什么是热交换器?- 完全解释

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。

通常,该过程涉及根据施加和使用的加热和冷却流体或蒸发和冷凝。在一些其他应用中,这些应用用于拒绝或回收热量,巴氏杀菌,灭菌,结晶,分馏,蒸馏或控制过程流体。

特定类型的热交换器的选择取决于各种因素,如 -

  • 两种流体的性质
  • 他们的压力
  • 他们的温度
  • 流量
  • 所需传热率

因此,了解换热器的基本原理以及根据需要的条件可以使用哪种换热器是很重要的。

换热器的基本工作原理

无论他们的设计如何,所有热交换器都在同一屋檐下工作。这些是热力学的3个定律,即零,第一和热力学的第二律。这些法律有助于将热量从一个流体转移或交换到另一个流体。

热交换器是一种设备,它包括两种或两种以上的流体,将热量从一种介质传递到另一种介质。一般来说,其中一种流体的温度明显高于另一种流体。

现在我们有了冷热流体。当两种流体试图朝着稳定方向移动时,热交换器使热从热流体或介质直接或间接地传递到冷流体。

最终热流体变得更冷冷流体变得更热。

热是如何交换的——传热机理

热量主要通过三个过程进行交换或传递

1.传导 -

它是一种过程,通过将热量从高振动的分子温度转移到低振动的分子温度,彼此物理接触。前者在较高,后来是较低的动能。由于分子的碰撞,这最优选地发生固体。这些也称为导热或热传导。例如。- 桌上的热茶放在桌子上。从杯子到表的热传递。

2.对流-

由于密度的差异,热传递发生在流体内部。当流体移动并带走热能时就会发生。-水的沸点。下层表面的热水分子升温变轻向上运动,与此同时,高密度的水分子从上到下运动。

对流方程

3.辐射-

它是通过电磁波传递热量的过程。它不需要任何用于传热的介质,并且可以在真空或任何透明介质中转移。带电质子和电子的快速运动产生这些波。烤箱中发射的微波辐射。

它可以由Stefan Boltzmann的法律计算。

辐射避望

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;
包括它们的物理状态、化学性质和热性质。如果我们更详细地说明,需要根据流体的温度、碱性或酸性、流速、压力、相变等来选择流体。

水作为液体-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。

油,合成碳氢化合物或硅基流体用于高温范围。

水蒸气、氮气、氩气、氦气、氢气等气体用于不适合液体的地方。因此,为了获得以气体为流体的换热器的有效工作条件,提高压力,增加气体的流速。

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。

液体的一些基本特征

  1. 低粘度-有助于流体易于流动,并降低泵送成本。
  2. 无腐蚀性-流动的流体应避免管壁上的腐蚀,从而降低了维护成本。
  3. 高热扩散和电导率
  4. 高沸点和低冰点 -在交换热量时有助于保持在同一阶段。

热交换器的材料选择

材料选择基于各种因素,如应用,热效率,耐腐蚀,耐用性,清洁性和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,每种材料都比其他材料有优势。

  • 石墨热交换器 -高导热率和耐腐蚀性。
  • 陶瓷换热器 -它们可以承受超过1000摄氏度的高温。在这种范围金属,如铁,铜,钢易熔化。
  • 复合热交换器 -复合材料是两种或更多种材料的胺化。您可以用低重量材料混合高热导率材料,具有更好的塑料耐腐蚀性。

什么是温度交叉

假设热流体(流体1)的入口温度为70°C,冷流体(流体2)的入口温度为30°C,流体1的出口温度为45°C,流体2的出口温度为47°C。这就是温度交叉的条件,当冷流体的出口温度超过热流体的出口温度时。这是设计热交换器时需要考虑的一个重要因素。它降低了交换器的效率。
为了避免这种情况,可以增加冷流体(流体2)的流速,或者在某些情况下,这是不可避免的,所以板式换热器是最好的选择。

热流体

(液体1)

冷液

(液体2)

入口温度 70°C. 30°C.
出口温度 45℃ 47°C.

热交换器的分类或类型

换热器的类型

热交换器可分为5类-

基于流动安排的分类

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。这是两种流体在同一端进入、以同一方向移动到另一端的排列方式。在这些设计中,进口处的温差很大,但出口处的流体温度达到类似值。尽管与逆流布置相比,这些布置的效率较低,但在整个换热器壁上具有热均匀性。

2.逆流-

又称逆流热交换器是流体从相对的端部进入并且彼此反平行行进的流动。它允许最高的传热流动,并且是所有流动布置中最有效的传热。

3.交叉流动 -

在横流排列中,流体相互垂直流动。这些装置的效率介于平行和逆流装置之间。

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流式换热器有更好的效率?

计数器流程与并联流动效率

平行流量VS计数器流动热交换器

主要有三点来解释为什么逆流比平行流效率更高。

  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. 冷流体的出口温度达到逆流的热流体的最高温度。
  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)?

