热交换器的工作原理

热交换器的工作原理（精选6篇）

篇1：热交换器的工作原理

一、全热交换器工作原理

说太多的专业术语可能大家比较不容易理解，说点通俗易懂的，简单讲全热交换器就是通过自身的电机实现对室内外新风和旧风的一个置换，在置换过程中，因其自身携带过滤和热回收功能，所以在置换过程中会对空气进行过滤，滤除空气中有害物质如粉尘、PM2.5、雾霾、细菌等大分子物质，并且在排出室内污气的时候能够讲室内的热量回收，实现节能效果。

二、全热交换器分类

1、纸芯全热交换器

2、蒸发式铝芯全热交换器

三、全热交换器优点

相对以往换气扇，全热交换器是一种完全体进化，那全热交换器到底有哪些优点呢？

1、过滤：在换气的时候能够多对空气进行过滤，保证空气的干净。

2、静音：大家都知道以往的排气扇跟拖拉机一样，而全热交换器内部采用了跟空调以一样的隔音材质以及滚珠轴承的点击让噪音更低。

3、热回收：以往的换气扇只是对空气进行置换而已，无法实现空气中热量的回收，而这些全热交换器全部做到了，热量回收率可以达到85%，从而实现节能效果。

4、换气面积更大：普通换气扇换气面积有限，而全热交换器可以利用管道实现全方位24小时换气

5、除温。

四、全热交换器选型指南

计算示例：确定房间所需新风量时，应根据房间空间大小及室内人员数量综合考虑。根据上表推荐数据分别按“每人所需新风量”和“房间新风换气次数”计算出新风量数值，取二者中较大值，作为设备选型依据。某计算机房面积S=50（m2），净高h=3（m），人员n=12（人），若按每人所需新风量计算，取每人所需新风量q=50（m3/h），则新风量 Q1=n·q=12×50=600（m3/h）。若按房间新风换气次数计算，取房间新风换气次数p=4.5（次/h)。则新风量Q2=p·s·h=4.5×50×3=675（m3/h）。由于Q2 ＞Q1，故取Q2（即675m3/h）作为设备选型参数数据。

篇2：热交换器的工作原理

1、管壳式热交换器按其结构的不同一般可分为固定管板式、U形管式、浮头式和填料式四种类型。管壳式热交换器，具有结构简单、造价较低、选材范围广、适用范围广、处理能力大、清洗方便等优点，还能适应高温高压的要求。但传热效果较差、体积比较庞大，因此在某些场合需要使用在传热性能、体积等方面具有一定优点的其他型式热交换器。

（1）固定管板式热交换器：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，固称之为管板式热交换器。结构比较简单，重量轻，在壳程数相同的条件下可排的管数多。但是他的壳程不能检修和清洗，因此宜于流过不宜结垢和清洁的流体，当管束与壳体的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开。从而发生流体的泄漏。为避免后患可在外壳上装设膨胀节，但它只能减小而不能完全消除由于温差引起的热应力。这种方法不能照顾到管子的相对移动。

（2）U形管式热交换器:管束由U字形弯管组成。管子两端固定在同一管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子及壳体的影响。可将整个管束抽出清洗，但要清除内壁的污垢却比较困难，因为弯曲的管子需要一定的弯曲半径，因而在制造时需要不同曲率的模子弯管，且使管板的有效利用率降低。此外，损坏的管子也难于调换，U形管中间部分空间对热交换器的工作有着不利的影响，从而使热的应用受到很大的限制。

（3）浮头式换热器：两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接（为固定端），另一端的管板不与壳体固定连接而可相对于壳体滑动，这一端为浮头端。管束的热膨胀不受壳体的约束，壳体与管束之间不会因差胀而产生热应力。需要清洗和检修时，仅将整个固定端抽出即可进行。它的缺点是：浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，结果使壳体直径增大，或壳程与管束之间形成了阻力较小的环形通道，部分流体将有此处旁通而不参与热交换过程。优缺点表明，浮头式热交换器适用于管子与壳体间温差大，壳程介质腐蚀性强，易结垢的情况。

（4）填料函式热交换器：应用于温差较大，介质易结垢，且压力不高大场合。使一端管板固定而让另一端可在填料函中滑动的热交换器。由于填料密封处容易泄露，故不宜用于挥发、易燃易爆、有毒和高压流体的热交换。由于制造的复杂，安装不便，不宜采用这种结构。

3、管子在管板上的固定于排列：

1）等边三角形法：当层数>6时，由于六边形的弓形部分可排管子，故层数越多越有利；（最合理排列方式）2）同心圆法：比较紧凑，且靠近壳体处布管均匀，在小直径热交换器中，这种方式布管数比等边三角形要多。3）正方形法：一定管板面积是可排列的管数最少，但它易于清扫，故在易于生成污垢、需将管束抽出清洗时的场合得到应用（浮头式~和填料函式~）

5、补强圈：保护传热管，定距管：定折流板间距拉杆：用于固定折流板，分程隔板：为了将热交换器的管程分为若干流程；

4、区分挡管、折流板、定距柱：拉杆和定距管主要用于

折流板的安装，拉杆主要固定折流板在垂直方向上的位置，减少由流体作用换热管与折流板之间的摩擦，定距管主要是定位折流板在水平方向上的距离，也就是控制折流板的间距，提高换热效率。

5、折流板：为了提高流体的流速和湍流强度，强化壳程流体的传热，在管外空间装设纵向隔板或折流板。纵向隔板在U形管壳式热交换器中常有应用，折流板除使流体横过管束流动外还有支撑管束、防止管束振动和弯曲的作用，装设比纵向隔板简单。常用形式有：弓形折流板、盘环形。有时折流板附近出现流动“死区”，为避免应使折流板倾斜。

优点：没有传热死区、结垢速度慢、管束不易振动 挡管和旁路挡板：防止壳程流体短路 防冲板与导流筒：保护传热管束

6、管壳式热交换器的基本构造：⑴管板⑵分程隔板⑶纵向隔板、折流板、支持板⑷挡板和旁路挡板⑸防冲板

产生流动阻力的原因：①流体具有黏性，流动时存在着摩擦，是产生流动阻力的根源；②固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。

