水-空氣熱交換器的一部分的特寫視圖

熱交換器是設計用于在兩種或多種溫度不同的流體（即液體，蒸氣或氣體）之間傳遞熱量的裝置。根據所使用的熱交換器的類型，傳熱過程可以是氣體對氣體，液體對氣體或液體對液體并且通過固體分離器發(fā)生，該固體分離器防止流體混合或直接流體接觸。其他設計特征，包括建筑材料和組件，傳熱機制以及流量配置，也有助于對可用熱交換器的類型進行分類。在廣泛的行業(yè)中發(fā)現應用后，設計并制造了多種供熱和制冷過程使用的熱交換設備。

本文重點介紹熱交換器，探索各種可用的設計和類型，并說明它們各自的功能和機理。此外，本文概述了每種類型的熱交換設備的選擇注意事項和常見應用。

換熱器熱力學

熱交換器的設計是熱力學的一項練習，熱力學是一門涉及熱能流，溫度以及與其他形式能量的關系的科學。要了解熱交換器的熱力學，一個很好的起點是學習傳熱，傳導，對流和輻射的三種方式。在以下各節(jié)中，將介紹每種傳熱模式。

傳導性

傳導是熱能在彼此接觸的材料之間傳遞。溫度是材料中分子平均動能的量度–較暖的物體（處于較高溫度下）表現出更多的分子運動。當較熱的物體與較冷的物體（一個處于較低溫度的物體）接觸時，兩種材料之間就會發(fā)生熱能傳遞，較冷的物體會變得更多能量，而較熱的物體會變得更少能量。該過程將持續(xù)到達到熱平衡為止。

通過熱傳導在材料中傳遞熱能的速率由以下表達式給出：

在該表達式中，Q表示在時間t中通過材料傳遞的熱量，ΔT是材料一側與另一側之間的溫度差（熱梯度），A是材料的橫截面積，并且d是材料的厚度。常數k被稱為材料的熱導率，并且是材料固有特性及其結構的函數。空氣和其他氣體的導熱系數通常較低，而非金屬固體的導熱系數較高，而金屬固體的導熱系數最高。

對流

對流是通過諸如加熱的空氣或水之類的流體的運動從表面轉移熱能。大多數流體在加熱時會膨脹，因此相對于溫度較低的其他部分，密度會降低，并會上升。因此，當房間中的空氣被加熱時，由于溫度較高且密度較小，它會上升到天花板，并在與房間中較冷的空氣碰撞時傳遞熱能，然后變得更密集，并再次朝地板掉落。該過程產生自然或自由對流。對流也可以通過所謂的強制對流或輔助對流發(fā)生，例如在諸如水力加熱系統中將熱水泵送通過管道時。

對于自由對流，傳熱速率由牛頓冷卻定律表示：

其中Q點是傳熱的速率，h c是對流傳熱系數，A是進行對流過程的表面積，ΔT是表面與流體之間的溫差。對流傳熱系數h c是流體性質的函數，類似于前面提到的有關導熱的材料的熱導率。

輻射

熱輻射是熱能傳遞的一種機制，涉及從受熱表面或物體發(fā)射電磁波。與傳導和對流不同，熱輻射不需要中間介質來承載波能。所有溫度高于絕對零（-273.15 o C）的物體都會發(fā)出通常在較寬光譜范圍內的熱輻射。

輻射熱損失的凈速率可以使用Stefan-Boltzmann定律表示如下：

其中Q是每單位時間的傳熱，T h是熱物體的溫度（以絕對單位為o K），T c是較冷環(huán)境的溫度（也以絕對單位為o K），σ是Stefan-Boltzmann常數（其值為5.6703 x 10 -8 W / m 2 K 4）。ε表示的術語是材料的發(fā)射系數，根據材料的特性及其反射，吸收或透射輻射的能力，其值可以介于0到1之間。它也是材料溫度的函數。

換熱器的基本原理

無論類型和設計如何，所有換熱器均以相同的基本原理（即熱力學的零定律，第一定律和第二定律）運行，這些定律描述并規(guī)定了熱量從一種流體到另一種流體的傳遞或“交換”。

