第2章导热的理论基础

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❖ 物体的温度场通常用等温面或等温线表示
❖ 等温线图的物理意义: ❖ 若每条等温线间的温度间隔相等时,等温线的疏密
可反映出不同区域导热热流密度的大小。如图所示 是用等温线图表示温度场的实例。
t+Δt t
t-Δt
4、温度梯度(Temperature gradient)
等温面上没有温差,不会有 热传递。
不同的等温面之间,有温 差,有导热
温度梯度是用以反映温度场在空间的变化特征的 物理量。
系统中某一点所在的等温面与相邻等温面之间的 温差与其法线间的距离之比的极限为该点的温度 梯度,记为gradt。
gradt lim t t n t i t j t k n0 n n x y z
• 两相邻等温面之间以法线方向的热量交换最显著 • 温度梯度是向量(矢量);正向朝着温度增加的方
其中 x, y为, z空间坐标, 为时间坐标。
2、温度场分类
1)稳态温度场(Steady-state conduction) 是指在稳态条件下物体各点的温度分布不 随时间的改变而变化的温度场称稳态温 度场,其表达式:
t f (x, y, z)
2)非稳态温度场(Transient conduction) 是指在变动工作条件下,物体中各点的温 度分布随时间而变化的温度场称非稳态温 度场,其表达式:
❖ 可采取的主要措施有:
采用抗腐蚀钢管 在内外表面涂防腐层或贴上防护铁皮 夹层内放置吸氢剂(最有效的方法),吸收有
害气体。常用的吸氢剂包括钛、钛合金、锆、 锆合金,它们能和氢气反应而消除氢气的影响
3 高真空隔热油管
❖ 对深井和超深井的注蒸汽,采用常规的隔热油管已不能 满足要求,为此人们研究开发了高真空隔热油管
❖ 为了提高隔热效果,保温层采用的是硅酸铝纤维,再 包以多层铝箔
❖ 视导热系数可达到0.06-0.08 W/(m·K)
预应力隔热油管
❖ 现场应用的问题:使用过程中隔热油管的隔热性能越来越 差
❖ 检测表明:隔热油管夹层内氢气和其它气体的存在是导致 油管性能下降的原因,即所谓的“氢害”
❖ 氢气来自于高温水蒸汽对隔热油管的腐蚀
0 (1 bT ) 0 BT
2、影响导热系数大小因素 ❖ ④含水率
保温材料表明需要防水,铁皮、铝皮、油漆。
小结: 固体 液体 气体 金属 非金属 导体 非导体 纯金属 合金 多孔 实 湿 干
3、隔热油管
❖ 隔热油管是注蒸汽(蒸汽吞吐和蒸汽驱)开发稠油所必 需的,采用隔热油管的目的:
物体的导热机理 气体:导热是气体分子不规则热运动时相 互碰撞的结果,温度升高,动能增大,不 同能量水平的分子相互碰撞,使热能从高 温传到低温处。
❖ 导电固体:其中有许多自由电子,它们在 晶格之间像气体分子那样运动。自由电子 的运动在导电固体的导热中起主导作用。
❖ 非导电固体:导热是通过晶格结构的振 动所产生的弹性波来实现的,即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
一、导热微分方程(Heat Diffusion Equation)
假设:(1)所研究的物体是各向同性的连续介质 (2)热导率、比热容和密度均为已知 (3)物体内具有均匀分布内热源;强度
[W/m3]; 表示单位体积的导热体在单位时间内 放出的热量
导热体内取一微元体,根据能量守恒定律,单 位时间净导入微元体的热量 d 加上微元体内热 源生成的热量v 等于微元体热力学能的增量U
金属 非金属 固体 液体 气体 纯金属 合金
纯铜 398(W/m K)
黄铜 110(W/m K)
大理石 2.7(W/m K)
0˚C时:冰 2.22(W/m K) 水 0.551(W/m K) 蒸汽 0.0183(W/m K)
2、影响导热系数大小因素 ❖ ②密度
多孔、纤维状材料、岩棉、矿渣棉、玻璃棉、 微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩等
第二章 导热基本定律和稳态导热
§2-1 基本概念和导热基本定律 §2-2 物质的导热特性 §2-3 导热问题的数学描述
