换热器热计算方法及应用

1.平均温差

（1）顺流和逆流 换热器传热的基本公式为Q=KAΔt。式中，Δt是冷、热两种流体的温差。在前述传热计算中，如房屋墙壁的热损失、管道热损失等，都将Δt作为一个定值处理。对于换热器，则情况不同，当冷、热两种流体沿换热面流动时，沿途温度一般要发生变化，两者之间的温差也发生变化，且随流体流动的方式而不同。

图2-8表示顺、逆流时冷、热流体的温度变化曲线，热流体的进出口温度分别为t′₁、t″₁，冷流体的进出口温度分别为t′₂、t″₂。因此，在换热器的传热计算中，必须应用平均温差Δt_m来计算，其计算式为

式中 Δt_max——换热面两端温差之大值（℃），顺流时为Δt′，逆流时为Δt′和Δt″两者中的大值（见图2-8）；

Δt_min——换热面两端温差中的小值（℃）。

由于温差计算式中出现对数项，所以又称对数平均温差。当（Δt_max/Δt_min）≤2时，可用算术平均温差替代，即

上式误差不超过4%，在工程计算中是容许的。

由于温差随换热面按指数曲线变化，顺流与逆流相比，顺流时温差变化比较显著，逆流时温差变化比较平缓。故在相同的进出口温度下，逆流平均温差比顺流大。此外，顺流时冷流体的出口温度必然低于热流体的出口温度，而逆流则不受此限制。故工程中的换热器，一般都尽可能采用逆流布置。但逆流换热器也有缺点，即高温部分集中在换热器的一端。

（2）交叉流和混合流 流体在换热器中的流动方式，除顺流和逆流外（图2-9a、b），还有其他多种型式。如：图2-9c为横流式或称交叉流，是两种流体在相互垂直方向的流动；图2-9d、e、f，则是三种不同型式的混合流。

交叉流和混合流的平均温差计算比较麻烦，通常都把推导结果整理成温差修正系数图，计算时，先按逆流方式算出对数平均温差，然后再按流动型式乘以修正系数ε_Δt。ε_Δt的大小反映了换热器中两流体的流动型式接近逆流的程度。图2-10、图2-11和图2-12，列举了三种常见流动型式的ε_Δt线图。在图中，ε_Δt整理成辅助量P和R的函数。注意：P、R辅助量计算式中，温度角码“1”、“2”仅表示流体1和流体2两种不同流体。

图2-8 顺、逆流时冷、热流体的温度变化曲线

a）顺流 b）逆流

图2-9 流体在换热器中的流动型式

a）顺流 b）逆流 c）交叉流 d）、e）、f）混合流(www.xing528.com)

图2-10为一次交叉流，它的一种流体本身混合，另一种流体不混合；图2-11为一次交叉流，但两种流体各自都不混合；图2-12为单壳程及2、4、6管程的管壳式换热器。

2.换热器的热计算

换热器的计算内容有设计计算和校核计算两种。

（1）设计计算 目的是根据给定的换热要求，确定所需换热面积。一般已知冷、热流体的流量，初、终温度及流体的比热容，确定所需换热面积，进而确定换热器的型式和尺寸。

图2-10 一侧流体混合、一侧流体不混合的ε_Δt

图2-11 两侧流体都不混合的ε_Δt

图2-12 单壳程2、4、6管程的ε_Δt

（2）校核计算 该校核计算的目的是校核已有的换热器是否能达到预定的换热要求。一般已知换热面积，冷、热流体的进口温度和流量，校核换热量及冷、热流体的终温。

换热器传热计算的基本公式有：

传热方程 Q=KAΔt_m （2-43）

热平衡方程式

Q=q_m1c₁（t′₁-t″₁）=q_m2c₂（t′₂-t″₂） （2-44）

式中 q_m1、q_m2——热流体和冷流体的流量（kg/h）；

c₁、c₂——热流体和冷流体的比热容[J/（kg·K）]。