【HETA】换热器的热负荷和热平衡
翅片管换热器是庞大的换热器家族中的一种，其设计计算肯定要基于共性的和基础性的设计计算原理和方法，本期小编将跟大家分享换热器中的两个基本概念：热负荷和热平衡，并通过多个实例来掌握它的应用和计算。
一：热负荷
对一个换热设备来说，热负荷就是指换热量或传热量，即在单位时间内所交换的热量，单位是KW（KJ/S）或Kcal/h（千卡每小时）。工程上热负荷常用Q来表示。
（请记住二者的换热关系： 1 KW=860 Kcal/h）。
在翅片管换热器的设计中，热负荷通常并不是由用户直接提出来的，而是由设计者根据用户的实际需求和现场的技术参数计算出来的。下面举几个实例加以说明。
【案例1】
有一个供热公司要为一台供暖用的10t/h热水锅炉安装一台翅片管式省煤器，希望将排烟温度从220ºC降至120ºC。烟气流量说不准，可能是2万多立方米每小时，并告知引风机的型号和流量。
为了确定省煤器的热负荷，设计者要从用户那里获取尽可能多的与排烟量有关的信息，如：燃煤量、煤的热值、锅炉是否满负荷运行、风机型号等。最后根据自己的经验帮助用户确定排烟量的设计值：16000Nm³/h 。
然后按下式计算省煤器的热负荷：
Q=Gg×（Tg1 ×Cpg1 －Tg2 ×Cpg2） KW此处：Gg：烟气的质量流量，kg/s
Cpg1 Cpg2：烟气的入口处比热和出口处比热，查物性表，KJ/（Kg·ºC）Tg1：烟气入口温度，ºC
Tg2：烟气出口温度，ºC
在本例中，Gg=16000×1.295/3600=5.755 kg/s
Cpg1=1.102 KJ/（Kg·ºC）；Cpg2 = 1.074 KJ/（Kg·ºC）
Tg1=220ºC Tg2=120ºC1.295 是烟气在0ºC时的密度（kg / m³）
计算得 Q=653 KW
应当记住：烟气（或空气）在某一温度下含有的热能可以通过下式计算：
Qg = Gg×（Tg×Cpg）
【案例2】
有一燃气加压站，希望设计一台翅片管式空气冷却器，将压缩后的燃气从134 ºC降至50 ºC，燃气流量为7500Nm³/h。其结构特点是：管内走燃气，管外加翅片，由空气冷却。空气侧的流量不确定。
热负荷Q值同样由燃气侧的已知条件计算：
此处，燃气的比热Cpg取的是平均温度下的数值。
【案例3】
在冬天，某工厂想将一台已有的1 t/h蒸汽锅炉用于车间的供暖，具体方案是选用一台翅片管式蒸汽/空气换热器，用锅炉产生的0.8 t/h ,150 ºC 的饱和蒸汽加热空气，希望将空气从0 ºC加热到100ºC，蒸汽凝结后的凝结水温度为120 ºC。为了选择风机，要求计算风量。
这一课题的热负荷应该认为是已经给出了，只需简单的计算一下：首先应从相应的热物性表查出150 ºC下饱和蒸汽的焓值i"=2745.3 kJ/kg和120 ºC的饱和水的焓值i´=503.7kJ/kg，则热负荷为：Q=（800/3600）㎏/s×(2745.3-503.7)KJ/kg=498 KJ/s=498 KW
对空气侧，有下列关系式：
Q=Ga×Cpa×(Ta2-Ta1) 式中，
Ga:空气流量，㎏/s Cpa = 1.005 KJ/(Kg·ºC):空气比热，按平均温度查表 Ta2=100 ºC,空气出口温度； Ta1=0 ºC,空气入口温度由上式解出Ga= Q / [Cpa×(Ta2-Ta1)] = 4.96 kg / s =17840 kg / h =13800 Nm3 / h ]
【案例 4】
有一个小型钢铁厂，拟在其烧结炉的高温排气段装一台翅片管余热锅炉，高温段的平均排烟温度为 320 ºC,烟气流量大约为 70000 Nm³/h,希望产生的饱和蒸汽压力为 0.6MPa。试计算可以回收利用的热负荷。
在这一命题中并没有给出烟气的出口温度，因此，需要选择一个合理的烟气出口温度，并与用户协商。该余热锅炉所产生的0.6MPa 的饱和蒸汽对应的饱和温度可由热物性表查出：tv=158 ºC。由此确定烟气出口温度应该大于158 ºC,最后协商确定烟气出口温度取 Tg2=190 ºC。
回收热负荷： Q= Gg×Cpg×(Tg1-Tg2)=(70000×1.295/3600)×1.11×(320-190)=3633 KW
由上面的几个实例可知，计算热负荷应遵循下面几条原则：
