换热器传热计算是设备选型、产品设计和性能校核的重要环节。通过计算，可以确定换热器所需的传热面积，也可以评估已有换热器在指定工况下的换热能力。工程中，换热器传热计算主要分为设计计算与校核计算两类，常用方法包括平均温差法（LMTD法）和效能—传热单元数法（η-NTU法）。两种方法都以传热方程和热平衡关系为基础，但计算步骤及适用条件有所不同。

 

 

一、设计计算与校核计算的区别

1.设计计算：确定所需换热面积

  设计计算主要用于新设备开发、冷却系统设计及换热器初步选型。根据已知的流体流量、进出口温度和换热量，计算换热器满足换热要求所需的传热面积，为换热器结构设计和规格选择提供依据。比如，为工业液压站配置风冷却器时，需要根据液压系统的散热需求、液压油流量及空气温度等条件，确定所需的传热能力。

  设计计算通常已知两侧流体的热容量流率，以及四个进出口温度中的三个，剩余温度可通过热平衡关系求得。

 

2.校核计算：评估已有换热器的换热能力

  校核计算主要用于已有换热器的换热能力评估。当换热器的结构参数、传热面积、两侧流体流量及进口温度已知时，通过计算求出实际换热量和两侧流体的出口温度。例如，当液压系统工作负荷增加或环境温度升高时，可以通过校核计算，评估原有风冷却器在新工况下的换热能力。

 

 

二、传热计算的基础参数

  传热计算首先需要明确换热器两侧流体的工作条件。以液压油风冷却器为例，液压油通常为热流体，冷却空气为冷流体。

 

1.流体热容量流率

  流体热容量流率表示流体温度每变化1K所对应的热量传递速率：

W = m × c_p

  其中：W为热容量流率（W/K），m为质量流量（kg/s），c_p为定压比热容（J/(kg·K)）。

 

2.热平衡关系计算换热量

  对于稳态、无相变且忽略环境热损失的换热过程：

Φ = W₁(t₁′ − t₁″) = W₂(t₂″ − t₂′)

  即热流体释放的热量等于冷流体吸收的热量，这是换热器传热计算的基本热平衡关系。

 

三、平均温差法（LMTD法）：如何计算所需传热面积

  平均温差法通过计算冷热流体之间的平均传热温差，结合换热量和总传热系数，确定换热器所需的传热面积，适用于两侧流体进出口温度已知的设计计算。

  计算步骤：

1.确定换热量

  根据热平衡关系计算：Φ = W₁(t₁′ − t₁″)

 

2.计算对数平均温差

  由于冷热流体在换热器内部不断进行热量交换，两侧温差沿流动方向变化，不能简单使用某一位置的温差代表整个过程。以逆流换热器为例，

  两端温差分别为：

Δt_a = t₁′ − t₂″  ，  Δt_b = t₁″ − t₂′

  对数平均温差为：

Δt_lm = (Δt_a − Δt_b) / ln(Δt_a / Δt_b)

  当两端温差相等时，对数平均温差直接取该温差值。

 

3.确定平均温差修正系数

  实际换热器可能采用顺流、逆流、交叉流或多流程等不同流动布置。对于需要温差修正的换热器，根据其实际流动布置及温度参数确定修正系数ψ。

  常用的两个温度参数为：

P = (t₂″ − t₂′) / (t₁′ − t₂′)　（冷流体温升与两侧流体进口温差的比值）

R = (t₁′ − t₁″) / (t₂″ − t₂′)　（热流体温降与冷流体温升的比值）

  根据P、R和实际流动布置，查相应的ψ(P,R) 关系图表得到修正系数。

 

 

4.计算所需传热面积

  采用逆流对数平均温差为基准时，修正后的传热方程为：

Φ = K × A × ψ × Δt_lm

  整理得到：

A = Φ / (K × ψ × Δt_lm)

