Тепломассообменные процессы и оборудование в легкой и текстильной промышленности

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ 
ПРОЦЕССЫ 
И ОБОРУДОВАНИЕ 
В ЛЕГКОЙ И ТЕКСТИЛЬНОЙ 
ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Л.И. ЖМАКИН

Рекомендовано 
УМО по образованию в области технологии, 
конструирования изделий легкой промышленности 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
подготовки бакалавров 29.03.02 «Технологии и проектирование 
текстильных изделий», 29.03.03 «Технология полиграфического 
и упаковочного производства», 29.03.05 «Конструирование 
изделий легкой промышленности»

Москва
ИНФРА-М
2018

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Министерство образования и науки Российской Федерации
Московский государственный университет 
дизайна и технологии

УДК 68(075.8)
ББК 31.31я73
 
Ж77

Жмакин Л.И.
Ж77 
 
Тепломассообменные процессы и оборудование в легкой и текстильной промышленности : учеб. пособие / Л.И. Жмакин. — М. : 
 ИНФРА-М, 2018. — 295 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
www.dx.doi.org/10.12737/20523.

ISBN 978-5-16-011953-3 (print)
ISBN 978-5-16-104545-9 (online)
В учебном пособии рассмотрены теплоиспользующие установки предприятий легкой и текстильной промышленности. Представлены методы 
расчета протекающих в оборудовании тепломассообменных процессов. 
Описаны подходы к выбору теплоиспользующего оборудования, приведен обширный справочный материал. Учебное пособие снабжено большим количеством примеров расчета.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Пособие рекомендовано для использования при изучении дисциплин 
«Тепломассообмен», «Тепломассообменное оборудование предприятий», 
«Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха», «Технологические энергоносители предприятий», «Источники и системы теплоснабжения предприятий», а также для курсовых работ и ВКР.

УДК 68(075.8)
ББК 31.31я73

Р е ц е н з е н т ы:
Ерошенко В.М., д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией теплообмена и химической термодинамики Энергетического института 
им. Г.М. Кржижановского;
Рудобашта С.П., д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой теплоэнергетики и теплотехники Московского государственного агроинженерного 
университета им. В.П. Горячкина

ISBN 978-5-16-011953-3 (print)
ISBN 978-5-16-104545-9 (online)
© Жмакин Л.И., 2016

А в т о р:
Жмакин Леонид Иванович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики Московского государственного университета дизайна и технологии

Предисловие

Легкая и текстильная промышленность относятся к числу отраслей, потребляющих значительные объемы энергии. Рациональное 
использование и экономия энергии и, в частности, теплоты в технологических установках данных производств являются важнейшими факторами снижения себестоимости продукции и повышения конкурентоспособности предприятий. Этим вопросам необходимо уделять большое внимание.
Настоящая книга представляет собой учебное пособие по курсу 
«Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий» 
и предназначена в первую очередь для обучающихся по направлениям подготовки 29.03.02 «Технологии и проектирование текстильных изделий», 29.03.03 «Технология полиграфического и упаковочного производства», 29.03.05 «Конструирование изделий 
легкой промышленности». При ее написании авторы учитывали 
специфику теплоиспользующего оборудования текстильных предприятий и опыт преподавания этого курса в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина и Московском государственном университете дизайна и технологии.
В учебном пособии представлены методы расчета и подбора 
теплообменного оборудования, машин для обработки материалов 
в жидкости, аппаратов для влажностно-тепловой обработки материалов и выпарных установок. Отдельная глава посвящена рациональной организации производства, вопросам экономии энергии 
и использования вторичных энергетических ресурсов.
Авторами сделан акцент прежде всего на фундаментальных положениях курса, на общих подходах к описанию и анализу тепломассообменных процессов; при этом был сохранен приемлемый 
научный уровень изложения материала. Многие из представленных 
в пособии расчетных методик основаны на оригинальных работах 
авторов.
Использованные в пособии методы расчета и математические 
модели основаны на тщательном анализе физической картины явлений и закономерностей, определяющих характер протекающих 
в оборудовании процессов, что должно способствовать более глубокому овладению представленным материалом будущими специалистами.
Учебное пособие будет способствовать формированию у студентов профессиональных компетенций, предусмотренных ФГОС ВО 

