传热/热交换器

热交换器

热交换器是旨在将热量从一种流体传递到另一种流体，而无需流体接触的装置。热交换器有各种各样的应用，例如：散热器、空调和发电厂。

热交换器类型

热交换器主要根据其流动布置进行分类。热交换器有两种基本类型：*直列流* 和 *错流*。此外，某些行业使用所谓的 *再生* 热交换器。

直列式

在直列式交换器中，冷热流体相互平行移动。流体在相同方向移动的热交换器称为*平行流* 或 *并流*，流体在相反方向移动的交换器称为*逆流* 或 *逆流*。

在平行流热交换器中，“冷”流体的出口温度永远不会超过“热”流体的出口温度。当出口温度相等时，交换器处于最佳状态。

逆流热交换器本质上比平行流热交换器效率更高，因为它们在整个流体路径的长度上创造了更均匀的流体之间的温差。逆流热交换器可以让“冷”流体以比“热”流体更高的温度流出。然而，许多工业热交换器更复杂。为了节省空间，流体可能会到达装置的末端，然后再次返回，也许会多次重复。流体每次通过长度被称为*通道*。例如，一种流体可以进行 2 次通道，另一种可以进行 4 次通道。因此，热交换器的一部分可能是并流的，而其他部分可能是逆流的，计算必须考虑到这一点。

错流式

在错流式交换器中，冷热流体相互垂直移动。这通常是在小包装中物理定位入口和出口端口的便捷方式，而且比逆流设计更有效。热力学上，错流式热交换器的效率比逆流式和平行流式热交换器更高。对数平均温差 (LMTD) 与平行流式热交换器相比，错流式始终更大。对于给定的流量和给定的入口和出口温度，平行流式热交换器需要最大的流量面积，而错流式热交换器需要最小的流量面积，逆流式热交换器面积介于这两个极端限制之间。出于这个原因，平行流式热交换器在实践中没有使用，而错流式布置更受欢迎。因此，错流式布置最常使用，因为它比逆流式更容易提供入口和出口集管连接。错流式热交换器可以提供紧凑的热交换器设计。与平行流式和逆流式热交换器相比，多通道错流式热交换器更容易制造。

由于设计特点迫使流动路径来回蜿蜒，某些实际的热交换器是错流式和逆流式的混合体。

再生式

再生式热交换器储存热量并在以后释放热量。它们包含大量的材料，这些材料不会离开交换器，但会随着热流体的通过而升温（或在某些情况下熔化，吸收潜热）。因此，一个批次操作的热量可以用来加热下一个批次操作。或者，它们可以成对（或更多）使用，其中一个从热流中吸收热量，而另一个则向冷流释放热量。在某些设计中，吸热材料床移动以将热量从一个流体转移到另一个流体。

再生式热交换器一词也用于逆流式交换器，其中一侧是进入工艺的流体，另一侧是离开工艺的流体。

热交换器分析

想象一个简单的热交换器，其中包含一种流体 (A) 的管道被充满另一种流体 (B) 的夹套包围，如图所示。每种流体都有稳定的入口温度，需要知道达到给定的一组出口温度所需的面积。

为了分析这样的热交换器，必须诉诸微分分析，因为流体 A 和 B 之间的温降不是恒定的。

首先，有三种方法可以表达流体 A 和 B 之间交换的总热量

${\dot {Q}}={\dot {m}}_{B}*(C_{p})_{B}*(T_{B2}-T_{B1})$
${\dot {Q}}={\dot {m}}_{A}*(C_{p})_{A}*(T_{A2}-T_{A1})$
${\dot {Q}}=U*A_{ex}*\Delta {T?}$

前两个定义明确，因为量 $(T_{B2}-T_{B1})$ 和 $(T_{A2}-T_{A1})$ 在热交换器运行过程中不会改变。不幸的是，第三个表达式的值确实取决于你在热交换器中评估它的地方，因为那里的温度变化是两种流体 A 和 B 之间的温度差。我们现在的目标是展示如何使用我们拥有的温度信息来计算热量的总流量，或者更实用地，利用已经流过的热量总量来计算热交换器的面积。