什么是热交换器?-完整说明

什么是热交换器?

热交换器是用于在两个或多个流体之间传递热能(焓)的设备。这些流体可以是液体、蒸汽或气体。它可以是固体表面与流体之间,固体颗粒与流体之间,液体与液体之间,气体与气体之间,液体与气体之间,在各种不同的温度下,其中T1(流体1温度)≠T2(流体2温度),并且处于热接触状态。这些流体可以是单相或两相,可以分离或直接接触,这取决于交换器的类型。为了提高热交换器的效率,应增加两种流体之间的壁面表面积,并使流体通过换热器的阻力最小化。

通常,该过程涉及加热和冷却流体或蒸发和冷凝,这取决于应用和用途。在其他一些应用中,这些用于拒绝或回收热量,巴氏杀菌,灭菌,结晶,分馏,蒸馏或控制工艺流体。

一种特定类型的换热器的选择取决于各种因素,如-

  • 两种流体的性质
  • 他们的压力
  • 它们的温度
  • 流量
  • 所需换热速率

因此,了解换热器的基本原理,根据所需的条件可以使用哪些换热器是很重要的。

换热器的基本工作原理

不管它们的设计如何,所有的热交换器都在同一个屋顶下工作。这是热力学的三个定律,即热力学的第零定律,第一定新利18体育苹果版律和第二定律。这些定律有助于热量从一种流体传递或交换到另一种流体。

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

现在我们有冷流体和热流体。当两者试图走向稳定时,热交换器使热量从热流体或介质直接或间接地传递到冷流体。

结果是热的流体变冷了一点,冷的流体变热了一点。

热是如何交换的——传热机理

热量的交换或传递主要通过3个过程

1.传导,

它是热量从高振动分子温度传递到相互发生物理接触的低振动分子温度的过程。前者动能较高,后者动能较低。由于分子的碰撞,这最好发生在固体中。这些也被称为热传导或热传导。例:一杯热茶放在桌子上。从杯子到桌子的热量传递。

2.对流-

这种热传递发生在流体内部,因为密度差。当流体移动并带走热能时,就会发生这种情况。例如:沸水。较低表面的热水分子升温变轻并向上移动,而与此同时,致密的水分子从上到下移动。

对流方程

3.辐射,

这是一个通过电磁波传递热量的过程。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。-烤箱内发出的微波辐射。

它可以通过玻尔兹曼定律计算出来。

辐射方程

用于热交换器的流体

传热流体可以是液体或气体,这取决于热交换器的应用或类型和所使用的材料。它可以是空气、水、油、水乙二醇、氯化盐水、酸等。
在流体选择前,主要有三个不同的参数需要考虑;
包括它们的物理状态,化学性质和热性质。如果我们更详细地阐述这一点,就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。

〇作为流体的水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保持的热量),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。

如水蒸气、氮气、氩气、氦气、氢气等气体用于不适合液体的地方。因此,为了获得高效的热交换器工作条件,利用气体作为流体,提高压力,以增加气体的流量。

一般情况下,沸点和热容要高。因为高沸点可以防止液体在更高的温度下蒸发,而高热容量可以使少量的流体非常有效地传递大量的热量。

流体的一些基本特征

  1. 低粘度,便于流体流动,降低泵送成本。
  2. 非腐蚀性,流动流体应避免对管壁的腐蚀,降低维护成本。
  3. 热扩散系数和导电性高
  4. 高沸点和低冰点有助于在交换热量时保持相同的相。

换热器的材料选择

材料的选择是基于各种因素,如应用、热效率、耐腐蚀性、耐久性、可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,每种材料都有优于其他材料的优点。

  • 石墨热交换器导热系数高,耐腐蚀。
  • 陶瓷换热器。它们可以承受超过1000摄氏度的高温。在这个范围内,铁、铜、钢等金属很容易熔化。
  • 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具有更好耐腐蚀性的塑料低重量材料混合。

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。现在这是温度交叉的情况,当冷流体的出口温度超过热流体的出口温度。这是换热器设计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,可以增加冷流体(流体2)的流速,或者在某些情况下,它无法避免,所以板式换热器是最好的选择。

热流体

(1)液体

冷流体

(2)液体

进气温度 70°C 30°C
出口温度 45°C 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-

根据流量安排进行分类

热交换器在流量的基础上排列

1.平行流-

这些热交换器也被称为共流热交换器。在这种结构中,两种液体从同一端进入,向同一方向移动到另一端。在这些设计中,入口温度差较大,但流体温度在出口达到类似的值。虽然这些安排与逆流安排相比效率较低,但具有整个换热器壁的热均匀性。

