您是否曾看著煙囪里飄出的縷縷青煙，想知道它們向空氣中無用地輸送了多少能量？也許比你想象的要少！對于工廠老板來說，節約能源是一個巨大而昂貴的問題，這也是他們經常安裝熱交換器的原因之一，以便從廢氣中盡可能多地回收熱量。熱交換器還有很多其他熟悉的用途。汽車、輪船和飛機的發動機使用熱交換器來提高工作效率，燃氣鍋爐使用熱交換器來加熱熱水，如果您家里有冰箱或空調，它們也在使用熱交換器。那么，究竟什么是熱交換器，它們又是如何工作的呢？讓我們來詳細了解一下。
圖片：許多發動機和機器都使用熱交換器來提高效率。這種熱交換器以 "自由冷卻 "為基礎，即利用低大氣溫度來冷卻物體，省力省錢。照片由 Dennis Schroder 拍攝，NREL 提供（圖片 id # 52857）。
什么是熱交換器？
假設您有一臺燃氣中央供暖爐（鍋爐），用于加熱家中各個房間的熱水散熱器。它的工作原理是燃燒天然氣，形成一排或一格熱氣射流，向上噴射流經管網的水。水在管道中流動時，吸收熱能并升溫。這種布置就是我們所說的熱交換器：氣體噴射冷卻，水加熱。
熱交換器是一種裝置，它可以將一種流體（液體或氣體）的熱量傳遞給第二種流體（另一種液體或氣體），而兩種流體無需混合在一起或直接接觸。如果還不太清楚，請考慮一下這個問題。理論上，我們可以通過向氣體噴射口潑冷水來獲取熱量，但這樣火焰就會熄滅！熱交換器的基本原理是，它在傳遞熱量的同時，并不傳遞攜帶熱量的流體。
圖片：簡單熱交換器的工作原理。一種熱流體（紅色顯示）流經盤繞在一個較大外殼內的管子，另一種較冷的流體（藍色顯示）以相反的方向流經該外殼。流體之間進行熱交換：熱流體冷卻，冷流體升溫，但它們實際上并沒有接觸和混合。這是管殼式熱交換器的簡化示例：一般來說，這種設計的熱交換器有許多細管穿過一個大殼體。
熱交換器有什么用途？
您可以在各種地方看到熱交換器，它們通常用于加熱或冷卻建筑物，或幫助發動機和機器更高效地工作。
例如，冰箱和空調使用熱交換器的方式與中央供暖系統恰恰相反：它們將熱量從一個不需要熱量的隔間或房間中帶走，然后通過流體將熱量泵送到其他地方，再將熱量排出。冷卻液完全密封在一個管網中，因此實際上從未與空氣接觸：它從室內空氣中獲取熱能，并將其排放到室外空氣中，但從未直接與空氣混合。
照片： 熱泵從天然地熱溫泉中提取熱量，用于為科羅拉多州格倫伍德斯普林斯的溫泉旅館和游泳池的建筑物供暖。交換器就是水中央那塊布滿銅管、被藻類覆蓋的板。照片由 Warren Gretz 拍攝，美國能源部/國家可再生能源實驗室提供。
在發電廠或發動機中，排出的廢氣通常含有熱量，這些熱量會無用地散發到空氣中。這是一種能源浪費，而熱交換器無疑可以減少這種浪費（雖然不能完全消除--總會損失一些熱量）。解決這一問題的方法是在排氣管或煙囪內安裝熱交換器。當高溫廢氣向上飄散時，它們會擦過有水流過的銅翅片。水將熱量帶走，帶回發電廠。在那里，水可以直接循環利用，或許可以加熱進入發動機或熔爐的冷氣體，從而節省加熱這些氣體所需的能源?；蛘?，也可以將其用于其他用途，例如為煙囪附近的辦公室供暖。
圖片：淋浴廢水熱交換器的工作原理。流出的熱廢水可以加熱流入的冷水，從而減少熱水所需的能量，提高整體效率。
在公共汽車中，用于冷卻柴油發動機的液體通常會通過一個熱交換器，其回收的熱量被用于加熱從乘客車廂地板抽上來的室外冷空氣。這樣，巴士內就不需要額外安裝浪費能源的電加熱器了。汽車散熱器是另一種熱交換器。冷卻發動機的水流過散熱器，散熱器上有許多平行的鋁翅片，向空氣開放。汽車行駛時，冷空氣從散熱器吹過，帶走部分熱量，冷卻水，加熱空氣，使發動機保持高效工作。散熱器的余熱被用來加熱乘客車廂，就像在公共汽車上一樣。
如果您使用的是節能型淋浴器，它的廢水出口處可能安裝了一個熱交換器。當水滴過您的身體并順著插頭流下時，會流經熱交換器的銅線圈。與此同時，進入花灑加熱的冷水也會經過同樣的線圈，不會與臟水混合，但會吸收臟水的一些余熱并稍微升溫，這樣花灑就不需要加熱那么多水了。
熱交換器的類型
