什么是热交换器?——完整的解释

什么是热交换器?

热交换器是用于在两种或多种流体之间传递热能(焓)的设备。这些流体可以是液体、蒸汽或气体。它可以在固体表面和流体之间,固体颗粒和流体之间,液体对液体,气体对气体,以及不同温度下的液体对气体,其中T1(流体1温度)≠ T2(流体2温度)和热接触。这些流体可以是单相或两相,可以分离或直接接触,具体取决于交换器类型。为了提高换热器的效率,两种流体之间的壁面面积应增加,并将流经换热器的流体阻力降至最低。

典型的过程包括加热和冷却流体或蒸发和冷凝,这取决于应用和使用。在其他一些应用中,它们用于拒绝或回收热量、巴氏杀菌、灭菌、结晶、分离、蒸馏或控制工艺流体。

特定类型的热交换器的选择取决于各种因素,如 -

  • 这两种液体的性质
  • 他们的压力
  • 它们的温度
  • 流速
  • 所需传热率

因此,重要的是要了解热交换器的基本原理,并且可以根据所需的条件使用哪种热交换器。

换热器的基本工作原理

不管其设计如何,所有的热交换器都在同一屋檐下工作。这是热力学的三大定律,即热力学的第零定律,第一定欧洲杯淘宝彩票律和第二定律。这些定律促进了热量从一种流体到另一种流体的传递或交换。

热交换器是一种装置,其包括2或更多个流体,其将热从一个介质转移到另一个介质。通常,与另一个流体有显着的液体在高温下显着。

现在我们有冷的和热的流体。当两者试图向稳定方向移动时,热交换器使热量直接或间接地从热流体或介质传递到冷流体。

结果在末端,热流体变得有点较冷,冷流体变得有点热。

热是如何交换的-传热机理

热的交换或传递主要通过3个过程

1.传导,

它是热从高振动温度分子传递到低振动温度分子之间物理接触的过程。前者处于较高的动能,后者处于较低的动能。由于分子的碰撞,这最适宜发生在固体中。这些也称为热传导或热传导。例:桌上放着一杯热茶。热传递从杯子到桌子。

2.对流 -

由于密度差异,该热传递发生在流体内。当流体移动并带走热能时,它会发生。例如。- 水的沸腾。下表面的热水分子加热并变得更轻,同时向上移动,致密的水分子从上到下移动。

对流方程

3.辐射-

这是一个热量通过电磁波传递的过程。它不需要任何介质进行传热,可以在真空或任何透明介质中进行传热。带电质子和电子的快速运动产生了这些波。-微波炉发出的微波辐射。

它可以用Stefan-Boltzmann定律计算。

辐射当量

热交换器中使用的液体

根据应用或使用的热交换器和材料的类型,传热流体可以是液体或气体。它可以是空气,水,油,水乙二醇,氯化盐水,酸等
在流体选择之前,主要需要向外看三个不同的参数;
这涉及它们的物理状态,化学性质和热性能。如果我们详细阐述,需要根据其温度,碱性或酸性,流速,压力,相变等来选择流体。

水是液体,它是热交换器中使用的最常见的流体类型,因为它更便宜,具有高热容量(流体在不改变其温度的情况下可以容纳的热量),并且易于运输。

石油、合成碳氢化合物或硅基液体用于高温范围。

气体,如水蒸气,氮,氩,氦,氢是使用液体流体不适合。因此,为了得到气体作为流体的热交换器的有效工作条件,提高了压力,增加了气体的流量。

一般来说,沸点和热容应该很高。因为高沸点防止流体在较高温度下蒸发,而高热容量使少量流体能够非常有效地传递大量热量。

流体的一些基本特性

  1. 低粘度-有利于流体的轻松流动,降低泵送成本。
  2. 无腐蚀性-流动流体应避免管壁腐蚀,从而降低维护成本。
  3. 高的热扩散率和导电性
  4. 高沸点和低冰点-在交换热量时有助于保持在同一阶段。

