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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(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,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,傳熱可增強(qiáng)60%~200%,阻力增加150%~180%。當(dāng)Re=1×104~5×104時,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)。