理论与计算：恒温传热中的平均温度差及折流和错流时的求取

在传热基本方程中，Δtm 为换热器的传热平均温度差，随着冷、热两流体在传热过程中的温度变化情况不同，传热平均温度差的大小及计算也不同，就换热器中冷、热流体温度变化情况而言，有恒温传热与变温传热两种，现分别予以讨论。

( 一) 恒温传热时的平均温度差

当两流体在换热过程中均发生相变时，热流体温度T 和冷流体温度t 始终保持不变，称为恒温传热。如蒸发器中，饱和蒸汽和沸腾液体间的传热过程。此时，冷、热流体的温度均不随位置变化而变化，两者间的温度差处处相等。因此，换热器的传热推动力可取任一传热截面上的温度差，即:

( 二) 变温传热时的平均温度差

当换热器中间壁一侧或两侧流体的温度通常沿换热器管管长而变化，对此类传热则称为变温传热。

1.一侧流体变温传热 例如，用饱和蒸汽加热冷流体，蒸汽冷凝温度不变，而冷流体的温度不断上升，如图2 -18( a) 所示;用烟道气加热沸腾的液体，烟道气温度不断下降，而沸腾的液体温度始终保持在沸点不变，如图2 -18( b) 所示。

图2-18　一侧变温传热过程的温差变化

2.两侧流体变温传热 冷、热流体的温度均沿着传热面发生变化，即两流体在传热过程中均不发生相变，其传热温度差显然也是变化的，并且流动方向不同，传热平均温度差也不同，即平均温度差的大小与两流体间的相对流动方向有关，如图2 -19 所示。

图2-19　两侧变温传热过程的温差变化

在间壁式换热器中，两流体间可以有四种不同的流动方式。若两流体的流动方向相同，称为并流;若两流体的流动方向相反，称为逆流;若两流体的流动方向垂直交叉，称为错流;若一流体沿一方向流动，另一流体反复折流，称为简单折流; 若两流体均作折流，或既有折流，又有错流，称为复杂折流。

套管换热器中可实现完全的并流或逆流。

3.并、逆流时的传热平均温度差 由热量衡算和传热基本方程联立即可导出传热平均温度差计算式如下:

式中:Δtm——对数平均温度差，K;

Δt1、Δt2——换热器两端冷、热两流体的温差，K。

上式是并流和逆流时传热平均温度差的计算通式，对于各种变温传热都适用。当一侧变温时，不论逆流或并流，平均温度差相等;当两侧变温传热时，并流和逆流平均温度差不同。在计算时注意，一般取换热器两端Δt 中数值较大者为Δt1，较小者为Δt2。此外，当Δt1/Δt2≤2 时，可近似用算术平均值代替对数平均值，即:

【例2 -4】在套管换热器内，热流体温度由180℃冷却至140℃，冷流体温度由60℃上升至120℃。试分别计算:(1) 两流体作逆流和并流时的平均温度差;(2) 若操作条件下，换热器的热负荷为585kW，其传热系数K 为300W/( m2·K) ，两流体作逆流和并流时的所需的换热器的传热面积。

解:(1) 传热平均推动力:

逆流时:热流体温度:180℃→140℃

冷流体温度:120℃←60℃

两端温度差:60℃ 80℃(www.xing528.com)

所以

并流时:热流体温度:180℃→140℃

冷流体温度:60℃→120℃

两端温度差:120℃ 20℃

所以

(2) 所需传热面积:

想一想 为什么换热器中两流体应尽可能采用逆流? 什么时候采用并流?

4.错、折流时的传热平均温度差 列管式换热器中，为了强化传热等原因，两流体并非作简单的并流和逆流，而是比较复杂的折流或错流，如图2 -20 所示。

图2-20　折流和错流示意图

对于错流和折流时传热平均温度差的求取，由于其复杂性，不能像并、逆流那样，直接推导出其计算式。计算方法通常先按逆流计算对数平均温度差Δt′m，再乘以一个恒小于1 的校正系数φΔt ，即

式中: φΔt ——温度差校正系数。

φΔt的大小与流体的温度变化有关，可表示为两参数P 和R 的函数，即:

φΔt 可根据P 和R 两参数由图2 -21 查取。图2 -21 中( a) 、( b) 、( c) 、( d) 为折流过程的φΔt 算图，分别为1、2、3、4 壳程，每个壳程内的管程可以是2、4、6、8 程;图2 -21( e) 为错流过程的φΔt 算图。

想一想 错流或折流的特点是什么?

图2-21

图2-21　温差校正系数图