LMTD用于计算热交换器的性能和有效性的思想。LMTD代表对数平均温差。它是热和冷流体之间的温差的对数平均值。LMTD与交换的热量成正比。因此,随着LMTD的值增加,流体之间的热传递值增加或其他方式。

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校正因素之前,让我们了解热交换器通过什么。
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

如果是双壳程或双壳程,则流体在同一端进出。等等
更大的不。通过,传热速度较大,但同时也可以导致高压损失和高速度。

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。

纠正LMTD = F * LMTD

传热的有效性 - NTU方法?

当表面的传热面积是已知的,但是超过一个出口和入口温度未知,LMTD可以用命中和路径方法应用,但是有效性-NTU方法总是优选的并应用于进程结果。
有效性是热交换器热性能的测量。它是从热到冷流体的实际传热速率与热力学允许的最大传热速率的比率。

由于实际的传热永远不会大于最大热传递∈1的值。对于任何指定的流体对,逆流流具有最大效率。
有效性的增加是NTU的非线性。

基于阶段的分类

基于阶段的热交换器

单相和两相热传递

在单相热交换器中,流体不会在整个传热过程中经历相变。流体的入口和出口状态或相位保持不变。例如,在液体液体传热应用中,暖液体失去热量并转移到冷却器液体,并且既不是流体变化到气体或固态。

在两相热传递中,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2个相位机制的一些应用。

两相热交换器的类型
  • 冷凝器 -

冷凝器是一种热交换器装置,用于将流体从气态冷凝或冷却到液态。它是一种两相热交换器,可将气相变为液相。在此过程中,潜热由物质释放并转移到周围环境中。在许多工业过程中,它们被用于有效地散热。它有很多尺寸,从小到大。

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。

与其他流体相比,蒸汽进入冷凝器的温度通常较高。当蒸汽冷却时,它会下降到饱和温度,凝结成液体并释放出大量的潜热。

如下图所示,流体从气体(g)冷却为液体(f)

冷凝器中的传热速率表示如下

蒸发器 -

蒸发器是热交换器装置,其用于将化学物质从液体转化为气态或蒸汽形式。换句话说,蒸发器是从环境中提取热量的冷却系统。在此过程中,热量从周围环境或热流体注入物质。

- 工作准则

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。

工作准则

锅炉的基本工作原理非常易于理解。燃料,通常煤,在炉子中燃烧,产生热气体。这些热气体与水体接触,水体在封闭的容器中。这导致从热气体到水的传热过程,因此蒸汽在锅炉中产生。
在蒸汽通过涡轮机之后热电厂或蒸汽发电厂.

`

恢复热交换器VS再生热交换器

恢复器是其中两种流体一直在间接接触(通过固体屏障)彼此分开的那个。恢复器是逆流流热回收热交换器,其定位在供应范围内以恢复废热。
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

恢复器是热交换器,其中来自称为烟道气的热燃烧气体的能量被转移到供应燃烧的冷空气中。例如,在燃气轮机发动机中,空气被压缩然后与燃料混合,然后燃烧并燃烧并驱动涡轮机。恢复器,如上图所示,用热空气交换这些冷气体,该热空气稍后,在进入燃料级燃烧之前用于预热空气,从而节省燃料并使其更有效。
这些恢复器进一步分为直接,间接和特殊类型。

再生热交换器的工作原理

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。
这些用于发电站和其他能源密集型产业的热回收应用。
这些进一步分类为静态和动态.

再生热交换器的工作原理

静态与动态

这些再生器也称为固定床,固定式,阀门和周期性流动.对于连续操作,交换器必须具有至少两个相同的矩阵,而是通常具有三个或四个矩阵,其在出口加热的冷气中有效地降低了温度变化。与旋转再生器不同,单个矩阵足以连续操作。
在固定式或静态再生器中,当流体通过时,热交换器材料和部件保持静止或固定。在动态过程中,材料组件会在整个过程中移动。两者都有在流体流之间形成交叉污染的风险。

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。

在动态的情况下,它通常由旋转的导热元件(滚筒或盘)组成,通过该旋转的导热元件(滚筒或盘)通过该旋转和较冷的流体在单独的密封部分或通道中连续流动。当滚筒或盘旋转给定部分首先通过加热,然后较冷的流体或反之亦然。这允许从加温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VS非紧凑型热交换器

任何热交换器的紧凑性和非紧凑性取决于称为区域密度的量,由β(β)表示。面积密度是热交换器的表面积与该交换器的体积的比率。

通常,当β大于700时,它被认为是紧凑的热交换器,否则是非紧凑的热交换器。

一些例子及其面积密度值-

  1. 汽车散热器,β= 1000
  2. 玻璃陶瓷燃气轮机热交换器,β= 6000,
  3. 斯特林发动机再生器,β = 15,000
  4. 人体肺,最有效和最紧凑的交换器,β=20000。