的熱力學第零定律指出的是處于熱平衡熱力學系統具有相同的溫度。此外，如果兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡狀態(tài)，則兩個先前的系統必須彼此平衡；因此，所有三個系統的溫度相同。該定律先于熱力學的其他三個定律，但未在發(fā)展中，不僅將熱平衡表示為傳遞性，而且定義了溫度的概念并將其確立為熱力學系統的可測量性。

在熱力學第一定律建立在第零定律，建立內部能源（ü作為熱力學系統的另一個屬性）和指示熱和功對系統的內部能量的影響，周圍環(huán)境的能源。此外，第一定律（也稱為“能量轉換定律”）實質上規(guī)定，不能創(chuàng)建或銷毀能量，只能將其轉移到另一個熱力學系統或轉化為另一種形式（例如，熱或功）。

例如，如果熱量從其周圍環(huán)境流入系統，則系統的內部能量會相應增加，而周圍環(huán)境的能量則會減少。該原理可以通過以下等式說明，其中ΔU系統代表系統的內部能量， ΔU環(huán)境代表周圍環(huán)境的內部能量：

所述熱力學第二定律規(guī)定熵（小號）作為熱力學系統的一個附加屬性和描述了宇宙的自然和不變的趨勢，以及任何其它封閉熱力學系統，隨著時間的推移在熵增加。這個原理可以通過以下等式說明，其中ΔS代表熵的變化，ΔQ代表添加到系統的熱量的變化，T 代表絕對溫度：

它也可以用來解釋兩個相互隔離的系統（當它們相互作用并且不受所有其他影響時）趨向熱力學平衡的趨勢。根據第二定律，熵只能增加，而不能減少。因此，隨著熵的增加，每個系統總是朝著該系統可達到的最大值移動。在此值下，系統達到平衡狀態(tài)，在此狀態(tài)下，熵將不再增加（最大），也不會減小，因為該行為將違反第二定律。因此，唯一可能的系統變化是熵不發(fā)生變化的變化（即，向系統添加或減去的熱量與絕對溫度的比值保持恒定）。

總而言之，這些原則決定了熱交換器的基本機制和操作。零定律將溫度確定為熱力學系統的可測量屬性，第一定律描述了系統內部能量（及其轉換形式）與周圍環(huán)境之間的反比關系，第二定律表示兩個相互作用的系統趨向于走向熱平衡。因此，熱交換器通過允許較高溫度（F 1）的流體直接或間接與較低溫度（F 2）的流體相互作用而起作用，這使得熱量能夠從F 1傳遞 到F 2。 走向平衡。這種熱傳遞導致F 1的溫度降低和F 2的溫度升高。根據應用程序是針對加熱還是冷卻流體而定，可以使用此過程（以及使用該過程的設備）將熱量分別引向系統或從系統引走。

換熱器設計特點

如上所述，所有熱交換器都在相同的基本原理下運行。但是，可以基于它們的設計特性以幾種不同的方式對這些設備進行分類?？梢詫峤粨Q器進行分類的主要特征包括：

流程配置 施工方法 傳熱機制

流配置

熱交換器的流動配置，也稱為流動布置，是指熱交換器內的流體相對于彼此的運動方向。熱交換器采用四種主要的流量配置：

并流 逆流 橫流 混合流

并流

并流換熱器，也稱為平行流換熱器，是其中流體彼此平行且沿相同方向運動的熱交換裝置。盡管這種配置通常會導致效率比逆流配置更低，但它也允許在熱交換器壁上實現最大的熱均勻性。

逆流

逆流熱交換器，也稱為逆流熱交換器，被設計成使得流體在熱交換器內彼此反向平行（即，平行但沿相反的方向）運動。在流動配置中最常用的是，逆流布置通常表現出最高的效率，因為它允許流體之間的最大熱量傳遞，并且因此允許最大的溫度變化。

橫流

在錯流熱交換器中，流體彼此垂直流動。采用這種流動配置的熱交換器的效率介于逆流熱交換器和順流熱交換器的效率之間。

混合流

混合流動熱交換器表現出前述流動配置的特征的某種組合。例如，熱交換器設計可以在單個熱交換器內采用多個流道和布置（例如，逆流布置和橫流布置）。這些類型的熱交換器通常用于適應應用程序的限制，例如空間，預算成本或溫度和壓力要求。

