蒸汽换热器计算公式及步骤说明

蒸汽换热器的设计计算主要涉及热负荷、传热系数、温差和传热面积等关键参数。以下是核心公式及步骤说明：

1. 热负荷计算（Q）
热负荷表示单位时间内传递的热量，需分别从蒸汽侧和流体侧计算并确保相等（忽略热损失）。

蒸汽侧（冷凝释放潜热）：  
  \[
  Q = m_{\text{steam}} \cdot h_{fg}
  \]  
  - \(m_{\text{steam}}\)：蒸汽质量流量（kg/s）  
  - \(h_{fg}\)：蒸汽的汽化潜热（kJ/kg）

被加热流体侧（显热吸收）：  
  \[
  Q = m_{\text{fluid}} \cdot c_p \cdot (T_{\text{out}} - T_{\text{in}})
  \]  
  - \(m_{\text{fluid}}\)：流体质量流量（kg/s）  
  - \(c_p\)：流体比热容（kJ/(kg·K)）  
  - \(T_{\text{in}}, T_{\text{out}}\)：流体进出口温度（℃或K）

2. 对数平均温差（ΔTₗₘ）
适用于逆流或并流，蒸汽温度恒定为\(T_{\text{steam}}\)：  
\[
\Delta T_{\text{lm}} = \frac{(T_{\text{steam}} - T_{\text{in}}) - (T_{\text{steam}} - T_{\text{out}})}{\ln\left(\frac{T_{\text{steam}} - T_{\text{in}}}{T_{\text{steam}} - T_{\text{out}}}\right)}
\]  
若\( (T_{\text{steam}} - T_{\text{in}}) = (T_{\text{steam}} - T_{\text{out}}) \)，简化为算术平均温差。

3. 总传热系数（U）
总传热系数由各环节热阻串联决定：  
\[
\frac{1}{U} = \frac{1}{h_{\text{steam}}} + R_{\text{fouling,steam}} + \frac{d_o \ln(d_o/d_i)}{2k} + R_{\text{fouling,fluid}} + \frac{1}{h_{\text{fluid}}}
\]  
- \(h_{\text{steam}}, h_{\text{fluid}}\)：蒸汽冷凝侧和流体侧的对流换热系数（W/(m²·K)）  
- \(R_{\text{fouling}}\)：污垢热阻（m²·K/W）  
- \(d_o, d_i\)：管道外径、内径（m）  
- \(k\)：管材导热系数（W/(m·K)）

4. 传热面积（A）
根据传热基本方程计算所需面积：  
\[
A = \frac{Q}{U \cdot \Delta T_{\text{lm}}}
\]

5. 关键参数经验参考
蒸汽冷凝传热系数\(h_{\text{steam}}\)：  
  水平管外冷凝：\(h \approx 5000-15000\ \text{W/(m²·K)}\)  
  垂直管内冷凝：\(h \approx 3000-10000\ \text{W/(m²·K)}\)  
水侧传热系数\(h_{\text{water}}\)：强制对流时约 \(1000-6000\ \text{W/(m²·K)}\)  
污垢系数：根据介质清洁度，通常取 \(0.0001-0.0005\ \text{m²·K/W}\)。

6. 计算流程示例
1. 确定热负荷 \(Q\)（取蒸汽侧和流体侧较大值，考虑安全余量）。  
2. 计算 \(\Delta T_{\text{lm}}\)。  
3. 估算或查表获取 \(U\) 初始值，或通过热阻公式计算。  
4. 求解传热面积 \(A\)，并校验是否符合设计要求。  
5. 调整参数（如流速、管径）迭代优化。

注意事项
单位一致性：确保所有参数单位统一（如将kJ转换为J）。  
流动方式：逆流效率高于并流，影响\(\Delta T_{\text{lm}}\)。  
过冷度：若蒸汽冷凝后进一步冷却，需额外计算显热部分。  
安全系数：设计时通常增加10%-20%的传热面积以应对污垢和误差。

通过以上公式和步骤，可系统地进行蒸汽换热器的设计与校核。