再生热交换器（再生器）效率模拟器

参数设定

传热单位数 NTU

基质与流体传热能力的无量纲数 UA/Cmin

热容量流量比 Cmin/Cmax

高温侧和低温侧热容量流量的比值。1时表示平衡

基质热容量比 Cr*

蓄热基质的热容量流量除以Cmin的值

高温侧入口温度

℃

低温侧入口温度

℃

最小热容量流量 Cmin

kW/K

质量流量×比热（流体侧较小者）

计算结果

—

对向流有效度 εcf

—

基质修正后的有效度 ε

—

低温侧出口温度 (℃)

—

高温侧出口温度 (℃)

—

回收热量 Q (kW)

—

基质修正损失 (%)

—

旋转再生器的原理 — 蓄热基质旋转动画

基质轮旋转，在高温侧吸收热量的分段（红色发光）被运送到低温侧释放热量。颜色表示基质的蓄热温度。

有效度 vs 传热单位数 NTU

有效度 vs 基质热容量比 Cr*

理论·主要公式

$$\varepsilon_{cf}=\frac{1-e^{-NTU(1-C_r)}}{1-C_r\,e^{-NTU(1-C_r)}}$$

对向流热交换器有效度εcf。再生热交换器首先按对向流进行计算。当Cr=1时使用极限形式εcf = NTU/(1+NTU)。

$$\varepsilon=\varepsilon_{cf}\left(1-\frac{1}{9\,(C_r^{*})^{1.93}}\right)$$

基质修正后的有效度ε。Cr为热容量流量比Cmin/Cmax，Cr*为基质热容量比。Cr*越小，修正项越大，有效度越低于对向流限制。

$$Q=\varepsilon\,C_{min}\,(T_{h,in}-T_{c,in})$$

回收热量Q。Cmin为最小热容量流量，Th,in/Tc,in为高温侧/低温侧入口温度。

再生热交换器介绍

🙋

「再生热交换器」和普通热交换器有什么区别？从名字来看，好像是在「再生」什么东西？

🎓

问得好。简单说，「传热方式」完全不同。普通热交换器，比如汽车散热器，是「隔板式热交换器」，高温流体和低温流体被金属壁永远隔开，通过壁传递热量。而「再生热交换器」是把高温气体和低温气体交替通入同一个蓄热体——叫做基质——基质从高温气体「吸收」热量，然后向低温气体「释放」热量。这种吸收-释放反复进行。「再生」的意思是，本来要浪费的排热被蓄热体临时存储，然后重新利用。

🙋

交替通入…怎样进行切换呢？我想象不出来。

🎓

典型的是「旋转再生器（旋转轮）」。上面的动画就是这个。把蜂窝状的基质制成圆盘，慢慢旋转。圆盘的一半侧有高温排气通入，另一半侧有低温进气通入。随着圆盘旋转，在高温侧吸收热的基质部分被运送到低温侧释放热。还有一种是「固定床式」，基质不动，通过阀门快速切换流向。钢铁高炉的热风炉就是这种类型。

🙋

我注意到左边的「NTU」增加时，有效度急剧上升。这是什么意思呢？

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NTU（传热单位数）是「基质与流体之间能传递多少热」的无量纲数，定义为UA/Cmin。U是热传递系数，A是传热面积。NTU越大，说明基质表面积越广，或者流动越缓慢、热传递越好。因此有效度——在入口温度差中能回收多少——就会增加。不过，看下面「有效度vs NTU」图表，NTU增加时曲线逐渐变平。再生器的理论极限是对向流，再怎么增加NTU也回收不了更多热了。

🙋

还有一个「基质热容量比Cr*」滑块也会影响有效度，对吗？

🎓

这是再生器独有的参数。隔板式热交换器的壁只负责「传热」。但再生器的基质要「蓄热」，所以基质自身的温度在通过高温侧时上升，通过低温侧时下降——发生「温度摆动」。Cr*是基质的热容量相对流体热容量的比值。Cr*太小的话，基质温度摆动就大，热量无法完全运输，有效度下降。实用的旋转再生器通常设Cr*≥5，让修正损失控制在1%以下。

🙋

这种装置在实际中用在哪些地方？身边能见到吗？

🎓

身边最常见的是办公楼空调的「全热交换器」，用旋转再生器在排气和进气之间回收热量。冬天被加热的室内空气不是直接丢弃，而是通过轮子把热量运出去，给冷的进气加热。还有很大的装置，比如钢铁厂高炉旁边的「热风炉」——用耐火砖（格子砖）堆积的巨大蓄热炉，把燃烧用空气预热到1000℃以上。此外，斯特林发动机的再生器，以及燃气轮机的再生循环也采用再生热交换器。共同点都是「通过蓄热体循环排热，大幅节省燃料」。