по вышеперечисленным направлениям подготовки. Изучив и усвоив 
представленный в пособии материал, студенты будут:
знать основные типы и конструктивные особенности промышленных тепломассообменных установок;  физические закономерности и методы расчета протекающих в них процессов;
уметь анализировать эффективность тепломассообмена в технологическом оборудовании и различных способов его интенсификации;
владеть навыками проведения конструкторских и поверочных 
расчетов тепломассообменных установок и оптимизации режимов 
их работы.
В подготовке специалистов важную роль играют практические 
занятия и курсовое проектирование, в связи с чем авторы привели 
в учебном пособии примеры теплового расчета различных установок и аппаратов. Усвоение этих примеров будет способствовать 
не только лучшему пониманию студентами теории, но и развитию 
у них умения и навыков решения практических задач.
Большое разнообразие типов предприятий текстильной и легкой 
промышленности и используемого на них тепломассообменного 
оборудования, зачастую имеющего одинаковое назначение, но выпускаемого различными фирмами, не позволило детально рассмотреть отдельные типы машин и агрегатов. В связи с этим в пособии 
проводится сопоставление как конструктивных характеристик 
машин с одинаковым функциональным назначением, так и протекающих в них процессов, анализируются достоинства, недостатки 
и эффективность работы оборудования. Теплоиспользующие установки описаны лаконично; при необходимости более подробного 
рассмотрения их конструктивных особенностей следует воспользоваться приведенной в книге библиографией.
В конце учебного пособия даны приложения, включающие необходимый для расчетов справочный материал, не содержащийся 
в доступной студентам литературе.

Глава 1 
ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА

1.1. ВИды ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ И ПрЕдъяВЛяЕмыЕ  
к НИм ТрЕбОВАНИя

Теплоносители предназначены для переноса теплоты (холода) 
от источника к потребителю. В качестве теплоносителей используются в основном жидкости и газы (перенос теплоты твердыми 
телами, как правило сыпучими, встречается довольно редко и рассматриваться не будет). К теплоносителям предъявляется ряд требований. Рассмотрим основные из них.
1. Транспортабельность — способность переносить теплоту 
на заданные расстояния. Ограничения по этому показателю обусловлены потерями давления при движении теплоносителя и затратами мощности на его перекачку. Потери давления Dр при движении теплоносителя рассчитываются как

 
∆p
l
d
w
=
+
ξ
ξ
ρ
т
м

2

2 , 
(1.1)

где xт — коэффициент трения; xм — суммарный коэффициент 
местных сопротивлений; l — длина трубопровода; d — диаметр трубопровода; r — плотность теплоносителя; w — скорость теплоносителя.
Выразим скорость теплоносителя через его массовый расход G

 
w
G

d
=
4

2
π
ρ

и подставим в формулу (1.1). Тогда

 
∆p
l
d
G

d
=
+
ξ
ξ
ρπ
т
м
8
2

2
4 . 
(1.2)

Мощность N, затрачиваемая на перекачку теплоносителя, определяется как

 
N = GDp / rh, 
(1.3)

где h — КПД нагнетателя (насоса, вентилятора и т.п.).

С учетом формулы (1.2) это уравнение преобразуется к виду

 
N
l
d
G

d
=
+
ξ
ξ
ρ π
η
т
м
8
3

2
2
4 . 
(1.4)

Это же уравнение можно представить и через объемный расход 
теплоносителя V :

 
N
l
d
V

d
=
+
ξ
ξ
ρ

π
η

т
м
8
3

2
4

. 
(1.5)

Затраты мощности на перекачку линейно зависят от длины трубопровода l. Поэтому в тех случаях, когда потребитель находится 
близко к источнику, требование транспортабельности не является 
определяющим.
Ситуация осложняется, когда теплоноситель необходимо транспортировать на значительные расстояния. С увеличением диаметра 
трубопровода растут капитальные затраты, затраты на ремонт и обслуживание, а также увеличиваются потери теплоты в окружающую 
среду, но при этом уменьшаются затраты на перекачку теплоносителя. При уменьшении его диаметра ситуация изменяется на противоположную. Таким образом, должно существовать компромиссное решение, которое может быть найдено при проведении технико-экономических оптимизационных расчетов с целевой функцией 
в форме, например, удельных приведенных затрат. Приведенные 
ниже ориентировочные данные по предельной дальности транспортировки некоторых теплоносителей основаны на расчетах такого типа.
2. Высокая теплоаккумулирующая способность. Для теплоносителей с большим значением теплоемкости срr или удельной 
теплоты парообразования rr единицы объема для переноса одного 
и того же количества теплоты потребуются меньшие расходы теплоносителя. Следовательно, будут меньше и затраты энергии на его 
перемещение.
3. Нетоксичность. Использование токсичных, вредных для 
здоровья теплоносителей совершенно недопустимо в закрытых 
помещениях. В последнее время для холодильных установок, кондиционеров, установок, работающих при температурах ниже 0°C, 
предлагаются новые теплоносители, свойства которых недостаточно хорошо изучены, а в дальнейшем выявляется их токсичность. 
К таким теплоносителям можно отнести растворы этиленгликоля. 
Зачастую токсичным оказывается не сам теплоноситель, а содержащиеся в нем примеси, что требует его тщательной очистки.

