【5.3热交换的计算】在工程热力学与传热学中，热交换是能量传递的一种重要形式，广泛应用于工业生产、能源系统、制冷与空调等领域。热交换过程通常涉及两种或多种流体之间的热量传递，其计算方法直接影响系统的效率与设计精度。

热交换的计算主要基于热传导、对流传热和辐射传热的基本原理。其中，对流传热是最常见的热交换方式，尤其是在换热器中，流体与壁面之间通过对流方式进行热量交换。为了准确计算热交换量，需要了解流体的物理性质、流动状态以及换热表面的几何特性。

热交换的计算通常采用以下几种方法：

1. 平均温差法（LMTD 方法）

平均温差法适用于稳态条件下的热交换过程，尤其适用于逆流或并流换热器。该方法通过计算冷热流体之间的平均温度差，结合传热系数与换热面积，得到总的热交换量。公式如下：

$$

Q = U \cdot A \cdot \Delta T_{\text{LMTD}}

$$

其中，$ Q $ 为热交换量，$ U $ 为总传热系数，$ A $ 为换热面积，$ \Delta T_{\text{LMTD}} $ 为对数平均温差。

2. 效能-传热单元数法（ε-NTU 方法）

ε-NTU 方法适用于不同流动方式的换热器，如交叉流、多程换热器等。该方法通过计算换热器的效能（ε）与传热单元数（NTU），从而确定热交换量。这种方法的优点在于可以处理复杂的流动配置，并且适用于非稳态情况。

3. 热平衡方程

在实际工程中，热交换的计算往往还需要结合热平衡方程，即输入热量等于输出热量加上损失热量。对于封闭系统，热平衡方程可以表示为：

$$

Q_{\text{in}} = Q_{\text{out}} + Q_{\text{loss}}

$$

通过合理设定边界条件和参数，可以进一步优化热交换系统的性能。

在进行热交换计算时，还需要考虑流体的物性参数，如比热容、导热系数、粘度等，这些参数会随着温度变化而改变，因此在某些情况下需要采用变物性计算方法以提高精度。

此外，现代工程中常使用计算机仿真软件（如COMSOL、ANSYS、MATLAB 等）来进行热交换的数值模拟，以辅助设计与优化。这些工具能够处理复杂的几何结构和非线性问题，提供更精确的结果。

总之，热交换的计算是工程设计中的关键环节，合理的计算方法不仅有助于提高系统效率，还能降低能耗与运行成本。掌握不同的计算方法并根据实际情况选择合适的模型，是工程师必备的能力之一。