常见问题

隔板式热回收器（热交换器）通过金属隔板在高温流体和低温流体之间连续传递热量，始终保持流体分离。而再生热交换器（再生器）将高温气体和低温气体交替通入同一个蓄热基质。基质从高温气体吸收热量，然后将热量释放给低温气体，反复进行蓄热和放热。旋转再生器（旋转轮）和通过阀门切换的固定床式是典型例子。

再生热交换器基本上可视为对向流热交换器，首先从NTU（传热单位数）和热容量流量比Cr求得对向流有效度εcf。当Cr=1时，εcf = NTU/(1+NTU)；否则εcf = (1−exp(−NTU(1−Cr)))/(1−Cr·exp(−NTU(1−Cr)))。将此乘以基质热容量比Cr*的修正系数(1 − 1/(9·Cr*^1.93))即为旋转再生器的有效度ε。

基质热容量比Cr*是蓄热基质的热容量流量（基质质量×比热×转速等）除以流体侧最小热容量流量Cmin的无量纲数。Cr*越大，基质能运输的热量越多，但由于其有限性，基质自身温度在通过高温侧时升高，通过低温侧时降低，会产生「温度摆动」。因此热量无法完全运输，有效度会低于对向流的理论值。实用的旋转再生器通常取Cr*为5以上，使修正损失控制在1%以下。

典型应用包括建筑物空调的排气和进气之间进行热回收的旋转式全热交换器。此外还有钢铁高炉燃烧用空气预热的巨大蓄热式「热风炉」、玻璃熔融炉和钢铁工业加热炉的余热回收。另外，斯特林发动机的再生器和燃气轮机再生循环的核心部件也采用再生热交换器。所有这些应用都是通过蓄热体临时存储排气的热量，然后重新利用，大幅降低燃料消耗。

实际应用

建筑空调的全热交换器：办公楼、医院等建筑物的换气系统中，如果把室内被加热（或冷却）的空气直接排出去，那么这部分热（或冷）就浪费了。在排气和进气的交界处放置旋转再生器（全热交换器轮），可以把排气的温度转移到进气中。如果轮上涂有除湿剂，不仅顯熱还能转移湿度（潜熱）。这样可以大幅降低通风引起的空调负荷，已成为节能建筑的标准配置。

钢铁厂的热风炉（蓄热式炉）：为高炉提供燃烧用空气的蓄热式热交换器。用耐火砖砌成的格子状「格子砖」蓄热体吸收由高炉气体燃烧产生的高温燃烧气，然后通过阀门切换，将冷空气通过格子砖，使空气预热到1000～1300℃。这是固定床式再生热交换器的典型应用，大幅降低燃料消耗的关键设备。

斯特林发动机·燃气轮机：在斯特林发动机中，再生器是决定发动机效率的心脏。作用气体在膨胀室和压缩室之间往复运动时，再生器的金属网孔基质反复吸收和释放热，在内部循环热。在燃气轮机的再生循环中，通过用涡轮排气的热来预热压缩机出口的空气，降低燃料消耗。

排热回收·VOC处理：工业炉、锅炉排气的热回收用蓄热燃烧器（再生燃烧器）和涂装车间等挥发性有机物（VOC）燃烧处理的蓄热燃烧装置（RTO）也都采用再生热交换器。利用交替使用陶瓷蓄热体，可以回收排气热量的95%以上，既能大幅节省燃料，又能维持高温燃烧。

常见误解和注意事项

首先常见的误解是，「再生器一定比隔板式性能好」。再生器的理论有效度上限是以对向流为基础的，确实较高，但本工具中的基质修正项(1 − 1/(9·Cr*^1.93))表明，当基质热容量比Cr*较小时，有效度会低于对向流的限制。另外，旋转再生器的高温侧和低温侧之间会产生少量气体「漏泄」（进位泄漏）。可动部件也需要密封。「再生vs隔板」应根据用途选择，不能简单说哪个更好。

其次，「基质越大越好」的误解。虽然Cr*越大，补正损失越小，但在本工具中拖动滑块可以看到，Cr*超过5后，有效度曲线基本水平化。再增大基质也几乎提不了有效度，只会增加旋转再生器的驱动功耗和轴承负载，或固定床式的切换时间。从实用角度，Cr*在5左右就足够了。

最后，「有效度高就意味着回收热量大」的简单思维。回收热量Q = ε·Cmin·(Th,in − Tc,in)不仅取决于有效度ε，还取决于最小热容量流量Cmin和入口温度差。有时候，把有效度从0.83提升到0.85的努力，远不如直接使排气温度更高或流量（Cmin）更大来得有效。评估性能时，一定要同时看有效度这个比率和Q这个绝对值。

再生热交换器介绍

常见问题

实际应用

常见误解和注意事项

使用指南

具体计算示例

实务中的注意事项