2.〇逆流

也被称为逆流热交换器的流动,其中流体从相反的一端进入,并相互反平行地旅行。它允许最高流量的传热,是最有效的所有流动安排。

3.横流——

在横流排列中,流体以相互垂直的方向流动。这些有效率之间的平行和逆流安排。

在工业中,混合类型的流动安排被使用,如反交叉流和多通流热交换器。

为什么逆流式换热器比平行式换热器效率更高?

逆流vs平行流效率

平行流与逆流热交换器

主要有三点可以解释为什么逆流比平行流效率更高。

  1. 温度梯度-如图所示,在平行流动中,平均温度差或温度梯度变化很大,这对壁面造成了热应力。相反,逆流在整个过程中具有均匀的热应力分布。
  2. 冷流体的出口温度在逆流中达到热流体的最高温度。
  3. 由于整个过程中存在较为均匀的温差,因此热转换速率也较为均匀。

什么是对数平均温差(LMTD)?

LMTD用于计算热交换器的性能和有效性。LMTD代表对数平均温差。它是冷热流体之间温差的对数平均值。LMTD与热交换量成正比。所以,随着LMTD的增加,流体之间的热传递也会增加,或者相反。

如我们所知,热交换量可以表示为-

校正系数

现在,在理解LMTD修正因子之前,让我们先了解什么是热交换器通道。
热交换器的通度是指流体从一端流向另一端。如果它是一个壳层通道,那么流体从一端进入,从另一端退出。

单次传递或一次shell传递

2壳通道或双壳通道

如果是2壳层通道或双壳层通道,则流体在同一端进入和退出。等等
更大的不。通度越大,换热速率越大,但同时也会导致高压损失和高流速。

让我们从图表中理解这一点。

回到话题上,LMTD只对一个shell pass和一个tube pass有效。对于多道壳管通道,流体既不平行流动也不逆流流动。因此,对于这种几何不规则,计算LMTD修正因子(F),以获得修正的平均温差(corrected MTD)或有效驱动力。

修正后的LMTD = F* LMTD

什么是传热效率-南洋理工大学方法?

当表面换热面积已知,但出口和进口温度未知的情况下,LMTD方法可以与hit和trail方法一起应用,但有效性- ntu方法总是更可取的,并应用于进动结果。
效率是衡量换热器热性能的标准。它是从热流体到冷流体的实际传热速率与热力学允许的最大传热速率之比。新利18体育苹果版

由于实际换热永远不可能大于最大换热,所以∈<1。对于任何指定的流体对,逆流流具有最大的效果。
效果的增加与NTU呈非线性关系。

基于阶段的分类

换热器以相为基础

1.单相和两相换热

在单相热交换器时,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-液换热应用中,较热的液体失去热量并转移到较冷的液体,并且流体都不会变成气体或固体状态。

在两相传热中时,流体在换热过程中确实发生了相变。相变可以发生在两种或一种流体中,导致状态从液体变成气体或气体变成液体。一般来说,两相换热器的设计比单相换热器更为复杂。
冷凝器锅炉蒸发器是使用两相机构的一些应用。

两相换热器的类型
  • 冷凝器,

冷凝器是一种热交换器装置,用于将流体从气态冷凝或冷却为液态。它是一种两相热交换器,将气体的相改变为液体。在这个过程中,潜热被物质释放并转移到周围。这些用于许多工业过程中有效的热排除。它有从小到大的多种尺寸。

工作原理

它的设计目的是将热工作流体的热量传递给另一种流体或周围的空气。流体之间的传热发生在相变过程中,在这种情况下,是在蒸汽凝结成液体的过程中。

与其他流体相比,蒸汽通常以相对较高的温度进入冷凝器。当蒸汽冷却时,它下降到饱和温度,凝结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)

冷凝器传热速率为

蒸发器,

蒸发器是一种热交换器,用于将化学物质从液体转化为气体或蒸汽形式。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,从周围环境或热流体中注入热量的物质。