热交换器中的流动阻力：摩擦阻力和局部阻力

管壳式热交换器的管程阻力：沿程阻力、回弯阻力、进出口连接管阻力

管程流过的流体：容积流量小，不清洁、易结垢，压力高，有腐蚀性，高温流体或在低温装置中的低温流体。

7、卧式和立式管壳式换热器型号表示法： 前端管箱：

A-平盖管箱，B-封头管箱，C-用于可拆管束与管板制成一体的管箱； N-与管板制成一体的固定管板管箱，D-特殊高压管箱；

壳体型式：

E-单程壳体，F-具有纵向双程壳体G-分流，H-双分流，I-U形管式热交换器，J-无隔板分流K-釜式重沸器，O-外导流

后端结构形式：

L-与A相似的固定管板结构，M-与B相似的固定管板结构 N-与C相似的固定管结构，P-填料函式浮头，T-钩圈式浮头 U-U形管束，W-带套环填料函式浮头

第三章高效间壁式换热器

1、间壁式热交换器有固定传热面，热量在同一时刻通过固体壁由一侧的热流体传递给另一侧的冷流体。

紧凑性是指热交换器的单位体积中所包含的传热面积大小，单位为（m2/m3），凡大于700m2/m3的热交换器即可称为紧凑式热交换器。

2、螺旋板式热交换器：是一种由螺旋形传热板片构成的热交换器。它比管壳式热交换器传热性能好，结构紧凑，制造简单，运输安装方便。适用于石油化工、制药。食品、染料、制糖等工业部门的气-气、气-液、液-液对流或冷凝的热交换。

基本构造包括螺旋形传热板、隔板、头盖连接管等。包含由两张厚2~6mm的钢板卷制而成的一对同心圆的螺旋形流道，中心处的隔板将板片两侧流体隔开，冷热流体在板两侧的流道内流动，通过螺旋板进行热交换。螺旋板一侧表面上有定距柱，为了保证流道的间距，也能加强湍流和增加螺旋板刚度的作用。

3、板式热交换器：近几十年得到发展和广泛应用的一种新型高效、紧凑的热交换器。它由一系列互相平行、具有波纹表面的薄金属板相叠而成，比螺旋板式热交换器更为紧凑，传热性能更好。按构造分为可拆卸（密封垫式）、全焊式和半焊式三类，可拆卸式热交换器主要三个部件为：传热板片、密封垫片、压紧装置及其他一些部件（轴、接管等）。

优点：1结构紧凑，占用空间小；2传热系数高；3顶部温差小；4热损失小；5适应性好，易调整；6流体滞留量小。

缺点：处理能力不大，操作压力比较低（<20atm），操作温度不能太高（<300摄氏度）。

传热板片：板式热交换器的关键元件，使流体在低速下发生强烈湍流，以强化传热；提高板片刚度，能耐较高的压力。

密封垫片：为了防止外漏和两流体之间内漏，安装于密封槽内，运用中承受压力和温度，而且受着工作流体的侵蚀，在多次拆装后要求它具有良好的弹性；在两板片间造成一定间隙形成介质的通道。

压紧装置：用于将垫片压紧，产生足够的密封力，使得热交换器在工作时不发生泄漏。

4、板翅式热交换器：

结构基本单元为隔板、翅片及封条三部分。冷热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。因而，这样的结构基本单元体也就是进行热交换的基本单元，将许多基本单元根据流体流动方式的布置叠置起来，钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。

翅片作用和形式：翅片是板翅式热交换器最基本元件，冷热流体之间热交换大部分通过翅片，小部分直接通过隔板。翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间的加强作用面扩大传热面积形成二次传热面。封条：使流体在单元体的流道中流动而不向两侧外流。它的上下面均具有0.15mm的斜度，以便在组成板束时形成缝隙，利于钎剂渗透。

导流片和封头：导流片是为了便于把流体均匀地引导到翅片的各流道中或汇集到封头中，同时也起保护较薄的翅片在制造时不受损坏和避免通道被钎剂堵塞的作用。封头作用是集聚流体，使板束与工艺管道连接起来 隔板与盖板：板翅式热交换器板束最外侧的板称为盖板，它除承受压力外还起保护作用。

板翅式热交换器传热强度高，主要是由于翅片表面的孔洞、缝隙、弯折等促使湍动，破坏热阻大的层流底层，所以适合于气体等传热性能差的流体间传热。主要不足之处是流道狭小，容易引起堵塞而增大压力降由于不能拆卸，一旦结垢，清洗就很困难。

5、翅片管热交换器：一种带翅（亦称带肋）的管式热交换器，它可以有壳体也可以没有。可以仅由一根或若干翅片管组成，也可再配以外壳、风机等组成空冷器式的热交换器。

翅片管：是翅片管热交换器的主要换热元件，翅片管由基管和翅片组合而成，对翅片管要求：有良好的传热性能、耐温性能、耐热冲击能力及耐腐蚀能力，易于清理尘垢，压降较低等。

6、（重要）热管热交换器优点：1很高的导热性、2优良的等温性、3热流密度可变性、4热流方向的可逆性，环境的适应性。热管不仅可用于散热，还可用于热开关、热控制。

热管的组成：热管是热管换热器的最基本元件，从其外观来看，通常是一根有翅片或无翅片的普通圆管，其主要结构特点表现在管内。它由管壳、毛细多孔材料（管芯）和蒸汽腔（蒸汽管道）组成。工作时；蒸发段因受热而使其毛细材料中的工作液体蒸发蒸发，蒸汽流向冷凝段，在这里受到冷却使蒸汽凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管一端传至另一端。由于汽化潜热大，所以在极小的温差下就能把大量的热量从热管的蒸发段传至冷凝段。绝热段作为蒸汽通道的不工作部分不承担传热任务，而是为了分开冷热源并使热管能适应任意需要的几何形状布置而设置的。

