能量衡算

定义/概述

换热器设计中，能量衡算是基础。冷热流体在换热器中进行热量交换，遵循能量守恒原理。

单股流体的热负荷

任何流股在换热过程中吸收或放出的热量为：

$$Q = m c_p \Delta T \tag{5.1}$$

其中：

• $Q$ — 热负荷，W
• $m$ — 质量流量，kg/s
• $c_p$ — 定压比热容，J/(kg·K)
• $\Delta T$ — 进出口温差，K

传热基本方程

热量从热流体传到冷流体，必须穿过管壁。传热速率由以下方程决定：

$$Q = K A \Delta T_m \tag{5.2}$$

其中：

• $K$ — 总传热系数，W/(m²·K)（详见 5.1.2）
• $A$ — 总传热面积，m²
• $\Delta T_m$ — 有效平均温度差，K（详见 5.1.3）

方程 (5.1) 和 (5.2) 构成了换热器设计的两条主线：(5.1) 决定"需传多少热"，(5.2) 决定"需要多大换热器"。

两流体能量衡算

忽略散热损失时，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量：

$$Q = m_h c_{p,h} (T_{h,i} - T_{h,o}) = m_c c_{p,c} (T_{c,o} - T_{c,i}) \tag{5.3}$$

其中下标 $h$ 表示热流体 (hot)，$c$ 表示冷流体 (cold)，$i$ 为进口 (inlet)，$o$ 为出口 (outlet)。

热损失

考虑换热器对外界环境的散热损失时：

$$Q_h = Q_c + Q_l \tag{5.4}$$

工程上常用热损失系数 $\eta$ 加以估计：

$$Q_c = \eta Q_h \tag{5.5}$$

热损失系数 $\eta$ 的值通常取 0.97~0.98。

关键参数

符号	含义	单位
$Q$	热负荷	W
$m$	质量流量	kg/s
$c_p$	定压比热容	J/(kg·K)
$T$	温度	K

关联条目

• 总传热系数
• 平均温度差

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