基于转移过程的分类

基于传热过程的换热器

直接接触 -

恢复热交换器经受直接或间接接触传热过程以在两个流体之间交换热量。在直接接触式热交换器中,两个流体之间没有壁或隔板。因此,热量直接从暖流体转移到更冷的流体。使用此过程的设备包括冷却塔,蒸汽喷射器等。

2.间接接触-

在间接接触传热过程中,在流体之间总是存在墙壁或屏障,例如管或板(导热材料)。热量首先从加热流体转移到壁,然后从覆盖物到另一个流体。

按结构分类

换热器在施工的基础上

1.管状

这些交换器通常是建立在管状,虽然也在矩形,椭圆形,椭圆形或圆/平扭曲管也在某些应用中使用。这种设计具有很大的灵活性,因为通过改变管柱的长度、直径或排列方式,可以很容易地改变或改变核心的几何形状。管式换热器可以简单地设计为相对于环境的高压和高压流体。

主要用于液体或用于相变(冷凝或蒸发)传热施用的液体。

当工作温度和压力非常高而容易污垢问题时,这些也用于液体至-GAS和气体 - 热传递应用。

这些进一步分类为双管、壳管、螺旋管。

双管换热器

双管换热器

设计与施工

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。它是最方便,高效的双换热器之一。
  • 几个发夹串联连接,以获得更大的传热速率。
  • 内管的返回弯道不会在传热速率下贡献。

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,根据所谓的污垢因子或污垢因子的流动产生不希望的阻力,并且由RD表示,并且通常为0用于新建热交换器。

这些污染增加了总热阻,也增加了热交换器的传热系数。

–污垢类型

  1. 化学污垢
  2. 腐蚀污垢
  3. 结晶结垢
  4. 生物污垢
壳牌和管式热交换器

设计和建设

  • 这些是交易所的间接接触类型。它由许多小型管组成,位于壳体内。这些管以束或堆叠的形式定位在壳体内,其可以固定(永久固定)到主体,浮头或U形管。固定管提供最大值用于传热。浮动式根据热流速率容纳管束以膨胀或收缩。浮动式还允许管易于去除以进行维修和维护。U形管在壳体和管之间提供差动热膨胀以及各个管。
  • 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。一般而言,管和壳由金属制成,但在某些应用中,可使用石墨、玻璃、塑料等其他材料。碳化硅基换热器通常用于化学工业中的硫酸处理。
  • 最常使用直径为19mm至20mm的管。这些管具有三角形或方形间距。

通常,所有热交换器都具有相同的原理,其是将热量从一个培养基或流体转移到另一个介质。壳体间接接触式热交换器,具有外圆柱形状,作为壳体内壳体的壳体和管捆。一种流体通过管中的另一个流体,在管或管上的另一个外部。每个人在热交换器的入口处具有不同的温度。

壳和管热交换器的一些应用

  • 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

螺旋管或盘管是高效的热交换器。这包括一个多管螺旋组件插入一个外壳,其中创建了两个通道,流体之间的逆流传热。它比管壳式换热器效率更高,因为螺旋结构紧凑,与管壳式换热器相比需要更少的空间

它适用于高压应用..

螺旋管中的流体流动,在管的外表面上或在壳体中。

利益

  • 结构紧凑,重量轻,易于安装
  • 为液压和热冲击提供高抗性
  • 腐蚀性液体的优化设计。

应用程序

  • 泵密封冷却器
  • 挥发器
  • 即热式热水器
  • 再沸器
2.板式热交换器

板式换热器

板式热交换器以类似的方式与壳牌和管式热交换器类似,使用一系列堆叠的波纹板而不是管。它允许形成一系列通道,以便流体在它们之间流动。

两块相邻板之间的空间形成了允许流体流动的通道。与其他传统的热交换器相比,它有一个主要的优势,因为流体在这个表面上暴露得更多。这很容易促进热量的传递,也增加了温度的变化。垫片和钎焊技术的进步增加了板式换热器的实际应用。与壳管式换热器相比,这种换热器体积小,成本低。在HVAC(热,通风和空调)应用中,使用板和框式热交换器。

有许多类型的永久粘合板换热器,例如浸渍,真空钎焊和焊接板.

板式换热器也可以基于所使用的板类型进行分类,例如螺旋板,垫片板.

为什么瓦楞盘?

