自然对流空气冷却器

《机械工程名词 第五分册》第一版。

依靠自然对流使空气循环的空气冷却器。

自然对流换热分为大空间自然对流换热和有限空间自然对流换热两类。流体在大空间作自然对流时，流体的冷却过程与加热过程互不影响。这类问题比较简单，但总结出的关联式却具有很大的实用意义，它可以应用到比形式上的大空间更广的范围。因为在许多实际问题中，虽然空间不大，但热边界层并不相互于扰，因而可以应用大空间自然对流换热的规律计算。换句话说，就是可以把它当作大空间问题来处理。

所谓大空间，实际上只要边界层不受干扰就可以适用，不必拘泥于几何形式上的很大或无限大。

自然对流亦有层流和湍流之分。以贴近一块热竖壁的自然对流为例来作分析，其自下而上的流动景象如图1所示。

在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍流。

不同的流动状态对换热具有决定性影响。

层流时，换热热阻完全取决于薄层的厚度。从换热壁面下端开始，随着高度的增加，层流薄层的厚度也逐渐增加。与此相对应，局部表面传热系数也随高度增加而减小。如果壁面足够高，流体的流动将逐渐转变为湍流。湍流时换热规律有所变化。研究表明，旺盛湍流时的局部表面传热系数几乎是个常量。

自然对流传热是由于流体内部存在温度差导致质量力分布不均匀而引起的。它是一种较为普遍的传热方式。自然对流传热可分为大容积自然对流传热及有限空间的自然对流传热。大容积自然对流传热是边界层发展不受空间限制或干扰的自然对流传热。自然对流的传热膜系数与流体的物理性质、传热面的大小、形状及位置等有关，情况比较复杂，要从理论上推导出它的数学关联式，难度很大。工程上一般都是采用因次分析法，通过实验来测定出一些典型情况下的自然对流传热膜系数的经验公式，供生产设计之用。

过程描述：静止的流体一旦与不同温度的固体表面相接触，紧邻表面的薄层（即热边界层）流体受表面温度的影响，其温度和密度都将改变。在重力场中，如果密度梯度与重力的方向相垂直，则立即引起流体的自然对流。浮升力（或沉降力）导致热边界层内流体上升（或下降）和层外流体下降（或上升）的自然对流。因此，固体表面与流体间的温度差是流体产生自然对流传热的根本原因。流体沿壁面作自然对流传热时，靠近壁面处形成流动边界层。紧邻竖壁的边界层内流体的流动，也有层流和湍流之分。作用在边界层中流体质点上的力，主要是浮升力和粘性力，惯性力相对很小，甚至可以忽略。在高温竖壁底处的起始段，近壁流体温升不大，浮升效应弱，由于粘性力的关系，流动呈层流状态。达一定距离后，近壁流体的温度已升高到使浮升力的影响超过粘性力。此时，流动稍受外界干扰，即逐渐过渡到湍流状态。

基本假设：当流体沿高温竖壁作自然对流传热、边界层内流体作层流流动时，可作如下几点合理的简化假设：热边界层内流体呈层流流动，通过膜层的热量仅以导热形式传递，膜内温度分布为线性；热边界层内流体呈稳定流动状态，即流体的加速度可以被忽略 ；竖壁面维持均匀的温度 T _W 、边界层外流体的温度为 T_f 、边界层内流体的物性为常量，定性温度为膜温即 T_W 和 T_f 的算术平均值。

文献 分析了大容积自然对流层流流动和传热过程的机理，经过合理的简化假设，对边界层内流体的稳定流动和传热过程进行流动方程、传热速率方程、质量衡算方程和热量衡算方程描述，建立了相关的数学模型，从理论上推导出了该状况下的传热系数的数学关联式，经实验数据检验，理论值和实验值能较好地吻合,表明该模型具有一定的代表性和理论参考价值。