MURPHY摩菲热能-了解热交换器

水-空气热交换器的一部分的特写视图热交换器是设计用于在两种或多种温度不同的流体（即液体，蒸气或气体）之间传递热量的装置。根据所

水-空气热交换器的一部分的特写视图

热交换器是设计用于在两种或多种温度不同的流体（即液体，蒸气或气体）之间传递热量的装置。根据所使用的热交换器的类型，传热过程可以是气体对气体，液体对气体或液体对液体并且通过固体分离器发生，该固体分离器防止流体混合或直接流体接触。其他设计特征，包括建筑材料和组件，传热机制以及流量配置，也有助于对可用热交换器的类型进行分类。在广泛的行业中发现应用后，设计并制造了多种供热和制冷过程使用的热交换设备。

本文重点介绍热交换器，探索各种可用的设计和类型，并说明它们各自的功能和机理。此外，本文概述了每种类型的热交换设备的选择注意事项和常见应用。

换热器热力学

热交换器的设计是热力学的一项练习，热力学是一门涉及热能流，温度以及与其他形式能量的关系的科学。要了解热交换器的热力学，一个很好的起点是学习传热，传导，对流和辐射的三种方式。在以下各节中，将介绍每种传热模式。

传导性

传导是热能在彼此接触的材料之间传递。温度是材料中分子平均动能的量度–较暖的物体（处于较高温度下）表现出更多的分子运动。当较热的物体与较冷的物体（一个处于较低温度的物体）接触时，两种材料之间就会发生热能传递，较冷的物体会变得更多能量，而较热的物体会变得更少能量。该过程将持续到达到热平衡为止。

通过热传导在材料中传递热能的速率由以下表达式给出：

在该表达式中，Q表示在时间t中通过材料传递的热量，ΔT是材料一侧与另一侧之间的温度差（热梯度），A是材料的横截面积，并且d是材料的厚度。常数k被称为材料的热导率，并且是材料固有特性及其结构的函数。空气和其他气体的导热系数通常较低，而非金属固体的导热系数较高，而金属固体的导热系数最高。

对流

对流是通过诸如加热的空气或水之类的流体的运动从表面转移热能。大多数流体在加热时会膨胀，因此相对于温度较低的其他部分，密度会降低，并会上升。因此，当房间中的空气被加热时，由于温度较高且密度较小，它会上升到天花板，并在与房间中较冷的空气碰撞时传递热能，然后变得更密集，并再次朝地板掉落。该过程产生自然或自由对流。对流也可以通过所谓的强制对流或辅助对流发生，例如在诸如水力加热系统中将热水泵送通过管道时。

对于自由对流，传热速率由牛顿冷却定律表示：

其中Q点是传热的速率，h c是对流传热系数，A是进行对流过程的表面积，ΔT是表面与流体之间的温差。对流传热系数h c是流体性质的函数，类似于前面提到的有关导热的材料的热导率。

辐射

热辐射是热能传递的一种机制，涉及从受热表面或物体发射电磁波。与传导和对流不同，热辐射不需要中间介质来承载波能。所有温度高于绝对零（-273.15 o C）的物体都会发出通常在较宽光谱范围内的热辐射。

辐射热损失的净速率可以使用Stefan-Boltzmann定律表示如下：

其中Q是每单位时间的传热，T h是热物体的温度（以绝对单位为o K），T c是较冷环境的温度（也以绝对单位为o K），σ是Stefan-Boltzmann常数（其值为5.6703 x 10 -8 W / m 2 K 4）。ε表示的术语是材料的发射系数，根据材料的特性及其反射，吸收或透射辐射的能力，其值可以介于0到1之间。它也是材料温度的函数。

换热器的基本原理

无论类型和设计如何，所有换热器均以相同的基本原理（即热力学的零定律，第一定律和第二定律）运行，这些定律描述并规定了热量从一种流体到另一种流体的传递或“交换”。

的热力学第零定律指出的是处于热平衡热力学系统具有相同的温度。此外，如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，则两个先前的系统必须彼此平衡；因此，所有三个系统的温度相同。该定律先于热力学的其他三个定律，但未在发展中，不仅将热平衡表示为传递性，而且定义了温度的概念并将其确立为热力学系统的可测量性。

在热力学第一定律建立在第零定律，建立内部能源（ü作为热力学系统的另一个属性）和指示热和功对系统的内部能量的影响，周围环境的能源。此外，第一定律（也称为“能量转换定律”）实质上规定，不能创建或销毁能量，只能将其转移到另一个热力学系统或转化为另一种形式（例如，热或功）。

