如何实现自然对流换热？

流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热与流体在壁面附近的由温度差异所形成的浮升力有关。不均匀的温度场造成了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。在热壁面上的空气被加热而上浮，而未被加热的较冷空气因密度较大而下沉。所以自然对流换热时，壁面附近的流体不像受迫对流换热那样朝同一方向流动。一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在贴壁处，流体温度等于壁面温度t W，在离开壁面的方向上逐步降低至周围环境温度tx。

一、无限空间自然对流换热

自然对流也有层流和紊流。图16-6所示为无限空间自然对流换热的几种情况。以图（a）竖壁为例，在竖壁的下端流体受热开始向上流动。在竖壁的下部流动是层流，在上部由于受热流体浮升力的增大而加速并逐渐过渡为紊流。所以，在自然对流换热中，浮升力的大小影响着热边界层的厚度δt，而换热系数αx又取决于不同x处的δt厚度与流体的λ值。图（a）右侧的αx＝f（x）曲线表示竖壁上不同高度处的局部换热系数αx的变化规律。层流时，换热热阻主要取决于薄层的厚度。从换热壁面的下端开始，随着高度的增加，层流薄层的厚度也逐渐增加，局部换热系数就逐渐减小。如果壁面足够高，流体的流动将逐渐转变为紊流，紊流时换热规律有所变化，充分发展紊流的局部换热系数几乎是个常量。

图16-6所示换热面附近流体的运动状况只取决于换热面的形状、尺寸和温度，而与空间围护壁面无关，因此称为无限空间自然对流换热。对Pr＞0.7的各种流体，可用下列准则方程确定壁面的平均换热系数α值。

横置圆管，当103＜（Gr·Pr）f＜108时

竖管或竖壁，当103＜（Gr·Pr）f＜109时

式中，Grf＝βg为格拉晓夫准则；l为定形尺寸，横管取外径，竖管、竖壁取高度；（t W－tf）为壁面与流体的温差，取其绝对值。对空气由于Pr值随温度的变化不大，可略去公式中的（Prf/Pr W）项。但对液体，因Pr数随温度变化较大，这一考虑热流方向不同的修正项就不可略去。对于图（c）所示热面朝上的平板，可近似用式（16-23）计算。式中的定形尺寸取板长。

图16-6 无限空间自然对流换热的流动情况况

二、有限空间自然对流换热

流体在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换热时，与热壁面接触的流体受热上升，当上升的热流体接触到冷壁面时又因降温而下降。图16-7为封闭夹层内的有限空间自然对流换热示意图。流体在夹层中作旋转热对流运动时，将热量由热壁面传递给冷壁面。其热流密度(www.xing528.com)

式中：ελ＝λc/λ——有限空间自然对流系数；

λ——流体导热系数；

δ——夹层厚度；

λc——当量导热系数。

图16-7 封闭夹层内有限空间的自然对流换热（tW1＞tW2)

对于竖（空气）夹层，当Gr＝2×104～2×105时，

对于水平夹层，当Gr＝104～4×105时，

Gr中，定形尺寸为厚度δ，定性温度为夹层两侧的平均温度。