所有熱交換器都做著同樣的工作--將熱量從一種流體傳遞到另一種流體，但它們的工作方式卻有很多不同。最常見的兩種熱交換器是管殼式和板翅式。在管殼式熱交換器中，一種流體流經一組金屬管，而第二種流體則流經環繞金屬管的密封外殼。這就是上圖所示的設計。兩種流體可以同向流動（稱為平行流）、反向流動（逆流或逆流）或成直角流動（交叉流）。蒸汽機車的鍋爐就是這樣工作的。
動畫： 逆流式管殼熱交換器的工作原理。1) 換熱器由一個大外殼（淺灰色）和穿過外殼的管子（深灰色）組成。2) 熱流體從左上方進入管子，從右下方流出。3) 較冷的流體以相反的方式通過外殼，從右下方進入，從左上方流出。擋板（黑線）使流體偏轉流過外殼，有助于確保流體將熱量均勻地傳遞給所有管道。
板式/翅片式熱交換器有很多表面積很大的薄金屬板或翅片（因為這樣能更快地交換更多熱量）；燃氣爐（燃氣鍋爐）中的熱交換器就是這樣工作的。
板式/翅片式熱交換器的簡單示例。這是一種交叉流設計，兩種流體以直角流過。
下面的照片展示了一些真實熱交換器的例子
照片： 兩種類型的熱交換器。1) 管殼式熱交換器。這里面有很多管子，很容易看到。照片由馬丁-布朗（Martin Brown）和美國國家航空航天局（NASA）提供，維基共享資源。2) 板翅式熱交換器來自燃氣中央供暖鍋爐/壁爐內部。
用于盡量減少建筑物、發動機和機器熱量損失的熱交換器有時被稱為換熱器或再生器。這是兩個完全不同的概念。換熱器通常用于捕捉原本會損失的熱量，例如，從建筑物中排出悶熱的空氣：流入的冷流體與流出的熱流體反向流動，以最大限度地減少熱量損失。兩種流體流經不同的通道，保持分離，不會混合。由于流入和流出的流體方向相反，換熱器屬于逆流式熱交換器。熱回收通風（HRV）系統中的熱交換器就是換熱器的日常示例。從建筑物中流出的悶熱空氣將熱量釋放給從室外流入的新鮮冷空氣，從而使建筑物在不損失所有熱量的情況下得到適當通風。
再生器與之類似，但流入和流出的流體在不同時間以相反的方向通過同一通道。因此，暖流體將通過再生器流出，并在途中帶走部分熱量。稍后，冷流體將通過同一通道流入，流回再生器，汲取其中儲存的部分熱量。再生器是一種名為斯特林發動機的高效動力形式的關鍵部件之一，在這種發動機中，活塞推動被截留的氣體在熱源（如火）和熱量散失地（"水槽"）之間來回流動。再生器可以減少發動機在來回循環過程中損失的熱量。
什么是熱交換器的最佳材料？
您可能認為熱交換器總是需要由金屬制成，因為金屬能快速吸收和傳導熱量，而且許多熱交換器都是如此。但熱交換器也可以由陶瓷、復合材料（基于金屬或陶瓷）甚至塑料（聚合物）制成。
照片:塑料是非常適合用于低溫熱交換器的材料。
所有這些材料都有各自的優點。陶瓷是高溫應用（超過 1000度C 或 2000度F）的最佳選擇，這種應用會熔化銅、鐵和鋼等金屬，但陶瓷在高溫或低溫下與腐蝕性和磨蝕性流體一起使用時也很受歡迎。塑料通常比金屬重量輕、成本低、耐腐蝕、抗結垢，而且可以設計成具有良好的導熱性能，不過它們往往機械性能較弱，可能會隨著時間的推移而降解。雖然塑料熱交換器一般不適合高溫應用，但對于像游泳池或淋浴這樣的日常常溫應用，塑料熱交換器不失為一個好選擇。復合熱交換器結合了其母體材料的最佳特性--例如，金屬的高導熱性與塑料的輕質和更好的耐腐蝕性。
未來，我們很有可能在散熱器中使用更多有趣的材料。例如，碳納米管（碳的六角形薄片包裹成的 "管道"）具有驚人的導熱性能，目前已被用于散熱器（主要用于電子設備的散熱裝置）。目前正在進行大量研究，以了解如何將它們應用到熱交換器中。
熱交換器......或不？
如果你仍然對什么是熱交換器感到困惑，那么想想兩個日常的熱移動裝置的例子，也許會對你有所幫助，它們可以傳輸熱量，但并不是真正的熱交換器。
廚房或浴室抽風機的設計目的是將濕熱空氣從家中吸出并排出室外。由于它是將一種流體（家中的熱空氣）與另一種流體（室外的冷空氣）混合，因此它不是熱交換器。它只是一個熱量提取器。
總之，不要太拘泥于文字。只要想一想熱能的去向、流體的表現、哪些材料變熱或變冷以及原因，然后就能弄明白了。