-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。

蒸发发生在m到g之间。

锅炉

锅炉是一个封闭容器的形状,液体(一般是水)在里面加热。并不是强制要求液体在锅炉中沸腾。被加热的流体或汽化的流体离开锅炉并传递到另一个腔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,一般是煤,在炉中燃烧,产生高温气体。这些热气体与密闭容器中的水体接触。这导致从热气体到水的热传递过程,从而在锅炉中产生蒸汽。
在此蒸汽被传递到涡轮的热力或蒸汽发电厂

回收式热交换器VS再生式热交换器

在调温器中,两种流体一直直接或间接地(通过固体屏障)相互接触。一个回收器是一个逆流流热回收热交换器定位在供应,以回收废热。
在调温式热交换器中,每种流体都在交换器内通过自己的通道流动。另一方面,再生式热交换器,也称为电容式热交换器,允许流体在通道中交替流动。在上述两种类型中,回收式换热器在工业中应用广泛。

回收式换热器的工作原理

回收式换热器的工作原理

调温器是一种热交换器,其中热燃烧气体(即烟道气)的能量被转移到用于燃烧的冷空气中。例如,在燃气涡轮发动机中,空气被压缩,然后与燃料混合,然后燃烧并驱动涡轮。如上图所示,回收器将这些冷气体与热空气交换,热空气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

在蓄热式热交换器中,流动路径通常由矩阵组成,如图所示,当热流体通过它时,矩阵被加热或能量被存储(也称为热吹)。这种储存的能量被释放时,冷流体通过矩阵(称为冷吹)。
它们被用于发电站和其他能源密集型行业的热回收应用。
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vs动态

这些再生器也被称为固定床,固定式,阀式,周期性流动.为了连续操作,交换器必须至少有两个相同的矩阵并行,但通常有三个或四个矩阵,以有效地减少出口加热的冷气体中的温度变化。与旋转式蓄热器不同,单个矩阵足以满足连续运行。
在固定或静态再生器中,热交换器材料和组件在流体通过时保持静止或固定。而在动态中,材料组件在整个过程中移动。两者都有在流体流之间形成交叉污染的危险。

在静态式蓄热器中,在固定的时间内,较热的流体流入一个通道,较冷的流体流入另一个通道。之后,有时使用快速操作阀,两种流体的流动相互逆转,从而导致换热过程。

在动力方面,它通常由一个旋转的导热元件(一个鼓或圆盘)组成,温暖和寒冷的流体在分开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,然后通过较冷的流体,反之亦然。这样就可以从较热的流体中吸收热量并将其传递到较冷的流体中。

静态vs动态

基于紧凑性的分类

换热器在紧凑的基础上

紧凑型与非紧凑型热交换器

任何热交换器的紧凑性和非紧凑性取决于称为面积密度的量,用β (Beta)表示。面积密度是热交换器的表面积与热交换器的体积之比。

通常当β大于700时,它被认为是紧凑型换热器,否则是非紧凑型换热器。

一些实例及其面积密度值

  1. 汽车散热器,β = 1000
  2. 玻璃陶瓷燃气轮机换热器,β = 6000,
  3. 斯特林发动机的再生器,β = 15,000
  4. 人体肺,最有效、最紧凑的交换器,β = 2万。

基于转移过程的分类

换热器基于传热过程

1.直接接触,

回收式热交换器通过直接或间接接触换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,

在间接接触换热过程中,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面,然后传递到另一种流体。

基于结构的分类

换热器在基础上施工

1.管状

这些交换器通常是管状的,尽管也有矩形,椭圆形,椭圆或圆形/扁平的扭曲管也被用于一些应用。在设计中有很大的灵活性,因为核心几何形状可以通过改变管的长度、直径或排列方式轻易地改变或改变。管状交换器可以简单地设计用于相对于环境的高压和高压流体。

