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管內(nèi)對流強(qiáng)化傳熱的分析發(fā)現(xiàn),管內(nèi)縱向渦流是一種優(yōu)良的強(qiáng)化傳熱途徑。清華大學(xué)開發(fā)的交叉縮放橢圓強(qiáng)化傳熱管與其它壁面擾動和破壞邊界層的傳熱強(qiáng)化方法不同,它主要是利用管內(nèi)截面交叉變化來誘發(fā)強(qiáng)烈的二次流和縱向渦流,并以此改變速度場與溫度場之間的協(xié)同關(guān)系進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

交叉縮放橢圓強(qiáng)化傳熱管,它由多個(gè)軸線相互交叉的橢形截面管段和部分光滑圓形截面管段組成,且相鄰管段之間存在過渡段。考慮到與管板、折流板的連接方式,管兩端和部分中間段仍保持其圓形截面。綜合考慮傳熱與流動阻力以及承壓能力等方面的因素,橢形截面的長、短軸軸徑之比推薦選用A/B=1.4~1.6。每段橢形截面管段長度s(包括過渡段長度H)與基管內(nèi)徑D之比推薦選用s/D=2~3。每段過渡段長度H與基管外徑D之比推薦選用H/D=0.3~0.4。

實(shí)驗(yàn)用交叉縮放橢圓管的結(jié)構(gòu)尺寸為:A=20.8mm, B= 12. 8mm, C=6mm. P=40mm;材質(zhì):黃銅;基管尺寸為20×1.5mm當(dāng)Re=500~2300時(shí),交叉縮放橢圓管的傳熱即進(jìn)入湍流狀態(tài),可增強(qiáng)1~5倍。阻力增加100%~350%。當(dāng)Re=2300~5×104時(shí),傳熱可增強(qiáng)60%~200%,阻力增加150%~180%。當(dāng)Re=1×104~5×104時(shí),傳熱可增強(qiáng)36%-60%,阻力增加150%~200%。在Re=500~2300區(qū)域,傳熱強(qiáng)化(PEC)可達(dá)2.5~3.5倍。在Re=2300~5×104區(qū)域強(qiáng)化傳熱(PEC)可達(dá)1~1.5倍。選取管內(nèi)插扭曲帶(扭距y=4.5)、波紋管、橫紋槽管(節(jié)徑比p/d=0.5,槽深e與管徑d之比e/d=0.05)和交叉縮放橢圓管進(jìn)行對比分析,通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)可得出其同功耗下強(qiáng)化傳熱指標(biāo)PEC,由此可以看出,交叉縮放橢圓管是一種很好的強(qiáng)化傳熱元件,特別是在層流和過渡區(qū)的綜合強(qiáng)化傳熱性能較佳。

在徑向溫度梯度較大處產(chǎn)生許多縱向渦旋流動,且縱向渦流靠近壁面.其對層流強(qiáng)化傳熱的綜合性能明顯優(yōu)于目前所知的其它許多強(qiáng)化技術(shù)。以管內(nèi)插扭曲帶強(qiáng)化換熱元件(y=4.5)為例,與考慮進(jìn)口效應(yīng)的圓形截面管(LD=300)層流傳熱相比,Nu數(shù)可提高100%~370%,沿程阻力增加240%~470%。同樣,與考慮進(jìn)口效應(yīng)的圓形截面管(LD=300)層流傳熱相比,交叉縮放橢圓管的Nu數(shù)一般可提高100%~500%,而沿程阻力的增加與強(qiáng)化傳熱相當(dāng)。