什么是热交换器-定义

热交换器是用来将热能从一种流体转移到另一种而不使两种流体混合的装置。什么是热交换器

热交换器

表面冷凝器来源:wikipedia.org许可:CC BY-SA 3.0
表面冷凝器

换热器是用于传输的设备热能从一种液体到另一种没有混合两种液体。流体通常由一个固体壁(高热导率),以防止混合或它们可能直接接触。

经典的例子热交换器在内燃机中被发现,其中发动机冷却剂通过散热器线圈流动,并且空气流过线圈,该线圈冷却冷却剂并加热进入的空气。在电力工程中,共同应用热交换器包括蒸汽发生器、风扇冷却器、冷却水热交换器和冷凝器。例如,蒸汽发生器用于转换给水变成水蒸气从一个中产生的热量核反应堆堆芯。产生的蒸汽驱动涡轮机。

w88优德备用网址 微博热交换器中的传热通常包括每一种流体的对流和通过分隔两种流体的壁面的热传导。在热交换器的分析中,通常使用一个总传热系数w88优德备用网址 微博,被称为的u值。u因子是由类似的表达式定义的牛顿冷却定律

此外,工程师亦采用对数平均温差(LMTD),以确定换热器传热的温度驱动力。w88优德备用网址 微博

特别参考:John R. Thome, Engineering Data Book III。Wolverine Tube公司,2004年。

热交换器类型。热交换器的分类

换热器通常根据流动布置和建筑类型进行分类。最简单的热交换器是热和冷流体在相同或相反方向上移动的。该热交换器由两个不同直径的两个同心管组成。

  • 平行流安排。在平行流动布置中,冷热流体在同一端进入,在同一方向流动,在同一端离开。
  • 质安排。在逆流排列中,流体从相反的两端进入,以相反的方向流动,并在相反的两端离开。

图中表示了平行和逆流交换器中流体的流动方向。在类似的条件下,逆流装置比平行流动换热器传递更多的热量。两个热交换器的温度分布表明了并联流动设计的两个主要缺点。

  • 两端较大的温差会造成较大的热应力。
  • 离开热交换器的冷流体的温度永远不会超过热流体的最低温度。

当需要两个流体达到接近相同的温度时,平行流动热交换器的设计是有利的。

热交换器-平行流动

热交换器-逆流

热交换器w88优德备用网址 微博中的传热表面可以以多种形式布置。因此,热交换器也被归类为:
  • 双管热交换器。双管热交换器都是便宜的设计和维护,使其成为小型产业的好选择。在这些交换机中,一个流体在管内流动,另一个流体流在外面。虽然它们简单又便宜,但它们的低效率与大尺度占据的高空间相连,却导致了现代行业使用更高效的热交换器,如壳牌和管。
  • 管壳式换热器。管壳式换热器在其各种结构改造中可能是工业中最广泛和常用的基本换热器配置。管壳式换热器根据所涉及的管壳道数进一步分类。管壳式换热器通常用于高压应用(压力大于30 bar和温度大于260°C)。这是因为管壳式换热器由于其形状可以承受高压。在这种类型的热交换器中,许多小口径管安装在两个管板之间,主要的流体流过这些管。管束置于壳体内,二次流体流过壳体并流过管的表面。在核工程中,这种热交换器的设计被广泛应用于蒸汽发生器的转换给水变成水蒸气从一个中产生的热量核反应堆堆芯。为了增加传递的热量和产生的能量,热量交换w88优德备用网址 微博表面必须最大化。这是通过使用获得的管子。每个蒸汽发生器可以容纳3000到16000个管道,每个直径约19毫米。
  • 板式热交换器。板式换热器是一种用金属板在两种流体之间传递热量的热交换器。这种布置在使用空气或气体以及低速流体流动的热交换器中很受欢迎。热交换器的经典例子是在内燃机中,发动机冷却液流经散热器盘管,空气流经盘管,冷却冷却液并加热进入的空气。与管壳式换热器相比,叠层板式换热器具有较小的体积和成本。两者之间的另一个区别是,板式换热器通常服务于低到中压流体,而不是中等和高压的壳管。

热交换器分析-热交换器计算

换热器换热器在工业上是常用的,而换热器的合理设计取决于许多变量。以下术语和方法被广泛用于选择合适的热交换器

总传热系数w88优德备用网址 微博

U形因子 - 总传热系数w88优德备用网址 微博一个热交换器典型的是两种流动的流体被一个固体壁隔开。工业中遇到的许多传热过程w88优德备用网址 微博涉及复合系统,甚至涉及两者的结合传导对流。热量首先通过对流从热流体传递到壁面,通过传导通过壁面,再通过对流从壁面传递到冷流体。

