换热器热工性能指标计算方法的探讨

　　郭瑞琪　张传聚　裘烈钧

　　摘要　换热器在供热、空调、生活以及其它领域中大量应用，但在热工性能方面，如热效率、传热系数等方面，其计算方法如何正确表示，尚待进一步商榷。本文综合有关资料，对热效率的表示方式和传热系数的计算方法提出几点看法。

　　关键词　换热器　热效率　传热系数

　　中图分类号　TU822.2

VIEWS CONCERNING CALCULATION METHOD OF HEAT EXCHANGER THERMAL CHARACTERISTICS lNDEX

Guo Ruiqi　Zhang Chuanju　Qiu Liejun

　　ABSTRACT　Now some heat exchangers of high efficience and size, for example, floatable pipe, spiral pipe and plate heat exchangers, find out wide application in heating, air conditioning, daily life and so on, and economic and social benefit are greatly achieved. Howerer, there are problem what calculation method of thormal characterics index,for instance, heat efficienty, heat transfer coefficient and so on are to be researched. Views are put forward about ways of heat efficiency and calculation method of heat transfor coefficient so to discuss.

　　KEY WORDS　heat exchanger, heat efficiency, heat transfer coefficient

1　换热器热效率计算表达式

　　现在许多热工测试中心，对换热器热效率测定时，采用如下的公式，即输出热量与输入热量之比：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　该公式只能表达热效率的普通概念，因为它只反映出该换热器外壳绝热性能的优劣，不能反映换热器结构本身的特点。实际上，不同的热力设备都具有自身的热力特点。应结合这些特点，寻找出更合适的热效率表达式，以达到能确切地反映换热器热工性能的优劣，便于对换热器做出客观的评价和提出改进措施。

　　锅炉热效率表达式是从热平衡的角度出发，热效率表示其有效利用热量Q1与全部输入锅炉热量Qr之比，即：

　　ηge＝×100％ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

　　Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中:Q1—有效利用热量；

　　Q2～Q6—锅炉各项热损失。

　　从式中可以看出，要提高锅炉的热效率，就需要将锅炉各项热损失减少到最小。

　　同锅炉一样，换热器也有一个最大可传递热量的概念存在，这样的换热器实际上是一个理想换热器。下面以水－水式换热器为例说明。水－水换热器的换热基本方程式为：

　　Q＝G1C(T1-T2)＝G2C(t2-t1) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

　　Q＝KFΔtp　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

式中：G1、G2－加热工质，被加热工质的流量；

　　T1、T2－加热工质进出换热器的温度；

　　t1、t2－被加热工质进出换热器的温度；

　　C－水的比热；

　　K、F－换热器的传热系数和传热面积；

　　Δtp加热与被加热工质之间的对数平均温度差。

　　根据前述理想换热器的定义，要使加热工质的热量最大限度的传给被加热工质，那么被加热工质的温度变化曲线2将变为温度变化曲线3(见图1)。此时Δtx→0，即t2＝T1。即换热器一端的温度差消失。这种换热器传递热量为最大，称为理想换热器，因为它实际上并不存在(因为Δtx＝0，Δtd→0，则需KF→∞)。但是和锅炉热效率一样，它就是全部可传递的热量。由此，换热器的热效率表达式应为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)

图1　换热器传热过程温度分布

　　由(4)知，理想换热器最大可传递热量：

　　QLx＝G2C(T1-t1)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)

　　被加热工质的吸收的真实热量：

　　Q2＝G2C(t2-t1)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)

　　将式(7)(8)代入式(6)得:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　(9)

　　实际上，上式就是温度效率公式。式中温度符号意义同前。

　　举例：某厂有一台浮动盘管水－水式换热器，加热水流量45 t/h，被加热水流量27 t/h，加热水进出口水温：T1=94.6 ℃，T2=68.9 ℃，被加热水进出口温：t1=17.5 ℃，t2=57.9 ℃。计算该换热器的热效率。

　　利用式(1)普通概念热效率公式：

　　利用式(9)换热器效率公式：

　　通过以上分析和计算可以看出：

　　(1) 采用目前的热效率公式，绝大多数的换热器效率都在90 ％以上。它只能反映出换热器外表面绝热性能的好坏而不能反映换热器内部结构换热性能的好坏。例如介质流动方式对它的影响、热阻大小的影响等等。在高效率的掩盖下，不利于提高与改进。

