Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Закон Ньютона–Рихмана — основа инженерного расчёта конвективной теплоотдачи. Он устанавливает прямую пропорциональность между тепловым потоком и разностью температур поверхности тела и окружающей среды. Ключевой параметр закона — коэффициент теплоотдачи α — определяет интенсивность теплообмена при конвекции и используется при проектировании теплообменников, систем охлаждения и отопления.
Закон Ньютона–Рихмана — эмпирическая закономерность, описывающая теплообмен между поверхностью твёрдого тела и движущейся средой (жидкостью или газом). Исаак Ньютон сформулировал принцип пропорциональности теплового потока и температурного напора в 1701 году. Независимо от него академик Петербургской академии наук Георг Вильгельм Рихман (1711–1753) провёл обширные экспериментальные исследования охлаждения нагретых тел и количественно подтвердил закономерность.
Теплоотдача — это теплообмен между поверхностью тела и омывающим его теплоносителем. От теплоотдачи следует отличать теплопередачу — процесс переноса тепла от одной среды к другой через разделяющую стенку.
Дифференциальная форма закона Ньютона–Рихмана для плотности теплового потока:
q = α · (tст − tж)
где: q — плотность теплового потока (Вт/м²); α — коэффициент теплоотдачи (Вт/(м²·К)); tст — температура поверхности стенки (°C); tж — температура жидкости (среды) (°C).
Интегральная форма для полного теплового потока через поверхность площадью F:
Q = α · F · ΔT
где: Q — тепловой поток (Вт); F — площадь поверхности теплообмена (м²); ΔT — температурный напор (К).
Коэффициент теплоотдачи α — не константа материала, а характеристика процесса. Он зависит от вида конвекции (свободная или вынужденная), режима течения (ламинарный или турбулентный), физических свойств среды, геометрии поверхности и скорости потока.
Коэффициент α определяют через безразмерный критерий Нуссельта:
Nu = α · L / λ, откуда α = Nu · λ / L
где: Nu — число Нуссельта; λ — теплопроводность жидкости (Вт/(м·К)); L — характерный линейный размер (м).
Число Нуссельта находят из критериальных уравнений подобия для соответствующей геометрии и режима течения. Для вынужденной конвекции: Nu = f(Re, Pr), для свободной: Nu = f(Gr, Pr). Здесь Re — число Рейнольдса, Pr — число Прандтля, Gr — число Грасгофа. Например, для турбулентного течения в трубах широко применяется формула Диттуса-Бёлтера: Nu = 0,023 · Re0,8 · Prn, где n = 0,4 при нагревании и n = 0,3 при охлаждении.
Закон Ньютона–Рихмана используется во всех инженерных задачах, где происходит конвективный теплообмен между поверхностью и средой.
Закон Ньютона–Рихмана точно выполняется при вынужденной конвекции, когда свойства среды слабо зависят от температуры. При свободной (естественной) конвекции коэффициент α сам зависит от ΔT, и закон носит приближённый характер.
Закон неприменим при значительном вкладе теплового излучения (высокие температуры) и при больших внутренних температурных градиентах тела. Критерием применимости модели равномерной температуры (сосредоточенной ёмкости) служит число Био: Bi = α·L / λт < 0,1, где λт — теплопроводность твёрдого тела.
Закон Ньютона–Рихмана — базовый инструмент для расчёта теплоотдачи при конвекции. Формула Q = α·F·ΔT связывает тепловой поток с площадью поверхности и температурным напором. Определение коэффициента теплоотдачи α через критерий Нуссельта и критериальные уравнения позволяет решать практические задачи проектирования теплообменников, систем охлаждения и отопительного оборудования.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.