傳熱/熱交換器

熱交換器

熱交換器是旨在將熱量從一種流體傳遞到另一種流體，而無需流體接觸的裝置。熱交換器有各種各樣的應用，例如：散熱器、空調和發電廠。

熱交換器型別

熱交換器主要根據其流動佈置進行分類。熱交換器有兩種基本型別：*直列流* 和 *錯流*。此外，某些行業使用所謂的 *再生* 熱交換器。

直列式

在直列式交換器中，冷熱流體相互平行移動。流體在相同方向移動的熱交換器稱為*平行流* 或 *並流*，流體在相反方向移動的交換器稱為*逆流* 或 *逆流*。

在平行流熱交換器中，“冷”流體的出口溫度永遠不會超過“熱”流體的出口溫度。當出口溫度相等時，交換器處於最佳狀態。

逆流熱交換器本質上比平行流熱交換器效率更高，因為它們在整個流體路徑的長度上創造了更均勻的流體之間的溫差。逆流熱交換器可以讓“冷”流體以比“熱”流體更高的溫度流出。然而，許多工業熱交換器更復雜。為了節省空間，流體可能會到達裝置的末端，然後再次返回，也許會多次重複。流體每次透過長度被稱為*通道*。例如，一種流體可以進行 2 次通道，另一種可以進行 4 次通道。因此，熱交換器的一部分可能是並流的，而其他部分可能是逆流的，計算必須考慮到這一點。

錯流式

在錯流式交換器中，冷熱流體相互垂直移動。這通常是在小包裝中物理定位入口和出口埠的便捷方式，而且比逆流設計更有效。熱力學上，錯流式熱交換器的效率比逆流式和平行流式熱交換器更高。對數平均溫差 (LMTD) 與平行流式熱交換器相比，錯流式始終更大。對於給定的流量和給定的入口和出口溫度，平行流式熱交換器需要最大的流量面積，而錯流式熱交換器需要最小的流量面積，逆流式熱交換器面積介於這兩個極端限制之間。出於這個原因，平行流式熱交換器在實踐中沒有使用，而錯流式佈置更受歡迎。因此，錯流式佈置最常使用，因為它比逆流式更容易提供入口和出口集管連線。錯流式熱交換器可以提供緊湊的熱交換器設計。與平行流式和逆流式熱交換器相比，多通道錯流式熱交換器更容易製造。

由於設計特點迫使流動路徑來回蜿蜒，某些實際的熱交換器是錯流式和逆流式的混合體。

再生式

再生式熱交換器儲存熱量並在以後釋放熱量。它們包含大量的材料，這些材料不會離開交換器，但會隨著熱流體的透過而升溫（或在某些情況下熔化，吸收潛熱）。因此，一個批次操作的熱量可以用來加熱下一個批次操作。或者，它們可以成對（或更多）使用，其中一個從熱流中吸收熱量，而另一個則向冷流釋放熱量。在某些設計中，吸熱材料床移動以將熱量從一個流體轉移到另一個流體。

再生式熱交換器一詞也用於逆流式交換器，其中一側是進入工藝的流體，另一側是離開工藝的流體。

熱交換器分析

想象一個簡單的熱交換器，其中包含一種流體 (A) 的管道被充滿另一種流體 (B) 的夾套包圍，如圖所示。每種流體都有穩定的入口溫度，需要知道達到給定的一組出口溫度所需的面積。

為了分析這樣的熱交換器，必須訴諸微分分析，因為流體 A 和 B 之間的溫降不是恆定的。

首先，有三種方法可以表達流體 A 和 B 之間交換的總熱量

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

前兩個定義明確，因為量 $(T_{B2}-T_{B1})$ 和 $(T_{A2}-T_{A1})$ 在熱交換器執行過程中不會改變。不幸的是，第三個表示式的值確實取決於你在熱交換器中評估它的地方，因為那裡的溫度變化是兩種流體 A 和 B 之間的溫度差。我們現在的目標是展示如何使用我們擁有的溫度資訊來計算熱量的總流量，或者更實用地，利用已經流過的熱量總量來計算熱交換器的面積。