4. Экологичность. Этот аспект проблемы использования теплоносителей связан с тем, что их выброс наносит вред окружающей 
среде, среде обитания человека. Две стороны этой проблемы — 
образование озоновой дыры и парниковый эффект. В верхних 
слоях атмосферы на высотах 10…40 км существует озоновый слой 
(озон — трехатомная молекула кислорода О3), защищающий жизнь 
на Земле от воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. 
Во второй половине прошлого века над Антарктидой была обнаружена область с относительно малым содержанием озона — озоновая дыра. Ее образование связывают с попаданием в атмосферу 
атомов хлора и брома, содержащихся в используемых в кондиционерах, холодильной технике, а также в некоторых системах отопления фреонов, хладонов (хлорфторуглеродов, бромхлорфторуглеродов и др.). Было принято межправительственное соглашение 
(Монреальский протокол), предусматривающее снижение, а затем 
и запрещение производства и сбыта упомянутых веществ. СССР 
присоединился к Монреальскому протоколу в 1988 г., а Россия 
пролонгировала свое участие в нем в 1991 г.
Между тем ситуация не столь однозначна. Вулканы Камчатки 
и Индонезии выбрасывают в атмосферу природные фреоны в значительно больших количествах, чем в результате деятельности 
человека. Еще одно возражение сводится к тому, что толщина 
озонового слоя подвержена сезонным колебаниям. К началу полярной весны содержание озона уменьшается, а затем в течение 
полярного лета под действием солнечного излучения возвращается 
к прежнему уровню. По-видимому, не лишены оснований утверждения о том, что озоносберегающая политика инспирирована владельцами крупнейших химических корпораций с целью задавить 
конкурентов и тем самым укрепить на рынке свое монопольное положение. В настоящее время отмечается уменьшение размеров озоновой дыры, но по каким причинам — неизвестно: то ли в результате осуществления мер, предусмотренных Монреальским протоколом, то ли по естественным, независящим от человека причинам.
Парниковый эффект состоит в том, что испускаемое нагретой 
Землей длинноволновое тепловое излучение поглощается содержащимся в воздухе углекислым газом СО2 и фреонами, что ведет 
к повышению температуры атмосферы. Замеченная на протяжении 
последних 200 лет тенденция к увеличению содержания СО2 в атмосфере экстраполируется на будущее, что может привести к глобальному потеплению, таянию ледников, затоплению океаном 
больших участков суши и кардинальному изменению климата. 
В связи с этим было принято межправительственное соглашение 

(Киотский протокол 1997 г.), накладывающее ограничения на выброс в атмосферу продуктов сгорания топлива. Россия планирует 
присоединиться к Киотскому соглашению.
Противники гипотезы парникового эффекта утверждают, что 
следствие подменяется причиной: не повышение концентрации 
СО2 приводит к потеплению, а потепление приводит к увеличению 
содержания углекислоты в атмосфере. При потеплении растворенная в мировом океане углекислота выделятся в огромных количествах, в сотни раз превышающих поступление СО2 за счет деятельности человека. Этот процесс подвержен сезонным колебаниям — в теплое время углекислота выделяется в атмосферу, при 
похолодании поглощается океаном. Выбросы углекислоты вулканами и при катастрофических лесных пожарах существенно превышают выбросы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека. Но повышение концентрации СО2 приводит к более интенсивному поглощению его растениями. Пробы воздуха, защемленного 
в ледниках Антарктиды сотни лет назад, показывают, что содержание углекислого газа в атмосфере практически не изменилось. Причины изменения температуры атмосферы носят внеземной характер: 
изменение солнечной активности; изменение наклона земной оси; 
пылевые облака в космосе. Все это свидетельствует о том, что к гипотезе изменения температуры атмосферы в результате парникового 
эффекта следует относиться, по крайней мере, с осторожностью.
5. Дешевизна и доступность. Это требование к теплоносителям, 
пожалуй, не нуждается в комментариях.
6. Химическая инертность. Теплоноситель не должен вступать 
в химические реакции с конструкционными материалами теплотехнических установок, включая материал прокладок и припоя. 
Часто причинами химической активности теплоносителя являются 
содержащиеся в нем примеси, что требует его тщательной очистки. 
Причиной разрушения металлов (коррозии) могут быть содержащиеся в теплоносителе в растворенном состоянии кислород и углекислый газ. Коррозия может проявляться не только при работе 
оборудования, но и при его опорожнении, при выводе в резерв, 
когда поступающий в установку кислород воздуха растворяется 
на увлажненной поверхности металла. Чтобы избежать этого, при 
выводе в резерв оборудование либо предварительно подсушивают, 
либо заполняют теплоносителем зачастую с добавлением ингибиторов коррозии — веществ, замедляющих коррозионные процессы.
7. Стабильность. Необходимо, чтобы в процессе длительной 
эксплуатации теплоноситель не разлагался, не изменял своих физических свойств.