下面的圖1說明了可用的各種流程配置，包括交叉/反向流程配置，這是混合流程配置的示例。

圖1 –熱交換器流程配置

施工方法

在上一節(jié)中，熱交換器是根據所采用的流動配置類型進行分類的，而本節(jié)則是根據其構造對熱交換器進行分類的。這些設備可以分類的構造特征包括：

再生與再生 直接與間接 靜態(tài)與動態(tài)

所用部件和材料的類型

再生與再生

熱交換器可分為回熱式熱交換器和回熱式熱交換器。

回熱式和回熱式換熱器系統之間的區(qū)別在于，在回熱式換熱器（通常稱為回熱器）中，每種流體同時流過其自身在熱交換器內的通道。另一方面，再生式熱交換器，也稱為電容式熱交換器或再生器，交替地允許較熱和較冷的流體流過同一通道。換熱器和蓄熱器都可以進一步分為不同類別的交換器，例如分別為直接或間接以及靜態(tài)或動態(tài)的。在所指出的兩種類型中，回熱換熱器在整個工業(yè)中更為普遍。

直接與間接

回熱式熱交換器采用直接接觸或間接接觸傳遞過程在流體之間交換熱量。

在直接接觸式熱交換器中，流體不會在設備內分離，并且熱量會通過直接接觸而從一種流體傳遞到另一種流體。另一方面，在間接熱交換器中，在整個傳熱過程中，流體通過導熱部件（例如管或板）保持彼此分離。組件首先在較熱的流體流經熱交換器時從其接收熱量，然后在其流經的熱量傳遞至較冷的流體。一些采用直接接觸轉移過程的設備包括冷卻塔和蒸汽噴射器，而采用間接接觸轉移過程的設備包括管狀或板式熱交換器。

靜態(tài)與動態(tài)

蓄熱式熱交換器有兩種主要類型：靜態(tài)熱交換器和動態(tài)熱交換器。在靜態(tài)蓄熱器（也稱為固定床蓄熱器）中，當流體流過設備時，熱交換器的材料和組件保持靜止，而在動態(tài)蓄熱器中，材料和組件在整個傳熱過程中移動。兩種類型都存在流體之間交叉污染的風險，因此在制造過程中需要仔細考慮設計。

在靜態(tài)類型的一個示例中，較熱的流體流經一個通道，而較冷的流體流經另一個通道固定的時間段，最后，通過使用快速操作閥，流量反向，從而使兩種流體流動。切換頻道。動態(tài)類型的一個示例通常使用旋轉的導熱組件（例如，滾筒），較冷和較冷的流體連續(xù)地流經該導熱組件，盡管在單獨的密封部分中也是如此。當組件旋轉時，任何給定的部分都會交替通過較熱的蒸汽和較冷的流，從而允許組件從較熱的流體中吸收熱量并將熱量傳遞給較冷的流體。下面的圖2描述了具有逆流結構的旋轉式蓄熱室中的傳熱過程。

圖2 –旋轉式蓄熱器中的熱傳遞

熱交換器組件和材料

熱交換器中可以使用幾種類型的組件，以及用于構造它們的各種材料。所使用的組件和材料取決于熱交換器的類型及其預期的應用。

用于構造熱交換器的一些最常見的組件包括殼體，管子，螺旋管（線圈），板，翅片和絕熱輪。下一節(jié)將提供有關這些組件如何在熱交換器中起作用的更多詳細信息（請參閱熱交換器的類型）。

盡管金屬由于其高的導熱性而非常適合并通常用于構造熱交換器，例如銅，鈦和不銹鋼熱交換器，但是其他材料，例如石墨，陶瓷，復合材料或塑料，可以根據傳熱應用的要求提供更大的優(yōu)勢。

圖3 –按結構分類的熱交換器

注意：在建筑類別下列出的熱交換設備只是可用設備的一小部分。

傳熱機制

熱交換器采用兩種類型的傳熱機制：單相或兩相傳熱。

在單相熱交換器中，流體在整個傳熱過程中不會發(fā)生任何相變，這意味著較熱和較冷的流體都保持與進入熱交換器時相同的物質狀態(tài)。例如，在水到水的傳熱應用中，較熱的水會散失熱量，然后再將熱量傳遞給較冷的水，而不會變?yōu)闅怏w或固體。