这些主要用于液体到液体或液体到相变(冷凝或蒸发)的传热应用。

这些也用于液体到气体和气体到气体的传热应用时,操作温度和压力非常高,容易产生污垢问题。

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

它是在设计和配置上最简单的换热器类型,它由两个同心圆柱形管道或管道组成,这意味着两个管道都有共同的中心点。其中一根管子的直径比另一根大。

这些适用于流体流量和热负荷小(小于500kw)的场合。

这些换热器一般用于传热表面积要求为50平方米或更少的地方。
这些设计简单,但需要大的空间来获得所需的传热速率。双同心管堆在一些带翅片的工艺应用中使用。

发夹结构

发夹结构

  • 它有两个部分,内部和外部。它是最方便、最高效的双层换热器之一。
  • 为了获得更大的传热速率,将几个发夹串联在一起。
  • 内管回弯对换热率无贡献。

污染

在流体流动过程中,任何不良材料沉积在传热材料表面被称为污垢。

由于这种情况,对流动产生了不良的阻力,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。

这些污垢增加了换热器的总热阻,降低了换热器的换热系数。

-污垢类型

  1. 化学污染
  2. 腐蚀污垢
  3. 结晶沉积
  4. 生物污染
管壳式热交换器

设计及施工

  • 这些是间接接触类型的交换器。它由许多位于壳体内的小管组成。这些管以束状或堆叠的形式放置在壳体内,可以固定(永久固定)到本体、浮头或u形管上。固定管提供最大的热量传递。浮动式可使管束根据热流速率膨胀或收缩。浮动式也允许管容易拆卸维修和维护。u型管提供了壳和管之间的差动热膨胀和对个别管。
  • 管束包括管束、管片、拉杆和将管束固定在一起的挡板。挡板用于防止管束振动。
  • 它们是所有植物中用途最广、最常见的。他们也提供了高的热传递率在一个有限的空间。它们可以在高压下轻松工作。壳体为外壳,截面为圆形
  • 换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,管壳是由金属制成的,但在某些应用中,其他材料,如石墨,玻璃,塑料也可以使用。碳化硅基热交换器一般用于化学工业中硫酸的加工。
  • 直径在19毫米到20毫米范围内的管是最常用的。这些管子有三角形或方形的节距。

一般来说,所有的热交换器都有相同的原理,即将热量从一种介质或流体传递到另一种介质或流体。管壳式间接接触式热交换器的外壳为圆柱形,管束被围在壳体内。一种液体通过管道,另一种通过管道外或管道上方。每一个在热交换器的入口都有不同的温度。

管壳式换热器的一些应用

  • 发电机油冷却器
  • 汽轮油冷却器
  • 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。这些由一个多管螺旋组件插入壳体内,其中创建了两条路径,用于流体之间的逆流传热。它比壳管式换热器更有效,因为螺旋几何结构紧凑,与壳管式换热器相比需要更少的空间

适用于高压应用。

流体在螺旋管内流动,其它流体在螺旋管内或壳体外表面流动。

好处

  • 结构紧凑,重量轻,易于安装
  • 具有很高的抗液压和热冲击性能
  • 针对腐蚀性流体的优化设计。

应用程序

  • 泵密封冷却器
  • 喷雾器
  • 即热式热水器
2.板式换热器

板式换热器

板式热交换器的工作方式与管壳式热交换器相似,使用一系列堆叠的波纹板而不是管。它允许流体在它们之间流动形成一系列通道。

两块相邻板之间的空间形成了允许流体流动的通道。它比其他传统的热交换器有一个主要的优势,因为液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促进了板式换热器的实用化。与管壳式换热器相比,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结板热交换器,如浸钎焊,真空钎焊,焊接板

板式热交换器也可以根据所使用的板式类型进行分类,例如螺旋板薄片,垫片

为什么是波纹板?

  • 提供更好的传热
  • 产生湍流
  • 提供力量
片式热交换器

设计与施工

片层式热交换器由一束管组成,称为片层,由管状外壳包围。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,流体通过该开口,范围为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,两个或多个管堆叠在一起以维持高压。这里面没有障碍。然而,管子的一端是固定的,另一端是浮动的,这允许热膨胀。

一种流体在板管内流动,另一种流体在板管内纵向流动。一般来说,交换器有单通道,流体逆流流动。

液压直径小,无泄漏,换热系数高。

片式热交换器

螺旋板式热交换器

它通常由两条金属片,一个分裂的芯轴或轴,焊接螺柱,盖。这些金属薄片以螺旋状包裹在分裂的心轴周围,形成一对用于两种流体的螺旋通道。这些板有间距使用焊接螺栓。为了完成这些安排,在每一端都安装了盖子。一般用碳钢和不锈钢。

螺旋板式换热器

图片来源

螺旋板式换热器由于螺旋弯的存在,使得换热器直径较大。核心螺旋元件或板或焊接在通道的每一边或垫片。

可以对流体进行3种安排。

  1. 这两种流体都是螺旋逆流或逆流。
  2. 一种流体呈螺旋状流动,另一种流体呈螺旋状横流。
  3. 一种流体是螺旋流,另一种流体是交叉流和螺旋流的结合。

除非板是波纹状的,否则传热系数不像板式换热器那么高。但是,这些螺旋板由于表面积大,换热系数比管壳换热器高。

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,污垢率随着速度的增加而降低)。
  • 单通道,便于维修和维护。
密封板