问答：青藏铁路为什么要插热管？

夏天气温上升，冻土层中的冰吸热就要熔化，上面的路基就塌了，而冬天温度降低，冻土层的体积就要变大，上面的路基和钢轨就会被起来，一降一升，火车极易脱轨。热管里面装有液氮，路基温度升高时，液氨吸收热量发生汽化现象，上升到热管的上端，通过散热片将热量传导给空气，此时气态氨放出热量发生液化现象，变成了液态氨，又沉入管底，这样，热管就相当于一个“制冷机”。（。。红色部分。。）目前，以热管为传热元件的热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。第四章混合式热交换器

1、混合式热交换器是依靠冷热流体直接接触进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧污垢形成的热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热效率。共同优点是结构简单，消耗材料少，接触面大，并因直接接触而有可能使得热量的利用比较安全。按用途可分为：冷水塔（冷却塔）、气体洗涤塔（洗涤塔）、喷射式热交换器、混合式冷凝器。1）冷水塔：根据循环水在塔内是否与空气直接接触可分为干式、湿式。干式冷水塔是吧循环水送到安装于冷却塔中的散热器内被空气冷却，这种塔多用于水源奇缺而不允许水分散失或循环水污染的情况。而湿式冷水塔则让水与空气直接接触，把水中的热传给空气，在这种塔中，水因蒸发而造成损耗，蒸发又使循环的冷却水含盐度增加，为了稳定水质，必须排放掉一部分含盐度较高的水，补充一定的新水，因此湿式冷水塔要有补给水源。

按照热质交换区段水和空气两者流动方向的不同，方向相反的为逆流塔，方向垂直交叉的为横流塔。淋水装置：将进塔的热水尽可能形成细小的水滴或水膜，以增加水和空气的接触面积，延长接触时间，增进水汽之间的热质交换。

配水系统：在于将热水均匀地分配到整个淋水面积上，从而使淋水装置发挥最大冷却能力。

通风筒：是冷水塔的外壳、气流的通道，作用在于创造良好的空气动力条件，并将排出的冷却塔的湿热空气送往高空，减少或避免湿热空气回流。自然通风冷水塔一般都很高，有的达到150m以上，而机械通风冷水塔一般在10m左右的高度。包括风机的进风口和上部的扩散筒。为了保证进、出风的平缓性和清除风筒口的涡流区，风筒的界面一般用圆锥形或抛物线形。

冷水塔工作原理：冷水塔内水的降温主要是由于水的蒸发散热和气水之间的接触传热。因为冷却塔多为封闭形式，且水温与周围构件的温度都不是很高，故辐射传热量可不予考虑。

混合式热交换器优点：结构简单，消耗材料少，接触面积大，并且直接接触，而使得热量的利用比较安全。

绪论及第一章热交换器计算

1、热交换器：将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备。

2、热交换器的分类：按照传热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式。按照热流体与冷流体的流动方向分为：顺流式、逆流式、错流式、混流式 ；

3、各种类型的间壁式热交换器：沉浸式热交换器、喷淋式热交换器、套管式热交换器、管壳式热交换器

4、管壳式热交换器的振动与噪声： 1）涡流脱落---A降低壳侧的流速

2）流体弹性旋转---B增加管子的固有频率 3）湍流抖振---C提高声振频率

第五章蓄热室热交换器

1、蓄热式热交换器：冷、热流体交替流过廷议固体传热面及其形成的通道，依靠构成传热面的物体热容作用（吸热或放热），实现冷热流体之间的热交换。用于流量大的气-气热交换场合，有交叉污染，温度波动大。

2、回转型蓄热式热交换器：主要由圆筒形蓄热体（常称转子）及风罩两部分组成。它又分为转子回转型和外壳回转型。转子就是一个蓄热体。在转子回转型中，转子转动，而风罩不动；转子回转时，按照一定周期不断交替地通过冷热流体通道。设转子某部分在某一时刻通过了热流体通道，转子上的蓄热体就吸收并积蓄了人呢过；到下一时刻，转子该部分到达冷流体通道，就把所储蓄的热能释放给冷流体。对于外壳回转型，转子不动。而外壳（风罩）在转动，同样达到了热交换的目的。蓄热板的形状应不使气体在其上作层流流动，同时能防止它在烟气中发生腐蚀和堵塞。气体在其中平均流速为8~16m/s，流动阻力控制在250~100Pa。蓄热板组合件中的波形板和定位板上斜波纹与气流方向约成30度夹角，而两者波纹方向相反，以加强扰动，提高传热效果。因蓄热板布置紧密，容易堵灰，故在传热面的上下部设有蒸汽吹灰装置。当空气预热器发生二次燃烧事故时，吹灰装置可兼作灭火设施使用。

3、阀门切换型蓄热式热交换器：由两个相同的充满蓄热体的蓄热室所构成。当双通阀门处于图示位置时，冷空气从蓄热室乙流过，蓄热体释放热量使冷空气受热，热烟气则在同时流过蓄热室甲，将甲中蓄热体加热而烟气本身被冷却，在一定时间间隔后，将双通阀门转动90度，则使冷空气改向流过甲，热烟气流过乙。如此定期地不断切换双通阀门就可实现冷、热气体之间的热交换。

5、传热强化 增强传热的基本途径：①扩展传热面积F②加大传热温差Δt③提高传热系数K

6、热补偿措施：减小管子与壳体的温差、采用膨胀节、使管束与壳体均能自由膨胀、弹性管板补偿、双套管温度补偿。

7、容量（W＝Mc）：表示流体的温度每改变1℃时所需的热量

温度效率（P）：冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率

8、传热有效度（ε）：实际传热量Q与最大可能传热量Qmax之比，即ε=Q/Qmax。意义：以温度形式反映出热、冷流体可用热量被利用的程度。

传热单元数：是实际传热速率和理论上可能的最大传热速率之比，反映冷热流体间换热过程难易程度的参数，也是衡量换热器传热能力的参数。

篇3：热交换器的工作原理

关键词：串行A/D转换器,微处理器,时序操作

0、引言

A/D转换器是一种能将模拟量转换成数字量的器件。目前测控系统和微处理器密不可分, 但微处理器只能识别和处理数字量, 然而常见的测控对象都是模拟量 (如温度、气体、位移等) 。对于模拟信号, 一般先经过各种传感器把各种物理量转换成电压信号, 再经过A/D转换器将这些模拟量数字化[1], 传送到微处理器进行处理。A/D转换器种类很多, 有多种分类方式。按接口方式可分为串行A/D[2]和并行A/D[3];按转换原理可以分为逐次逼近型、双积分型等;按分辨率又可分为8、12、14、16、18等多种类型, 位数越高分辨率也越高。A/D转换器广泛用于仪器仪表、传感器、工程检测等方面。