例如，如果热量从其周围环境流入系统，则系统的内部能量会相应增加，而周围环境的能量则会减少。该原理可以通过以下等式说明，其中ΔU系统代表系统的内部能量， ΔU环境代表周围环境的内部能量：

所述热力学第二定律规定熵（小号）作为热力学系统的一个附加属性和描述了宇宙的自然和不变的趋势，以及任何其它封闭热力学系统，随着时间的推移在熵增加。这个原理可以通过以下等式说明，其中ΔS代表熵的变化，ΔQ代表添加到系统的热量的变化，T 代表绝对温度：

它也可以用来解释两个相互隔离的系统（当它们相互作用并且不受所有其他影响时）趋向热力学平衡的趋势。根据第二定律，熵只能增加，而不能减少。因此，随着熵的增加，每个系统总是朝着该系统可达到的最大值移动。在此值下，系统达到平衡状态，在此状态下，熵将不再增加（最大），也不会减小，因为该行为将违反第二定律。因此，唯一可能的系统变化是熵不发生变化的变化（即，向系统添加或减去的热量与绝对温度的比值保持恒定）。

总而言之，这些原则决定了热交换器的基本机制和操作。零定律将温度确定为热力学系统的可测量属性，第一定律描述了系统内部能量（及其转换形式）与周围环境之间的反比关系，第二定律表示两个相互作用的系统趋向于走向热平衡。因此，热交换器通过允许较高温度（F 1）的流体直接或间接与较低温度（F 2）的流体相互作用而起作用，这使得热量能够从F 1传递 到F 2。 走向平衡。这种热传递导致F 1的温度降低和F 2的温度升高。根据应用程序是针对加热还是冷却流体而定，可以使用此过程（以及使用该过程的设备）将热量分别引向系统或从系统引走。

换热器设计特点

如上所述，所有热交换器都在相同的基本原理下运行。但是，可以基于它们的设计特性以几种不同的方式对这些设备进行分类。可以对热交换器进行分类的主要特征包括：

流程配置 施工方法 传热机制

流配置

热交换器的流动配置，也称为流动布置，是指热交换器内的流体相对于彼此的运动方向。热交换器采用四种主要的流量配置：

并流 逆流 横流 混合流

并流

并流换热器，也称为平行流换热器，是其中流体彼此平行且沿相同方向运动的热交换装置。尽管这种配置通常会导致效率比逆流配置更低，但它也允许在热交换器壁上实现最大的热均匀性。

逆流

逆流热交换器，也称为逆流热交换器，被设计成使得流体在热交换器内彼此反向平行（即，平行但沿相反的方向）运动。在流动配置中最常用的是，逆流布置通常表现出最高的效率，因为它允许流体之间的最大热量传递，并且因此允许最大的温度变化。

横流

在错流热交换器中，流体彼此垂直流动。采用这种流动配置的热交换器的效率介于逆流热交换器和顺流热交换器的效率之间。

混合流

混合流动热交换器表现出前述流动配置的特征的某种组合。例如，热交换器设计可以在单个热交换器内采用多个流道和布置（例如，逆流布置和横流布置）。这些类型的热交换器通常用于适应应用程序的限制，例如空间，预算成本或温度和压力要求。

下面的图1说明了可用的各种流程配置，包括交叉/反向流程配置，这是混合流程配置的示例。

图1 –热交换器流程配置

施工方法

在上一节中，热交换器是根据所采用的流动配置类型进行分类的，而本节则是根据其构造对热交换器进行分类的。这些设备可以分类的构造特征包括：

再生与再生 直接与间接 静态与动态

所用部件和材料的类型

再生与再生

热交换器可分为回热式热交换器和回热式热交换器。

回热式和回热式换热器系统之间的区别在于，在回热式换热器（通常称为回热器）中，每种流体同时流过其自身在热交换器内的通道。另一方面，再生式热交换器，也称为电容式热交换器或再生器，交替地允许较热和较冷的流体流过同一通道。换热器和蓄热器都可以进一步分为不同类别的交换器，例如分别为直接或间接以及静态或动态的。在所指出的两种类型中，回热换热器在整个工业中更为普遍。

直接与间接

回热式热交换器采用直接接触或间接接触传递过程在流体之间交换热量。

在直接接触式热交换器中，流体不会在设备内分离，并且热量会通过直接接触而从一种流体传递到另一种流体。另一方面，在间接热交换器中，在整个传热过程中，流体通过导热部件（例如管或板）保持彼此分离。组件首先在较热的流体流经热交换器时从其接收热量，然后在其流经的热量传递至较冷的流体。一些采用直接接触转移过程的设备包括冷却塔和蒸汽喷射器，而采用间接接触转移过程的设备包括管状或板式热交换器。

