您是否曾看着烟囱里飘出的缕缕青烟，想知道它们向空气中无用地输送了多少能量？也许比你想象的要少！对于工厂老板来说，节约能源是一个巨大而昂贵的问题，这也是他们经常安装热交换器的原因之一，以便从废气中尽可能多地回收热量。热交换器还有很多其他熟悉的用途。汽车、轮船和飞机的发动机使用热交换器来提高工作效率，燃气锅炉使用热交换器来加热热水，如果您家里有冰箱或空调，它们也在使用热交换器。那么，究竟什么是热交换器，它们又是如何工作的呢？让我们来详细了解一下。
图片：许多发动机和机器都使用热交换器来提高效率。这种热交换器以 "自由冷却 "为基础，即利用低大气温度来冷却物体，省力省钱。照片由 Dennis Schroder 拍摄，NREL 提供（图片 id # 52857）。
什么是热交换器？
假设您有一台燃气中央供暖炉（锅炉），用于加热家中各个房间的热水散热器。它的工作原理是燃烧天然气，形成一排或一格热气射流，向上喷射流经管网的水。水在管道中流动时，吸收热能并升温。这种布置就是我们所说的热交换器：气体喷射冷却，水加热。
热交换器是一种装置，它可以将一种流体（液体或气体）的热量传递给第二种流体（另一种液体或气体），而两种流体无需混合在一起或直接接触。如果还不太清楚，请考虑一下这个问题。理论上，我们可以通过向气体喷射口泼冷水来获取热量，但这样火焰就会熄灭！热交换器的基本原理是，它在传递热量的同时，并不传递携带热量的流体。
图片：简单热交换器的工作原理。一种热流体（红色显示）流经盘绕在一个较大外壳内的管子，另一种较冷的流体（蓝色显示）以相反的方向流经该外壳。流体之间进行热交换：热流体冷却，冷流体升温，但它们实际上并没有接触和混合。这是管壳式热交换器的简化示例：一般来说，这种设计的热交换器有许多细管穿过一个大壳体。
热交换器有什么用途？
您可以在各种地方看到热交换器，它们通常用于加热或冷却建筑物，或帮助发动机和机器更高效地工作。
例如，冰箱和空调使用热交换器的方式与中央供暖系统恰恰相反：它们将热量从一个不需要热量的隔间或房间中带走，然后通过流体将热量泵送到其他地方，再将热量排出。冷却液完全密封在一个管网中，因此实际上从未与空气接触：它从室内空气中获取热能，并将其排放到室外空气中，但从未直接与空气混合。
照片： 热泵从天然地热温泉中提取热量，用于为科罗拉多州格伦伍德斯普林斯的温泉旅馆和游泳池的建筑物供暖。交换器就是水中央那块布满铜管、被藻类覆盖的板。照片由 Warren Gretz 拍摄，美国能源部/国家可再生能源实验室提供。
在发电厂或发动机中，排出的废气通常含有热量，这些热量会无用地散发到空气中。这是一种能源浪费，而热交换器无疑可以减少这种浪费（虽然不能完全消除--总会损失一些热量）。解决这一问题的方法是在排气管或烟囱内安装热交换器。当高温废气向上飘散时，它们会擦过有水流过的铜翅片。水将热量带走，带回发电厂。在那里，水可以直接循环利用，或许可以加热进入发动机或熔炉的冷气体，从而节省加热这些气体所需的能源。或者，也可以将其用于其他用途，例如为烟囱附近的办公室供暖。
图片：淋浴废水热交换器的工作原理。流出的热废水可以加热流入的冷水，从而减少热水所需的能量，提高整体效率。
在公共汽车中，用于冷却柴油发动机的液体通常会通过一个热交换器，其回收的热量被用于加热从乘客车厢地板抽上来的室外冷空气。这样，巴士内就不需要额外安装浪费能源的电加热器了。汽车散热器是另一种热交换器。冷却发动机的水流过散热器，散热器上有许多平行的铝翅片，向空气开放。汽车行驶时，冷空气从散热器吹过，带走部分热量，冷却水，加热空气，使发动机保持高效工作。散热器的余热被用来加热乘客车厢，就像在公共汽车上一样。
如果您使用的是节能型淋浴器，它的废水出口处可能安装了一个热交换器。当水滴过您的身体并顺着插头流下时，会流经热交换器的铜线圈。与此同时，进入花洒加热的冷水也会经过同样的线圈，不会与脏水混合，但会吸收脏水的一些余热并稍微升温，这样花洒就不需要加热那么多水了。
热交换器的类型
