換熱器

熱交換器，也稱為換熱器或更罕見的熱交換器，是一種將熱能從一種物質流轉移到另一種物質流的裝置。

雖然換熱器這個詞很普遍，但技術術語熱交換器正變得越來越流行。

換熱器按傳熱方式可分為三類：

直接傳熱基于可分離質量流中的熱質聯合傳遞過程。具有代表性的應用是濕式冷卻塔。

間接傳熱的特點是物料流在空間上被導熱壁隔開。此類換熱器又稱換熱器。這個類包括散熱器半間接傳熱利用了蓄熱器的特性。

兩種物質在不同時間與蓄熱器接觸。蓄熱器交替地被較熱的介質加熱，然后被較冷的介質冷卻，以便將熱能從較熱的介質傳遞到較冷的介質。此類的換熱器是再生器，例如熱輪。

除了材料特性外，熱傳遞的有效性還取決于材料流動的相對幾何方向。 這里有五種基本形式需要區分。

逆流材料以這樣一種方式被引導，即它們以相反的方向彼此流過。 在理想情況下，物料流的溫度發生交換，這意味著原來冷的介質達到原來熱介質的溫度，反之亦然。 這種理想情況的先決條件是換熱器兩側的熱容量流相同，并且換熱器的效率為 100 %。實際上，完全交換溫度是不可能的。

一種應用是熱回收。直流電沿同一方向并排輸送物質。 在理想情況下，兩種材料的溫度相等。 與逆流換熱器相反，開始時溫度較高的介質即使經過換熱器后仍比冷介質溫度高。

由于熱介質和冷介質直接相互饋送，因此兩者之間的熱流最初大于逆流原理。由溫差引起的材料應力可能是不利的。 結果介于逆流和直流之間。例如，交叉流用于使一種流動達到特定的固定溫度。渦流使兩種具有不同溫度的物質流動形成渦流。 后續分離的可能性是必要的。

一種可能性是渦流管，這是一種沒有活動部件的裝置，可以將氣體分成熱流和冷流。理想情況下，材料流的溫度以逆流方式交換。交叉逆流換熱器比純逆流換熱器更容易制造，而且通常更流線型和更緊湊。

為了獲得良好的效率，分隔介質的組件必須具有良好的導熱性和大表面積。 湍流有利于良好的傳熱。 這主要發生在高雷諾數時。 因此，流量要大，介質的粘度要低。 然而，高速和大的潤濕表面也需要高能量消耗，以便通過換熱器泵送介質。

在換熱器的情況下，其中一種介質是液體，另一種介質是氣體（通常是空氣），熱容量根據介質的體積而有很大差異。 必須流過的氣體比液體多得多，并且必須增加氣體側的傳熱表面積。 這通常由肋條或金屬板完成，例如在高溫散熱器中，冰箱或空調系統背面的冷卻盤管和汽車散熱器。

換熱器多為金屬材質，也有搪瓷、塑料、玻璃、石墨或碳化硅等材質，在空調領域主要使用銅和鋁，因為它們具有良好的導熱性。 鋼，尤其是不銹鋼，因其耐用性而被用于工業廠房。 另一方面，今天的散熱器大多由鋼板制成，過去由灰口鑄鐵制成。

如果流體的侵蝕性不允許使用金屬材料，塑料、搪瓷鋼、工業玻璃或碳化硅可用于化學工業中的換熱器。由于其極端的耐溫性（分解溫度高于above 2200 °C) 也可以與材料溫度高于金屬應用極限的換熱器一起使用。不過，此類陶瓷高溫換熱器仍在研發中。

這里只討論液體和氣體介質換熱器的設計：

• 濕式冷卻塔用于發電廠的再冷卻任務。溫水直接與周圍空氣接觸冷卻。

每個換熱器都有一個單獨的房間供兩種介質使用。

• 板式熱交換器：許多平行板，它們之間的空間被一種介質和另一種介質交替占據。
  • 螺旋式換熱器是一種特殊形式的板式換熱器，其中使用螺旋纏繞的金屬板代替平板。
• 管式熱交換器或管束式熱交換器：介質被泵送或以其他方式通過管（“管空間”；通常是大量平行管）輸送。這些管子位于所謂的夾套室中，這是一種較大的管子或鍋爐，另一種介質流經該夾套室。
  • U 型管 - 換熱器，其中管子彎曲成 U 形。 優點是管束可以更容易地插入鍋爐和從鍋爐中取出，因為它只連接在一側（例如焊接到鍋爐蓋上）。
  • 熱管兩端封閉，包含傳熱介質，通過連續冷凝和再蒸發在封閉管道內自動循環。
• 混合管式板式換熱器是板式和殼管式換熱器的組合。 它們由壓花不銹鋼板組成，這些鋼板相互夾在一起并完全焊接在一起。 它們的排列方式使得它們在一側形成管狀橫截面，在另一側具有波紋狀橫截面，這與板式熱交換器的常見情況一樣。 介質在交叉逆流中相互引導。
• 殼管式換熱器由兩個同心管組成； 內管中的介質被外管中的介質（通常是水）加熱或冷卻。 這種設計用于高粘性介質或含有固體（例如懸浮液、污泥）的介質，但傳熱面積小，因此效率低。 它特別適用于內胎中的高壓。
• 加熱盤管或冷卻盤管是管子（用于液體介質）和與其相連的翅片（用于氣體介質）的組合。
  • 逆流層狀換熱器由兩個或多個層狀換熱器層（加熱或冷卻盤管）組成。

冷熱介質交替流過蓄熱器主體。流向反轉之間的間隔長度取決于介質的質量流量和存儲質量的熱容量。

• 再生器主要用于氣體；熱能暫時儲存在固體中，然后從同一表面釋放到另一個氣流中。一是區分
  • 旋轉熱交換器（空氣預熱器）和斯特林發動機中的可移動存儲質量。
  • 固定存儲體，例如工業熱風爐或使用可逆風扇的交替氣流的小型通風裝置，用于單個房間的分散通風。

在旋轉儲熱，用于斯特林發動機蓄熱器的鋁板、銅網和用于熱風爐的耐火磚或陶瓷儲料塊。

在其基本功能中，換熱器有兩種流體流過它，以使它們達到特定的熱力學狀態。 熱流（指數：H）釋放并同時被冷流吸收的熱功率（K）通過以下能量平衡確定：

Q ˙ = m ˙ H c p ( T H E ? T H A ) = m ˙ K c p ( T K A ? T K E )

功率 Q ˙ ，取決于質量流量 m ˙ ，比熱容，以及入口之間的溫差（指數： E) 和出口 (A)，對應于由于熱量在兩種流體之間傳輸的能量：

Q ˙ = k A q Δ T m