换热器的材料选择

材料选择基于各种因素,如应用、热效率、耐腐蚀性、耐久性、清洁性以及材料的成本和可用性。

有各种各样的材料,如金属、陶瓷、塑料、复合材料等,每一种材料都有各自的优点。

  • 石墨换热器,导热系数高,耐腐蚀。
  • 〇陶瓷热交换器它们能承受超过1000摄氏度的高温。在这个温度范围内,铁、铜、钢等金属容易熔化。
  • 复合换热器- - - - - -复合材料是两种或两种以上材料的混合。您可以将高导热材料与低重量的抗塑料腐蚀材料混合使用。

什么是温度交叉

假设热流体(流体1)的进口温度为70°C,冷流体(流体2)的进口温度为30°C,流体1的出口温度为45°C,流体2的出口温度为47°C。这就是温度交叉的情况,当冷流体的出口温度超过热流体的出口温度。这是设计换热器时需要考虑的一个重要因素。它降低了换热器的效率。
为了避免这种情况可以提高冷流体(流体2)的流速(流体2)或在某些情况下,不能避免,因此板式热交换器是最佳选择。

热流体

(液体1)

冷流体

(液体2)

进气温度 70°C 30°C
出口温度 45摄氏度 47°C

热交换器的分类或类型

换热器类型

热交换器可分为5类-

根据流程安排进行分类

换热器在流动布置的基础上

1.平行流量 -

这些热交换器也称为同流热交换器。这是两种流体从同一端进入,并向另一端移动的方式。在这些设计中,进口处的温差较大,但出口处的流体温度达到了相似的值。虽然这些布置与逆流布置相比效率较低,但在换热器的整个壁面上具有热均匀性。

2.逆流,

也被称为逆流热交换器的是流体从相反的端部进入并反向平行流动的流动。它允许最高的热传递流量,并且在所有流量安排中都是最有效的。

3.交叉流动,

在交叉流动布置中,流体相互垂直流动。它们在平行流和逆流流安排之间具有效率。

在工业中,使用了混合型流量装置,如反交叉流和多道流热交换器。

为什么逆流式换热器比平行式换热器效率高?

逆流对平行流效率

平行流与逆流热交换器

主要有3分来解释为什么计数器流量比平行更好。

  1. 温度梯度-如图所示,在平行流中,平均温差或温度梯度变化很大,这会在壁面上产生热应力。相反,逆流在整个过程中具有均匀的热应力分布。
  2. 在逆流过程中,冷流体的出口温度达到热流体的最高温度。
  3. 由于在整个过程中存在更均匀的温差,因此热转换速率也是均匀的。

什么是lmtd(对数平均温差)?

采用LMTD计算换热器的性能和有效性。LMTD为对数平均温差。它是冷热流体之间温差的对数平均值。LMTD与交换的热量成正比。因此,随着LMTD值的增加,流体之间的传热值也会增加,或者相反。

正如我们所知,热交换量可以表示为——

LMTD校正因子

现在在理解LMTD校正因子之前,让我们先了解什么是热交换器通过。
热交换器通道是指流体从一端流向另一端。如果是一个壳程,则流体从一端进入另一端流出。

单道或单壳道

2壳程或双壳程

如果是2壳通道或双壳通道,则流体在同一端进入和退出。等等
没有就越大。通径时,传热速率较大,但同时也会导致高压损失和高流速。

让我们从图表中了解这一点。

因此,回到主题LMTD仅对一个壳程和一个管程有效。对于多个管壳程,流体既不是平行流,也不是逆流。因此,对于该几何不规则性,计算LMTD校正系数(F),以获得校正平均温差(校正MTD)或有效驱动力。

修正LMTD = F* LMTD

什么是传热效率-南洋理工大学方法?

当表面传热面积已知,但出口和进口温度不同时为一个时,LMTD可应用于hit and trail方法,但有效性- ntu方法总是较好的,适用于进动结果。
热交换器的有效性是衡量热交换器热性能的指标。它是冷热流体的实际传热率与热力学允许的最大传热率之比。欧洲杯淘宝彩票

由于实际传热不可能大于最大传热,所以∈<1的值总是存在的。对于任何指定的流体对,逆流流动具有最大的有效性。
在南洋理工大学中,效率的提高是非线性的。

基于阶段的分类

换热器在相的基础上

1.单相和两相传热

在单相换热器中,流体在整个传热过程中不发生相变。流体的进口和出口状态或相保持不变。例如,在液-液传热应用中,较热的液体失去热量并转移到较冷的液体,而两者都不会变成气态或固态。