  即：传热面积=换热量/(总传热系数×温差修正系数×对数平均温差)。

  需要注意：总传热系数K与传热面积A必须采用相同的面积基准。对于板翅式换热器，还需考虑翅片效率及两侧流道的传热特性。

 

四、η-NTU法：如何校核换热器的换热能力

  η-NTU法又称效能—传热单元数法。它通过换热器的传热能力、两侧流体热容量流率及流动布置确定换热器效能，再计算实际换热量。由于不需要预先知道出口温度，更适合已有换热器的性能校核。

计算步骤：

 

1.计算热容量流率比

W₁ = m₁ × c_p1

W₂ = m₂ × cp₂ 

C* = W_min / W_max

  其中，W_min、W_max分别为两侧流体中较小和较大的热容量流率，C*为无量纲参数，取值范围0~1。

 

2.计算传热单元数NTU

  传热单元数反映换热器的传热能力与最小热容量流率之间的关系：

NTU = (K × A) / W_min

  在流动布置和热容量流率比相同的条件下，NTU越大，换热器效能通常越高。

 

3.确定换热器效能η

  换热器效能表示实际换热量与理论最大可能换热量之比。实际校核计算时，η是待确定参数，应根据已计算的NTU、C*，结合换热器实际流动布置，使用相应的 η-NTU关系式或图表确定。不同流动布置的效能关系不同，不能直接套用同一公式。

η = Φ / [W_min(t₁′ − t₂′)]

 

4.计算实际换热量

Φ = W_min(t₁′ − t₂′) × η

  即：实际换热量=最小热容量流率×两侧流体进口温差×换热器效能

 

5.计算两侧流体出口温度

  根据热平衡关系：

t₁″ = t₁′ − Φ / W₁　（热流体出口温度） 

t₂″ = t₂′ + Φ / W₂　（冷流体出口温度）

  如果流体物性或总传热系数随温度变化明显，还需根据计算得到的温度重新确定相关参数，必要时进行迭代计算。

 

 

五、平均温差法与η-NTU法如何选择

  两种方法均可用于换热器设计与性能校核，但在不同计算条件下使用便利程度有所区别：

  1.设计计算：当换热量和两侧流体进出口温度已知时，平均温差法通常较为直接；

  2.校核计算：当换热器结构参数、传热面积及进口条件已知、出口温度未知时，η-NTU法通常更为方便。

  原因在于：平均温差法需要根据出口温度计算平均传热温差，出口温度未知时需先假设温度、再根据热平衡关系反复修正；而η-NTU法可根据已知条件计算NTU和C*，再确定效能，进而计算换热量及出口温度。因此，在相同计算精度要求下，η-NTU法在校核计算中的试算次数更少。

 

六、板翅式铝合金风冷却器的实际应用

  上述两种方法主要用于解决换热器的热工计算问题。对于板翅式铝合金风冷却器，实际设计与选型还需考虑空气流量、液体流量、翅片效率、流动阻力及运行环境等因素：

· 空气侧积尘可能增加风阻并影响换热性能；

· 液压油温度变化会影响黏度和流动状态；

· 风机实际工作点也会影响空气侧流量。

  因此，传热计算结果还需要与换热器实际结构、产品性能数据及运行工况结合验证，不能仅凭理论传热面积判断产品是否满足使用要求。

 

七、结语

  换热器设计计算与校核计算的区别，主要在于已知条件和计算目标不同：设计计算用于确定所需传热面积，校核计算用于评估已有换热器的换热能力。平均温差法通常适合进出口温度已知的设计问题，η-NTU 法更适合出口温度未知的性能校核。实际工程中应根据计算目的选择合适方法，并结合流体流量、运行温度、传热性能及压力损失等条件综合分析，提高换热器设计与选型的准确性。

  禾益达专注板翅式铝合金换热器及风冷却器研发生产，可根据客户工况提供传热计算、选型及非标定制方案。