近年, 串行A/D转换器由于一些优良的特性得到广泛应用。这些优良特性包括 (1) 体积小巧, 管脚较少, 明显减少了布线难度和电路板面积; (2) 控制端口和数据端口很少, 明显减少了对微处理器IO的占用; (3) 转换精度与串行输出无关, 由位数决定; (4) 在同样的转换时间指标前提下, 使用串行或并行A/D转换器实现数据采样, 转换时间上的差异往往被忽略。鉴于串行A/D转换器出现较晚, 本文重点分析串行A/D转换器的原理和使用技巧。

1、串行A/D转换器原理

串行A/D转换器的工作原理, 常用的有两种:双积分式A/D转换器和逐位逼近式A/D转换器。串行双积分式A/D转换器采用间接测量方式, 在一次测量中用同一积分器进行两次积分。具体过程是:对被测电压Vin进行定时积分, 然后对参考电压进行定值积分。参考电压是恒定的, 参考电压和输入电压反向, 积分的结果是参考电压进行反向积分的时间T, 正比于输入电压。并行转串行模块将数据最终输出。双积分A/D转换器的原理框图如图1所示。

逐位逼近式A/D转换器对采样输入信号与已知电压不断进行比较, 然后转换成二进制数。Vx是输入模拟信号, Vs是输入参考信号。开始转换前, n位移位寄存器SAR清0, 然后从高位到低位逐次比较, 确定某一位是1还是0, 最终得到输入信号的数字量。逐位逼近式A/D转换器的原理框图如图2所示。

2、串行A/D转换器的选择原则

2.1 满足精度要求

串行A/D转换器的精度一般由分辨率来表示, 分辨率是对输入模拟信号的分辨能力。满量程电压为FSR, 从理论上讲, 一个n位分辨率的串行A/D转换器能分辨的最小电压是:

是例如, 12位的A/D转换器, 参考电压是5V, 则其分辨率为:5V/212即1.22mV。当需要较高的测量精度时, 应选用高分辨率的转换器。

2.2 满足转换速度要求

串行A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换速度。转换电路的类型很大程度上决定了转换时间。双积分型串行A D转换器的转换速度最慢, 需几百毫秒左右;逐次逼近式串行A D转换器的转换速度较快, 转换速度在几十微秒。对于信号变化较快的模拟信息, 应采用逐次逼近式串行A/D转换器。

2.3 满足接口要求

选择A/D转换器, 除了要满足精度和转换速度的要求, 还要满足接口要求。当微处理器I/O比较紧张时, 选用串行A/D转换器可以明显减少I/O的争用, 从而简化硬件电路设计。

3、串行A/D转换器的使用技巧

3.1 了解特定型号的优势和应用范围

串行A/D转换器的型号丰富, 各种型号都有一定的使用范围, 使用也有一些限制条件。充分了解特定型号的优势和约束, 对发挥转换器性能和降低硬件成本有重要意义。这些信息从A D转换器数据手册中获得是最直接的。

3.2 A/D转换器与控制器的连接

串行A/D转换器的管脚可分为:模拟信号输入口、控制口、数据输出口、电源口。模拟信号输入口接收外界的模拟电压量, 传感器输出的信号可能是电流或电压信号。如果是电流信号需要先转换成电压信号。如果是微弱的电压信号还需要作放大处理, 例如一个温度传感器输出信号为0～500mV, A/D的满量程为5V, 就需要将传感器的信号放大10倍, 充分利用AD转换器的量程。

A/D转换器的控制口可以控制A/D转换器和微处理器的通信。控制口的作用主要体现在时钟、片选和数据交换的控制。串行A/D转换器一般采用SPI口通信, 如果微处理器包含SPI口, A/D转换器和微处理器的通信就非常容易, 否则需要使用微处理器的4个通用I/O口模拟SPI功能。

电源的处理对A/D转换器的精度有很大影响, 需要特别关注[4]。A/D转换器是典型的模拟器件, 在噪声环境中, 模拟器件的电源都需要一个陶瓷电容并联一个10uF的钽电容。对于电路板的模拟电路区和数据电路区需要分开, 模拟地和数字地单点相连, 这样可以避免数字电路的噪声电流通过模拟地回流到模拟地, 干扰模拟信号。12位的串行A/D转换器, 参考电压5V, 600mv的干扰电压就相当于LSB的一半。

3.3 A/D转换程序的编写

A/D转换的数据采集程序最复杂的部分是时序操作, 串行A/D转换器的数据读写时序是由具体器件决定的, 一般芯片的数据手册有详细的时序说明。下面常见的80C51微处理器和TLC2543串行A/D转换器为例, 说明没有SPI口的微处理器的数据采集程序的编写。假设P1.2配置为输入端, 接收采集到的串行数据;P1.0、P1.1、P1.3编程为输出端;P1.3作为TLC2543的片选端口。要和TLC2543接口, 需要软件来模拟合成SPI操作的时序, 要尽可能的选择微处理器的最高时钟频率以优化接口速率。

A/D转换程序的流程图, 如图3所示。可以用累加器和带进位的左循环移位指令来合成模拟地SPI操作, 在TLC2543和80C51之间传递指令。通过检测到最低位标志 (LSBF) 来决定哪个字节最先传送。

4、结论

串行A/D转换器由于在芯片体积、管脚数量、转换精度和转换速度方面都有一定优势, 在同样的性能要求下, 串行A/D转换器占用的微处理器I/O管脚更少, 芯片更小巧。但是串行A/D转换器的原理和使用也有一定特殊性, 本文详细介绍了串行A/D转换器的原理及软硬件上的设计技巧。

参考文献

[1].戴澜, 周玉梅, 胡晓宇.一种应用于流水线A/D转换器的数字校准算法[J].微电子学.2007, 37 (4) .