另一方面，在兩相熱交換器中，流體在傳熱過程中確實會發(fā)生相變。相變可發(fā)生在所涉及的流體中的一種或兩種中，從而導致從液體變?yōu)闅怏w或從氣體變?yōu)橐后w。通常，采用兩相傳熱機制的設備比采用單相傳熱機制的設備需要更復雜的設計考慮?？捎玫哪承﹥上酂峤粨Q器類型包括鍋爐，冷凝器和蒸發(fā)器。

換熱器類型

根據上面指出的設計特征，可以使用幾種不同的熱交換器。在整個行業(yè)中使用的一些較常見的變體包括：

殼管式熱交換器 雙管換熱器 板式換熱器 冷凝器，蒸發(fā)器和鍋爐

殼管式熱交換器

換熱器最常見的類型是管殼式換熱器，它是由一根管子或一系列平行管（即管束）封裝在密封的圓柱形壓力容器（即殼）中構成的。這些裝置的設計使得一種流體流經較小的管，而另一種流體則圍繞其/它們的外部以及在密封殼內在它們之間流動?？捎糜谶@種類型的熱交換器的其他設計特征包括翅片管，單相或兩相傳熱，逆流，并流或錯流布置，以及單程，兩程或多程配置。

可用的一些管殼式換熱器類型包括螺旋盤管換熱器和雙管換熱器，某些應用包括預熱，油冷卻和蒸汽產生。

雙管換熱器

作為管殼式換熱器的一種形式，雙管換熱器采用最簡單的換熱器設計和配置，它由兩個或多個同心的圓柱形管或管（一個較大的管和一個或多個較小的管）組成。根據所有管殼式換熱器的設計，一種流體流經較小的管，另一種流體流經較大管內的較小管。

雙管換熱器的設計要求包括前面提到的換熱和間接接觸類型的特性，因為在整個傳熱過程中，流體保持分離并流經自己的通道。但是，雙管熱交換器的設計具有一定的靈活性，因為它們可以設計為并流或逆流布置，并且可以在系統內以串聯，并聯或串聯-并聯配置模塊化使用。例如，下面的圖4描述了在具有并流結構的隔離式雙管熱交換器內的熱傳遞。

圖4 –雙管熱交換器中的熱傳遞

板式換熱器

也稱為板式熱交換器，板式熱交換器由捆綁在一起的數個薄波紋板構成。每對板形成一個通道，一種流體可以流過該通道，并且通過螺栓連接，銅焊或焊接將這對板堆疊并連接在一起，從而在各對之間創(chuàng)建第二通道，另一種流體可以流過。

標準板設計也可以有一些變化，例如板翅或墊板式換熱器。板翅式換熱器在板之間采用了翅片或隔板，并允許多種流動配置和多于兩種的流體流通過該裝置。枕板式換熱器向板施加壓力，以提高整個板表面的傳熱效率。一些其他類型的可用的包括板框式，板和外殼，和螺旋板換熱器。

板式熱交換器的特寫視圖。

冷凝器，蒸發(fā)器和鍋爐

鍋爐，冷凝器和蒸發(fā)器是采用兩相傳熱機制的熱交換器。如前所述，在兩相熱交換器中，一種或多種流體在傳熱過程中經歷相變，從液體變成氣體，或者從氣體變成液體。

冷凝器是一種熱交換設備，它吸收加熱的氣體或蒸氣并將其冷卻至冷凝點，從而將氣體或蒸氣變?yōu)橐后w。另一方面，在蒸發(fā)器和鍋爐中，傳熱過程將流體從液體形式變?yōu)闅怏w或蒸汽形式。

其他換熱器

熱交換器被廣泛應用于各種行業(yè)。因此，有幾種可用的熱交換器，每種都適合特定應用的要求和規(guī)格。除上述變型外，其他可用類型包括空氣冷卻式熱交換器，風扇冷卻式熱交換器和絕熱輪式熱交換器。