所有热交换器都做着同样的工作--将热量从一种流体传递到另一种流体，但它们的工作方式却有很多不同。最常见的两种热交换器是管壳式和板翅式。在管壳式热交换器中，一种流体流经一组金属管，而第二种流体则流经环绕金属管的密封外壳。这就是上图所示的设计。两种流体可以同向流动（称为平行流）、反向流动（逆流或逆流）或成直角流动（交叉流）。蒸汽机车的锅炉就是这样工作的。
动画： 逆流式管壳热交换器的工作原理。1) 换热器由一个大外壳（浅灰色）和穿过外壳的管子（深灰色）组成。2) 热流体从左上方进入管子，从右下方流出。3) 较冷的流体以相反的方式通过外壳，从右下方进入，从左上方流出。挡板（黑线）使流体偏转流过外壳，有助于确保流体将热量均匀地传递给所有管道。
板式/翅片式热交换器有很多表面积很大的薄金属板或翅片（因为这样能更快地交换更多热量）；燃气炉（燃气锅炉）中的热交换器就是这样工作的。
板式/翅片式热交换器的简单示例。这是一种交叉流设计，两种流体以直角流过。
下面的照片展示了一些真实热交换器的例子
照片： 两种类型的热交换器。1) 管壳式热交换器。这里面有很多管子，很容易看到。照片由马丁-布朗（Martin Brown）和美国国家航空航天局（NASA）提供，维基共享资源。2) 板翅式热交换器来自燃气中央供暖锅炉/壁炉内部。
用于尽量减少建筑物、发动机和机器热量损失的热交换器有时被称为换热器或再生器。这是两个完全不同的概念。换热器通常用于捕捉原本会损失的热量，例如，从建筑物中排出闷热的空气：流入的冷流体与流出的热流体反向流动，以最大限度地减少热量损失。两种流体流经不同的通道，保持分离，不会混合。由于流入和流出的流体方向相反，换热器属于逆流式热交换器。热回收通风（HRV）系统中的热交换器就是换热器的日常示例。从建筑物中流出的闷热空气将热量释放给从室外流入的新鲜冷空气，从而使建筑物在不损失所有热量的情况下得到适当通风。
再生器与之类似，但流入和流出的流体在不同时间以相反的方向通过同一通道。因此，暖流体将通过再生器流出，并在途中带走部分热量。稍后，冷流体将通过同一通道流入，流回再生器，汲取其中储存的部分热量。再生器是一种名为斯特林发动机的高效动力形式的关键部件之一，在这种发动机中，活塞推动被截留的气体在热源（如火）和热量散失地（"水槽"）之间来回流动。再生器可以减少发动机在来回循环过程中损失的热量。
什么是热交换器的最佳材料？
您可能认为热交换器总是需要由金属制成，因为金属能快速吸收和传导热量，而且许多热交换器都是如此。但热交换器也可以由陶瓷、复合材料（基于金属或陶瓷）甚至塑料（聚合物）制成。
照片:塑料是非常适合用于低温热交换器的材料。
所有这些材料都有各自的优点。陶瓷是高温应用（超过 1000?C 或 2000?F）的最佳选择，这种应用会熔化铜、铁和钢等金属，但陶瓷在高温或低温下与腐蚀性和磨蚀性流体一起使用时也很受欢迎。塑料通常比金属重量轻、成本低、耐腐蚀、抗结垢，而且可以设计成具有良好的导热性能，不过它们往往机械性能较弱，可能会随着时间的推移而降解。虽然塑料热交换器一般不适合高温应用，但对于像游泳池或淋浴这样的日常常温应用，塑料热交换器不失为一个好选择。复合热交换器结合了其母体材料的最佳特性--例如，金属的高导热性与塑料的轻质和更好的耐腐蚀性。
未来，我们很有可能在散热器中使用更多有趣的材料。例如，碳纳米管（碳的六角形薄片包裹成的 "管道"）具有惊人的导热性能，目前已被用于散热器（主要用于电子设备的散热装置）。目前正在进行大量研究，以了解如何将它们应用到热交换器中。
热交换器......或不？
如果你仍然对什么是热交换器感到困惑，那么想想两个日常的热移动装置的例子，也许会对你有所帮助，它们可以传输热量，但并不是真正的热交换器。
厨房或浴室抽风机的设计目的是将湿热空气从家中吸出并排出室外。由于它是将一种流体（家中的热空气）与另一种流体（室外的冷空气）混合，因此它不是热交换器。它只是一个热量提取器。
总之，不要太拘泥于文字。只要想一想热能的去向、流体的表现、哪些材料变热或变冷以及原因，然后就能弄明白了。
