第3章-导热问题的分析与计算.ppt

第三章　导热问题的分析与计算 第一部分 稳态导热 §3-1 一维稳态导热 3.1.1 通过平壁的导热 平壁的长度和宽度都远大于其厚度，因而平板两侧保持均匀边界条件的稳态导热就可以归纳为一维稳态导热问题。 平板可分为单层壁，多层壁和复合壁等类型 。 如果取直线关系时(λ=λ0+bt，λ00)，此时温度分布曲线的性质与b的正负和数值有关。 3.1.2 通过圆筒壁导热 3、通过球壳的导热 §3-2 通过肋片的稳态导热 3 、常见肋片的结构：直肋 环肋　针肋 肋高H 肋宽b 肋厚δ 周长P 横截面积A 肋基 肋端 虚拟内热源强度 　单位时间肋片单位体积的对流散热量 　如图，在距肋基ｘ处取一长度为dx的微元段，该段的对流换热量为： §补充：多维稳态导热问题 自学 第三章　导热问题的分析与计算 第二部分 非稳态导热 §3.3.1 概述 一、非稳态导热过程及其特点 导热系统内温度场随时间变化的导热过程为非稳态导热。 温度随时间变化，热流也随时间变化。 自然界和工程上许多导热过程为非稳态，t=f(?) 如：冶金、热处理与热加工中工件被加热或冷却；锅炉、内燃机等装置起动、停机、变工况；自然环境温度；供暖或停暖过程中墙内与室内空气温度 300℃的铁块在冷水中的冷却 3、热量变化 3.3.2 对流边界条件下的非稳态导热 一、无限大平板加热（冷却）过程分析 由于式中含有无穷级数，计算工作量很大 计算表明，式中的指数项衰减很快 当Fo0.2时，取无穷级数的首项而舍弃其他项，所得结果的误差小于1％ 计算正规状况阶段的温度需要根据Bi数确定相应的特征值，使用时不甚方便 工程上常采用两种简化的计算方法，由海斯勒(Heisler)提出的诺模图(nomogram)方法和由Campo提出的近似拟合公式 关于海斯勒图的使用方法以及拟合公式的具体表达式可参阅文献 吸热量 根据温度分布，可以计算出一段时间内平壁在非稳态过程中所传递的热量 对双面对称加热的平壁而言，平壁从流体中吸收的热量完全被平壁用来升高其自身温度 显然，从平壁放入流体的时刻起到平壁与流体处于热平衡状态，平壁所吸收热量为 Fo数和Bi数的意义及对非稳态过程的影响 平壁内温度分布表达式中含有Fo数和Bi数，这说明非稳态导热的物理过程和特征要受到这两个量纲一的量的影响 传热学中，通常将表示某一物理现象或物理过程特征的量纲一的量，称为特征数或准则数 Fo数和Bi数的意义及对非稳态过程的影响 出现在特征数中的几何尺度称为特征长度，用符号l表示，characteristic length 对两边对称加热的厚为2δ的平壁非稳态导热问题，用平壁的半厚度δ作为其特征长度 掌握特征数的定义及其物理意义是传热学学习的重要内容 Fo数和Bi数的意义及对非稳态过程的影响 采用此判据时，物体中各点过余温度的差别小于5% 3.5 井筒周围地层内的非稳态导热／工程背景 井筒是打开油气藏、采出油气资源的必由通道，无论是在钻井、注入或采出过程中，井筒内流体的温度变化规律始终是石油工程所关注的问题 井筒内流体的温度变化源自地层加热或冷却作用 钻井工程中：地层加热作用使钻井液、水泥浆的温度在钻进过程中逐渐升高，特别是对深井、超深井，进而影响到它们的性能，对钻井过程、固井质量产生影响 注蒸汽开发稠油油藏时，高温高压的湿蒸汽与地层间存在的热损失使蒸汽沿井筒流动时干度逐渐降低而影响到注汽加热的效果 采油过程中高温产液在举升因散热使产液温度降低，粘度增加，使稠油机采井的生产状况恶化，能耗增加 采用加热措施（如电加热、电伴热、井筒热流体循环等）开发稠油、高凝油时，都存在因地层与流体间的热量传递使流体温度发生变化而影响生产过程的问题 地热开发利用过程中，为计算井口处热流体温度，也需要计算流体在从井底沿井筒向上流动时与地层之间的传热量 上述各问题中： ——计算目的：确定井筒内流体温度沿井深的变化 ——计算关键：井筒内流体与地层之间的传热量 ——计算困难：具体的工艺不同，井筒结构不同，井筒内流体与地层之间的热量传递过程中涉及到的热量传递方式和环节也不尽相同 直接研究井筒内流体与地层间的热量传递过程有困难 工程上为了便于分析，通常将整个热量传递过程分为： ——地层内的热量传递过程（简称“地层内”），热量传递为导热 ——井筒内的热量传递过程（简称“井筒内”），热量传递方式和环节取决于具体工艺过程 工艺不同，二者的分界面不同 ——钻井、固井等工艺中，分界面是裸露的井壁 ——采油、注气、压裂等工艺中，分界面是水泥环外缘 不同工艺中热量传递过程的差别体现在井筒内，而地层内的热量传递过程是相同的 本节主要分析地层内的热量传递过程－导热过程 分析井筒周围地层内非稳态导热问题的方法很多，如理论分析法