异形管和异形翅片管优良的传热和阻力性能早为人知，但由于其制造复杂，成本高，一直未能得到广泛的应用。随着机械工业的进步，异形管和异形翅片管的成本大大降低，加上其性能的进一步提高，从技术经济的角度已能与普通的圆管换热器媲美，特别是用在一些特殊的场合。图7-46所示即为已获得应用的各种异形管和异形翅片管。

1.椭圆翅片管换热器

在诸多异形管和异形翅片管中，应用最广的是椭圆矩形翅片管。有关椭圆管和椭圆矩形翅片管的介绍请见本书第3章。

图7-46　各种异形管和异形翅片管

对于横掠椭圆矩形翅片管的换热，由于椭圆管的形状不同，翅片尺寸各异，对各种类型的椭圆翅片管束求得统一的计算式几乎是不可能的。国外采用椭圆管的大公司，如GEA公司，都有自己的实验室，并通过实验来得到某一特定椭圆管束的换热和阻力计算式。图7-47所示为黄素逸等通过实验研究对几种椭圆矩形翅片管和圆形绕片管的换热性能进行比较的结果。实验元件的主要特性尺寸如表7-10所示。

图7-47　几种实验元件传热性能的比较

表7-10　实验元件的主要特性尺寸

图7-47中的换热性能是以单位体积的传热系数（W/（m3·℃））为比较标准。从该图可以看出，无论何种形式的椭圆矩形翅片管，其换热性能均优于圆形绕片管。在四种椭圆矩形翅片管中，管型1的性能最优。

2.椭圆热管换热器

热管是一种新型的传热元件，由于它良好的导热性能及一系列新的特点，自1964年问世以来即得到迅速发展。热管现已广泛应用于宇航、电子、动力、化工、冶金、石油、交通等部门，成为强化传热和节能技术的重要部分。

椭圆热管正是利用热管优良的内部传热性能，椭圆管或椭圆翅片管优良的外部换热性能，将它们组成一个整体而形成一种新型的传热元件。研究表明，椭圆热管的传热和阻力性能都优于普通的圆热管。这种椭圆热管能够根据不同工作部门的需要，组成各种大小、各种热负荷、可以适应各种介质要求的换热器。这种由椭圆热管组成的热管换热器紧凑、高效、节能，已在不同工业部门获得应用，并显示出良好的市场前景。

对于椭圆热管内部传热特性的研究表明，与圆形热管相比，其内沸腾换热差别不大，但对凝结换热而言，由于液膜表面各处曲率半径不同，因此表面张力将使液膜沿管壁周向不均匀分布，从而对凝结换热产生影响。理论分析表明，对于圆形热管表面张力的作用沿周向处处相等，管内凝结换热的解与努塞尔解完全一致，但对于椭圆管而言，在与短轴相切的部分液膜厚度小于努塞尔解，而与长轴相切的那部分液膜厚度与努塞尔解一致。因此就总的换热效果而言，椭圆热管内的凝结换热将高于圆形热管。这种强化的效果则取决于椭圆管的离心率，并与凝结液体的性质有关。分析证明在最佳离心率的情况下，椭圆热管内的平均凝结换热系数与圆形热管相比可提高28.5％。

正是由于椭圆热管内的凝结换热系数较大，因此热管的内热阻就比较小。图7-48所示为文献［29］通过实验对椭圆热管和圆形热管内热阻进行比较的结果。其椭圆热管的参数为：长轴a=37 mm，短轴b=14 mm，壁厚2 mm，管长1800 mm，工质为水。作为对比的圆形热管为φ25 mm×1800 mm。通过比较可以看出，在传热量相同时，椭圆管的内热阻明显低于圆形热管。

图7-48　椭圆热管与圆热管的内热阻与传热量的关系(www.daowen.com)

椭圆热管的传热性能主要表现在最大传热量、内热阻、轴向平均传热温差及工作温度等方而。文献［29］对三种水重力热管进行了实验研究，这三种热管分别为φ25 mm×1800 mm及φ32 mm×1800 mm的圆热管，a=37 mm，b=14 mm，长1800 mm的椭圆热管。实验结果证实在相同的工作温度下，椭圆热管的输出功率可比圆形热管高9％左右。

以椭圆热管作为传热元件的换热器，根据使用情况不同，椭圆热管可以是光管，也可以是翅片管，还可以是一端为光管，另一端为翅片管。如热介质均为气体，不清洁气体侧可用椭圆光管，清洁气体侧用椭圆翅片管。当换热介质为水和空气时，空气侧应用椭圆翅片管，水侧用椭圆光管。当换热介质为油和水时，水侧用光管，油侧用翅片管。这种组合可以根据不同的需要调整，有极强的适应性，再加上其特别优良的传热和阻力特性，使得椭圆热管有极广阔的应用领域，例如：①化工、炼油、冶金、动力行业中的空气预热器、废热锅炉，省煤器等；②供热工程中的热水锅炉、热水加热器等；③动力、石化、冶金工业中的空冷器、大电机冷却器等；④食品、造纸、轻工、陶瓷、纺织中的蒸汽-空气加热器、烟气-空气加热器等；⑤化工中的热管反应器、热管蒸发器、热管裂解炉等；⑥空调制冷工程中的余热（余冷）回收装置、表冷器、换气装置等；⑦太阳能海水淡化装置、太阳能干燥装置、地热水采暖装置等。

椭圆热管应用最成功的例子之一是武汉石化总厂在常减压炉上，采用黄素逸等研制的大型椭圆热管空气预热器。该换热器椭圆管的尺寸为a=36 mm，b=14 mm；矩形翅片的尺寸为55 mm×26 mm，冷、热端翅片厚度分别为0.5 mm和1 mm，翅片间隔为2.5 mm和6 mm；叉排管束的纵向管间距和横向管间距分别为38 mm和70 mm；纵、横管排数为55×28；热管总根数为1540，总热负荷为6000 kW。用其替换原有的回转式空气预热器后，经测试鼓风机电耗由85 kW减少到39 kW，每吨原油加工的燃耗由11.5 kg减少到10.4 kg，一年仅节约燃料即达2220 t，不到一年就收回了投资，获得了巨大的经济效益。

3.螺旋椭圆扁管换热器

扁管是另一种应用较多的异型管。洛阳石化工程公司、天津大学等单位在扁管的基础上研发出一种螺旋扁盘。它是以圆管为基础，再经压扁和扭曲而成。用螺旋扁管组成的管壳式换热器，不需折流板或折流杆作为管子的支撑，而是依靠螺旋扁管外缘螺旋线的点接触相互支撑。在管程，流体的螺旋流动提高了其湍流程度，强化了管内传热，但流动阻力也相应增大。而对壳程而言，螺旋扁管之间的流道也是螺旋形的，流体在其间运动时受到离心力的作用会周期性地改变速度和方向，从而加强了流体的纵向混合。同时，流体经过相邻管子的螺旋线接触点时将形成脱离管形的尾流，除增强流体自身的湍流外，还会破坏管壁上的热边界层。以上因素都使壳程传热得以强化。由于管内外换热同时得到强化，因而传热效果较普通管壳式换热器有较大幅度提高。特别是对于流体黏度大、一侧或两侧流动均为层流状态的换热器，其效果尤为突出。工业试验结果表明，螺旋扁管换热器的总传热系数可比普通弓形板换热器提高1倍以上，可节约63％的换热面积，经济效益明显。该螺旋扁管的研究项目于1996年通过中国石化总公司的鉴定。

在椭圆管的基础上开发了一种螺旋椭圆扁管，它是将椭圆管按一定的导程扭曲而成，但为了管板加工方便，螺旋管的两端仍为圆形（见图7-49）。它也具有螺旋扁盘的特点。由其组成的管壳式换热器，壳体内也不需折流板或折流杆支撑，靠相邻椭圆管保持螺旋点接触。流体纵掠管束时，壳侧和管侧的流体换热都能得以强化。

图7-49　螺旋椭圆扁管示意图

因为螺旋椭圆扁管由同样尺寸的椭圆光管经扭曲加工而成，为了证实螺旋椭圆扁管的优越性，将它与同尺寸的椭圆光管在等流量和等功耗下进行了比较。等流量的比较表明，在等流量下，1500＜Re＜8500范围内，所有螺旋椭圆扁管均有强化效果，但强化的倍数随Re的增大而减小。这说明对高黏性流体，在层流和过渡区，采用螺旋椭圆扁管是十分有利的。

因为螺旋椭圆扁管的流动阻力大于扁管，因此进行等功耗的比较很有必要。比较结果表明，只有对某些管在Re＜300时才具有强化效果。不过对于大多数工程实际情况，泵的功率常常有较大的余量，往往是传热效果达不到要求，而需要强化传热。此外还可以用增加管径的办法来解决阻力过大的问题。

考虑到壳侧因为螺旋椭圆扁管不需要折流板，它已将传统的管壳式壳侧的横向绕流变为纵向流动，其壳侧阻力将小于折流板换热器。因此上述管程阻力增大（相对光管而言）的缺点是可以得到弥补的。

因为螺旋椭圆扁管管形线好，其换热系数可比螺旋扁管高10％左右。因此它在炼油及化工行业将和螺旋扁管一样有良好的应用前景。

随着强化传热技术的发展，出现了更多的异形强化传热管，例如清华大学研制的交叉缩放椭圆管、青岛科技大学研制的滴形管等，由这些异形强化传热管组成的换热器均已应用于工业。