  • 提供更好的传热
  • 产生湍流
  • 提供力量
薄片换热器

设计与施工

薄片热交换器由一束管组成,称为薄片,其由外管壳包围。作为薄片的这些管或元件是薄板,焊接边缘并且是高纵横比矩形通道。在薄片的末端有一个开口,流体通过,流体通过3至10mm,厚度为1.5至2mm。薄片彼此堆叠或捆扎,形成通道并允许另一个流体的流动。在大型热交换器中,两个或更多个管堆叠在一起以维持高压。这个没有挡板。然而,管的一端是固定的,另一端浮动,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。

水力直径小,无泄漏,传热系数高。

薄片换热器

螺旋板换热器

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。

螺旋板换热器

图像源

由于那些螺旋转动,螺旋板式交换器的直径相对大。芯螺旋形元件或板在通道或垫圈的每一侧焊接。

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. 一个螺旋流动的一个流体,以及其他交叉流向螺旋。
  3. 一种是螺旋流,另一种是交叉流和螺旋流的组合。

除非瓦楞,否则传热系数不如板式热交换器中的高等。然而,由于高表面积,这些螺旋板具有比壳和管道交换的高热传递系数。

这些交换者的好处或优势是 -

  • 它可以轻松处理粘性和污垢液体。
  • 如果污垢开始,通道内的速度会增加,导致与壳管式换热器相比污垢率较低。(如你所知,污垢率随流速的增加而降低)。
  • 易于服务和维护,因为单通道。
垫片板

衬垫板或板框是一种热交换器,它由一束薄的矩形金属板组成,通过衬垫围绕边缘密封,并固定在框架中。板组是在压板和框板之间组装的。通常使用不锈钢、钛和非金属等材料。垫片设计,便于清洗和维护。

在此,将板用垫圈密封,该垫圈密封通道并允许流体流动替代通道。该图表明,其中一个流体或热流体通过上沟道或连接进入然后沿着逆流方向上移动并脱落。并且,在类似的时尚中,另一个流体或冷流体通过下部连接进入然后向上移动并沿逆向移动。当流体通过通道时,从热到冷流体的热量有效地通过。

垫片板

3.扩展表面换热器

管状和板式热交换器被认为是表面热交换器,除壳和管,具有低翅片管。这些交换剂的有效性接近60%或更低,传热表面积密度通常小于700m 2 / m 3。在一些应用中,有效性要求超过98%,体积和质量参数有限。因此,由于这些约束需要更紧凑的表面积。但是,相反,在具有气体或一些液体的热交换器中,传热系数较低,导致大的传热表面积要求。因此,为了增加表面积和紧凑性,根据设计要求在流体的一个或两个侧面添加具有高密度的延伸表面区域(翅片)。另外,翅片可以将表面积增加5至10倍的主要表面积。

管翅和板翅是扩展表面换热器最常见的两种几何形状。

镀翅式热交换器

板翅式换热器

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。

平管或平板,它们分离两个流体和翅片形成单独的通道流。
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。

在气体到气体的热交换器中,翅片可以应用在两侧,但在气体到液体的热交换器中,翅片安装在气体一侧,如果应用在液体一侧,它的用途通常是不同的,因为结构强度和混合不同的流动。

瓦楞翅片片几何形式用于板式翅片交换机

  1. 普通的矩形鳍
  2. 普通三角形鳍
  3. 波浪鳍
  4. 偏置条状翅片
  5. 穿孔鳍
  6. 多彩机鳍

应用程序

  • 在汽车188金宝手机版网页工业中
  • 发电厂(燃气轮机、燃料电池)
  • 热泵,制冷,空调
  • 天然气液化
  • 低温
2.管翅式换热器

管翅式换热器

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。在传统的管翅中,流体之间的热传递是通过壁传导进行的。然而,在专门的管翅式或热管式换热器中,管端是封闭的,作为流体的隔离壁,并通过热管流体的传导、蒸发和冷凝负责传热介质。

首先了解传统的管翅式热交换器

在气体流体流体热交换器中,与气体侧相比,液体侧的传热系数是一种级别较高。因此,为了使均衡的热传导,翅片结合在气体侧,该气体侧增加了用于传热的表面积。

管式翅片换热器采用圆形、矩形或有时采用螺旋管。通常,鳍片用于管的外部,但有时也根据应用程序在内部。管翅式换热器可以承受超高的压力在管侧。相对于板翅式热交换器,这些热交换器通常不太紧凑

应用程序

  • 通常采用其中一种流体高压或具有比其他流体高的热传递系数高。因此,由于这,这些广泛用作空调中的冷凝器和蒸发器。
  • 作为发电厂的冷凝器。
  • 作为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。

让我们了解2个步骤的操作 -

  1. 通过对流从热气体转移到热管的蒸发区段。
  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,热管是闭合容器或管,其部分地填充了传热流体(如您可以在芯中看到液体)并在两端永久地闭合。

Pankaj Mishra

Pankaj Mishra是由专业的激情和机械工程师的博主。他在2015年完成了他在机械工程中完成了B.Tech学位。他喜欢分享他的知识并帮助他人。

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