工程指南 / HEAT EXCHANGERS
换热器工程入门指南
从热平衡到方法选择、传热系数和结果核查，建立换热器初步估算的完整思路。
1. 确定工况与热平衡
明确冷热流体的入口与出口状态、质量流量、允许压降和运行范围。对稳态单相流、质量流率恒定且压力变化对焓的影响可忽略的过程，使用温度范围内合适的平均定压比热估算两侧温度相关焓流变化。
Q̇c = ṁc cpc (Tc,out − Tc,in)
这里 Q̇h、Q̇c 表示冷热侧温度相关焓流变化的正值大小，单位 W；ṁ 是质量流量（kg/s），cp 是定压比热（J/(kg·K)），温度差可用 K 或 °C。轴功以及动能和势能变化可忽略、无其他物质进出时，它们才可分别近似为两侧净传热功率。忽略外部散热与储热、无泄漏且稳态时，两者应近似相等。若差异较大，检查流量、温度、单位以及散热与测量误差；风机、压缩机等有显著轴功时需完整能量平衡。参考 MIT 稳态流动能量方程。
相变、显著变物性、反应或非稳态过程不能直接套用恒定比热的显热公式；需使用适当的焓差或相应模型。
2. 识别流向与端部温差
并流的冷热流体从同一端进入；逆流从相反端进入。先画出或列出入口、出口及位置，再配对同一端的温度。
- 并流：ΔT₁ = Th,in − Tc,in；ΔT₂ = Th,out − Tc,out。
- 逆流：ΔT₁ = Th,in − Tc,out；ΔT₂ = Th,out − Tc,in。
本指南的简单模型要求两端温差均大于零。逆流时冷侧出口温度可以高于热侧出口温度，但同一端的热流体温度仍应高于冷流体温度。温差很小时需核查夹点、测量误差和所需面积。
3. 选择 LMTD 或 ε-NTU
端点温度已知：LMTD
Q̇ = U A ΔTlm
ΔTlm 的单位为 K；当两端温差相等时，其极限就是该温差。上式用于稳态单程并流或逆流、两侧热容率和 U 可视为恒定且外部热损失可忽略的工况。多程或交叉流设备需评估适用的修正方法，例如用 Q̇ = U A F ΔTlm,counter，其中 F 是与设备流型及温度条件相匹配的无量纲修正系数；不能对任意设备假设 F = 1。
出口温度未知：ε-NTU
ε = Q̇ / [Cmin(Th,in − Tc,in)]
C 为热容率（W/K），U 为总传热系数（W/(m²·K)），A 为与 U 基准一致的面积（m²）；Cr、NTU 和 ε 无量纲。给定流向、入口温度、正的热容率和 UA，可按设备对应关系求 ε，再求 Q̇ 和出口温度。本站工具仅覆盖理想单程并流及逆流、恒定热容率和 U、无相变及外部热损失；复杂设备需使用合适的模型。
计算 LMTD · 计算 ε-NTU 效能 · 估算换热面积
4. 总传热系数、污垢与修正
总体热阻可能包含热侧对流、壁体导热、冷侧对流，以及污垢和接触热阻。若每一项写成整个设备的热阻（K/W），则：
1/(Uref Aref) = Rtotal
hh、hc 为各侧对流换热系数（W/(m²·K)），Ah、Ac 为对应换热面积（m²）。这里 Rf,h 和 Rf,c 是已换算为 K/W 的污垢热阻；若资料给的是面积基准污垢热阻 Rf″（m²·K/W），应先除以对应面积。管内外面积不同时，必须保持 Uref 与 Aref 同一基准；平壁工具不适用于直接代替圆管壁导热模型。
污垢随工况与运行时间变化，不能将某个数值当作所有设备的通用余量。多程/交叉流修正、非均匀流量分配、旁通及其他结构影响应按具体设备评估；传热系数与压降也需同时考虑。
平壁导热热阻 · 光滑圆管单相湍流对流估算（须满足工具所列条件）
5. 算例：两种方法交叉核查
假设理想单程逆流、稳态单相、恒定物性与 U，忽略热损失。热侧 ṁh = 2 kg/s、cph = 1000 J/(kg·K)，从 100 °C 冷却至 70 °C；冷侧 ṁc = 1 kg/s、cpc = 1000 J/(kg·K)，从 20 °C 加热至 80 °C。取 U = 500 W/(m²·K)，面积与 U 基准一致。
- 冷热侧热负荷均为 60,000 W；逆流两端温差为 20 K 和 50 K。
- ΔTlm = 30/ln(50/20) ≈ 32.74 K；A = 60,000/(500 × 32.74) ≈ 3.67 m²。
- Cmin = 1000 W/K，Cmax = 2000 W/K，Cr = 0.5；UA ≈ 1833 W/K，NTU ≈ 1.833。理想逆流 ε ≈ 0.75，Q̇max = 1000 × (100 − 20) = 80,000 W，故 Q̇ ≈ 60,000 W。
这是说明方法一致性的理想示例，U 为假设值，不包含具体设备的污垢、压降或多程修正。
6. 物性与结果检查
- 选择对应工质、温度、压力和相态的密度、比热、黏度与导热系数；温度变化较大时评估分段或变物性模型。
- 核对质量流量与体积流量、绝对压力与表压、动力黏度与运动黏度，以及 kW/W 和 kJ/J 的换算。
- 核对冷热侧热平衡、温差方向、夹点、ε 的物理范围、U 与 A 的面积基准，以及传热量和面积数量级。
- 另外评估压降、污垢、腐蚀、材料耐温耐压、裕量和适用规范；对不确定参数做敏感性分析，最终设计应使用经审核的数据和方法。