在两相传热,流体在传热过程中确实会发生相变。相变可能发生在两种或一种流体中,导致状态从液体变为气体或从气体变为液体。与单相换热器相比,两相换热器的设计通常更加复杂。
冷凝器锅炉,蒸发器是使用两相机理的一些应用。

两相换热器的类型
  • 冷凝器 -

冷凝器是一种热交换器,用于将流体从气态冷凝或冷却到液态。它是一个两相热交换器,它将气态变为液态。在这个过程中,物质释放潜热,并转移到周围。在许多工业过程中,这是用于有效的热排斥。它有许多尺寸,从小到非常大。

工作准则

它旨在将热从热工作流体转移到另一个流体或周围空气。在相变期间发生流体之间的热传递,在这种情况下在蒸汽冷凝到液体期间。

蒸汽通常以相对高的温度与另一个流体相比进入冷凝器。随着蒸汽冷却,它达到饱和温度,凝成液体并释放大量的潜热。

如下图所示,流体从气体(g)冷却为液体(f)

冷凝器中的传热率表示如下

蒸发器,

蒸发器是一种热交换器,用来将化学物质从液体转换成气态或蒸汽形式。换句话说,蒸发器是一种从环境中提取热量的冷却系统。在这个过程中,从周围的物质或热流体中注入热量。

-工作原理

溶液被送入蒸发器并通过热源。施加或注入的热量将液体或水转化为蒸汽。

蒸发从m到g发生。

锅炉

锅炉呈封闭容器的形状,其中流体(通常是水)被加热。它不是强制性流体应该在锅炉中煮沸。加热的流体或汽化流体从锅炉出口并传递到另一个室或用于各种工艺或加热应用。它包括水加热,烹饪,卫生,中央供暖。

工作原理

锅炉的基本工作原理很容易理解。燃料,通常是煤,在炉中燃烧,产生热气。这些高温气体与处于封闭容器中的水体接触。这导致热气体到水的传热过程,从而在锅炉中产生蒸汽。
在该蒸汽被输送至汽轮机后热电厂或蒸汽发电厂

再生热交换器VS再生热交换器

回收器是一种两种液体一直被分离的装置,可以是直接接触,也可以是间接接触(通过固体屏障)。回热器是位于供应管内的逆流热回收热交换器,以回收废热。
在恢复热交换器中,每个流体全部在交换器内穿过其自身的通道。另一方面,再生热交换器,也称为电容式热交换器允许流体替代地通过通道流动。在这些上述2种类型中,恢复热交换器广泛用于行业。

恢复热交换器的工作原理

恢复热交换器的工作原理

回热器是一种热交换器,在这种热交换器中,热燃烧气体(称为烟道气)的能量被转移到供燃烧的冷空气中。例如,在燃气涡轮发动机中,空气被压缩,然后与燃料混合,然后燃料燃烧并驱动涡轮。如上图所示,回热器将这些冷气体与热空气进行交换,热空气随后用于在进入燃料燃烧阶段之前对空气进行预热,从而节省燃料,提高效率。
这些恢复器进一步分为直接,间接和特殊类型。

蓄热式换热器的工作原理

在再生热交换器中,流动路径通常由矩阵组成,如图所示,如图所示,当热流体通过它时,可以在附图中看到,当热流过它时(也称为热吹),可以存储。当冷流体通过基质(称为冷吹)时,该储存能量被释放。
它们用于发电站和其他能源密集型工业的热回收应用。
这些被进一步分类为静态和动态

蓄热式换热器的工作原理

静态与动态

这些再生器也被称为固定床,固定,阀和周期性流动.为了连续运行,交换器必须至少有两个相同的矩阵平行,但通常有三个或四个矩阵,有效地减少出口加热冷气体的温度变化。与回转式蓄热器不同,单基质就足以实现连续运行。
在固定或静态再生器中,热交换器的材料和部件在流体通过时保持静止或固定。在动态过程中,材料部件在整个过程中移动。两者都有在流体流之间发展交叉污染的风险。

在其中一个静态型再生器中,暖流体进入一个通道,并且较冷的流体进入另一个通道,以固定时段。之后,使用快速操作阀的某个时候,两个流体的流动彼此反转,这导致传热过程。

在动态方面,它通常由一个旋转的导热元件(鼓或盘)组成,较热的和较冷的流体通过它在单独的密封部分或通道中连续流动。当滚筒或圆盘旋转时,给定的部分首先通过较热的流体,然后是较冷的流体,反之亦然。它可以从较热的流体中吸收热量,并将其传递给较冷的流体。