§2-1 基本概念和导热基本定律
一、温度场和温度梯度
1、温度场概念
指在某一瞬间物体内各点温度分布的总
称。由傅立叶定律知,物体的温度分布是 坐标和时间的函数:
t f x, y, z,
t f (x, y, z, )
若物体温度仅一个方向有变化,这种情况 下的温度场称一维温度场。
稳态温度场 t 0
稳态导热
(Steady-state conduction)
非稳态温度场 t 0
非稳态导热
(Transient conduction)
三维稳态温度场: t f (x, y, z)
一维温度场:
矢量:热流密度垂直于等温面,且向着温度降 低的方向。 导热系数可定义为在数值上等于单位温度梯度 下的热流密度。
温度梯度与热流密度矢量的关系
表示了微元面积 dA 附 近的温度分布及垂直于该微 元面积的热流密度矢量的关 系。 1)热流线
定义:热流线是一组与等温线处处垂直 的曲线,通过平面上任一点的热流线与该点 的热流密度矢量相切。表示热流方向
液体的导热机理:存在两种不同的观点 ❖第一种观点类似于气体,只是复杂些,因 液体分子的间距较近,分子间的作用力对碰 撞的影响比气体大; ❖第二种观点类似于非导电固体,主要依靠 弹性波(晶格的振动,原子、分子在其平衡 位置附近的振动产生的)的作用。
说明:只研究导热现象的宏观规律。
不同物质的导热性能不同:
❖ 显然,隔热油管的视导热系数越低,隔热性能越好
1 波纹管隔热油管
❖ 是最早工业化使用的隔热油管,是由内管、外管、保温 层、波纹管等组成
❖ 早期保温层的材料是珍珠岩粉,后来又采用硅酸铝纤维 并贴有铝箔
❖ 波纹管的作用是防止内、外管膨胀不均匀而造成的损坏 ❖ 波纹管隔热油管按波纹管是与内管相连还是与外管相连
❖ 1985年我国就实现了隔热油管的国产化 ❖ 目前辽河油田、胜利油田已开发出和国外同类产品相
当的隔热油管,完全能够国内稠油开发的需要
❖ 隔热油管一般都是双层管:内管、外管和二者之间环 空的保温材料,两端焊接而成
❖ 发生在隔热油管内的热量传递方式是导热、对流和辐 射综合,因此衡量隔热油管性能的主要指标是视导热 系数
数学表达形式为:
q
gradt
t
n
n
gradt 是空间某点的温度梯度;
n 是通过该点等温线上的法 t1
向单位矢量,指向温度升
高的方向;
t2
0
x
q 是该处的热流密度矢量。
δ
负号是因为热流密度与温度梯度的方 向不一致而加上
n dt dn
t t+dt
适用条件:
❖ 各向同性、均质材料; ❖ 固液气三相; ❖ 不适用于深冷或高热流密度情况。
可分为内、外波纹管隔热油管两种 ❖ 这类隔热油管的视导热系数在0.1 W/(m. ℃)左右
Fra Baidu bibliotek
波纹管隔热油管
2 预应力隔热油管
❖ 由于高温内管比外管更容易膨胀,因此为了解决由于 应力导致的油管损坏,将内管在受拉的状态下与外管 在端部焊接在一起,这样可以抵消注汽时高温受热而 产生的应力,从而起到保护管柱的作用
有效减少井筒热损失,提高井底蒸汽干度,提高注气效果 保护套管,防止因膨胀而引起套管的热应力破坏和油井的损坏
(普通N-80型套管的极限安全温度为180℃)
❖ 对深井注汽来说尤为重要(15-16MPa、300-350℃的注 汽参数)
发展
❖ 从80年代开始,北京勘探开发研究院就开始研究井筒 隔热技术,开始是引进国外产品,但价格非常昂贵 (1985年美国的价格为300美元/米)
氢气分子较小,能穿过金属晶格进入隔热管夹层 氢的导热系数比较大
❖ 隔热油管的导热系数增加
❖ 测试表明: ❖ ——当隔热油管夹层内的氢气体积占20%时,其视导热系
数可由0.062增加到0.115 W/(m·K) ❖ ——每使用一个注汽周期,环空内的含氢量会以4%的速
度增加,导热系数以20%的速度增大 ❖ ——当含氢量达到80%时,导热系数可达0.383 W/(m·K) ❖ 必须采取有效措施消除的氢气影响

5、热流密度矢量(Heat flux)
热流密度:单位时间、单位面积上所传递的热量
温度梯度和热流密度的 方向都是在等温面的法线 方向。由于热流是从高温 处流向低温处,因而温度 梯度和热流密度的方向正 好相反。
