热交换器的类型

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双管式热交换器是最简单的热交换器类型，可以并流（图 1）或逆流（图 2）运行。该设计由一根小管（管侧）和一根大管（壳侧）组成。当您希望流出的流体以相同的温度离开交换器时，最常使用并流式热交换器。逆流式热交换器比并流式热交换器使用得更多，因为它们可以更有效地传输能量。

图1.jpgo-电流剖面图.jpg

图2.jpg逆流剖面图.jpg

2. 管壳式换热器

管壳式换热器用于较大的流量，这在化学过程工业中非常常见。这种换热器的设计是一个壳体，里面有一束管。这些管是平行的，流体在壳体中围绕它们流动。有许多不同的排列方式，如直管（图 3）或 U 型管（图 4）。每种排列方式都允许不同类型的流动，如并流、逆流和交叉流。管侧可以有一个或多个通道，以增加来自管侧流体的能量交换。壳侧可能包含挡板或壁，用于引导流体流动并引起湍流，从而增加能量交换。可以建立相关性来预测能量交换的增加。这些相关性不在本文的讨论范围内。

图6.jpg图4.jpg

3. 横流换热器

横流式热交换器最常见的应用是加热或冷却气体。该装置由多个平行的管道组成，通常包含液体，外部气体流过管道。在某些情况下，空气被限制在单独的流动室中，例如翅片，而在其他情况下，空气可以自由流动（图 5）。

图5.jpg

例如，可以使用热交换器的动态模型来预测流体流量的变化或添加绝缘套将如何影响产品流的出口温度。该模型使用常微分方程 (ODE) 来描述过程，并使用 Microsoft EXCEL 等程序绘制整个过程的变量与时间的关系图。热交换器中有许多独立变量，这会导致建模非常复杂，因为需要多个 ODE 来定义所有过程变量。

热交换器系统中的一些独立变量包括：

壳侧：

体液
流量
温度
挡板数量
管侧：

体液
流量
温度
遍数
流程配置

并流
逆流
横流
绝缘护套

所关注的主要因变量是产品流（通常是管侧流体）的出口温度。在受控系统中，出口温度由传感器监测。然后，传感器将信号传输到一个或多个独立变量的执行装置（通常是壳侧流量控制器），以执行一些所需的响应。

\ 米=流体的质量 =V \rho = \rho A_{横截面} \Delta z
\ c_ {p} =流体的恒压热容量
T =温度
t =时间
k =传导传热系数
\ 一个 =管子与液体接触的表面积
\Delta z =管长
\rho =流体密度
F =流体的体积流量
下标表示

吨- 管侧流体
出去- 出口
在- 入口
我- 里面
接下来对壳侧流体进行类似的能量平衡。

H= 空气对流传热系数
钾- 传导传热系数。
下标表示

s- 壳程流体
无限- 空气
o- 管外
哦- 外壳外部
注意事项
为了解决差分能量平衡问题，您可以进行一些考虑和简化。这些假设的有效性取决于您需要的模型的精确度。

1. 流体的热容量可能与温度有关。如果是这样，可以写出每个流体的C p值的多项式方程。其形式为：

还应注意，如果过程中的流体是气体，其流体性质将受到压力变化的影响，使用恒定的C p值是不合适的。

2. 流体的密度可能与温度有关。如果流体是蒸汽，情况可能如此，例如使用蒸汽作为壳侧流体来加热管侧工艺流体的情况。如果是这种情况，可以写出\rho流体值的微分方程，形式如下：

3. 可以忽略周围环境中的热损失。如果热交换器隔热良好，或者壳侧流体与环境温度大致相同，则会出现这种情况。在这种情况下-

5. 控制阀的执行器系统可能具有较慢的动态响应。当执行器系统基于控制阀时，对压力变化的响应比通过阀门的流量慢。通过控制阀的流量可以用微分方程建模-

吃交换器Segmented.jpg

要开始建模，首先要解决适当的能量平衡（方程 6.6.2 或者 6.6.4 ) 并分式{dT}{dt}进行必要的简化。然后使用一种方法在 Excel 中求解 ODE，例如欧拉方法或 Heun 方法。转到此处：ExcelModelingODE以进一步了解如何使用这些方法设置 Excel 电子表格。对于热交换器的每个单元、Δz 和该单元中的每种流体，您应该有一个近似方程。因为理想情况下 Δz​ 表示一个无穷小部分，根据第一个假设，我们可以将 Δz 中的温度作为热流和冷流的出口温度 Δz​ 分别是。

欧拉方法的方程形式如下：

电视时1（吨我+小时) = T时1（吨我) + Δ t d电视d吨（吨我）
Heun 方法的方程形式如下：

电视H1（吨我+ 1小时) = TH1（吨我) + Δ 12d电视d吨（吨我电视我） + 12d电视d吨（吨我+小时电视我+ 1小时我）
然后可以绘制温度与时间的关系图，以模拟系统输入如何影响热交换。以下示例将引导您了解 Excel 中简单热交换器的模型。

一般相关信息：

T air =296.15 K（空气温度）
r i =0.1 m（内管内径）
r o =0.12 m（内管外径）
r o ‘=0.15 m（外管外径）
Δz=1米（长度增量）
k = W/m2*K（壳程和管程流体之间的传热系数）
壳侧流体信息（冷水）

C ps =4185 J/kg*K（壳侧流体热容量）
T 0 s =250 K（壳侧流体输入温度）
A s =0.02543 m （壳侧流体存在的横截面积）
ρ s =1000 kg/m^3（壳程流体的密度）
F s =0.1 m3/s（壳程流体的体积流量）
管侧流体信息（解决方案）

C pt =1200 J/kg*K（管侧流体热容量）
T 0 t =330 K（管侧流体输入温度）
t =0.0314 m（管侧流体的横截面积）
ρ t =1030 kg/m^3（管程流体密度）
F t =0.2 m3/s（管程流体体积流量）
解决方案
可以遵循通用算法来开发 Excel 模型。

1. 制作一个包含所有相关过程信息（即：T 输入、ρ 值等）的电子表格。
2. 对管程和壳程流体进行总能量平衡。进行简化并陈述假设。求解\frac{dT}{dt}
3. 将热交换器分成长度为 Δ z的小段
4. 在电子表格中，设置一个时间列。在第一行中，从 t=0 开始，然后将时间沿列向下增加 Δ h 。
5. 设置一列表示入口管侧温度T t 0。入口温度值由用户输入。对壳侧温度T s 0执行相同操作。
6. 为每个 Δ z单位设置一个出口管侧温度柱。对壳侧温度执行相同操作。对于每个温度柱：
   a. 在第一行中，对温度进行初步估计。这通常是通过将温度设置为等于进入热交换器的流体的温度来实现的。
   b. 在后续行中，通过引用适当的过程信息单元格输入欧拉方程 (Eq 10)，并获取时间t i中的所有温度，即上一行中的温度。
7. 绘制感兴趣的变量（温度）与时间的图表。
   下图说明了短时间内外部冷热温度的变化。

uler 的.jpg

要了解此过程的更详细信息，请参阅所附电子表格：

下图说明了短时间内外部冷热温度的变化。

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要了解此过程的更详细信息，请参阅所附电子表格：

hangeT.jpg

要了解此过程的更详细信息，请参阅所附电子表格：

管程温度变化