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Beedy Academy · 计算器

传热计算器

能量衡算、换热器、保温以及加热或冷却时间的 13 项计算,附公式和练习题。

能量衡算

显热

公式Q = ṁ × cp × (T₂ − T₁)
kg/h
°C
°C
温差 (ΔT)—K
热负荷 (Q)—kW
热负荷 (Q)—MJ/h

无相变。cp 随温度变化,取平均温度下的值。结果为负表示放热。

潜热(蒸汽、冰)

公式Q = ṁ × L  ·  ṁ = P ÷ L
kg/h
kW
ṁ 放出的热量—kW
P 所需流量—kg/h

仅计潜热(饱和蒸汽冷凝为饱和凝结水)。凝结水过冷还会多放出少量显热。数值取自水蒸气表并取整。

两股物流混合温度

公式Tm = (ṁ₁ T₁ + ṁ₂ T₂) ÷ (ṁ₁ + ṁ₂)
kg/h
°C
kg/h
°C
混合温度 (Tm)—°C
总流量—kg/h

两股为同一流体(cp 相同),无相变、无热损失。也可用质量 (kg) 计算罐内混合。

储罐加热所需能量

公式E = V × ρ × cp × (T₂ − T₁)  ·  P = E ÷ (t × η)
m³
kg/m³
°C
°C
h
%
所需能量 (E)—kWh
所需能量 (E)—MJ
加热功率 (P)—kW

未计储罐散热和罐体金属吸热,按保温情况加 10–30 %。电加热器 η ≈ 100 %;燃气燃烧器 80–90 %。

换热器

换热器热平衡:出口温度

公式Q = ṁh cph (Th,in − Th,out)  ·  Tc,out = Tc,in + Q ÷ (ṁc cpc)
kg/h
°C
°C
kg/h
°C
热负荷 (Q)—kW
冷侧出口 (Tc,out)—°C

假定无散热损失。若算出的冷侧出口高于热侧进口,说明流量或温度数据不一致。

对数平均温差与所需面积

公式LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂) ÷ ln(ΔT₁ ÷ ΔT₂)  ·  A = Q ÷ (U × LMTD)
°C
°C
°C
°C
kW
W/m²·K
对数平均温差—K
所需面积 (A)—m²

适用于纯逆流或纯顺流。多管程管壳式换热器需乘以温差校正系数 F(常为 0.8–0.95)。

效能-传热单元数法(逆流换热器)

公式NTU = UA ÷ Cmin  ·  ε = [1 − e−NTU(1−Cr)] ÷ [1 − Cr e−NTU(1−Cr)]  ·  Q = ε Cmin (Th,in − Tc,in)
kg/h
kg/h
W/m²·K
m²
°C
°C
传热单元数 (NTU)—
换热效能 (ε)—%
热负荷 (Q)—kW
热侧出口 (Th,out)—°C
冷侧出口 (Tc,out)—°C

用于已知 U 和 A、未知出口温度时核算现有换热器。C = ṁ × cp;两侧 C 相等时 ε = NTU ÷ (1 + NTU)。

总传热系数 U(膜系数与污垢)

公式1 ÷ U = 1 ÷ hi + e ÷ k + 1 ÷ ho + Rf
W/m²·K
W/m²·K
mm
W/m·K
m²·K/W
清洁 U—W/m²·K
污垢 U(设计值)—W/m²·K

薄壁近似:内外表面积视为相等。k:碳钢 ≈ 45,不锈钢 ≈ 16,铜 ≈ 385 W/m·K。冷却塔水 Rf:0.0002–0.0004 m²·K/W。

导热、保温与辐射

平壁导热(2 层)

公式U = 1 ÷ (1 ÷ hi + L₁ ÷ k₁ + L₂ ÷ k₂ + 1 ÷ ho)  ·  q = U (Ti − Ta)
°C
°C
m²
mm
W/m·K
mm
W/m·K
W/m²·K
W/m²·K
总传热系数 (U)—W/m²·K
热流密度 (q)—W/m²
总热损失—kW
外表面温度—°C

单层时令 L₂ = 0。静止空气中(含辐射)hₒ:8–12 W/m²·K;有风:20–40。耐火砖 k ≈ 1,矿棉 ≈ 0.04–0.06 W/m·K。

保温管道散热损失

公式q' = 2π (Ti − Ta) ÷ [ln(r₂ ÷ r₁) ÷ k + 1 ÷ (r₂ ho)]
mm
mm
W/m·K
°C
°C
W/m²·K
m
每米散热 (q')—W/m
长度 L 总散热—kW
保温层外表面温度—°C
裸管散热(相同 hₒ)—W/m

径向导热(Incropera);忽略钢管壁和内膜热阻(偏安全)。hₒ 应包含辐射。外表面高于 60 °C 有烫伤风险。

表面间辐射换热

公式q = σ εeff (T₁⁴ − T₂⁴)  ·  εeff = ε₁  |  1 ÷ (1 ÷ ε₁ + 1 ÷ ε₂ − 1)
°C
°C
m²
净辐射热流密度 (q)—W/m²
净辐射功率—kW
等效辐射换热系数 (hr)—W/m²·K

灰体假设,σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴,温度换算为开尔文。ε₂ 仅用于平行平板。ε:氧化钢 ≈ 0.8,油漆 ≈ 0.9,抛光铝 ≈ 0.05。

加热与冷却时间

储罐冷却(牛顿冷却定律)

公式τ = m cp ÷ UA  ·  T(t) = Ta + (T₀ − Ta) e−t/τ  ·  t = τ ln((T₀ − Ta) ÷ (Tc − Ta))
kg
W/K
°C
°C
h
°C
时间常数 (τ)—h
t 后温度—°C
达到 Tc 所需时间—h

液体充分混合(集总参数模型),UA 不变,无进出料。求 UA:记录几小时内的降温,再反推公式。

间歇加热时间(蒸汽盘管)

公式t = (m cp ÷ UA) × ln((Ts − T₀) ÷ (Ts − Tf))
kg
W/m²·K
m²
°C
°C
°C
时间—min
初始热负荷—kW
平均热负荷—kW

带搅拌容器,饱和蒸汽温度恒定,忽略散热。饱和蒸汽:1 bar 表压 ≈ 120 °C,3 bar ≈ 144 °C,7 bar ≈ 170 °C。

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