331 传热学-换热器

331 传热学-换热器

语音讲解

换热器含义

也称热交换器，是冷热物质之间实现热量自然传递的装置。

换热器类型

换热器类型很多，按不同标准（如原理，结构，用途，材料等）划分时具体名称也多种多样，有时同一名称但实际换热器是不同的，应用时需根据具体背景进行区别（如蒸发器，在制冷、空调、热泵领域，是制冷剂汽化实现吸热制冷的部件；在化工、食品、制药等领域，则是将料液（如牛奶等）中水分汽化实现料液浓缩的装置）。

基于原理或结构的换热器简单分类如下图。

换热器方程

换热器通常满足如下三个基本方程：

方程一

基于传热过程的方程：

基于热阻方法：

Q=(T_H-T_L)/R_T

或基于传热系数方法：

Q=kA(T_H-T_L)

式中，Q为传热量，W；(T_H-T_L)为热物体与冷物体之间的传热温差，K；R_T为换热器的传热热阻，K/W；k为换热器的传热系数，W/(m².K)；A为换热器的传热面积，m²。

由于很多换热器冷热物体两侧的面积可能不同，因此传热面积和传热系数可选取其中一侧为基准。

冷热物体传热时，冷热物体的温度通常是变化的，二者之间在传热过程中的温差也是变化时，因此，当冷热物体温差不大且温度变化较平滑时，可采用简单的算术平均温差（热物体进出换热器平均温度减去冷物体进出换热器平均温度），当温度变化较复杂时，需采用对数平均温差、采用传热手册提供的算图、传热软件等方式处理。

对复杂换热器，基于热阻计算传热量有时较方便些。

方程二

基于冷流体吸热（无相变）升温的方程：

Q=m_Lc_L(T_LO-T_LI)

或当冷流体在吸热过程中有相变时：

Q=m_L (h_LO-h_LI)

式中，Q为冷流体吸热量，W；m_L为冷流体质量流量，kg/s；c_L为冷流体比热，J/(kg.K)；(T_LO-T_LI)为冷流体出和进换热器的温度，K；(h_LO-h_LI)为冷流体出和进换热器的焓，J/kg。

方程三

基于热流体放热（无相变）降温的方程：

Q=m_Hc_H(T_HI-T_HO)

或当热流体在放热过程中有相变时：

Q=m_H (h_HI-h_HO)

式中，Q为热流体放热量，W；m_H为热流体质量流量，kg/s；c_H为热流体比热，J/(kg.K)；(T_HI-T_HO)为热流体进和出换热器的温度，K；(h_HI-h_HO)为热流体进和出换热器的焓，J/kg。

计算示例

某空调室内机（蒸发器），内部制冷剂汽化吸热，制冷剂进口焓242000J/kg，出口焓410000J/kg，质量流量0.015kg/s，平均温度10℃；外部空气进口温度25℃，出口温度15℃，质量流量0.252kg/s，定压比热1000J/(kg.K)；蒸发器的传热热阻为0.00397K/W.

则蒸发器传热量为：

Q=((25+15)/2-10)/0.00397

=2519 W

制冷剂吸热量为：

Q=0.015*(410000-242000)

=2520 W

空气放热量为：

Q=0.252*1000*(25-15)

=2520 W

换热器设计与校核

换热器设计通常包括结构设计、材料优选、参数计算与优化、变工况性能校核、成本及运行寿命分析等，具体流程和方法可参见“冷热平台”典型换热器设计示例。