静态与动态

基于紧凑性的分类

基于紧凑性的换热器

紧凑型与非紧凑型热交换器

任何热交换器的致密性和非致密性取决于面积密度,用β表示。面积密度是热交换器的表面积与体积的比值。

通常当β大于700时,它被认为是紧凑型热交换器,否则非紧凑型热交换器。

一些例子及其区域密度值 -

  1. 汽车散热器,β = 1000
  2. 玻璃陶瓷燃气轮机换热器,β = 6000
  3. Sterling Engine的再生器,β= 15,000
  4. 人类肺,最有效和最紧凑的交换器,β = 20,000。

基于转移过程的分类

换热器传热过程的基础

1.直接接触,

回热式换热器是通过直接或间接的接触传热过程在两种流体之间交换热量。在直接接触式热交换器中,两种流体之间没有壁或分离器。所以热量直接从较热的流体传递到较冷的流体。采用这一过程的设备包括冷却塔、注汽器等。

2.间接接触-

在间接接触传热过程中,流体之间总是有一堵墙或屏障,如管或板(一种导热材料)。热量首先从较热的流体传递到壁上,然后传递到另一种流体。

基于结构的分类

换热器在施工的基础上

1.管状

这些交换器通常以管状形状构建,尽管也在一些应用中使用矩形,椭圆形,椭圆形或圆形/扁平的扭曲管。设计中有很多灵活性,因为芯几何形状可以通过改变管的长度,直径或布置来容易地改变或变化。管状交换器可以简单地设计用于相对于环境和高压流体的高压。

这些主要用于液体到液体或液体到相变(冷凝或蒸发)传热应用。

当操作温度和压力非常高且容易出现污垢问题时,也可用于液体到气体和气体到气体的传热应用。

它们又进一步分类为双管、壳管、螺旋管。

双管换热器

双管换热器

设计和施工

它是设计和配置中最简单的换热器类型,由两个同心圆柱形管道或管子组成,这意味着两个管道具有共同的中心点。其中一根管子的直径比另一根大。

应用流体和热占空比的流速小(小于500kW)。

这些换热器通常用于传热表面积要求为50 m2或更小的地方。
这些易于设计,但需要大空间来获得所需的传热速率。堆叠双同心管用于翅片的一些工艺应用中。

发夹建筑

发夹建筑

  • 它有两个部分,内部和外部。它是一种最方便和高效的双型换热器。
  • 将几个发夹串联起来,以获得较大的传热速率。
  • 内管回弯对传热速率没有影响。

污垢

在流体流动期间,在传热材料表面上沉积任何不希望的材料,称为污垢。

由于这种情况,对流动产生了一个不需要的阻力,称为污垢因子或污垢因子,用Rd表示,对于新建的热交换器,通常为0。

这些污染增加了总热阻,也增加了热交换器的传热系数。

-污垢的种类

  1. 化学污垢
  2. 腐蚀污垢
  3. 结晶沉积
  4. 生物污染
壳和管式换热器

设计和建筑

  • 这些是间接接触式换热器。它由许多位于外壳内的小管组成。这些管子以捆绑或堆叠的形式放置在壳体内部,可以固定(永久固定)在阀体、浮头或U形管上。固定管提供最大的热量传递。浮动式根据热流量调节管束膨胀或收缩。浮动式还可以方便地拆卸管道进行维修和维护。U形管在壳体和管之间以及单个管之间提供差热膨胀。
  • 管束包括将管束固定在一起的管子、管板、拉杆和挡板。挡板用于防止管束振动。
  • 这些是所有植物中最通用的,最常见的。它们还在限制空间中提供高速率的传热速率。它们可以在高压下轻松操作。壳体是外壳,具有圆形横截面
  • 传热材料的选择取决于流体的腐蚀性以及工作压力和温度。一般来说,管和壳是由金属制成的,但在某些应用场合,也可以使用其他材料,如石墨、玻璃、塑料。碳化硅基换热器一般用于化工硫酸的加工。
  • 管的直径范围在19毫米到20毫米是最常用的。这些管子有一个三角形或正方形的间距。

总的来说,所有的热交换器都有相同的原理,那就是把热量从一种介质或流体传递到另一种介质或流体。一种管壳式间接接触式热交换器,其外圆柱形为壳,管内包裹着管束。一种流体通过管道,另一种流体通过管道外或管道上方。每一个都有不同的温度在热交换器的入口。

管壳式换热器的应用

  • 发电机油冷却器
  • 涡轮机油冷却器
  • 炉油加热器
  • 压缩机空气冷却
  • 高压锅炉给水加热器
螺旋管换热器

螺旋管或线圈是高效的热交换器。这些包括插入壳内部的多管螺旋组件,其中产生两条路径以在流体之间进行反流传热。它比壳牌和管式热交换器更有效,因为螺旋几何形状紧凑,并且需要较少的空间与壳牌和管式热交换器相比

它适用于高压应用。。

流体在螺旋管内流动,在管的外表面或壳内流动。

利益

  • 结构紧凑,重量轻,安装方便
  • 具有很高的抗液压和热冲击能力
  • 腐蚀性流体的优化设计。

应用程序

  • 泵密封冷却器
  • 挥发器
  • 即热式热水器
  • 再沸器
2.板式换热器

板式换热器

板式换热器的工作方式与管壳式换热器类似,采用一系列堆叠的波纹板而不是管。它可以形成一系列的通道,让流体在它们之间流动。

两个相邻板之间的空间形成允许流体流动的通道。由于流体在表面区域上更容易暴露,它具有与其他传统热交换器相比的主要优点。这可以易于促进热量的传递,并且还增加了温度变化。垫圈和钎焊技术的进步增加了板式换热器的实际应用。与壳和管相比,这些交换机的体积和成本低。在HVAC(热,通风和空调)应用中,使用板和框架热交换器。

有许多类型的永久粘合板换热器,例如浸渍钎焊、真空钎焊和焊接板

板式换热器也可以根据所使用的板的类型进行分类,如螺旋板垫片板

为什么是波纹板?

  • 提供更好的传热
  • 产生湍流
  • 提供力量
薄板换热器

设计和施工

片层热交换器由一束管组成,称为片层,片层被外部管壳包围。这些管或元件称为薄片,是薄板,焊接边缘和高纵横比矩形通道。在薄片的末端有一个开口,流体可以通过,开口大小为3至10毫米,厚度为1.5至2毫米。薄片相互堆叠或捆绑,形成通道并允许另一种流体流动。在大型热交换器中,两个或更多的管堆叠在一起以维持高压。这是没有障碍的。然而,管的一端是固定的,另一端是浮动的,这允许热膨胀。

一个流体在薄片管内部流入薄片管和其它在它们之间的空间中纵向流动。通常,交换器具有单通流量的流体流量。

由于液压直径小,无泄漏,传热系数高。

薄板换热器

螺旋板式换热器

通常,它由两条金属板、一个分离心轴或一个轴、焊接螺柱、盖组成。这些金属片以螺旋形状缠绕在分体式芯轴上,形成一对用于两种流体的螺旋通道。通过使用焊接螺柱,这些板具有间距。为了完成布置,在每端安装盖子。通常,碳钢和不锈钢用于此。

螺旋板式换热器

图片来源

螺旋板式换热器具有较大的直径,这是因为其具有螺旋转弯。核心螺旋元件或螺旋板要么焊接在通道的每一侧,要么用垫圈密封。

3可获得流体的布置。

  1. 液体都是螺旋逆流流动或计数器流动。
  2. 一种流体呈螺旋状流动,另一种流体呈交叉流向螺旋。
  3. 一种是螺旋流,另一种是交叉流和螺旋流的组合。

除非是波纹板,否则传热系数不如板式换热器高。然而,由于螺旋板比管壳式换热器的表面积大,其传热系数比管壳式换热器高。

这些交换器的好处或优势是

  • 它可以很容易地处理粘性和污垢流体。
  • 如果污垢开始,通道中的速度会增加,这导致低污垢率与在壳牌和管热交换器中相比。(如您所知,随着速度的增加,污垢率降低)。
  • 单通道,维护方便。
密封板