垫片板式或板框式热交换器是由一束薄的矩形金属板组成,通过垫片密封在边缘,并固定在一个框架内。压板组组装在压板和框架板之间。通常使用不锈钢、钛和非金属材料。垫片设计便于清洗和维护。

在这种情况下,板密封与垫圈密封通道,并允许流体流动交替通道。从图中可以看出,其中一种流体或热流体通过上部通道或连接进入,然后向下并沿逆流方向移动。以类似的方式,另一种流体或冷流体通过较低的连接进入,然后向上移动,并向相反的方向移动。当流体通过通道时,热从热流体有效地传递到冷流体。

密封板

3.扩展表面热交换器

管式热交换器和板式热交换器被认为是表面热交换器,但带低翅片管的壳体和管除外。这些换热器的效率几乎等于60%或以下,传热表面积密度一般小于700m2 /m3。在某些应用中,在体积和质量参数有限的情况下,效率要求大于98%。因此,由于这些限制,需要更紧凑的表面积。但与此相反,在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,为了同时增加表面积和致密性,可以根据设计要求在流体一侧或两侧增加高密度的扩展表面积(鳍)。此外,在一般情况下,翅片可以增加主表面积的5到10倍。

管翅片和板翅片是两种最常见的扩展表面换热器的几何类型。

1.板翅式换热器

板式翅片换热器

这些类型的交换器有波纹鳍,典型的三角形和矩形截面,或有间隔夹在2个平行板。有时翅片安装在圆角的平管中,这样就不需要侧边栏了。

分开两种流体的平管或平板和鳍片形成了单独的通道流。
翅片是模具或卷成型的,通过与板连接焊接钎焊、焊接、胶粘剂、机械配合或挤压。

在气-气热交换器中,翅片可以安装在两侧,但在气-液热交换器中,翅片安装在气体侧,如果应用在液体侧,其目的一般会因结构强度和混合不同的流量而有所不同。

板式翅片交换器的波纹翅片几何形状

  1. 平面矩形翅片
  2. 普通三角鳍
  3. 波浪的鳍
  4. 偏置带鳍
  5. 穿孔的鳍
  6. Multilouver鳍

应用程序

  • 在汽车行业
  • 在发电厂(燃气轮机,燃料电池)
  • 热泵,制冷,空调
  • 天然气液化
  • 低温
2.管翅片热交换器

管翅片换热器

管翅片换热器分为常规管翅片换热器和专用管翅片换热器。在传统的管翅中,流体之间的热传递是通过管壁传导进行的。然而,在专门的管翅片或热管换热器中,管的两端是封闭的,它作为流体的隔离墙,也负责热管流体的传导、蒸发和凝结来传热介质。

让我们首先了解传统的管翅式换热器

在气-气流体换热器中,液体侧的传热系数要比气体侧高一个数量级。因此,为了使热导平衡,在气体一侧加入了翅片,这增加了传热的表面积。

在管翅片换热器中,圆形、矩形或有时使用螺旋管。通常,翅片用于管的外部,但有时也根据应用程序在内部。管翅片交换器可以承受超高强度的管侧压力。相对于板翅式热交换器,它们通常不那么紧凑

应用程序

  • 它们通常用于一种流体处于高压或比另一种流体具有高传热系数的地方。因此,由于这一点,它们被广泛用于空调中的冷凝器和蒸发器。
  • 作为发电厂的冷凝器。
  • 作为推进式发电厂的油冷却器。

现在让我们理解Heat-Pipe-Exchangers

这些类似于有独立翅片管的管翅片交换器。管是热管,冷热流体的连续运动发生在换热器的不同部分。

让我们用两步来理解这个操作

  1. 热量通过对流从热气传递到热管的蒸发段。
  2. 然后热能被冷凝段的蒸汽带走,在那里它通过对流将热量传递给冷流体。

Heat-Pipe-Exchangers

如图所示,热管是一个封闭的容器或管子,它部分充满了传热流体(正如你可以看到的灯芯内的液体),并在两端永久关闭。

留下评论

你的电邮地址将不会公布。必填字段已标记

Ezoic报告此广告