換熱器選擇注意事項

盡管存在各種各樣的熱交換器，但是每種類型（及其設計）在流體之間傳遞熱量的適用性取決于應用程序的規(guī)格和要求。這些因素在很大程度上決定了所需熱交換器的最佳設計，并影響了相應的額定值和尺寸計算。

行業(yè)專業(yè)人員在設計和選擇熱交換器時應牢記的一些因素包括：

流體的類型，流體流及其性質

所需的熱量輸出

尺寸限制

費用

流體類型，流和屬性

涉及的特定類型的流體（例如，空氣，水，油等）及其物理，化學和熱學性質（例如，相，溫度，酸度或堿度，壓力和流速等）有助于確定流量最適合該特定傳熱應用的配置和構造。

例如，如果涉及腐蝕性，高溫或高壓流體，則熱交換器設計必須能夠在整個加熱或冷卻過程中承受高應力條件。滿足這些要求的一種方法是選擇具有所需性能的建筑材料：石墨換熱器具有高導熱性和耐腐蝕性，陶瓷換熱器可承受的溫度高于許多常用金屬的熔點，而塑料換熱器可提供維持中等程度的耐腐蝕性和導熱性的低成本替代品。

陶瓷換熱器

另一種方法是選擇適合流體特性的設計：板式熱交換器能夠處理中低壓力流體，但流量要比其他類型的熱交換器高；當處理需要處理流體的流體時，兩相熱交換器是必需的在整個傳熱過程中發(fā)生相變。行業(yè)專業(yè)人員在選擇熱交換器時可能要記住的其他流體和流體流特性包括流體粘度，結垢特性，顆粒物含量和水溶性化合物的存在。

熱輸出

熱交換器的熱輸出是指流體之間傳遞的熱量以及傳熱過程結束時相應的溫度變化。熱交換器內的熱傳遞導致兩種流體的溫度變化，隨著熱量的去除，一種流體的溫度降低，而隨著熱量的增加，另一種流體的溫度升高。理想的熱輸出和熱傳遞速率有助于確定熱交換器的最佳類型和設計，因為某些熱交換器設計提供更高的加熱器傳遞速率，并且比其他設計可承受更高的溫度，盡管成本更高。

大小限制

在選擇了最佳的熱交換器類型和設計之后，常見的錯誤是購買對于給定的物理空間而言太大的熱交換器。通常，更明智的做法是購買一種熱交換設備，其尺寸應留出進一步擴展或增加空間的空間，而不是選擇一個完全包圍空間的設備。對于空間有限的應用，例如飛機或汽車，緊湊型熱交換器在更小，更輕巧的解決方案中具有很高的傳熱效率。這些傳熱設備的特征是具有高的傳熱表面積與體積之比，包括緊湊型板式熱交換器。通常，這些器件具有≥700的比率米2 /米3適用于燃氣應用，≥400 m 2 / m 3適用于燃氣應用。

費用

熱交換器的成本不僅包括設備的初始價格，還包括設備使用壽命內的安裝，操作和維護成本。盡管有必要選擇一種能夠有效滿足應用需求的熱交換器，但也必須牢記所選熱交換器的總體成本，以便更好地確定該設備是否值得投資。例如，最初昂貴但更耐用的熱交換器可能會導致較低的維護成本，因此，在幾年的過程中，總支出會減少，而更便宜的熱交換器最初可能會較便宜，但需要多次維修和更換在同一時間段內。

設計優(yōu)化

針對給定應用（具有如上所述的特定規(guī)格和要求）設計最佳熱交換器涉及確定流體的溫度變化，熱傳遞系數和熱交換器的結構，并將它們與熱傳遞速率相關聯。追求此目標時出現的兩個主要問題是計算設備的額定值和尺寸。

額定值是指對給定設計和尺寸的熱交換器的熱效率（即效率）的計算，包括熱傳遞速率，流體之間的熱傳遞量及其相應的溫度變化以及總壓力跨設備。尺寸是指計算熱交換器所需的總尺寸（即，可用于傳熱過程的表面積），包括長度，寬度，高度，厚度，部件數量，部件幾何形狀和布置，等，適用于具有給定過程規(guī)范和要求的應用。換熱器的設計特征（例如，流量配置，材料，構造部件和幾何形狀等）會影響額定值和尺寸計算。