[2].孟昊, 吴武臣.一种18位SARADC的设计实现[J].中国集成电路.2008 (4) :

[3].徐静平, 陈娟娟, 邓满珍等.低功耗14/8bit逐次逼近式A/D转换器的设计[J].2009, 37 (3) .

篇4：热交换器的工作原理

关键词：热交换原理 热量计算 热交换装置

中图分类号： TE96文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

对于大部分上班族和住校学生来说，早晨的时间很紧张，几乎没有时间做早饭、吃早饭。但营养学家说“早餐是三餐中最重要的一顿——必须吃好。”在短时间内烹饪早餐，满足早餐需要的蛋白质、脂肪、碳水化合物等营养成份，最常见的早餐食品有鸡蛋、牛奶、谷物等。问题是：（1）牛奶不能高温加热；（2）当天煮鸡蛋时间太长，提前煮好的鸡蛋、不能用微波炉加热（容易爆炸）；（3）早餐的谷物食品最好有盐，但是烹饪比较麻烦；（4）对于在校学生来说，没有烹饪条件，只有开水能用；（5）泡一碗方便面来解决，短时间可以泡好，但是方便面太烫，等它慢慢凉，又太费时间。

基于热交换原理研制的早餐热源共享器，利用热能转换，“3分钟+1碗开水”可以解决如上问题，使早餐既营养丰富、品种多样，又节省时间。

1.设计方案

利用物理课上学的热交换原理，设计一套热交换装置，将方便面的热量迅速交换出来，用于加热其他食品例如袋装奶、鸡蛋等食品，即“三分钟+一碗开水”搞定早餐利器。

热交换装置设计为两部分：装置一为热提取器，作用是将方便面碗的热量迅速交换出来；装置二为加热器，用于加热其他食品，例如袋装奶、鸡蛋等食品。

2.热传递过程中的热量计算

2.1体积计算

首先，根据方便面碗的外观尺寸计算一碗方便面所容纳的水的體积，

V=∏R2H=3.14×6×6×10=1130.4cm3

如果碗中充满水，水的质量M水=1.13千克。

2.2释放和转化热能计算

接着我们计算方便面中的水由95℃降至50℃所释放的热量：

Q释放=C水×M水×△T水=4.2×1000×1.13×（95-50）=213.57千焦

设方便面中的热量转化为其他食品热量过程中热转化率为40% ，这其中包括热辐射损失和参与交换液体吸收热量损失，转化出的热量为：

Q转化=Q释放×η=213.57×0.4=85.42千焦

2.3吸收热能计算

计算牛奶和鸡蛋由室温15℃加热至45℃所需热量Q奶，这里设牛奶比热容与水的比热容相同，即Q奶=Q水，则一袋奶的质量为0.25千克（半斤）M奶=0.25千克，计算加热一袋奶所需要的热量

Q奶= C奶×M奶×△T奶=4.2×1000×0.25×（45-15）=31.5千焦

假设加热一个鸡蛋所需要的热量与加热一袋牛奶所需要的热量相同，即设Q蛋与Q奶相同（实际Q蛋

Q需要=Q奶+Q蛋=63千焦

2.4在热交换过程中转换热能量和需要热能量比较

假设在热交换过程中达到热平衡的条件下（45℃）热传递转化率为40%情况下：

Q转化=85.42千焦>Q需要=63千焦

2.5热能计算结论

一碗方便面所释放热量可以满足将一袋牛奶和一个鸡蛋加热至适合食用的温度。

3.实验验证

为验证热能计算的有效性，设计实验方法，测试方便碗释放三分钟热能可以将适量水加热至适当的温度。

实验方法：取一个比方便面碗稍大的容器，加适量水，将方便面碗用开水冲泡，放置于盛水的容器内。三分钟后，将方便面碗取出，测量容器内水温。共测量20次，取平均温度。

经实验再次验证，一碗方便面所释放热量可以满足将一袋牛奶和一个鸡蛋加热至适合食用的温度。

4.主要部件设计

（1）热提取器——热提取器与方便面碗外形相同，为双层封闭结构，双层之间内腔间距1CM，设上下两个出回水口，材质为不锈钢外层加保温层防止热散失。

（2）加热器——加热器为桶状结构，

中部和低侧部设两个出回水口，桶底部为比方便面碗略大的圆形金属底盘。

（3）两根水导管——用于连接热提取器和加热器，形成冷热水循环。

（4）携带用盖——携带时，与加热器相扣在一起，形成圆形盒子，将其他部分放置其中。

早餐热源共享器效果图

5. 操作步骤

（1）使用前保证热交换器中水加至需要程度。

（2）将牛奶和鸡蛋放入加热器中（浸没在水中）。

（3）将方便面碗放入热提取器中。

（4）用开水冲泡方便面，将方便面碗内水加至将满，将加热器盖在方便面碗上，即可同时加热方便面、牛奶、鸡蛋等食品。

6. “三分钟+一碗开水”早餐热源共享器主要特征

（1）加热器和热提取器用导管相连。

（2）加热器与热提取器皆为上面水口相连，将热提取器中热水供至加热器。

（3）加热器与热提取器皆为下面水口相连，将加热器的冷水回流至热提取器。

（4）热交换装置加水时，用携带用盖作为加热器的底座，使加热器高于热提取器，加热器中水不易溢出。

（5）加热器放在方便面碗上加热时，要将方便面碗上纸盖撕掉，保证面碗上方蒸汽热传导畅通。

（6）携带时，携带用盖和加热器相扣成圆盒，其他零件放入其中。

7.结语

这个基于物理课堂所学的热交换原理研制设计的早餐热源共享器，“三分钟+一碗开水”搞定早餐，帮助学生和上班族节省早餐准备时间，高效利用热能，利用蒸汽传导和接触传导两种方式，置换方便面中多余热量，三分钟内同时加热方便面、牛奶、鸡蛋等早餐食品，热交换效率高，操作简便易行，已经获得国家专利，专利号201520633594.X。

