传热计算公式及设计中的关键参数

传热速率方程式如下:

式中:Q——传热速率( 热负荷) ，W;

K——总传热系数，W/( m2·℃) ;

S——与K 值对应的传热面积，m2;

Δtm——平均温度差，℃。

(一)传热速率(热负荷)Q

(1) 传热的冷热流体均没有相变化，且忽略热损失，则:

式中:W——流体的质量流量，kg/h 或kg/s;

cp——流体的平均定压比热容，kJ/( kg·℃) ;

T——热流体的温度，℃;

t——冷流体的温度，℃。

下标h 和c 分别表示热流体和冷流体，下标1 和2 分别表示换热器的进口和出口。

(2) 流体有相变化，如饱和蒸汽冷凝，且冷凝液在饱和温度下排出，则:

式中:W——饱和蒸汽的冷凝速率，kg/h 或kg/s;

r——饱和蒸汽的汽化热，kJ/kg。

(二)平均温度差Δtm

(1) 恒温传热时的平均温度差的公式如下:

(2) 变温传热时的平均温度差的公式如下:

逆流和并流:

式中:Δt1、Δt2——分别为换热器两端热、冷流体的温差，℃。

错流和折流:

式中:Δt'm——按逆流计算的平均温差，℃;

φΔt——温差校正系数，无量纲，φΔt =f( P，R) 。

式中:t2-t1——冷流体的温升;

T1-t1——为两流体的最初温差。

式中:T1-T2——为热流体的温降;

t2-t1——为冷流体的温升。

温差校正系数φΔt根据比值P 和R，通过图2-9 ～图2-12 查出。该值实际上表示特定流动形式在给定工况下接近逆流的程度。在设计中，除非出于必须降低壁温的目的，否则总要求φΔt≥0．8，如果达不到上述要求，则应改选其他流动形式。

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图2-9　对数平均温差校正系数φΔt( 一)

图2-10　对数平均温差校正系数φΔt( 二)

图2-11　对数平均温差校正系数φΔt( 三)

图2-12　对数平均温差校正系数φΔt( 四)

(三)总传热系数K(以外表面积为基准)

注意在通常的操作过程中，传热系数是个变量，由于污垢热阻是变化的，因此设计中选择污垢热阻时，应结合清洗周期来考虑。若污垢热阻选得太小，清洗周期会很短，所需传热面积会较小;反之，所需传热面积会较大，所以应该全面衡量，做出选择。总传热系数的计算公式为:

式中: K——总传热系数，W/( m2·℃) ;

αi，αo——传热管内、外侧流体的对流传热系数，W/( m2·℃) ;

Rsi，Rso——传热管内、外侧表面上的污垢热阻，m2·℃/W;

di，do，dm——传热管内径、外径及平均直径，m;

λ——传热管壁导热系数，W/( m·℃) ;

b——传热管壁厚，m。

总传热系数的经验值见表2-6，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考。选择时，除要考虑流体物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。

表2-6　总传热系数的经验值

续表

(四)对流传热系数

传热膜系数的关联式与传热过程是否存在相变、换热器的结构及流动状态等因素有关。关于传热膜系数的关联式很多，在选用时应注意其适用的范围。具体形式见表2-7 和表2-8。

表2-7　流体无相变时的对流传热系数

续表

表2-8　流体相变对流传热系数

(五)污垢热阻

在设计换热器时，必须采用正确的污垢系数，否则热交换器的设计误差很大。因此污垢系数是换热器设计中非常重要的参数。污垢热阻因流体种类、操作温度和流速等不同而各异。常见流体的污垢热阻参见表2-9 和表2-10。

表2-9　流体的污垢热阻

续表

表2-10　流体的污垢热阻