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【冷水机知识】什么是逆流热交换器及其工作原理?

逆流换热器称为交换器,它们的流动方向与流体相反,并根据流动安排进行分类。板,壳和管,双管,一相和多相可以是逆流交换器。

换热器有哪些类型?

通常,基于流量安排,热交换器有两种主要分类:平行流和逆流热交换器,分别称为直列式和错流式。

排队

在这种类型的交换器中,热流体和冷流体彼此平行流动。如果它们沿相同方向移动,则称为并联或并流,如果彼此相反,则称为逆流逆流热交换器。

逆流换热器比并联换热器效率更高,这全是由于整个换热器和流体路径上的流体之间的温差均匀。

横流

在错流式换热器中,热区和冷区中的流体相互垂直移动。与逆流热交换器相比,这种类型的热交换器效率更高,并且所有热交换器都可以放在盒子中。这种类型的对数平均温度差(LMTD)大于串联类型。

什么是逆流热交换器?

逆流热交换器使用彼此相反方向的流。壳管式热交换器和双管式热交换器是使用逆流配置的常见热交换器的示例。壳管和双管交换器的最佳设计是逆流配置,并且流体之间的热传递最大。在逆流模式下,效率高于并联模式,并且冷却液出口中的温度可能会超过较暖流体入口温度。

在下图中,我们可以看到入口和出口的位置。如图所示,在逆流换热器中,流体沿相反方向流动,并且在压头之间,它们之间存在最大温差。我们的左头有一个热流体入口,冷流体的出口管,而右头有冷流体入口和热流体出口。为了理解逆流是什么,我们应该知道逆流和平行流之间的区别。

平行和逆流换热器有什么区别

平行和逆流换热器的流动方向和传热图不同。在并行交换器中,两个入口都位于同一侧,而所有出口都位于另一侧。最大的温差发生在入口处,并且减小到出口处的最小值。与逆流相比,它完全是逆向类型。

如前所述,所有热交换器的基础都很简单,它是将热量从热流体传递到较冷的流体,并在它们之间交换能量。板,管或任何将热交换器中的流体分开的表面对传热有很大的影响,并且通过增加它,我们可以在重型应用中达到很高的传热速率。

热交换器的尺寸和类型的设计取决于传热的量和流体的输出温度。如果设备的目的是冷却,则热流体输出温度很重要;如果设备的目的是加热,则冷流体输出温度很关键。

平行式逆流式热交换器的优缺点

我们在应用中使用并行流,在这些应用中,出口处的流在一起温度接近,并且我们希望温度相同。通过查看并行交换器图,我们注意到一侧的温差大,这在组件上产生了很大的热应力。固体零件中的膨胀和收缩最终会导致失效。同样,可以看出,与热流体相比,冷流体的出口温度不能更高,这是并联流体最重要的缺点。

逆流换热器比并联换热器具有三个明显的优势。如图所示,沿着传热区域我们有一个均匀的温差,使系统中的热应力最小。第二个是输出温度,与热流体相比,输出温度可以具有更高的值。这种类型的最终好处是流体与较大的LMTD之间的传热均匀(下一节将讨论LMTD)。

 

平行和逆流换热器中的传热

无论我们使用并联还是逆流换热器,我们都具有对流和传导功能。沿着交换器的热传递会发生变化,这都是因为每个角度的温度不同。热量从热侧流到冷侧,并且我们在两侧都在流体和固体之间进行对流传热,而在固体部分中,传热过程是传导性的。

可以看出,逆流中的温差更大,并且在交换器中引起大量的热传递。传热可以通过下式计算  Q = UA \ Delta T_ {LM}。所有交换器都相同,参数为:

U =从一种流体到另一种流体的平均热传输率(W·m -2 ·K -1

A =换热器中的传热面积

\ Delta T_ {LM}  =流体之间的对数平均温度差。

对数平均温差或LMTD可以计算如下:

入口中流体温度的微小变化会导致交换器中的LMTD变大,例如,入口和出口的温度分别为70°C和80°C,而一次流动为40°C和44°C对于其他流量,我们的LMTD为6.55°C。通过在第一次流动中增加2°C,我们的LMTD增加了11%,这是一个很大的数目。

我们可以计算出单相流的总显热传递为:

在哪里:

m =液体流量的质量流量(kg·s -1)

C p =液体的比热容(kJ·kg -1 ·K -1)

ΔT=液体出口和入口温度之间的温差(K)

如果我们在系统中具有100%的效率,则这两种流动的显热传递应该相同。

导热率是板材及其热阻,冷热流表面的热传递系数的函数。通常,我们在系统中存在湍流,结果,表面的传热系数很大,这对于提高传热速率是有利的。

通过产生湍流,我们破坏了边界层并提高了传热速率,但会导致更大的压降。湍流有助于减少不必要的物质(例如藻类,水垢,不溶性盐和悬浮固体)在表面上的沉积。另外,为了降低固体部分中的材料的电阻,优选具有薄的阻挡层。不锈钢的耐热性低,并且对腐蚀性流体也具有良好的耐受性。

交换器的基本性能可以通过了解交换器的大小和流动的流体来计算: