换热器相关理论与选型参考
换热器相关理论与选型参考
换热器是一种在两种流体之间传递热量的装置，广泛应用于空调、燃气轮机、汽车和电子冷却等领域。本文将详细介绍换热器的相关理论与选型参考，包括换热器的类型、工作原理、设计计算方法等。
换热器的基本类型
热交换器可以在液体和气体（即液对空气的热交换器）或两种气体（即空气对空气的热交换器）之间传递热，或者它们可以作为液对液体的热交换器。
流动方式
- 平行流动热交换器：两种流体向相同方向移动
- 逆流热交换器：流体向相反方向移动
- 交叉流热交换器：其中一种流体垂直于另一种流体移动
交叉流交换器可以使一种流体限制在管内，另一种流体混合，或者两种流体可以限制在管内而不混合。管可以有任何几何形状，如平或圆形。
壳和管式换热器
不同数量的壳和管交换器如下图所示：
换热器的设计计算
整体有效传热系数U
换热器设计中最基本的变量是整体有效传热系数U的定义。其计算公式为：
1/UA=1/（hA）h+Rc+1/（hA）c+R''f
其中：
- U：整体有效传热系数
- A：液体的热侧或冷侧的区域面积
- h：热交换系数
- Rc：分离冷热流体的材料的传导热阻
- R''f：污垢热阻
下标h和c表示冷热两面。术语R“f是污染物的热阻。污垢热阻是由液体中的杂质和化学反应（如氧化）引起的，它们可以增加两种流体之间的整体阻力。上式根据热侧或冷侧，根据面积(A).的选择计算总传热系数。
对数平均温差（LMTD）
一个简单的逆流热交换器，如图5所示。
这两种流体的温度分布如图6所示。
热流体以温度Th,i进入交换器，并以温度Th,o退出。冷流体以温度Tc,i进入，并随温度Tc,o退出。
在热液进口侧的两种流体之间的温差被指定为∆T1。在冷流体的进口侧的流体之间的温差被指定为∆T2。
通过写出两种流体进出口之间的能量守恒方程，以及两种流体在微分距离dx之间的微分能量传递（dq），两种流体之间的整体传热可以表示为：
Q=UA(δT2-δT1)/In（δT2/δT1）
其中，U为整体有效传热系数，A为冷侧或热侧两种流体之间的接触表面积。
通过将LMTD定义为：
δTlm=(δT2-δT1)/In（δT2/δT1）
热交换计算公式可表达为：
在具有多个壳体和管路的换热交换器中复杂的流道（如交叉流和多通道）中，有一些图表将校正因子F与其他变量联系起来，而这些变量是进出口温度的函数。修正系数可用于将LMTD修改为：
其中F为校正因子，∆Tlm,CF为LMTD，如果假设流量为反流。这些相关性，对于各种热交换器，如果出口温度不知道或不容易确定，上述步骤就会变得繁琐。在这种情况下，它成为了一个计算温度的迭代过程：
- 首先假设出口的温度
- 然后用LMTD方法来计算q
- 出口的温度可以从能量平衡中得出
这个过程必须重复，直到收敛。设计了一种更方便的计算过程，称为有效性-NTU方法。热交换器的有效性定义为：
其中q是真实的传热，qmax是可能达到的最大传热。这可以通过一个逆流体和一个无限长度的热交换器来完成。
可以证明，最大传热量为：
qmax=mcCp,c(Th,i-Tc,i) if mcCp,c＞mhCp,h
qmax=mhCp,h(Th,i-Tc,i) if mhCp,h＞mcCp,c
另一个变量，转移单位的数量（NTU），被定义为：
NTU=UA/Cmin
其中Cmin为冷侧或热侧的mCp的最小值。结果表明，其有效性可以计算为：
ε=f(NTU,Cmin/Cmax)
例如，如果质量流量、入口温度、总体传热系数和表面积都已知，可以很容易地计算出Cmin、Cmax和NTU。通过了解热交换器的类型，可以从适当的图表中找到є的值。通过计算qmax和є，可以计算出q。这两种流体的进出口之间的简单能量平衡将确定出口温度。
实例分析
举一个简单的例子：
1 KW组件连接到冷板上。安装在冷板内的散热器从部件中吸收热量。从组件转移到水槽的热量通过液体到空气的热交换器消散到环境空气中。换热器为交叉流式，两种流体均未混合。必须找到散热器的基本温度。对该问题的输入参数如下：
图7.使用微通道的冷却系统
- q=1000瓦—功耗
- Rhs=0.05℃/W—散热器热阻
- hair=50 W/m²K—空气侧传热系数
- Aair=3㎡—空气侧表面积
- mair=0.05kg/s—空气流量
- mwater=0.1kg/s—水流量
- Ta1=20℃—空气温度
以下步骤展示了如何解决这个问题：
- Cair = mair CPAir
- CWat = mwat CPwat
- Cmin=min（CAir、Cmax）
- Cr=Cmin/Cmax
- NTU=hairAair/Cmin
- ε = 1- exp[（1/Cr）（NTU）^0.22 {exp[-Cr（NTU）^0.78 ]-1 }]用于交叉流动和两种流体均未混合
- q = 1000W
- qmax=q/ε
- qmax=Cmin(Tf2-Ta1),这里可以计算出Tf2
- qmax=Cmin(Tf1-Ta2),这里可以计算出Tf1
- Rhs=(Ts-Tf1)/q,从这里计算散热器的基本温度t。
Ts=89.1℃
设计考虑因素
换热器的设计是一项复杂的任务，需要考虑多种参数。对于液体到空气的热交换器来说，最重要的是泵和风扇的功率要求和尺寸。如果它导致整体热阻很低，但在液体回路或通过翅片的空气通道中有很大的压降，则该设计可能不实用。在设计过程中必须考虑的其他因素是零部件的可靠性、成本、尺寸、污染因素和可制造性。
不同的应用场景需要不同的设计标准。例如，在电子冷却或飞机燃气涡轮机等环境中，空间非常昂贵，设计应基于最小化压力下降、尺寸和重量。在一个建筑的空调系统中，其尺寸并不是一个重要的问题，设计应该基于最大化的性能，同时最小化成本。
由于空气侧是通常的瓶颈，我们必须决定哪种类型的鳍最适合特定的应用场景。从图8可以看出：
和斯坦顿数的定义为：
其中，Nu、Re和Pr分别为努塞尔特数、雷诺数和普朗特数
作为直鳍的雷诺数的值最大，销鳍的值最小。
图8显示，如果目标是每单位压降有一个更高的传热值，一个直鳍散热器是一个很好的选择。
图8：热交换器中使用的不同翅片的传热/压降（管道流量）
图9显示，如果单位高度的传热是重要的，销鳍散热器是一个合适的选择。
图9：换热器中不同翅片的单位高度换热（管道流量）