静态与动态

蓄热式热交换器有两种主要类型：静态热交换器和动态热交换器。在静态蓄热器（也称为固定床蓄热器）中，当流体流过设备时，热交换器的材料和组件保持静止，而在动态蓄热器中，材料和组件在整个传热过程中移动。两种类型都存在流体之间交叉污染的风险，因此在制造过程中需要仔细考虑设计。

在静态类型的一个示例中，较热的流体流经一个通道，而较冷的流体流经另一个通道固定的时间段，最后，通过使用快速操作阀，流量反向，从而使两种流体流动。切换频道。动态类型的一个示例通常使用旋转的导热组件（例如，滚筒），较冷和较冷的流体连续地流经该导热组件，尽管在单独的密封部分中也是如此。当组件旋转时，任何给定的部分都会交替通过较热的蒸汽和较冷的流，从而允许组件从较热的流体中吸收热量并将热量传递给较冷的流体。下面的图2描述了具有逆流结构的旋转式蓄热室中的传热过程。

图2 –旋转式蓄热器中的热传递

热交换器组件和材料

热交换器中可以使用几种类型的组件，以及用于构造它们的各种材料。所使用的组件和材料取决于热交换器的类型及其预期的应用。

用于构造热交换器的一些最常见的组件包括壳体，管子，螺旋管（线圈），板，翅片和绝热轮。下一节将提供有关这些组件如何在热交换器中起作用的更多详细信息（请参阅热交换器的类型）。

尽管金属由于其高的导热性而非常适合并通常用于构造热交换器，例如铜，钛和不锈钢热交换器，但是其他材料，例如石墨，陶瓷，复合材料或塑料，可以根据传热应用的要求提供更大的优势。

图3 –按结构分类的热交换器

注意：在建筑类别下列出的热交换设备只是可用设备的一小部分。

传热机制

热交换器采用两种类型的传热机制：单相或两相传热。

在单相热交换器中，流体在整个传热过程中不会发生任何相变，这意味着较热和较冷的流体都保持与进入热交换器时相同的物质状态。例如，在水到水的传热应用中，较热的水会散失热量，然后再将热量传递给较冷的水，而不会变为气体或固体。

另一方面，在两相热交换器中，流体在传热过程中确实会发生相变。相变可发生在所涉及的流体中的一种或两种中，从而导致从液体变为气体或从气体变为液体。通常，采用两相传热机制的设备比采用单相传热机制的设备需要更复杂的设计考虑。可用的某些两相热交换器类型包括锅炉，冷凝器和蒸发器。

换热器类型

根据上面指出的设计特征，可以使用几种不同的热交换器。在整个行业中使用的一些较常见的变体包括：

壳管式热交换器 双管换热器 板式换热器 冷凝器，蒸发器和锅炉

壳管式热交换器

换热器最常见的类型是管壳式换热器，它是由一根管子或一系列平行管（即管束）封装在密封的圆柱形压力容器（即壳）中构成的。这些装置的设计使得一种流体流经较小的管，而另一种流体则围绕其/它们的外部以及在密封壳内在它们之间流动。可用于这种类型的热交换器的其他设计特征包括翅片管，单相或两相传热，逆流，并流或错流布置，以及单程，两程或多程配置。

可用的一些管壳式换热器类型包括螺旋盘管换热器和双管换热器，某些应用包括预热，油冷却和蒸汽产生。

双管换热器

作为管壳式换热器的一种形式，双管换热器采用最简单的换热器设计和配置，它由两个或多个同心的圆柱形管或管（一个较大的管和一个或多个较小的管）组成。根据所有管壳式换热器的设计，一种流体流经较小的管，另一种流体流经较大管内的较小管。

双管换热器的设计要求包括前面提到的换热和间接接触类型的特性，因为在整个传热过程中，流体保持分离并流经自己的通道。但是，双管热交换器的设计具有一定的灵活性，因为它们可以设计为并流或逆流布置，并且可以在系统内以串联，并联或串联-并联配置模块化使用。例如，下面的图4描述了在具有并流结构的隔离式双管热交换器内的热传递。

图4 –双管热交换器中的热传递

板式换热器

也称为板式热交换器，板式热交换器由捆绑在一起的数个薄波纹板构成。每对板形成一个通道，一种流体可以流过该通道，并且通过螺栓连接，铜焊或焊接将这对板堆叠并连接在一起，从而在各对之间创建第二通道，另一种流体可以流过。

标准板设计也可以有一些变化，例如板翅或垫板式换热器。板翅式换热器在板之间采用了翅片或隔板，并允许多种流动配置和多于两种的流体流通过该装置。枕板式换热器向板施加压力，以提高整个板表面的传热效率。一些其他类型的可用的包括板框式，板和外壳，和螺旋板换热器。

