热负荷、换热器与蒸汽负荷的关系

换热应用的计算方法，包括设计负荷和蒸汽压力/流量需求

饱和蒸汽用于在换热器中为工艺流体提供一次侧热量。换热器一词用于描述所有促进热量从一种流体传递到另一种流体的设备。为方便起见，这一广泛定义将应用于换热器这一术语。虽然主要参考管壳式换热器和板式换热器，但失速也可能与空气加热器组、浸没式储罐盘管、夹套容器和储水式加热器等应用相关。

温度控制应用 在温度控制应用中，二次侧流体进入换热器的入口温度可能随时间变化。这意味着为了保持一致的二次侧流体出口温度，供应给换热器的热量也必须相应变化。这可以通过在换热器一次侧入口处安装控制阀来实现，如图 13.2.1 所示。控制阀用于调节蒸汽的流量和压力，以控制进入换热器的热量输入。通过调节控制阀的位置来控制二次侧流体的出口温度。二次侧流体出口处的传感器监测其温度，并向控制器提供信号。控制器将实际温度与设定温度进行比较，然后发出信号给执行器以调整控制阀的位置。

对于恒定的传热面积和传热系数，特定换热器中从蒸汽向二次侧流体传递热量的速率取决于两种流体之间的平均温差。较大的平均温差将产生较大的传热速率，反之亦然。当部分关闭控制阀时，蒸汽压力和温差下降。相反，如果打开控制阀使蒸汽质量流量和换热器内压力上升，两种流体之间的平均温差增大。

改变蒸汽压力也会略微影响冷凝蒸汽中可用的热能，因为蒸发焓实际上随压力升高而下降。这意味着每千克蒸汽可用的潜热随蒸汽压力升高而减少。如果需要蒸汽流量精度，必须考虑这一点。 示例 13.2.1 某制造商设计一台换热器，规格要求使用 4 bar g 的蒸汽将二次侧水从 10°C 加热到 60°C。水流量在所有负荷下保持恒定，为 1.5 L/s。假设 1 升水的质量为 1 kg，因此质量流量 = 1.5 L/s x 1 kg/L = 1.5 kg/s。

制造商使用换热器传热系数 ‘U’ 为 2 500 W/m² °C。取水的比热容为 4.19 kJ/kg °C。 确定： (A) 设计热负荷。

(B) 相应的蒸汽流量。

此外，如果客户的最小热负荷出现在入口水温升至 30°C 时，确定：

(D) 最小热负荷。

(E) 换热器中相应的蒸汽压力。

(F) 相应的蒸汽流量。 计算： (A) 使用传热流量方程（公式 2.6.5）求设计热负荷：要计算相应的蒸汽流量，首先需要确定最小负荷条件下的蒸汽温度。可以使用 ΔTLM 设计数据来精确预测任何负荷条件下的蒸汽温度，但这需要使用对数计算。然而，一旦换热器

尺寸确定且设计温度已知，使用可称为换热器温度设计常数 (TDC) 的方法来预测运行温度要方便得多。

TDC 方法不需要对数计算。请注意：TDC 不能用于二次侧流量变化或通过改变蒸汽空间中的冷凝水液位来实现控制的应用。注：在确定换热器尺寸时，换热器制造商通常使用 ΔTLM 方法。一旦确定尺寸，通过了解加热面积和满负荷运行温度，TDC 可用于精确预测负荷变化导致的所有运行温度，如下文所示。运行温度也可以通过使用称为”失速图”的图形方法来预测。此方法在模块 13.5、13.6 和 13.7 中讨论。 温度设计常数 (TDC) 对于任何类型的蒸汽加热换热器，如果二次侧液体以恒定速率流动，TDC 可从制造商提供的满负荷测试数据计算得出。如果这些数据不可用且换热器已安装使用，则可以通过观察蒸汽压力（并从蒸汽表中查得蒸汽温度）以及任何负荷下的相应二次侧入口和出口温度来计算 TDC。

TDC 是入口和出口处蒸汽温度与水温之比，如公式 13.2.2 所示。只要其他三个变量已知，TDC 方程可以变换以求解任何一个变量。以下方程由 TDC 方程（公式 13.2.2）推导而来。