2.3. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи.

В практических инженерных расчетах теплоотдачу, т.е. теплообмен между поверхностью твердого тела и движущейся средой, сопри­касающейся с этой поверхностью, описывают законом Ньютона-Рихмана (20).

Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток Q от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур ∆t=(t_c-t_ж) жидкости и стенки:

, [Вт] (114)

Разность температур (t_c-t_ж) или (t_ж- t_c) называют температурном напором.

Уравнение Ньютона-Рихмана для всего тепла Q_τ, передаваемого за время τ запишется:

, (115)

для плотности теплового потока:

, (116)

Уравнения (113)- (115) записаны для случая t_c> t_ж. Если t_ж< t_c, то в эти уравнения нужно записать t_ж - t_c.

Коэффициент пропорциональности α, входящий в уравнение Ньютона-Рихмана, называется коэффициентом теплоотдачи. Он учитыва­ет конкретные условия процесса теплоотдачи, влияющие на его интен­сивность и имеет размерность:[α]=Вт/м²*К

Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность теп­лообмена на границе жидкость - стенка и численно равен количеству тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности, при разности температур между поверхностью и жидкостью в один градус. Коэффициент теплоотдачи α в отличие от коэффициента тепло­проводности λ не является физическим параметром среды и зависит от многих факторов.

В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться по поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности и локальный или местный коэффициент теплоотдачи. Поэтому в общем случае с учетом переменности по поверхности уравнение Ньютона-Рихмана запишется:

,

отсюда

Последнее тождество можно рассматривать как определение α: коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока на границе жидкость - стенка, отнесенная к разности температур стенки и жидкости. В соответствии с сказанным в уравнениях (113)-(115) под α следует понимать его среднее значение.

Применение формулы Ньютона-Рихмана никаких принципиальных упрощений для расчета конвективной теплоотдачи не дает. Вся слож­ность расчета в этом случае переносится на определение коэффициента теплоотдачи, т.е. простота формулы (113)-(115) является лишь кажущейся. В общем случае является функцией многих величин:

Т.е. в общем случае α является функцией скорости движения жид­кости, режима движения, физических параметров жидкости, температуры жидкости и тела, формы и размеров омываемого тела и т.д.

Инженерное решение задач конвективного теплообмена сводится чаще всего к определению α и вычислению количества переданной теплоты по формулам (2.127)-(2.129). Так как определить коэффициент теплоотдачи путем аналитического решения, приведенной в предыдущем параграфе, системы дифференциальных уравнений достаточно сложно, а в некоторых случаях и вообще невозможно, то для расчета α применяют теорию подобия.