Закон Ньютона-Рихмана - один из фундаментальных законов теплообмена. Он позволяет связать тепловой поток через границу раздела двух сред с разностью их температур. Почему важно знать формулировки этого закона и особенности его применения на практике?
Суть закона Ньютона-Рихмана
Закон Ньютона-Рихмана был сформулирован в 1701 году английским ученым Исааком Ньютоном на основе экспериментальных данных. Впоследствии он был уточнен и записан в дифференциальной форме немецким физиком Г.С. Рихманом.
Закон Ньютона—Рихмана — эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор .
Согласно этому закону, плотность теплового потока на границе двух сред пропорциональна разности их температур. Математически это можно записать дифференциальным уравнением:
где q - плотность теплового потока, Вт/м2; α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); ΔT - разность температур сред, К.
Интегральная форма закона Ньютона-Рихмана имеет вид:
Здесь Q - количество переданного тепла за время τ, Дж; F - площадь поверхности теплообмена, м2.
Таким образом, закон Ньютона-Рихмана показывает прямую пропорциональную зависимость между тепловым потоком закон ньютона рихмана и температурным напором в процессе теплообмена. Он широко используется в качестве граничного условия при решении задач теплопроводности.
Понятие теплоотдачи
Рассмотрим более подробно процесс теплоотдачи, который описывается законом Ньютона-Рихмана .
Теплоотдача — это теплообмен между теплоносителем и твердым телом.
От теплоотдачи следует отличать теплопередачу - процесс теплообмена через разделяющую твердую стенку между двумя теплоносителями (жидкостями или газами).
Ключевым параметром, характеризующим интенсивность теплоотдачи, является коэффициент теплоотдачи α. Он показывает, какое количество теплоты передается через единицу поверхности в единицу времени при единичном перепаде температур .
На практике коэффициент теплоотдачи может существенно зависеть от скорости и режима движения теплоносителя, свойств теплообменивающихся сред, геометрии поверхности и других факторов.
Коэффициент теплоотдачи
Различают средний и локальный (местный) коэффициенты теплоотдачи. Средний коэффициент рассчитывается для всей поверхности теплообмена и используется в интегральной форме закона Ньютона-Рихмана. Локальный коэффициент α определяется для каждой конкретной точки поверхности.
Определение коэффициента теплоотдачи возможно несколькими методами:
- Расчет по эмпирическим зависимостям и формулам
- Решение уравнения теплоотдачи в дифференциальной форме
- Экспериментальные измерения
На практике часто используют приближенные инженерные методики, позволяющие рассчитать средний коэффициент α исходя из таких параметров, как скорость и вязкость теплоносителя, шероховатость поверхности, температуры теплообменивающихся сред и т.д.
Как уже упоминалось, на величину коэффициента теплоотдачи влияют:
- Скорость потока жидкости или газа
- Свойства теплоносителя (вязкость, теплопроводность, плотность)
- Шероховатость поверхности теплообмена
- Температура стенки и жидкости
- Геометрия поверхности и канала
Увеличение скорости потока и турбулизация, как правило, интенсифицируют теплоотдачу. Гладкие поверхности снижают величину коэффициента α.
Таким образом, закон Ньютона-Рихмана устанавливает связь теплового потока с температурным напором, а величина коэффициента теплоотдачи определяет интенсивность этого процесса в конкретных условиях.
Применение закона Ньютона-Рихмана
На практике закон Ньютона-Рихмана широко используется для инженерных расчетов процессов теплообмена, в частности конвективного теплообмена . Рассмотрим особенности его применения подробнее.
Упрощения в инженерных расчетах
Для упрощения задачи в инженерных приложениях обычно принимают допущение о постоянстве коэффициента теплоотдачи на всей поверхности теплообмена. Это позволяет использовать усредненное значение α и интегральную форму закона Ньютона-Рихмана .
Пример расчета теплообменника
Рассмотрим в качестве примера задачу расчета кожухотрубного теплообменника, в котором по трубкам диаметром 20 мм движется горячая вода, а межтрубное пространство заполнено хладагентом. Требуется определить необходимую длину трубок, если известны расходы и температуры теплоносителей, а также значения коэффициентов теплоотдачи.
Особенности применения в различных отраслях
Закон Ньютона-Рихмана используется во многих областях науки и техники, где протекают процессы теплообмена:
- Энергетика и теплотехника
- Химическая технология и нефтехимия
- Атомная энергетика
- Авиационная и ракетно-космическая техника
- Пищевая промышленность
- Металлургия
При этом для каждой области существуют свои методики расчета коэффициентов теплоотдачи с учетом особенностей процессов и аппаратов.