参考文献

[1]热交换器原理与设计 作者 史美中 王中铮 东南大学出版社

篇5：热交换器的工作原理

摘要：CS5361是CRYSTAL公司推出的192kHz采样率、多位(24位)音频Δ-ΣA/D转换器，它具有双通道输入、采样率高、动态范围大等特点，非常适合于高端音响或其它领域的应用。文中介绍了CS5361的主要特点、工作原理，并给出了它的典型应用实例。

关键词：AD转换器;CS5361;采样

1 CS5361的主要特性

CS5361是CRYSTAL公司推出的114dB、192kHz数据输出率的24位Δ-Σ结构音频AD转换器，其主要特性如下：

●采用多位Δ-Σ结构;

●具有24位转换精度;

●114 dB动态范围;

●总谐波失真+噪声优于-105 dB;

●系统采样率高达192kHz;

●功耗小于150mW?

●内部带有高通滤波电路或直流失调电压标定电路;

●内带线性相移数字抗混滤波器;

●支持5V到2.5V逻辑电平;

●采用差动输入结构;

●具有溢出检测功能;

●采用24脚SOIC或TSSOP封装形式。

CS5361是供数字音频系统使用的完整的模数转换器，可完成采样、模数转换、抗混滤波等功能，并最终产生以串行模式输出的、对应于左右两个输入通道信号的`24位采样数据，而且其最高数据输出率可高达192kHz。

CS5361芯片采用具有优良噪声抑制能力的差动输入结构，并采用5阶多位Δ-Σ调制器，同时带有数字滤波器和抽样器，从而避免了需要外部抗混滤波器的麻烦。

2 CS5361的引脚排列及功能

CS5361采用24脚SOIC或TSSOP封装，引脚排列图如图1所示。芯片内部结构图如图2所示。各引脚的功能如下：

RST：低功耗模式选择端，低电平有效;

M/ S：主、从模式选择引脚，该脚为低电平时，芯片为从工作模式;

篇6：热交换器的工作原理

随着电子技术的发展, 各种新型的电子产品对电源及其管理模块的负载瞬态响应速度要求越来越高[1,2,3,4]。V2控制DC-DC变换器具有快速的负载动态响应速度, 在微处理器及便携式电子产品及其电源管理模块中有着广泛的应用前景[5,6,7]。已有文献对V2控制DC-DC变换器的研究主要集中于Buck变换器[8,9,10], 主要原因在于传统的V2控制技术 (即峰值V2控制) 是利用开关管导通期间输出电压上升到峰值电压, 实现开关管由导通状态到关断状态的切换。对于Boost变换器, 由于开关管导通期间, Boost变换器电感电流没有输出到滤波电容和负载上, 即Boost变换器的输出电压不会因为电感电流上升而增加。相反, 在开关管导通期间, 由于滤波电容为负载提供能量, 输出电压反而减小, 不能满足峰值V2控制的要求, 从而使峰值V2控制方法不能应用于Boost变换器电路, 文献[11]因此得出了V2控制技术不能用于Boost变换器的结论。

文献[12]结合谷值电流控制的思想, 将谷值控制与V2控制技术相结合, 提出了谷值V2控制技术, 并将其应用于Buck变换器, 对其稳定性和瞬态特性进行了研究。结果表明, 对于Buck变换器, 谷值V2控制具有比谷值电流控制更快的瞬态特性, 且两者具有相同的稳定性。

本文在详细分析Boost变换器输出电压纹波的基础上, 结合谷值V2控制技术的优势, 首次将谷值V2控制技术应用于Boost变换器, 从而解决了传统的V2控制不能应用于Boost变换器的问题。

1 Boost变换器输出电压纹波

V2控制方法本质上是基于输出电压纹波的控制方法。欲将谷值V2控制方法应用于Boost变换器, 首先需要分析Boost变换器的输出电压纹波。在开关管VT导通期间, Boost变换器的直流输入电源仅为电感充电储能, 电容对负载进行供电, 能量传输模式比较简单。而开关管VT关断期间, 能量传输情况比较复杂, 文献[13-14]根据开关管VT关断期间的能量传输模式, 将开关管VT关断期间的工作模式分为电感完全供能模式CISM (Complete Inductor Supply Mode) 和电感不完全供能模式IISM (Incomplete Inductor Supply Mode) 。再结合电感电流连续导电模式CCM (Continuous Conduction Mode) 和电感电流不连续导电模式DCM (Discontinuous Conduction Mode) , 将开关管VT关断期间的工作模式分为3种:电感电流连续导电且电感完全供能模式 (CCM-CISM) ;电感电流连续导电且电感不完全供能模式 (CCM-IISM) ;电感电流不连续导电且电感不完全供能模式 (DCM-IISM) 。文献[13-14]以此划分方式详细讨论了不含输出电容等效串联电阻ESR (Equivalent Series Resistance) 影响的输出电压纹波。由于ESR对输出电压纹波有着重要的影响, 本节首先从能量传输的角度讨论含有输出电容ESR的Boost变换器输出电压纹波, 据此分析谷值V2控制方法应用于Boost变换器的可行性。

图1为考虑输出电容ESR时的Boost变换器拓扑。为了便于分析, 本文仅考虑大ESR和大电容的情况, 即在CCM时, ESR上的电压变化远大于电容电压变化。

1.1 Toff阶段 (0

开关管VT关断时的等效电路如图2所示。在开关管VT关断期间, 当Boost变换器工作于CCM时, 既可以是电感完全供能, 也可以是电感不完全供能;当Boost变换器工作于DCM时, 只能是电感不完全供能。