对于这些复合系统,使用总传热系数w88优德备用网址 微博,被称为的u值。u因子是由类似的表达式定义的牛顿冷却定律:

总传热系数 - w88优德备用网址 微博方程

总传热系数 - w88优德备用网址 微博表总传热系数,U,w88优德备用网址 微博总热阻这取决于问题的几何形状。例如,w88优德备用网址 微博在一个蒸汽发生器涉及从反应器冷却剂的大部分反应器内管表面的对流,通过管壁传导,以及从外管表面到次级侧流体的对流(沸腾)。

对于换热器的联合换热情况,h有两个值,即管w88优德备用网址 微博内流体膜的对流换热系数(h)和管外流体膜的对流换热系数。的热导率(k)和管壁厚度(Δx)也必须计算在内。

平面壁面总传热系w88优德备用网址 微博数
U形因子 - 总传热系数w88优德备用网址 微博
整体传热系数-圆w88优德备用网址 微博柱管
稳定传热通过多w88优德备用网址 微博层圆柱或球壳可以处理,就像多层平面壁。

整体传热系数-圆w88优德备用网址 微博柱管

在线监控商业活动热交换器是通过跟踪总传热系数w88优德备用网址 微博,因为总传热系数往往会随着时间的推移而衰退w88优德备用网址 微博污垢。通过定期计算换热器的流量和温度的总换热系数,换热器的操作人员可以估计换热器的寿命w88优德备用网址 微博。
污垢-污垢因子
在线监控商业活动热交换器是通过跟踪总传热系数w88优德备用网址 微博,因为总传热系数往往会随着时间的推移而衰退w88优德备用网址 微博污垢污染是在固体表面上积聚不需要的材料,以损害功能。污垢材料可以由生物体或非生物(矿物质或有机化合物)组成。沉积物层代表额外的热传递阻力w88优德备用网址 微博并使换热器内的传热速率降低。w88优德备用网址 微博作为一个结果,污垢在热交换器中降低了热效率,降低了热流通量,提高了热侧温度,降低了冷侧温度,引起了欠沉积腐蚀,增加了冷却水的使用。这些累积对传热的净效应用a表示w88优德备用网址 微博污垢系数,RF,这是通过污垢引入的总热阻的衡量标准。

对数平均温差 - LMTD

为了解决某些热交换器问题,工程师经常使用日志平均温差(LMTD),用于确定换热器传热的温度驱动力。w88优德备用网址 微博LMTD由于事实,在出口到出口的入口处发生热交换器的温度变化是不是线性的

在给定位w88优德备用网址 微博置,换热器壁面的换热由下式表示:

总传热系数 - w88优德备用网址 微博方程

对数平均温差-例子这里的价值总传热系数w88优德备用网址 微博可以假定为常数。另一方面,温差随着位置的变化而不断变化(特别是在逆流布置中)。为了确定总热流,可以利用元素面积和所在位置的温差对热流求和,也可以方便工程师对温差值取平均值。如果我们能定义a,热交换器方程就能更容易地求解“平均温差”(MTD)。从图中可以看出,温度差异沿着流量变化,算术平均值可能不是真正的平均值,因此工程师使用对数平均温差。这 ”对数平均温差(LMTD)是换热器两端的冷热进料之间的温差的对数平均值。LMTD越大,传递的热量越多。从图中可以看出,温差沿流量方向变化,算术平均可能不是真正的平均。

对于两端(我们称之为“A”和“B”)的热交换器,热流和冷流在两端进出,LMTD被定义为:

对数平均温差-定义

热量传递w88优德备用网址 微博是:

LMTD -传w88优德备用网址 微博热方程

这适用于平行流排列,即流从同一端进入,也适用于逆流排列,即流从不同的端进入。

在交叉流中,一个系统(通常是散热器)在传热表面的所有点上具有相同的名义温度,交换热量和LMTD之间的关系类似,但有一个修正因子。w88优德备用网址 微博对于其他更复杂的几何形状,如带折流板的管壳式换热器,也需要一个修正系数。

LMTD -冷凝器和锅炉

蒸汽发生器-逆流热交换器
典型压水堆蒸汽发生器的温度梯度。

蒸汽发生器冷凝器还有在核设施中发现元件的例子的概念吗LMTD是解决某些问题所必需的。当过冷水进入蒸汽发生器时,必须将其加热到沸点,然后必须蒸发。由于蒸发是在恒定温度下进行的,因此不能使用单一的LMTD。在这种情况下,换热器必须被视为两个或三个(当过热发生时)换热器的组合。