(1)、对用户给出的参数按“热流体侧”和“冷流体侧”进行分类比对，
如序号1 2 3 热流体侧热流体进口温度、热流体出口温度、热流体流量；
序号 4 5 6 冷流体侧冷流体进口温度、冷流体出口温度、冷流体流量
一般只需给出上述六个量中的 5 个，选择给出条件最全面的那一侧流体进行热负荷计算。
例如，若热流体侧 1、2、3 个条件都给出了，而冷流体侧只给出了两个4、5。
则应依据热流体侧给出的条件计算热负荷，
即： Q=【流体流量，(kg/s)】×【进口焓值(kJ/kg)—出口焓值(kJ/kg)】
得出的单位是 kJ/s 或 KW。
进出口焓值，对于水和水蒸气而言，可直接查物性表，对于烟气和空气，若用户没有给出焓值的数据，则可按下式计算：
焓值(kJ/kg)=比热(kJ/kgºC)×温度(ºC) 即，i =Cp×T (2)。
不要轻易相信用户(需方)给定的参数，尤其是烟气或空气流量，需要经过分析和核实。
例如，有的用户将风机的铭牌流量作为计算热负荷的参数，这是不对的。
若流量是波动的(如炼钢炉的排气), 则应了解其波动的振幅和周期，取其合理的数值作为设计值。大多数情况下，需要和用户进行面对面的分析和协商，做深入的调研或测试，以确定较为准确的设计参数，作为计算热负荷的依据。
曾经有过这样一个案例：某钢铁厂为了回收电弧炼铁炉的余热，要求上一台余热回收装置，用以产生蒸汽。当时根据厂方提供的数据，可以产生 35t/h 蒸汽，经过设计、制造、安装运行后，得到的实际产汽量仅为15-18t/h。为什么有这么大的差距？后来经过调查，发现用户给出的烟气流量大大超过烟气的实际流量，给出的入口温度值也偏高了，即过高的估计了余热资源的数量。虽然运行取得成功，但却造成了一次投资的巨大浪费。
二：热平衡
这儿所说的热平衡是一个换热设备中冷热流体之间的热平衡，即热流体放出的热量 = 冷流体得到的热量。有时还要考虑传热过程中的热损失，即：热流体放出的热量 =冷流体得到的热量 + 热损失。
一般，热损失小于5%，对于保温良好的设备，在设计中也可以不考虑热损失。
热平衡是能量守恒定律在传热过程中的具体应用，热平衡既是一个理念，也是一种方法。所谓理念，就是在任何情况下都不能动摇。
例如：有人声称，他的换热设备或元件有神奇功能，输入1KW，输出大于1KW。请千万不要相信。一般加热侧和冷却侧的热量出现少许不平衡，多数是由于测量误差造成的。说热平衡是一种方法是指我们经常应用这一概念进行推导和计算，计算得步骤是：
由某一侧的参数计算出热负荷之后，然后根据热平衡概念计算另一侧中尚未给出的参数。仍由上面给出的例子说明：
【例2】中，热流体（燃气）：134 ºC —50ºC，7500 Nm³/h，Q=242KW冷流体（空气）：20 ºC—30 ºC，流量待定。
当由热流体侧计算出热负荷Q=242KW之后，则可推算出冷流体（空气）的流量。 Ga=Q/[Cpa（30-20）] = 242/（1.005×10）=24kg/s=86686kg/h=67000Nm³/h 由此可见，由于空气的温升很小，需要的空气流量是非常巨大的！
【例4】中，热流体（烟气）：310 ºC—190ºC，70000Nm³/h，Q=3633KW 冷流体（蒸气）：进口水温—158 ºC，产汽量未知。（未知）
首先与用户协商后，设定进口水温为100 ºC（经省煤器后进入）。需要确定的就是蒸汽产量Gv了 Gv=Q/（i"158 ºC-i´100 ºC）
由热平衡概念，认为蒸汽侧吸收的热量等于烟气侧放出的热量Q=3633KW，由物性表查得出口蒸汽的焓值i"158 ºC =2755kJ/kg，进口水的焓值i´100 ºC=419.1 kJ/kg
故： Gv =3633/（2755-419.1）=1.555kg/s=5599kg/h=5.6t/h(产汽量)
在该项目的洽谈中，产生了一个与“热平衡”概念有关的“插曲”：该钢厂的技术负责人曾执意要求给提供8 t/h的蒸汽，经反复计算，向他们说明，余热资源的数量不足以产生8t/h的蒸汽，总不能做“无米之炊”吧，最后才同意了【例4】中的计算方案。
好了，本讲就讲完了，应该指出，热负荷和热平衡的概念及计算方法不仅是针对翅片管换热器的，它适用于所有热交换设备。要很好的掌握它，需要逐渐积累工程经验。