管内对流强化传热的分析发现,管内纵向涡流是一种优良的强化传热途径。清华大学开发的交叉缩放椭圆强化传热管与其它壁面扰动和破坏边界层的传热强化方法不同,它主要是利用管内截面交叉变化来诱发强烈的二次流和纵向涡流,并以此改变速度场与温度场之间的协同关系进而达到强化传热的目的。

交叉缩放椭圆强化传热管,它由多个轴线相互交叉的椭形截面管段和部分光滑圆形截面管段组成,且相邻管段之间存在过渡段。考虑到与管板、折流板的连接方式,管两端和部分中间段仍保持其圆形截面。综合考虑传热与流动阻力以及承压能力等方面的因素,椭形截面的长、短轴轴径之比推荐选用A/B=1.4~1.6。每段椭形截面管段长度s(包括过渡段长度H)与基管内径D之比推荐选用s/D=2~3。每段过渡段长度H与基管外径D之比推荐选用H/D=0.3~0.4。

实验用交叉缩放椭圆管的结构尺寸为:A=20.8mm, B= 12. 8mm, C=6mm. P=40mm;材质:黄铜;基管尺寸为20×1.5mm当Re=500~2300时,交叉缩放椭圆管的传热即进入湍流状态,可增强1~5倍。阻力增加100%~350%。当Re=2300~5×104时,传热可增强60%~200%,阻力增加150%~180%。当Re=1×104~5×104时,传热可增强36%-60%,阻力增加150%~200%。在Re=500~2300区域,传热强化(PEC)可达2.5~3.5倍。在Re=2300~5×104区域强化传热(PEC)可达1~1.5倍。选取管内插扭曲带(扭距y=4.5)、波纹管、横纹槽管(节径比p/d=0.5,槽深e与管径d之比e/d=0.05)和交叉缩放椭圆管进行对比分析,通过数值计算和实验可得出其同功耗下强化传热指标PEC,由此可以看出,交叉缩放椭圆管是一种很好的强化传热元件,特别是在层流和过渡区的综合强化传热性能较佳。

在径向温度梯度较大处产生许多纵向涡旋流动,且纵向涡流靠近壁面.其对层流强化传热的综合性能明显优于目前所知的其它许多强化技术。以管内插扭曲带强化换热元件(y=4.5)为例,与考虑进口效应的圆形截面管(LD=300)层流传热相比,Nu数可提高100%~370%,沿程阻力增加240%~470%。同样,与考虑进口效应的圆形截面管(LD=300)层流传热相比,交叉缩放椭圆管的Nu数一般可提高100%~500%,而沿程阻力的增加与强化传热相当。