13. 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 илокальный 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.

14. Дифференциальные уравнения теплообмена.

10.2.Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена

На основании рассмотренного выше представления о процессах переноса теплоты при движении жидкости вдоль твердой поверхности получим уравнение, описывающее процесс теплоотдачи на границах тела. Так как у поверхности твердого тела имеется слой неподвижной жидкости, то для этого слоя можно использовать закон Фурье. Принимая, что ось Оу направлена перпендикулярно поверхности, запишем

.

Однако

.

Приравнивая эти уравнения получим

.

(10.2)

Уравнение (10.2) называют дифференциальным уравнением теплоотдачи.

Если в дифференциальное уравнение теплопроводности подставить конвективное изменение температуры, обусловленное течением жидкости:

.

где w_x, w_y и w_z – проекции скорости жидкости на координатные оси, то можно записать

Иными словами говоря, если через изучаемый нами элементарный объём движется со скоростьюw некое температурное поле, то дифференциальное уравнение теплопроводности следует накладывать на это поле.

Для строго описания процессов конвективного теплообмена к дифференциальному уравнению (10.3) следует добавить уравнение (Навье-Стокса) движения вязкой жидкости, вытекающее из второго закона Ньютона, уравнение сплошности и неразрывности жидкости и учесть зависимость плотности жидкости от температуры. Такая система уравнений описывает большой класс явлений — процессы конвективного теплообмена между жидкостью и твердой стенкой. Эти уравнения должны быть дополнены условиями однозначности, характеризующими конкретные особенности той или иной рассматриваемой задачи.