夹点-热交换器

这个设计还有另一个有趣的方面就是温差'捏'如果面积和流量设计不当,会限制热交换器的性能。夹点热交换器中冷热流体的温差在哪里最低在这个位置。

南大有效性的方法

对数平均温差在已知或可以通过能量平衡确定冷热流体的入口和出口温度的情况下,上一节讨论的(LMTD)方法在换热器分析中很容易使用。因此,LMTD方法非常适合于确定换热器的尺寸和性能。

当无法直接了解LMTD,而NTU方法(转移单位的数量方法)可以使用。该方法基于一个无量纲参数,称为传热效率,定义为:w88优德备用网址 微博

NTU有效性方法 - 方程式

可以看出,效力是实际传热率和最大可能传热率之间的比率。w88优德备用网址 微博为了确定换热器的效率,我们必须首先确定最大可能的传热率,qw88优德备用网址 微博马克斯,热交换器。

进一步阅读:

  1. 传热传质基础,第七版。Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera。John Wiley & Sons, Incorporated, 2011。ISBN: 9781118137253。
  2. 传热和传质。尤努斯Cengel。麦格劳-希尔教育,2011年。ISBN: 9780071077866。

示例:换热器的计算

实例-热交换器计算- LMTD考虑一个平行流换热器,使用30°C可用的水将油从70°C冷却到40°C。出水温度为36℃。油的流量为1公斤/秒。油的比热为2.2 kJ/kg k。总传热系数w88优德备用网址 微博U = 200w /m2K

计算对数平均温差。确定区域这种性能所需的这种热交换器。

  1. LMTD

对数平均温差可以简单地用其定义来计算:

LMTD——示例

  1. 换热器面积

为了计算该换热器的面积,我们必须利用油的质量流量和LMTD计算热流量。

能量平衡-使用实例

然后可以使用通用传热方程直接计算该热交换器的所需区域:w88优德备用网址 微博

热交换器-计算

调压器和蓄热式换热器

一般来说,热交换器用于再生可分为两种蓄热室换热器

  • 再生器是一种热交换器,其中来自热流体的热在将热储存介质中间歇地存储在冷流体之前。它具有单个流动路径,其中热和冷流体交替通过。
  • 换热器是一种热交换器吗单独的流动路径每一种流体沿着它们自己的通道,热量通过分离壁传递。在动力工程中,为了提高热力循环的整体效率,经常使用回热器(如省煤器)。例如,在燃气涡轮发动机中。回热器将废气中的部分废热转移到压缩空气中,从而在进入燃烧室之前对其进行预热。许多回热器被设计成热交换器。

热再生

在汽轮机理论中,可以通过降低涡轮的热效率来显著提高汽轮机的热效率大量的燃料那必须加到锅炉里。这可以通过将热量(例如部分膨胀的蒸汽)从汽轮机的某些部分传递到给水,这通常高于环境温度。这个过程被称为热再生和各种各样的高温蓄热室可用于此目的。有时工程师使用该术语节热器那是用来减少能源消耗的热交换器,特别是在预热流体

从文章中可以看出蒸汽发生器“,蒸汽发生器的入口处的给水(次级电路)可能具有约~ 230°C(446°F)然后被加热到液体的沸点(280°C;536°F;6、5 mpa)和蒸发。但冷凝器出口处的冷凝水可能有左右40°C,所以典型PWR的热再生很重要,非常重要:

  • 热再生增加了热效率,因为更多的热流进入循环发生在更高的温度。
  • 热再生导致通过蒸汽轮机的低压级降低质量流量,从而提高LP等熵涡轮机效率。请注意,在扩展的最后阶段,蒸汽具有非常高的特定体积。
  • 热再生导致工作蒸汽质量的增加,因为排水管位于涡轮机壳体的周边,在那里较高浓度的水滴。
参考:
w88优德备用网址 微博热传递:
  1. 传热传质基础,第七版。Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera。John Wiley & Sons, Incorporated, 2011。ISBN: 9781118137253。
  2. 传热和传质。尤努斯Cengel。麦格劳-希尔教育,2011年。ISBN: 9780071077866。
  3. 美国能源,热力学,传热和流体流动部。w88优德appw88优德备用网址 微博DOE基础知识手册,第2卷。2016年5月。

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先进反应堆物理:

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参见:

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