垫圈板或板和框架是热交换器,其由束围绕边缘密封的薄矩形金属板组成,并且保持在框架中。板包装组装在压板和框架板之间。通常使用诸如不锈钢,钛和非金属等材料。垫圈的设计既易于清洁和维护。

在这种情况下,板用密封垫密封,密封通道,并允许流体在交替通道中流动。该图显示,其中一种流体或热流体通过上部通道或连接件进入,然后向下并以逆流方向移出。以类似的方式,另一种流体或冷流体通过下部连接进入,然后向上移动,并以相反的方向向外移动。当流体通过通道时,热量从热流体高效地传递到冷流体。

密封板

3.扩展表面换热器

管式和板式换热器被视为表面换热器,但带有低翅片管的管壳式换热器除外。这些换热器的效率几乎等于或低于60%,且传热表面积密度通常小于700 m2/m3。在某些应用中,有效性要求超过98%,体积和质量参数有限。因此,由于这些限制,需要更紧凑的表面积。但与此相反,在含有气体或某些液体的换热器中,传热系数较低,因此需要较大的传热表面积。因此,为了增加表面积和紧凑性,根据设计要求,在流体的一侧或两侧添加高密度的扩展表面积(翅片)。此外,在一般情况下,翅片可将表面积增加一次表面积的5至10倍。

管翅和板翅是两种最常见的扩展表面热交换器几何形状类型。

1.铝制热交换器

板式翅片换热器

这些类型的交换器具有瓦楞翅片,通常是三角形和矩形横截面,或者在2平行板之间具有夹层夹层。有时翅片安装在具有圆角的扁平管中,圆角消除了侧边栏的需要。

将两种流体分开的扁平管和鳍形成单独的通道流。
翅片是模具或滚动的,其通过连接板接合焊接钎焊、焊接、粘合剂、机械装配或挤压。

在燃气 - 气体热交换器翅片中,可以在两侧施加,但是在气 - 液中,翅片装配在气体侧,如果施加在液体侧的目的,其目的将是不同的结构强度和混合不同流动的目的.

板翅式换热器的波纹翅片几何形状

  1. 普通的矩形翅
  2. 普通三角鳍
  3. 波浪的鳍
  4. 偏置条状翅片
  5. 穿孔的鳍
  6. Multilouver鳍

应用程序

  • 在汽车亚搏体育官方网站登录行业
  • 发电厂(燃气轮机、燃料电池)
  • 热泵,制冷,空调
  • 天然气液化
  • 低温的
2.管翅式换热器

Tube-Fin热交换器

管翅式换热器分为常规管翅式换热器和专用管翅式换热器。在传统的管翅片中,流体之间的传热是通过壁传导进行的。而在专门的管翅式换热器或热管换热器中,管的两端是封闭的,作为流体的隔离壁,同时也通过热管流体的传导、蒸发和冷凝来负责传热介质。

首先让我们了解一下传统的管翅式换热器

在气-气流体换热器中,液体侧的传热系数比气体侧高一个数量级。因此,为了使热导平衡,在气体侧加入翅片,这增加了传热的表面积。

在管翅式热交换器中,使用圆形,矩形或有时螺旋管。通常,翅片在管外侧使用,但有时也根据应用。管翅片交换器可以承受管侧上的超高幅度。这些相对于板式换热器通常不太紧凑

应用程序

  • 通常在一种流体处于高压或比另一种流体有高传热系数的情况下使用。因此,作为这一结果,这些被广泛地用作冷凝器和蒸发器在空调。
  • 作为发电厂的冷凝器。
  • 如推进动力装置中的油冷却器。

现在让我们理解热管换热器

这些类似于具有单独翅片管的管翅片交换剂。该管是热管,并且在交换器的单独部件中发生冷热流体的连续运动。

让我们分两步来理解这个操作-

  1. 热量通过对流从热气体转移到热管的蒸发段。
  2. 然后,热能通过冷凝段中的蒸汽传递,其中通过对流将热量传递到冷流体。

热管换热器

如图所示,热管是一种封闭的容器或管,它部分充满传热流体(你可以看到芯中的液体),两端永久关闭。

Pankaj Mishra

潘卡吉·米什拉(Pankaj Mishra)是一位充满激情的博客作者,职业是机械工程师。他于2015年获得机械工程学士学位。他喜欢分享他的知识和帮助别人。

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