Теплоотдача при свободном движении теплоносителя широко используется как в быту, так и в технике. Например, комнатный воздух нагревается печами или отопительными приборами в условиях естественной конвекции. В технике такой теплообмен наблюдается при нагревании воды в паровых котлах, при охлаждении паропроводов, обмуровки котлов, промышленных печей и других тепловых устройств.
Причиной возникновения свободной конвекции является неустойчивый распределение плотностей в жидкости, что обусловлено неравномерностью ее нагрева. При этом температурный напор определяет разницу плотностей и величину поднимающей силы, а площадь поверхности - зону распространения процесса.
Результаты многочисленных исследований показали, что при свободной конвекции в неограниченном пространстве решающее значение имеют особенности процесса, яки обусловлены физическими свойствами среды и температурным напором. Это значит, что критерий Nu достаточно точно может быть функцией только критериев Gr и Pr независимо от отдельных особенностей процесса (форма тела, вид жидкости, положения тела в пространстве).
Обобщение результатов многих экспериментов по теплообмена в свободном потоке тел различных форм и размеров (проволока и трубы диаметром 0,015245 мм, шары диаметром 30-16 000 мм, плиты и трубы высотой 250-6000 мм), яки омываются различными жидкостями (воздух, водород , углекислота, вода, анилин, масло и т. и.), позволило подобрать общую зависимость между критериями подобия. Существует 2 вида критериальных уравнений, используемые при расчетах свободной конвекции, но оба дают одинаковые результаты.
Все параметры теплоносителя, входящих критериям подобия, следует принимать из справочников для данного теплоносителя при средней температуре между температурами поверхности и теплоносителя вдали от нее. По уравнению (2.126) можно рассчитывать теплоотдачу от поверхностей практически любой формы: вертикальных и горизонтальных труб, шаров, вертикальных пластин. Для горизонтальных труб и шаров определяющим линейным размером, входящий в чисел Nu и Gr, является диаметр d, для вертикальных труб, пластин - высота h. Кроме того, если горизонтальная пластина расположена стороной, греющего наверх, то коэффициент С увеличивают на 30%. Если горизонтальная пластина расположена стороной, греющего вниз, то коэффициент С уменьшают на 30%. В обоих случаях определяющим является наименьший размер плиты.