Экспериментальные методы определения коэффициента теплоотдачи
Для верификации расчетных значений, полученных на основе теоретического анализа, проводят экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи. Существуют следующие основные методы:
- Метод параллельных потоков
- Метод измерения распределения температуры
- Импульсный метод нагрева поверхности
Экспериментальные данные позволяют уточнить теоретические зависимости для конкретных условий протекания процесса теплообмена.
Что такое закон Ньютона-Рихмана
Подводя итог, можно дать следующее определение: закон Ньютона-Рихмана - это фундаментальный физический закон, устанавливающий прямую пропорциональную зависимость между тепловым потоком на границе раздела двух сред и величиной перепада температур между этими средами.
Знание основных положений и особенностей применения этого закона крайне важно для инженерных расчетов процессов конвективного теплообмена в различных отраслях промышленности.
Численное моделирование конвективного теплообмена
С развитием вычислительной техники и IT-технологий все более широкое распространение получают методы численного моделирования процессов теплообмена с использованием уравнения Навье-Стокса и энергетического уравнения. Это позволяет с высокой точностью рассчитывать поля скоростей, давлений и температур для сложных геометрий.
Уточнение закона Ньютона-Рихмана
Несмотря на фундаментальный характер, закон Ньютона-Рихмана справедлив далеко не для всех режимов теплообмена. В ряде случаев физически обоснованы иные зависимости плотности теплового потока от температурного напора. Это относится, например, к высокотемпературным процессам излучения.
Аналогии процессов переноса тепла и массы
Существует глубокая аналогия между процессами конвективного тепло- и массообмена, описываемыми дифференциальными уравнениями переноса энергии и вещества. Это позволяет использовать математический аппарат теории подобия и методы расчета коэффициентов теплопередачи для определения коэффициентов массоотдачи.
Применение нанотехнологий для интенсификации теплообмена
Активно ведутся исследования по использованию нанотехнологий для создания высокоэффективных систем охлаждения в электронике, опто- и наноэлектронике. Применение наножидкостей позволяет в десятки раз повысить интенсивность отвода тепла от микросхем за счет увеличения теплопроводности.
Перспективные направления исследований
Активно развиваются такие перспективные направления в изучении фундаментальных закономерностей процессов теплообмена:
- Микро- и наномасштабный анализ
- Высокоскоростные нестационарные режимы
- Сложные многофазные системы
Результаты исследований позволят расширить и уточнить существующие теоретические представления о механизмах конвективного теплообмена.
Применение нанотехнологий для интенсификации теплообмена
Активно ведутся исследования по использованию нанотехнологий для создания высокоэффективных систем охлаждения в электронике, опто- и наноэлектронике. Применение наножидкостей позволяет в десятки раз повысить интенсивность отвода тепла от микросхем за счет увеличения теплопроводности.
Улучшение теплофизических свойств наножидкостей
Введение в базовую жидкость (вода, этиленгликоль и др.) наночастиц размером менее 100 нм приводит к аномальному росту теплопроводности и повышению интенсивности теплоотдачи. Этот эффект объясняется увеличением поверхности теплообмена и интенсификацией хаотического движения молекул.
Особенности гидродинамики и теплообмена в микроканалах
Масштабный фактор оказывает существенное влияние на режимы течения и теплоотдачи при протекании жидкости в микро- и наноразмерных каналах. Вследствие высокого отношения поверхности к объему значительно возрастает интенсивность отвода тепла.
Нестационарные режимы охлаждения микрочипов
При работе мощных микросхем возникают нестационарные пульсации тепловых потоков, что требует применения сложных алгоритмов управления охлаждающими устройствами. Изучение подобных режимов - важная задача современной теплофизики.
Численное моделирование процессов теплообмена в микро- и наносистемах
Активно развиваются методы компьютерного моделирования теплообмена с использованием вычислительной гидро- и газодинамики. Это позволяет с высокой точностью рассчитать температурные поля и оптимизировать системы охлаждения наноэлектронных устройств.
Перспективные наноструктурированные материалы
Ведутся работы по созданию новых теплопроводных композитных материалов на основе углеродных нанотрубок, графена и других аллотропных модификаций углерода. Их применение открывает широкие возможности для революционного повышения эффективности систем охлаждения.