板式热交换器的特写视图。

冷凝器，蒸发器和锅炉

锅炉，冷凝器和蒸发器是采用两相传热机制的热交换器。如前所述，在两相热交换器中，一种或多种流体在传热过程中经历相变，从液体变成气体，或者从气体变成液体。

冷凝器是一种热交换设备，它吸收加热的气体或蒸气并将其冷却至冷凝点，从而将气体或蒸气变为液体。另一方面，在蒸发器和锅炉中，传热过程将流体从液体形式变为气体或蒸汽形式。

其他换热器

热交换器被广泛应用于各种行业。因此，有几种可用的热交换器，每种都适合特定应用的要求和规格。除上述变型外，其他可用类型包括空气冷却式热交换器，风扇冷却式热交换器和绝热轮式热交换器。

换热器选择注意事项

尽管存在各种各样的热交换器，但是每种类型（及其设计）在流体之间传递热量的适用性取决于应用程序的规格和要求。这些因素在很大程度上决定了所需热交换器的最佳设计，并影响了相应的额定值和尺寸计算。

行业专业人员在设计和选择热交换器时应牢记的一些因素包括：

流体的类型，流体流及其性质

所需的热量输出

尺寸限制

费用

流体类型，流和属性

涉及的特定类型的流体（例如，空气，水，油等）及其物理，化学和热学性质（例如，相，温度，酸度或碱度，压力和流速等）有助于确定流量最适合该特定传热应用的配置和构造。

例如，如果涉及腐蚀性，高温或高压流体，则热交换器设计必须能够在整个加热或冷却过程中承受高应力条件。满足这些要求的一种方法是选择具有所需性能的建筑材料：石墨换热器具有高导热性和耐腐蚀性，陶瓷换热器可承受的温度高于许多常用金属的熔点，而塑料换热器可提供维持中等程度的耐腐蚀性和导热性的低成本替代品。

陶瓷换热器

另一种方法是选择适合流体特性的设计：板式热交换器能够处理中低压力流体，但流量要比其他类型的热交换器高；当处理需要处理流体的流体时，两相热交换器是必需的在整个传热过程中发生相变。行业专业人员在选择热交换器时可能要记住的其他流体和流体流特性包括流体粘度，结垢特性，颗粒物含量和水溶性化合物的存在。

热输出

热交换器的热输出是指流体之间传递的热量以及传热过程结束时相应的温度变化。热交换器内的热传递导致两种流体的温度变化，随着热量的去除，一种流体的温度降低，而随着热量的增加，另一种流体的温度升高。理想的热输出和热传递速率有助于确定热交换器的最佳类型和设计，因为某些热交换器设计提供更高的加热器传递速率，并且比其他设计可承受更高的温度，尽管成本更高。

大小限制

在选择了最佳的热交换器类型和设计之后，常见的错误是购买对于给定的物理空间而言太大的热交换器。通常，更明智的做法是购买一种热交换设备，其尺寸应留出进一步扩展或增加空间的空间，而不是选择一个完全包围空间的设备。对于空间有限的应用，例如飞机或汽车，紧凑型热交换器在更小，更轻巧的解决方案中具有很高的传热效率。这些传热设备的特征是具有高的传热表面积与体积之比，包括紧凑型板式热交换器。通常，这些器件具有≥700的比率米2 /米3适用于燃气应用，≥400 m 2 / m 3适用于燃气应用。

费用

热交换器的成本不仅包括设备的初始价格，还包括设备使用寿命内的安装，操作和维护成本。尽管有必要选择一种能够有效满足应用需求的热交换器，但也必须牢记所选热交换器的总体成本，以便更好地确定该设备是否值得投资。例如，最初昂贵但更耐用的热交换器可能会导致较低的维护成本，因此，在几年的过程中，总支出会减少，而更便宜的热交换器最初可能会较便宜，但需要多次维修和更换在同一时间段内。

设计优化

针对给定应用（具有如上所述的特定规格和要求）设计最佳热交换器涉及确定流体的温度变化，热传递系数和热交换器的结构，并将它们与热传递速率相关联。追求此目标时出现的两个主要问题是计算设备的额定值和尺寸。

额定值是指对给定设计和尺寸的热交换器的热效率（即效率）的计算，包括热传递速率，流体之间的热传递量及其相应的温度变化以及总压力跨设备。尺寸是指计算热交换器所需的总尺寸（即，可用于传热过程的表面积），包括长度，宽度，高度，厚度，部件数量，部件几何形状和布置，等，适用于具有给定过程规范和要求的应用。换热器的设计特征（例如，流量配置，材料，构造部件和几何形状等）会影响额定值和尺寸计算。