　　(2) 采用本文提出的热效率表达式(6)～(9)，能体现换热的特性，而且能指明改造方向。如增加换热面积F，可以增大传热效率，但金属耗量增加。为增大传热系数必须采用各项增强传热的措施。

2　测试中传热系数K值的计算

　　当前对汽－水换热器换热系数的计算也存在一定问题。目前厂家生产的一些换热器，蒸汽侧排出的不是饱和水而是过冷水。即在换热器内有一部分是凝水与水的换热，其优点是增加了换热量，也省用了一个疏水器。但换热器已成了过冷式换热器。它由汽－水和水－水换热器两部分串联组成。因此这类换热器的传热系数亦必须是两部分组成，其温度过程如图2。

图2　汽－水换热器温度分布

　　此类换热器设计时，传热系数可分别计算，但在运行中要用一个传热系数来表示，是比较困难的。因为在哪一段开始成为水－水换热器难以确定，所以图2中t点温度就测不到。这两部分的传系数就算不出来。现在常用的方法是把T1与T2两点温度直接连起来，如图2中曲线3，求T1～T2─t1～t2的对数平均温度，用它来计算K值。由图2可以看出，这个对数平均温度差较实际的平均温差要小，因而所计算出的K值就一定要大。为此，提出一种不用直接测试，通过计算得出t值，从而近似计算K值的方法。计算方法如下：

　　(1) 根据热平衡原理计算被加热水在水－水段温升后的温度t。

　　凝结水经过冷凝段换热器传给被加热水的热量为：

　　Q＝ DC(T1-T2)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)

　　被加热水通过冷凝段得热量Q为：

　　Q'＝GC(t-t1)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(11)

　　由于Q=Q'，则：

　　t＝t +(T1-T2)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12)

　　上式中D,G分别为蒸汽和被加水质量流量，C为水的比热，温度符号见图2。

　　(2) 分别计算汽－水、水－水段的对数平均温差Δtp.1Δtp.2和折算对数平均温差Δtpz。折算对数平均温差按两段换热量各自占总换热量的百分数加权平均方法求出。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(13)

式中Q、Q'、Qz分别为汽-水段、水-水段和总换热量。

　　(3) 算传热系数K值。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(14)

式中F为换热器总传热面积，其余符号同前。

　　举例：某厂生产一台汽水换热器，加热蒸汽压力为0.4 MPa，流量0.5 t/h，传热量为

291kW，被加热水进出口水温为70/95 ℃，流量为10 t/h，传热面积为2.7 m2，测得排出凝水温度为120 ℃。计算传热系数K值。

　　(1) 求t，查表得在压力0.4 MPa时，蒸汽的饱和温度T1＝144 ℃。将已知数据代入式(12)。

　　(2) 分别计算Δtp1、Δtp2

　　计算各段的传热量Q和Q1。

　　将已知数据代入式(10)或(11)，计算Q'。

　　Q'＝500×4.18×(144-120)＝50.244 kW

　　Q＝291-50.244＝240.756 kW

　　计算Δtpz，将已知数据代入式(13)得:

　　Δtpz＝60.12×240.756/291

　　　＋60.69×50.24/291＝60.2 ℃

　　(3) 计算K值

　　将已知数代入式(14)

　　按目前计算方法算出

　　Δtp=(50-49)/Ln(50-49)=49.5 ℃

　　则K值为：

　　两个结果比较，(2177-1793)/1793×100％＝21 ％。由此明显看出，目前测试计算方法较本文提出的计算方法高了21 ％。所以说现在测试单位提供的汽－水换热器的传热系数普遍偏高。

　　以上讨论的两个问题是有关换热器主要热工性能的指标的准确程度。但如果以当前的计算方法得出的数据来评价产品热工性能质量，会造成一定的错觉，即热效率高，传热系数高的印象，质量似乎已达上乘。没有可改进的地方，对提高产品质量没有帮助。

　　这些问题关系到对产品评价标准和产品的发展前途，很有讨论的必要，但鉴于作者等人的水平，提出的方法不一定完整，肯定有可商榷的地方，供同仁批评指出。

作者单位：郭瑞琪　山东建筑工程学院, 济南250014

　　　　　张传聚　裘烈钧　山东工业大学, 济南250014