不銹鋼換熱器的熱量計算遵循熱力學基本原理，目標是確定需要傳遞的熱量（熱負荷） 以及實現該熱量傳遞所需的換熱面積。以下是關鍵計算方式和步驟：

1. 公式：熱負荷計算 (Q)

* 換熱器的主要功能是在兩種流體之間傳遞熱量而不混合。熱負荷 (Q) 是指單位時間內需要從熱流體傳遞到冷流體的熱量（或反之）。

* 計算 Q 的基本公式基于流體的質量流量、比熱容和溫度變化：

`Q = m * cp * ΔT`

* 符號說明：

* `Q`: 熱負荷，單位通常是千瓦 (kW)、千卡/小時 (kcal/h) 或英熱單位/小時 (Btu/h)。

* `m`: 流體的質量流量，單位通常是千克/秒 (kg/s)、千克/小時 (kg/h) 或磅/小時 (lb/h)。計算哪一側流體的 Q，就用哪一側的 m。

* `cp`: 流體的定壓比熱容，單位通常是千焦/(千克·攝氏度) (kJ/(kg·°C))、千卡/(千克·攝氏度) (kcal/(kg·°C)) 或 英熱單位/(磅·華氏度) (Btu/(lb·°F))。計算哪一側流體的 Q，就用哪一側的 cp。

* `ΔT`: 該流體流經換熱器時的溫度變化（溫升或溫降），單位是攝氏度 (°C) 或華氏度 (°F)。對于熱流體，ΔT = T_hot_in - T_hot_out；對于冷流體，ΔT = T_cold_out - T_cold_in。

* 關鍵點： 在穩定運行的換熱器中，忽略熱損失，熱流體放出的熱量應等于冷流體吸收的熱量（即 `Q_hot = Q_cold = Q`）。通常用兩側流體中參數或更容易獲得的一側來計算 Q。

2. 公式：換熱面積計算 (A)

* 確定熱負荷 Q 后，下一步是計算需要多大的換熱面積 (A) 才能實現這個熱量傳遞。

* 計算 A 的基本公式基于傳熱基本方程：

`Q = U * A * ΔTm`

* 符號說明：

* `Q`: 熱負荷（同上）。

* `U`: 總傳熱系數，單位通常是瓦/(平方米·攝氏度) (W/(m2·°C))、千瓦/(平方米·攝氏度) (kW/(m2·°C)) 或 英熱單位/(小時·平方英尺·華氏度) (Btu/(h·ft2·°F))。這是整個換熱過程（包括兩側對流、管壁導熱、污垢影響）的阻力倒數，是衡量換熱器整體傳熱能力的綜合參數。

* `A`: 換熱面積，單位是平方米 (m2) 或平方英尺 (ft2)。這是需要求解的關鍵設計參數。

* `ΔTm`: 對數平均溫差，單位是攝氏度 (°C) 或華氏度 (°F)。這是驅動熱量傳遞的有效平均溫差。

3. 關鍵參數的計算與確定：

* 對數平均溫差 (ΔTm):

* 由于流體溫度沿換熱面變化，進出口溫差的算術平均值不能準確反映真實的平均驅動力。ΔTm 更地代表了整個換熱面上的有效平均溫差。

* 對于逆流或順流換熱器，ΔTm 計算公式為：

`ΔTm = [(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)]`

* 符號說明：

* `ΔT1`: 換熱器一端兩流體的溫差（較大者）。

* `ΔT2`: 換熱器另一端兩流體的溫差（較小者）。

* 對于逆流：ΔT1 = |T_hot_in - T_cold_out|, ΔT2 = |T_hot_out - T_cold_in|

* 對于順流：ΔT1 = |T_hot_in - T_cold_in|, ΔT2 = |T_hot_out - T_cold_out|

* 關鍵點： 在相同進出口溫度條件下，逆流布置的 ΔTm ，因此效率，所需換熱面積。其他流型（如交叉流）需要乘以修正系數 F (0 < F ≤ 1)，公式變為 `Q = U * A * F * ΔTm`。F 值需查圖或計算獲得。

* 總傳熱系數 (U):

* U 值是難確定的參數，因為它綜合了多種熱阻：

* 熱流體側的對流換熱熱阻 (1/h_hot)

* 熱流體側的污垢熱阻 (Rf_hot)

* 管壁的導熱熱阻 (δ_wall / λ_wall) - 不銹鋼的導熱系數 λ_wall 相對較低（約 15 W/(m·°C)），是其與銅、鋁相比的劣勢。

* 冷流體側的污垢熱阻 (Rf_cold)

* 冷流體側的對流換熱熱阻 (1/h_cold)

* 總熱阻關系式：

`1/U = 1/h_hot + Rf_hot + δ_wall / λ_wall + Rf_cold + 1/h_cold`

* 關鍵點：

* 對流換熱系數 `h` 取決于流體物性、流速、流道幾何形狀等，通常通過經驗關聯式計算（如 Dittus-Boelter 公式用于管內湍流）。

* 污垢熱阻 `Rf` 至關重要且常被低估。 它代表換熱表面結垢（水垢、生物膜、腐蝕產物等）形成的額外熱阻。不銹鋼因其優異的耐腐蝕性，相比碳鋼能顯著降低腐蝕產物形成的污垢，但水垢等仍可能產生。Rf 值需根據流體性質、工況和清洗周期查閱標準手冊（如 TEMA）或經驗數據。

* 不銹鋼的導熱性較差，其管壁熱阻相對較高，設計時需考慮（如使用薄壁管）。

* U 值通常需要通過迭代計算或參考類似工況的已知值/經驗值來估算。終設計值需包含合理的污垢裕量。

總結計算步驟：

1. 確定流體參數： 獲取兩側流體的進出口溫度 (T_in, T_out)、質量流量 (m)、比熱容 (cp)。注意單位統一。

2. 計算熱負荷 (Q)： 選擇一側流體（通常選參數的一側），使用 `Q = m * cp * |ΔT|` 計算。

3. 計算對數平均溫差 (ΔTm)： 根據進出口溫度和流型（逆流/順流/交叉流），計算 ΔTm（或 F * ΔTm）。

4. 估算或計算總傳熱系數 (U)： 考慮兩側 h（計算或估算）、污垢熱阻 Rf（查表）、不銹鋼管壁熱阻（計算）。必須包含合理的污垢系數。

5. 計算所需換熱面積 (A)： 由公式 `A = Q / (U * ΔTm)` （或 `A = Q / (U * F * ΔTm)`）得出結果。此面積即為不銹鋼換熱器需要提供的有效傳熱面積。

不銹鋼的考量： 不銹鋼的主要優勢在于其耐腐蝕性，能顯著減少因腐蝕導致的污垢，延長設備壽命，在腐蝕性環境或要求潔凈的場合（如食品、）是。但其較低的導熱系數是不足，設計時需通過優化結構（如薄壁、翅片）來彌補。計算 U 值時，其管壁熱阻項會相對較大。