t+Δt t t-Δt
二、导热基本定律—傅里叶定律
1822年,傅里叶(J.Fourier)在固体导热实验的 基础上,发现了导热热流密度矢量与温度梯度间的 变化规律:在导热现象中,单位时间内通过给定截 面所传递的热量,正比例于垂直于该截面方向上的 温度变化率(温度梯度),而热量传递的方向与温 度升高的方向相反。 ——傅里叶定律的文字表达式
表观热导率:视热导率 隔热材料(保温、绝热材料)多孔性介质,含
有热导率较小的空气:如真空、氮气隔热油管
保温材料(隔热、绝热材料)
把导热系数小的材料称保温材料。
我国规定:t≤350℃ 时,λ≤0.12W/(m·K)
保温材料导热系数界定值的大小反映了一个国家保
温材料的生产及节能的水平。越小,生产及节能的
2)热流密度矢量与热流线的关系:
在整个物体中,热流 密度矢量的走向可用热 流线表示。如图示,其 特点是相邻两个热流线 之间所传递的热流密度 矢量处处相等,构成一 热流通道。
§2-2 物质的导热特性
1、定义:由傅里叶定律的定义给出
q / gradt w/m·℃ 导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下单位 时间内单位面积的热量。
水平越高。
我国50年代
0.23W/(m·K)
80年代 GB4272-84 0.14W/(m·K)
90年代 GB427-92 0.12W/(m·K)
保温材料热量转移机理 ( 高效保温材料 ) 高温时:
( 1 )蜂窝固体结构的导热 ( 2 )穿过微小气孔的导热
更高温度时: ( 1 )蜂窝固体结构的导热 ( 2 )穿过微小气孔的导热和辐射
感到冷? ❖ (3)冬天,相同温度下海边或南方的城市为什
么比内地更冷?
§ 2-3 导热问题的数学描述
(1)对于一维导热问题,根据傅立叶定律积分, 可获得用两侧温差表示的导热量。 (2)对于多维导热问题,首先获得温度场的分 布函数,然后根据傅立叶定律求得空间各点的热 流密度矢量。
具体办法:以能量守恒定律及傅里叶定律为基础,在导热体内取微元 体,分析其能量平衡,得出描述导热现象基本规律的导热微分方程, 再结合给定的具体条件,求解温度分布
超级保温材料
采取的方法:
(1)夹层中抽真空(减少通过导热而造成热 损失)
(2)采用多层间隔结构( 1cm 达十几层)
特点:间隔材料的反射率很高,减少辐射 换热,垂直于隔热板上的导热系数可达: 10~4W/mK
2、影响导热系数大小因素
❖ ③温度、压力
同一种物质的导热系数也会 因其状态参数的不同而改变, 因而导热系数是物质温度和 压力的函数。 一般把导热系数仅仅视为温 度的函数,而且在一定温度 范围还可以用一种线性关系 来描述
t f (x)
3、等温面与等温线
❖ 等温面:同一时刻、温度场中所有温度相 同的点连接起来所构成的面
❖ 等温线:用一个平面与各等温面相交,在这 个平面上得到一个等温线簇
等温面与等温线的特点:
❖ (1) 温度不同的等温面或等温线彼此不能相交 ❖ (2) 在连续的温度场中,等温面或等温线不会中断,
它们或者是物体中完全封闭的曲面(曲线),或者 就终止与物体的边界上 ❖ (3) 沿等温线无热流变化
❖ 高真空隔热油管在结构上采取了如下措施:
采用导热系数更小的玻璃棉网代替硅酸铝纤维 在内、外管表面及保温层表面贴上铝箔,以降低辐射的影响 将夹层抽成真空,尽量消除对流作用
❖ 可使隔热油管的视导热系数降至0.0086 W/(m·K),并能增 加其使用寿命,达到30个注汽周期
❖ 关于物性方面的考题: ❖ (1)为什么用空心砖、双层玻璃? ❖ (2)冬天,新建的房子为什么比老房子住起来
导热系数是物性参数,它与物质结构和状态密切 相关,例如物质的种类、材料成分、温度、 湿度、 压力、密度等,与物质几何形状无关。
它反映了物质(体)导热能力的大小,是材料固有 的热物理性质。
2、影响导热系数大小因素 ❖ ①状态、成分和结构
三种相态导热机理不同
❖固体:金属—自由电子;非金属—晶格结构振动 ❖气体:分子不规则运动 ❖液体:介于二者之间
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