管內對流強化傳熱的分析發現,管內縱向渦流是一種優良的強化傳熱途徑。清華大學開發的交叉縮放橢圓強化傳熱管與其它壁面擾動和破壞邊界層的傳熱強化方法不同,它主要是利用管內截面交叉變化來誘發強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同關系進而達到強化傳熱的目的。
交叉縮放橢圓強化傳熱管,它由多個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?？紤]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。
實驗用交叉縮放橢圓管的結構尺寸為:A=20.8mm, B= 12. 8mm, C=6mm. P=40mm;材質:黃銅;基管尺寸為20×1.5mm當Re=500~2300時,交叉縮放橢圓管的傳熱即進入湍流狀態,可增強1~5倍。阻力增加100%~350%。當Re=2300~5×104時,傳熱可增強60%~200%,阻力增加150%~180%。當Re=1×104~5×104時,傳熱可增強36%-60%,阻力增加150%~200%。在Re=500~2300區域,傳熱強化(PEC)可達2.5~3.5倍。在Re=2300~5×104區域強化傳熱(PEC)可達1~1.5倍。選取管內插扭曲帶(扭距y=4.5)、波紋管、橫紋槽管(節徑比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行對比分析,通過數值計算和實驗可得出其同功耗下強化傳熱指標PEC,由此可以看出,交叉縮放橢圓管是一種很好的強化傳熱元件,特別是在層流和過渡區的綜合強化傳熱性能較佳。
在徑向溫度梯度較大處產生許多縱向渦旋流動,且縱向渦流靠近壁面.其對層流強化傳熱的綜合性能明顯優于目前所知的其它許多強化技術。以管內插扭曲帶強化換熱元件(y=4.5)為例,與考慮進口效應的圓形截面管(LD=300)層流傳熱相比,Nu數可提高100%~370%,沿程阻力增加240%~470%。同樣,與考慮進口效應的圓形截面管(LD=300)層流傳熱相比,交叉縮放橢圓管的Nu數一般可提高100%~500%,而沿程阻力的增加與強化傳熱相當。