换热器

热交换器，也称为换热器或更罕见的热交换器，是一种将热能从一种物质流转移到另一种物质流的装置。

虽然换热器这个词很普遍，但技术术语热交换器正变得越来越流行。

换热器按传热方式可分为三类：

直接传热基于可分离质量流中的热质联合传递过程。具有代表性的应用是湿式冷却塔。

间接传热的特点是物料流在空间上被导热壁隔开。此类换热器又称换热器。这个类包括散热器半间接传热利用了蓄热器的特性。

两种物质在不同时间与蓄热器接触。蓄热器交替地被较热的介质加热，然后被较冷的介质冷却，以便将热能从较热的介质传递到较冷的介质。此类的换热器是再生器，例如热轮。

除了材料特性外，热传递的有效性还取决于材料流动的相对几何方向。 这里有五种基本形式需要区分。

逆流材料以这样一种方式被引导，即它们以相反的方向彼此流过。 在理想情况下，物料流的温度发生交换，这意味着原来冷的介质达到原来热介质的温度，反之亦然。 这种理想情况的先决条件是换热器两侧的热容量流相同，并且换热器的效率为 100 %。实际上，完全交换温度是不可能的。

一种应用是热回收。直流电沿同一方向并排输送物质。 在理想情况下，两种材料的温度相等。 与逆流换热器相反，开始时温度较高的介质即使经过换热器后仍比冷介质温度高。

由于热介质和冷介质直接相互馈送，因此两者之间的热流最初大于逆流原理。由温差引起的材料应力可能是不利的。 结果介于逆流和直流之间。例如，交叉流用于使一种流动达到特定的固定温度。涡流使两种具有不同温度的物质流动形成涡流。 后续分离的可能性是必要的。

一种可能性是涡流管，这是一种没有活动部件的装置，可以将气体分成热流和冷流。理想情况下，材料流的温度以逆流方式交换。交叉逆流换热器比纯逆流换热器更容易制造，而且通常更流线型和更紧凑。

为了获得良好的效率，分隔介质的组件必须具有良好的导热性和大表面积。 湍流有利于良好的传热。 这主要发生在高雷诺数时。 因此，流量要大，介质的粘度要低。 然而，高速和大的润湿表面也需要高能量消耗，以便通过换热器泵送介质。

在换热器的情况下，其中一种介质是液体，另一种介质是气体（通常是空气），热容量根据介质的体积而有很大差异。 必须流过的气体比液体多得多，并且必须增加气体侧的传热表面积。 这通常由肋条或金属板完成，例如在高温散热器中，冰箱或空调系统背面的冷却盘管和汽车散热器。

换热器多为金属材质，也有搪瓷、塑料、玻璃、石墨或碳化硅等材质，在空调领域主要使用铜和铝，因为它们具有良好的导热性。 钢，尤其是不锈钢，因其耐用性而被用于工业厂房。 另一方面，今天的散热器大多由钢板制成，过去由灰口铸铁制成。

如果流体的侵蚀性不允许使用金属材料，塑料、搪瓷钢、工业玻璃或碳化硅可用于化学工业中的换热器。由于其极端的耐温性（分解温度高于above 2200 °C) 也可以与材料温度高于金属应用极限的换热器一起使用。不过，此类陶瓷高温换热器仍在研发中。

这里只讨论液体和气体介质换热器的设计：

• 湿式冷却塔用于发电厂的再冷却任务。温水直接与周围空气接触冷却。

每个换热器都有一个单独的房间供两种介质使用。

• 板式热交换器：许多平行板，它们之间的空间被一种介质和另一种介质交替占据。
  • 螺旋式换热器是一种特殊形式的板式换热器，其中使用螺旋缠绕的金属板代替平板。
• 管式热交换器或管束式热交换器：介质被泵送或以其他方式通过管（“管空间”；通常是大量平行管）输送。这些管子位于所谓的夹套室中，这是一种较大的管子或锅炉，另一种介质流经该夹套室。
  • U 型管 - 换热器，其中管子弯曲成 U 形。 优点是管束可以更容易地插入锅炉和从锅炉中取出，因为它只连接在一侧（例如焊接到锅炉盖上）。
  • 热管两端封闭，包含传热介质，通过连续冷凝和再蒸发在封闭管道内自动循环。
• 混合管式板式换热器是板式和壳管式换热器的组合。 它们由压花不锈钢板组成，这些钢板相互夹在一起并完全焊接在一起。 它们的排列方式使得它们在一侧形成管状横截面，在另一侧具有波纹状横截面，这与板式热交换器的常见情况一样。 介质在交叉逆流中相互引导。
• 壳管式换热器由两个同心管组成； 内管中的介质被外管中的介质（通常是水）加热或冷却。 这种设计用于高粘性介质或含有固体（例如悬浮液、污泥）的介质，但传热面积小，因此效率低。 它特别适用于内胎中的高压。
• 加热盘管或冷却盘管是管子（用于液体介质）和与其相连的翅片（用于气体介质）的组合。
  • 逆流层状换热器由两个或多个层状换热器层（加热或冷却盘管）组成。

冷热介质交替流过蓄热器主体。流向反转之间的间隔长度取决于介质的质量流量和存储质量的热容量。

• 再生器主要用于气体；热能暂时储存在固体中，然后从同一表面释放到另一个气流中。一是区分
  • 旋转热交换器（空气预热器）和斯特林发动机中的可移动存储质量。
  • 固定存储体，例如工业热风炉或使用可逆风扇的交替气流的小型通风装置，用于单个房间的分散通风。

在旋转储热，用于斯特林发动机蓄热器的铝板、铜网和用于热风炉的耐火砖或陶瓷储料块。

在其基本功能中，换热器有两种流体流过它，以使它们达到特定的热力学状态。 热流（指数：H）释放并同时被冷流吸收的热功率（K）通过以下能量平衡确定：

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

功率 Q ˙ ，取决于质量流量 m ˙ ，比热容，以及入口之间的温差（指数： E) 和出口 (A)，对应于由于热量在两种流体之间传输的能量：

Q ˙ = k A q Δ T m