椭圆管和椭圆翅片管传热研究

　　黄素逸（华中科技大学能源学院）

　　由于人们越来越认识到截面形状对流动和传热的影响以及加工制造技术的进步，出现了许多异形强化传热管，如螺旋槽管、横纹管、波纹管、缩放管、椭圆管、滴形管、透镜管、螺旋椭圆扁管、交叉缩放椭圆管等，它们有的用于强化管内换热，有的用于强化管外换热。有的管型在强化管内换热的同时也能强化管外换热。本文主要介绍椭圆管和椭圆翅片管。

　　一、概述

　　椭圆管和椭圆翅片管是目前应用*广泛的异形管。早在上世纪50年代，R . A . Sebau 等人就研究了横掠椭圆管的换热，他们*先是对长短轴之比a/b=4的椭圆管进行实验研究，其雷诺数的变化范围Re=6.07×105~1.33×106，随后又对a/b=3的椭圆管进行了研究，其实验范围是Re=5.3×105~1.2×106。

　　Jokob对椭圆管横放（长轴顺着气流方向）和竖放（长轴垂直气流方向）在横掠气流中的换热提出了不同的计算公式。计算公式中的特征尺寸取椭圆管垂直于气流方向的尺寸。但该公式的应用范围很窄，对横放的椭圆管，其适用范围为Re=2500~，对竖放椭圆管为Re=3000~。

　　O .Schad 研究了横掠椭圆单管和椭圆管束的换热，其椭圆管的尺寸为a=27.60mm , b=12.36mm , 即长短轴之比为a/b=2.33 , 对此种特定的椭圆管，他还研究了不同排列方式下的换热情况。但由于当时椭圆管及椭圆翅片管在工业中的应用还不普遍，因此其研究还是零星的。

　　70年代以后，我国不少学者开始对横掠椭圆管及椭圆翅片管换热进行了研究，如西安交通大学、上海理工大学、青岛科技大学等都开展了这方面的研究工作。我们则从70年代末对椭圆管，特别是椭圆翅片管的换热和阻力性能进行了比较系统的研究，这些研究包括：

　　不同长短轴的椭圆管在自然对流下的换热特性；

　　各种形状椭圆管在不同倾角下的自然对流换热系数；

　　不同椭圆管及椭圆管束在横掠气流中的换热特性；

　　椭圆翅片管的换热性能及不同形状翅片（圆翅片、椭圆形翅片、矩形翅片）对椭圆翅片管换热和阻力性能的影响；

　　矩形翅片间距对椭圆管换热及阻力性能的影响；

　　矩形翅片上扰流孔位置及扰流孔翻边角度对椭圆翅片管换热和阻力的影响；

　　椭圆矩形翅片管束在不同排列下的换热和阻力性能；

　　椭圆翅片管束传热和阻力性能的优化。

　　通过多年的研究，我们获得了有关椭圆管及椭圆翅片管换热和阻力性能的大量数据，供不同设计工况下使用的各种经验公式，为椭圆管及椭圆翅片管换热器在电力、炼油、冶金、化工等领域的应用推广打下了坚实的基础。

　　十余年来我们为椭圆管及椭圆翅片管的应用推广做了大量的工作，现在我们研制的椭圆管在电厂的暖风器、炼油的空冷器、钢铁厂的循环水冷却器、罩式炉退火冷却器、轻工行业的蒸汽—空气加热器，压缩机中冷器，空气油冷却器等方面获得了许多应用。

　　本文仅讨论强制对流情况下椭圆管及椭圆翅片管的流动和换热特性。有关自然对流下的换热特性请参阅参考文献[5]、[6]。

　　二、椭圆管的阻力和换热特性[7]

　　为了对横掠椭圆管的对流换热详加探讨，我们选取了12种不同形状的椭圆管，它们的长短轴之比分别为 a/b=1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50、2.75、3.00、3.25、3.50、3.75、4.00加上圆管（a/b=1）和平板（a/b=∞）,一共14种元件，对它们在横掠气流中的换热进行了系统的研究，在此基础上对不同形状的椭圆管给出了计算的经验公式。

　　1 横掠圆管的换热

　　对横掠圆管的换热有许多经验公式，我们的实验结果和 Zhukauskas 所推荐的公式完全一致，即

　　（1）

　　其实验范围为Re=1×103~2×105。为此，对横掠椭圆管的换热，均按该式的形式整理。

　　2 横掠椭圆管的换热

　　对于不同形状的椭圆管横放（Ⅰ）和竖放（Ⅱ）时的平均Nua数和Rea数的关系如图1所示。

　　图1 横掠气流中椭圆管横放或竖放时的换热

　　对工程范围内各种常用的不同形状的椭圆管有如下的经验公式：

　　当 a/b=1.5时

　　=0.2340。60 Pr0.38 (横放) （2）

　　=0.4630。57 Pr0.38 (竖放) （3）

　　当 a/b=2.0时

　　(横放) （4）

　　(竖放) （5）

　　当 a/b=2.5时

　　(横放) （6）

　　(竖放) （7）

　　当 a/b=4.0时

　　(横放) （8）

　　(竖放) （9）

　　以上各式中，Nua和Rea