8. Необходимый температурный уровень. Это свойство теплоносителя связано и с его стабильностью. Кроме того, желательно, 
чтобы заданный температурный уровень достигался при относительно низких избыточных давлениях, мало отличающихся от атмосферного, что позволило бы упростить и удешевить конструкции 
оборудования, снизить капитальные и эксплуатационные расходы.
9. Отсутствие отложений. Причиной образования отложений 
(твердой, нерастворимой в теплоносителе фракции) на поверхности теплообмена может служить либо наличие в теплоносителе 
примесей, либо разложение теплоносителя. Образующийся слой 
отложений имеет, как правило, низкий коэффициент теплопроводности, что приводит к ухудшению теплопередачи. Необходимость 
периодической чистки оборудования от отложений увеличивает 
эксплуатационные расходы.
10. Невоспламеняемость. При контакте с воздухом теплоноситель, в частности разогретый, не должен воспламеняться.
11. Приемлемые физические свойства. Помимо упомянутых высокой теплоемкости и удельной теплоты парообразования, желательно, чтобы теплоноситель обладал высоким коэффициентом 
теплопроводности, что способствовало бы повышению интенсивности теплообмена. Малое значение вязкости обеспечило бы снижение затрат мощности на перекачку теплоносителя. У всех жидких 
теплоносителей вязкость уменьшается с ростом температуры. 
Большее значение коэффициента поверхностного натяжения способствует предотвращению утечек через прокладки, уплотнения. 
Теплоносители с малым поверхностным натяжением значительно 
легче просачиваются через неплотности, что требует восполнения 
их количества в системе.
Идеальных теплоносителей, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям и пригодных для использования в любой ситуации, нет. Поэтому приходится искать компромиссные решения 
для конкретных видов теплообменного, теплоиспользующего оборудования, в максимальной степени удовлетворяющие указанным 
требованиям.
Вода является одним из наиболее распространенных теплоносителей. Сама природная вода дешева и доступна, но в ней содержатся примеси в виде солей жесткости (солей кальция и магния), 
а также растворенные газы — кислород и углекислота. Наличие 
солей жесткости приводит к образованию на поверхностях нагрева 
нерастворимых отложений. Для удаления солей жесткости воду 
предварительно умягчают в ионообменных установках, например 
Na-катионитовых фильтрах. Растворенные газы вызывают кис

лородную или углекислотную коррозию углеродистых сталей, что 
требует их удаления из воды, например, в процессе термической 
деаэрации. Обе эти операции вызывают удорожание теплоносителя. Применение коррозионно-стойких материалов или сплавов 
приводит, как правило, к удорожанию конструкции. Вода характеризуется относительно высокими значениями теплоемкости, 
коэффициентов теплопроводности и поверхностного натяжения 
и сравнительно низкой вязкостью. При температурах выше 100°C 
давление воды должно превышать атмосферное, причем с увеличением температуры воды давление должно повышаться довольно 
значительно, что, в свою очередь, приводит к увеличению толщины 
стенок труб, сосудов и, как следствие, к удорожанию конструкции. 
Горячую воду можно транспортировать на расстояния до 20 км, 
причем при надежной теплоизоляции снижение температуры воды 
находится в пределах 1°C на километр.
Водяной пар может использоваться в двух состояниях: в виде перегретого или насыщенного, точнее — влажного, пара со степенью 
сухости х ≈ 0,95…0,98 (отличие х от единицы связано с капельным 
уносом из барабанов котлов и частичной конденсацией при транспортировке). Перегретый пар может использоваться в некоторых 
технологических процессах текстильной промышленности, например в зрельниках. В тех теплообменных устройствах, где важен 
температурный уровень теплоносителя, наличие перегрева не обязательно по двум причинам: во-первых, теплота перегрева мала 
по сравнению с удельной теплотой парообразования, выделяющейся при конденсации пара; во-вторых, температурный уровень 
теплоносителя в процессе конденсации определяется не температурой перегрева, а температурой насыщения, зависящей от давления пара. В большинстве промышленных котельных текстильных 
предприятий вырабатывается пар давлением 3…5 бар.
Водяной пар может использоваться в двух формах — в виде 
 «острого» и «глухого» пара. В первом случае пар вводится непосредственно в жидкость и ее разогрев происходит за счет теплоты, выделяющейся при конденсации пара. Во втором случае пар движется 
внутри труб, каналов теплообменного устройства и теплота передается жидкости за счет теплопередачи через их стенки. При обогреве 
«острым» паром безвозвратно теряется дорогостоящий конденсат, 
но зато процесс разогрева происходит значительно быстрее. При 
обогреве «глухим» паром конденсат сохраняется и пригоден для 
дальнейшего использования.
Интенсивность теплоотдачи при конденсации определяется 
в основном физическими свойствами конденсата (воды), поэтому