位置，而且與流體的流速有關。一般地，就介質而言：水的對流換熱比空氣強烈；就換熱方式而言：有相變的強于無相變的；強制對流強于自然對流。對流換熱研究的基本任務：用理論分析或實驗的方法推出各種場合下表面換熱導數的關系式。

表面傳熱系數的數值范圍例題1-2一室內暖氣片的散熱面積為3m2，表面溫度為tw=50℃，和溫度為20℃的室內空氣之間自然對流換熱的表面傳熱系數為h=4W/(m2·K)。試問該暖氣片相當于多大功率的電暖氣?解：暖氣片和室內空氣之間是穩態的自然對流換熱，

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

三、熱輻射

1、基本概念

1）輻射和熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。凡是T>0K的物體都會向外界以電磁波的方式發射具有一定能量的粒子(光子)，原因很多：核聚變、裂變、溫度等。因熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射。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：不需要介質的存在，在真空中就可以傳遞能量——在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉換：物體熱力學能→電磁波能→物體熱力學能——無論溫度高低，物體都在不停地相互發射電磁波能、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;總的結果是熱由高溫傳到低溫——T>0K，就有能量輻射——與絕對溫度呈四次方關系，溫度越高，輻射能力越強——與物體的種類和表面狀況有關3）導熱、對流、輻射的評述①

導熱、對流兩種熱量傳遞方式，只在有物質存在的條件下，才能實現，而熱輻射不需中間介質，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。②在輻射換熱過程中，不僅有能量的轉換，而且伴隨有能量形式的轉化。

在輻射時，輻射體內熱能→輻射能；在吸收時，輻射能→受射體內熱能，因此，輻射換熱過程是一種能量互變過程。③輻射換熱是一種雙向熱流同時存在的換熱過程，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

④輻射換熱不需要中間介質，在真空中即可進行，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熱輻射現象仍是微觀粒子性態的一種宏觀表象。

⑥物體的輻射能力與其溫度性質有關。這是熱輻射區別于導熱，對流的基本特點。

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。或稱絕對黑體。（Blackbody）黑體的輻射能力與吸收能力最強,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——黑體的熱力學溫度K；

——斯忒潘—玻耳茲曼常數（黑體輻射常數），其值為；

A——輻射表面積m2

。

實際物體輻射熱流量根據斯忒潘——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；

——物體的發射率（黑度），其值總小于1，它與物體的種類及表面狀態有關。（1-8）

要計算輻射換熱量，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。

物體包容在一個很大的表面溫度為的空腔內，物體與空腔表面間的輻射換熱量

（1-9）當一個物體表面既有對流傳熱又有輻射傳熱時，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：hr為表面輻射傳熱系數，W/(m·K)。對流傳熱系數hc和輻射傳熱系數hr之和稱為表面傳熱系數h，即h=hc+hr§1-3

總傳熱過程一、總傳熱過程1、概念

熱量從溫度較高一側的流體通過固體壁面傳到溫度較低一側流體中去的過程稱總傳熱過程，簡稱傳熱過程。

導熱對流輻射對流2、傳熱過程的組成

一般包括串聯的三個環節：①熱流體→壁面高溫側②壁面高溫側→壁面低溫側

③壁面低溫側→冷流體

穩態過程通過串聯環節的熱流量相同。

3、傳熱過程的計算

（a）（b）（c）

針對穩態的傳熱過程，即Q=const

如圖1-3，其傳熱環節有三種情況，則其熱流量的表達式如下：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，單位為。

（1-8）二、傳熱系數

1、概念

是指用來表征傳熱過程強烈程度的指標。數值上等于冷熱流體間溫差1K時，單位傳熱面積在單位時間內的傳熱量。

K值越大，則傳熱過程越強，反之，則弱。其大小受較多的因素的影響：

①參與傳熱過程的兩種流體的種類；②傳熱過程是否有相變

說明：若流體與壁面間有輻射換熱現象，上述計算未考慮之。要計算輻射換熱，則：表面傳熱系數應取復合換熱表面傳熱系數，包含由輻射換熱折算出來的表面傳熱系數在內。其方法見8-4節。傳熱系數的表達式為:

（1-12）

傳熱系數的表達式揭示了傳熱系數的構成，即它等于組成傳熱過程諸環節的、及之和的倒數。如果對式（1-12）取倒數，還可理解得更深刻些。此時或（1-13）（1-14）此式與歐姆定律比較，具有電阻之功能。由此可見：傳熱過程熱阻是由各構成環節的熱阻組成。串聯熱阻疊加原則：在一個串聯的熱量傳遞過程中，如果通過各個環節的熱流量都相等，則串聯熱量傳遞過程的總熱阻等于各串聯環節熱阻之和。表示成熱阻的形式，有

2.熱阻導熱熱阻：Thermalresistanceforconduction對流換熱熱阻ThermalresistanceforconvectionK越大，傳熱越好。若要增大K，可增大雙層壁面傳熱熱阻例題1-3

一房屋的混凝土外墻的厚度為

=200mm，混凝土的熱導率為

=1.5W/(m·K)，冬