【HETA】翅片管换热器的传热温差
我们在往期的内容中介绍了传热公式 Q=K*A*△T。并针对翅片管换热器给出了传热系数K的简化计算方法和大致的数值范围。今天小编就将要讲述上述传热公式中的△T——翅片管换热器的传热温差。
讲述之前应当指出3点：
1、传热温差△T指的是换热器中热流体和冷流体之间的温差，即△T =T热流体-T冷流体= T1 - T2。此后，用T1代表热流体温度，用T2代表冷流体温度。
2、T1，T2流程是变化的，并不是一个常数，因而传热公式中的△T指的是平均传热温差。
3、在换热器设计中，总是希望传热温差越大越好。因为根据传热公式，在相同的传热量Q及传热系数K的情况下，△T越大则需要的传热面积A就越小。设备的金属耗量及一次投资就越小，使设备的经济性和紧凑性得以提高。
一：冷热流体逆流时的传热温差
所谓逆流是指热流体和冷流体在传热面的两侧沿相反的方向流动，其温度变化曲线，如下图所示：
冷热流体的温度变化
图中 T1´ ， T1´´ 代表热流体的进出口温度 T2´ ， T2´´代表冷流体的进出口温度。
由图可见，在不同的传热面积上，冷热流体的温差是不同的。为了求平均的传热温差，需要求解两曲线之间所夹面积的平均值。求解结果为：
式中△Tmax，△Tmin分别是大的端部温差和小的端部温差，如图所示。因为分母出现了对数值，因而此传热平均温差又称为“对数平均温差”。
应该指出，冷热流体的端部温度，就是冷热流体在换热器的进出口温度，这是换热器设计的基本条件，是应该预先给出或推算出的。
其逆流时的对数平均温差建议按下面的排列方式计算；下式中，箭头代表流体的流动方向，两个端部温差也已经给出，不容易出错。
冷热流体逆流换热的优点是：
（1）对数平均温差大：计算表明在同样的进出口温度下，逆流时的对数平均温差总比两流体顺流时温差大。△T越大，就意味着可节省传热面积，所以，在换热器设计中，设计者总是尽量让冷热流体逆向流动。
（2）冷热流体逆流时，在传热面的任一位置上两侧的局部传热温差比较均匀，不会出现传热温差一头过大，一头过小的情况。传热温差比较均匀，就意味着单位面积上的传热量也比较均匀，不会出现因某处传热量过大，甚至超出其传热极限，而另一端传热量小，而使传热面积没有得到充分利用的情况。
（3）冷热流体逆流传热的另一个优点是：冷流体的出口温度 T2 甚至可以超过热流体的出口温度 T1 由上面的例题中可以看出，冷流体出口温度为，40℃，大于热流体出口温度，才能使冷流体的温度有更大的升高空间。而在顺流情况下，这是绝对做不到的。
二：翅片管换热器的传热温差
上面讲到，既然冷热流体的逆流传热有这么多优点，那么，能否将逆流方式应用于翅片管换热器上？很遗憾，对翅片管换热器很难做到纯粹的逆流，一般翅片管换热器的流动方式如下图所示。
如图所示这是一个典型的翅片管省煤器的流动方式，被加热的水从翅片管束的下部流向上部，而热流体烟气从上部流向下部。从整体上看，冷热流体呈逆向流动。但从局部来看，就任何一排翅片管而言，烟气与管内流体是交叉流动。对这种特殊的流动方式称之为“逆向交叉流”。大多数翅片管换热器，都属于这种流动类型。
理论上可以证明，对于这种逆向交叉流的传热温差△T等于纯逆流情况的对数平均温差乘上一个小于1的修正系数ψ
即△T交叉流=△T逆流×ψ
ψ是一个小于1但接近1的数值，可以由算式和相应图表确定。对于翅片管束的大多数换热情况，ψ ≈ 0.98。因为ψ的值非常接近于1，有时翅片管换热器的传热温差直接选用逆流时的对数平均温差。0.98的修正值的影响待以后计算传热面积时，选用较大的面积安全系数就统一加以考虑了。
三：计算举例
【案例1】
有一个供热公司要为一台供暖用的10t/h热水锅炉安装一台翅片管式省煤器，希望将排烟温度从220ºC降至120ºC。烟气流量说不准，可能是2万多立方米每小时，并告知引风机的型号和流量。
为了确定省煤器的热负荷，设计者要从用户那里获取尽可能多的与排烟量有关的信息，如：燃煤量、煤的热值、锅炉是否满负荷运行、风机型号等。最后根据自己的经验帮助用户确定排烟量的设计值：16000Nm³/h 。
然后按下式计算省煤器的热负荷：
Q=Gg×（Tg1 ×Cpg1 －Tg2 ×Cpg2） KW此处：Gg：烟气的质量流量，kg/s
Cpg1 Cpg2：烟气的入口处比热和出口处比热，查物性表，KJ/（Kg·ºC）Tg1：烟气入口温度，ºC
Tg2：烟气出口温度，ºC
在本例中，Gg=16000×1.295/3600=5.755 kg/s
Cpg1=1.102 KJ/（Kg·ºC）；Cpg2 = 1.074 KJ/（Kg·ºC）
Tg1=220ºC Tg2=120ºC1.295 是烟气在0ºC时的密度（kg / m³）
计算得 Q=653 KW
这个案例中使用的翅片管式锅炉省煤器，烟气入口温度T1 = 220℃，出口温度= T1 ´120℃，冷流体水的入口温度= T2 48℃，出口温度=T2´ 56℃。流动方式属逆向交叉流，试计算其传热温差计算：首先列出下式，按逆流计：
【案例2】
在冬天，某工厂想将一台已有的1 t/h蒸汽锅炉用于车间的供暖，具体方案是选用一台翅片管式蒸汽/空气换热器，用锅炉产生的0.8 t/h ,150 ºC 的饱和蒸汽加热空气，希望将空气从0 ºC加热到100ºC，蒸汽凝结后的凝结水温度为120 ºC。为了选择风机，要求计算风量。
这一课题的热负荷应该认为是已经给出了，只需简单的计算一下：首先应从相应的热物性表查出150 ºC下饱和蒸汽的焓值i"=2745.3 kJ/kg和120 ºC的饱和水的焓值i´=503.7kJ/kg，则热负荷为：Q=（800/3600）㎏/s×(2745.3-503.7)KJ/kg=498 KJ/s=498 KW
对空气侧，有下列关系式：
Q=Ga×Cpa×(Ta2-Ta1) 式中，
Ga:空气流量，㎏/s Cpa = 1.005 KJ/(Kg·ºC):空气比热，按平均温度查表 Ta2=100 ºC,空气出口温度； Ta1=0 ºC,空气入口温度由上式解出Ga= Q / [Cpa×(Ta2-Ta1)] = 4.96 kg / s =17840 kg / h =13800 Nm3 / h ]
这台蒸汽加热空气的设备，饱和蒸汽的入口温度是150℃，凝结后，排出的冷凝水的温度是120℃；管外冷流体是空气，从0℃被加热到100℃，求其传热温差。
计算：这一例子比较特殊：管内的热流体既有相变（从150℃的蒸汽变为150℃的水），也有单相流体的冷却（从150℃的水冷却至120℃的水），这实际上是两个换热器组合在一起了，第一个换热器，对应的传热面积为A1,第二个换热器对应的面积为A2，应分别计算两个换热器的传热评价温差，由热平衡可以确定冷流体（空气）的中间温度为6℃，计算如下：