根据能量传输形式, 在Toff阶段, Boost变换器存在3种工作模式。

a.CCM-CISM。图3所示为开关管VT关断期间, 工作于CCM-CISM的Boost变换器的主要工作波形。

从图3可以看出, 在开关管VT关断期间, 电感电流最小值ILmin大于负载电流Io, 电容电流iC=iL-Io始终大于0, 即电感电流既为负载提供能量, 同时还为电容充电。

b.CCM-IISM。图4所示为开关管VT关断期间, 工作于CCM-IISM的Boost变换器的主要工作波形。

从图4可以看出, 电感电流最小值ILmin小于负载电流Io。在0Io, 电容电流iC>0, 电感既为负载提供能量, 又为电容充电;在t1

c.DCM-IISM。图5所示为开关管VT关断期间, 工作于DCM-IISM的Boost变换器的主要工作波形。

从图5可以看出, 在0Io, 电容电流iC>0, 电感既为负载提供能量, 又为电容充电;在t1

从图3—5可以看出, 无论Boost变换器工作在哪一种模式, 在开关管VT关断瞬间, 即t=0时刻, 电感电流达到最大值ILmax。在t=0时刻, 最大电感电流ILmax直接加到输出电容支路, 而电容电压不能突变, 所以输出电压在VT关断瞬间发生跳变。输出电压跳变量为:Δu=ILmaxre。

图3、图4表明, 当Boost变换器工作于CCM时, 在开关管VT关断期间, 电感电流近似线性下降, 其斜率为diL/d t= (ug-uo) /L, 电感电流为:

假定负载电流不变, 电感电流纹波完全流过输出电容支路, 输出电压为:

由于输出电容很大, 且开关频率远大于变换器的自然频率, 在开关管VT关断期间, 可认为电容电压Ucap基本不变。由式 (2) 可以看出, Boost变换器工作于CCM时, 输出电压uo随着电感电流的下降而线性下降。

从图5可以看出, 当Boost变换器工作于DCM时, 电感电流为:

由于电容电压基本保持不变, 当电感电流为0时, 输出电压也近似保持不变。实际上, 因为电容放电, 电压会有略微下降。此时, 对应输出电压为:

1.2 Ton阶段 (Toff≤t

图6所示为开关管VT导通时Boost变换器的等效电路。

当开关管VT导通时, 电源对电感进行充电, 电感电流线性上升, 其斜率为diL/d t=ug/L>0。此时, 负载完全由电容提供能量, 电容电流iC=-Io, 输出电压与此时的电感电流无关, 输出电压为:

在此阶段, 电感电流为:

当Boost变换器工作于DCM时, ILmin=0。

值得注意的是, 当Boost变换器工作于CCM时, 在开关管VT由关断到导通切换的瞬间, 即t=Toff时刻, 由于电感电流不为0, 使得电容电流发生跳变, 引起输出电压发生跳变。输出电压跳变量为:Δu=ILminre。对于DCM, 在t=Toff时刻, 电感电流已经下降为0, 使得输出电压不会发生跳变。输出电压纹波如图3—5所示。

通过对Boost变换器输出电压纹波的分析可知, 在Ton阶段, 尽管电感电流线性增加, 但是输出电压是减小而不是增加, 输出电压纹波不包含电感电流上升的信息, 不能满足峰值V2控制的要求, 因此峰值V2控制方法不能应用于Boost变换器[7]。谷值V2控制方法是在开关管VT关断期间, 输出电压下降到谷值电压时, 使开关管VT导通, 从而完成开关状态的切换。通过前面的分析可以发现, 对于Boost变换器, 在Toff阶段, 不管工作于哪种模式, 输出电压随着电感电流的下降而近似线性下降。如果以Toff阶段输出电压下降到相应的电压值作为开关管VT由关断向导通转换的谷值阈值电压, 就可以实现对开关管状态切换的控制。因此, 谷值V2控制方法可以应用于Boost变换器。与谷值电流控制不能工作于DCM不同, 由于谷值V2控制是以输出电压为控制对象, 在开关管关断期间, 当电感电流下降到0时, 由输出电容为负载提供能量, 输出电压会继续下降。因此, 谷值V2控制方法仍然可适用于DCM的Boost变换器。本文仅讨论工作于CCM的Boost变换器。

2 谷值V2控制Boost变换器工作原理

图7所示为谷值V2控制Boost变换器电路, 其中控制器主要由误差放大器、比较器和锁存器构成, R1、R2构成内环电压采样电路, Uref为参考电压, uramp为补偿斜坡电压, CP为时钟信号。

在每一个开关周期开始时刻, 时钟信号使锁存器复位, 通过驱动电路控制开关管VT关断, 二极管VD导通, 电感电压uL=ug-uo<0, 电感电流近似线性下降, 电感电流满足式 (1) 。此时, 输出电压满足式 (2) 。开关管VT关断期间, 由于电容较大, 开关频率很高, 电容电压Ucap可认为保持不变, 输出电压变化与电感电流变化近似满足Δu=reΔiL。开关管VT关断期间电感电流线性下降, 使得输出电压也近似线性下降, 下降斜率为。内环检测电压为us=Kuuo, 其中, Ku=R2/ (R1+R2) 为内环输出电压采样系数。当内环检测电压us下降到补偿后的谷值控制电压uk时, 比较器输出高电平, 使锁存器置位, 开关管VT导通, 电感电压uL=ug>0, 电感电流线性上升且满足式 (6) 。此时, 二极管承受反压关断, 输出电容为负载供电, 输出电压满足式 (5) 。电容电压Ucap因为电容放电而略微减小, 内环检测电压us也有所下降, 如果忽略Ucap的变化, 输出电压也保持不变, 直到下一个开关周期到来。

根据控制环路, 在每一次开关管VT导通前瞬间, 斜坡补偿谷值V2控制Boost变换器的内环采样电压us等于补偿后的控制电压, 因此有:

其中, K为误差放大器的比例系数。

将us=Kuuo代入, 有:

即:

其中, 为等效的补偿斜坡电压。

由式 (7) 可以看出, 开关管VT由关断向导通切换瞬间的输出电压阈值, 可以等效为在未补偿的谷值阈值Uk的基础上叠加一个等效的补偿斜坡电压u′ramp。因此, 在CCM下, 斜坡补偿谷值V2控制Boost变换器的主要工作波形如图8所示, 其中Ts为开关周期, mc为等效的补偿斜坡电压的斜率, Ua为输出电压的谷值。

3 稳定性分析

由前面的分析可知, 在开关管VT切换时, 谷值V2控制Boost变换器的输出电压跳变量始终为此时的电感电流与ESR的乘积。稳态时, 电路参数保持不变, Uk和Ua均为常数, 开关管VT由关断向导通切换时, 输出电压跳变量Δu=Uk-Ua=iLminre为常数, 稳态时的电感电流最小值iLmin也为常数。

当补偿斜坡电压斜率mc=0时, 加入干扰后, 谷值V2控制Boost变换器的时域波形如图9所示, 其中实线为稳态波形, 虚线为扰动出现后的过渡波形。

由图9, 有:

由式 (8) 可知, 对于谷值V2控制Boost变换器, 当占空比D<0.5时, 如果电感电流iL有一个扰动Δi, 这个扰动会被逐渐放大, 即Δi2>Δi1>Δi。输出电压扰动量Δu=Δi re, 故有Δu2>Δu1>Δu, 即输出电压扰动也会被逐渐放大。因此, 在D<0.5时, 谷值V2控制Boost变换器会产生次谐波振荡。

引入适当的斜坡补偿可以消除次谐波振荡[15,16]。谷值V2控制Boost变换器引入斜坡补偿后的电感电流和输出电压波形如图10所示。

由图10, 有:

其中, mi1=ug/L, mi2= (uo-ug) /L, 分别为电感电流上升和下降阶段的斜率。

为消除次谐波振荡, 必须满足Δu2/Δu1<1, 故有:

由此可知, 当占空比D<0.5时, 只要等效的补偿斜坡电压的斜率mc满足式 (10) , 即可消除次谐波振荡。因此, 在谷值V2控制Boost变换器中引入斜坡补偿, 可以拓展变换器稳定运行参数范围。

4 仿真研究

为验证理论分析的正确性, 选取如下电路参数:输入电压ug=4 V, 滤波电感L=150μH, 输出滤波电容C=2000μF, 输出滤波电容ESRre=100 mΩ, 负载电阻R=20Ω, 参考电压Uref=10.05 V, 开关周期T=50μs, 比例系数K=20, 内环电压采样比例系数Ku=0.1。利用PSIM仿真软件搭建了谷值V2控制Boost变换器的仿真模型, 并进行相应的仿真研究。图11给出了不同输入电压时谷值V2控制Boost变换器的输出电压uo、电感电流iL、控制脉冲信号Up波形。

当ug=3.5 V时, 即占空比D=0.65, 时域波形如图11 (a) 所示, 此时变换器处于稳定的周期1运行状态。当ug=5.05 V时, 即占空比D=0.495, 时域波形如图11 (b) 所示, 此时变换器处于次谐波振荡状态, 与理论分析一致。

为了分析斜坡补偿对谷值V2控制Boost变换器运行状态的影响, 保持输入电压ug=5.05 V, 选取补偿斜坡电压的斜率为4000 V/s, 得到如图12所示输出电压、电感电流、控制脉冲信号的时域波形。从图12可以看出, 谷值V2控制Boost变换器工作在稳定的周期1状态。对比图11 (b) 可以看出, 随着补偿斜坡电压斜率的加入, 变换器的工作状态由次谐波振荡状态进入了稳定的周期1工作状态。斜坡补偿使得谷值V2控制Boost变换器的稳定工作范围得到了扩展。加入斜率满足式 (10) 的斜坡补偿电压, 谷值V2控制Boost变换器在占空比小于0.5时仍可稳定工作, 与理论分析一致。

5 实验验证

为了验证理论及仿真分析的正确性, 采用第4节的电路参数搭建了相应的实验平台。实验电路中主功率开关管采用IRF540, 驱动芯片采用IR2125, 续流二极管采用MBR1560, 误差放大器采用LT1357, 比较器采用KA319, 触发器采用74LS02或门电路实现。图13分别给出了输入电压ug=3.5 V和ug=5.05 V时的输出电压、电感电流及开关信号的实验波形。从图13中可以发现, 当输入电压为3.5 V时, 变换器工作于稳定的周期1状态, 当输入电压为5.05 V时, 变换器工作于次谐波振荡状态, 与仿真结果一致。

图14给出了输入电压为5.05 V、补偿斜坡电压斜率为4000 V/s时的输出电压、电感电流及开关信号的实验波形。对比图13 (b) 和图14可以看出, 加入斜坡补偿后, 消除了次谐波振荡。实验结果与理论和仿真分析一致。

6 结论

本文通过对含ESR的Boost变换器的输出电压纹波进行分析, 结合谷值V2控制技术的特点, 首次将谷值V2控制技术应用于Boost变换器。通过对谷值V2控制Boost变换器的工作原理进行分析, 得出其在CCM下的稳定工作条件为占空比D>0.5。当占空比D<0.5时系统会发生次谐波振荡, 利用斜坡补偿可以消除该次谐波振荡, 并给出了补偿斜坡电压斜率条件。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。本文的研究工作可以进一步拓展, 可将谷值V2控制技术应用到其他类型的变换器。

摘要：分析了Boost变换器的输出电压纹波, 将谷值V2控制技术应用于Boost变换器。详细分析了谷值V2控制Boost变换器的工作原理, 讨论了系统的稳定性, 研究了斜坡补偿对其稳定性的影响。搭建了基于PSIM软件的仿真模型和实验平台, 仿真及实验结果表明:工作于连续导电模式的谷值V2控制Boost变换器稳定工作范围为占空比大于0.5;在占空比小于0.5时会发生次谐波振荡, 该次谐波振荡可以通过加入适当的斜坡补偿有效地消除。