Краткое изложение основных положений технического расчета конвективного теплообмена при движении жидкости в прямых трубах круглого поперечного сечения

Сергеев И. П., Деменок С. Л., Богданов Д. М. 

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНЫХ 

ПОЛОЖЕНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА  

КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА 

ПРИ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ В ПРЯМЫХ 

ТРУБАХ КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО 

СЕЧЕНИЯ

СТРАТА
Санкт-Петербург
2018 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Сергеев И. П., Деменок С. Л., Богданов Д. М.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО 
РАСЧЕТА КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ДВИЖЕНИИ 
ЖИДКОСТИ В ПРЯМЫХ ТРУБАХ КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ

Рецензент:
Доцент  кафедры Санкт-Петербургского государственного морского технического 
университета к. т. н. В. В. Медведев:

Книга представляет интерес для широкого круга специалистов, занимающихся 
вопросами проектирования, модернизации и эксплуатации теплообменных аппаратов 
для студентов и аспирантов, обучающихся по специальностям направления подготовки 
специалистов в области энергетики.
Рассматриваются 
результаты 
теоретических 
и 
экспериментальных 
исследований гидродинамики и теплообмена в каналах круглого сечения. Целостный 
подход 
позволяет 
использовать 
достигнутые 
результаты 
при 
оптимизации 
конструктивных и режимных параметров тепловых аппаратов и наметить круг проблем, 
еще подлежащих разрешению на основе новых теоретических и экспериментальных 
исследований.

ISBN 978-5-6040743-2-9

© Сергеев И. П., Деменок С. Л.,  
    Богданов Д. М., 2009
© ООО «Страта», 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью данной серии книг является — предоставить собранную информацию по методикам расчетов, используемым сегодня 
в сфере практического вычисления теплообменного оборудования, основываясь на 
передовых научных исследованиях.
Никогда еще за свою историю внимание всего мира не было так сосредоточено 
на использовании энергии с наименьшими потерями, как для потребителя, так для 
окружающей среды. Уменьшение количества бесполезно потраченной энергии за 
счет повышения эффективности работы 
оборудования признано не только важным, 
но и необходимым условием жизнедеятельности на земле. Поэтому в решении этой 
фундаментальной и насущной задачи очень 
многое зависит от науки и от предлагаемых 
технологий. 
Возможность производства тепла и передачи его без потерь от одного посредника 
к другому до сих пор остаются важнейшими 
задачами инженеров и ученых всего мира. 
Исследование процессов теплопередачи от 
одной среды другой послужило толчком для 
использования пара в качестве мобильного источника энергии с целью повышения 
производительности оборудования и стало 
предвестником начала преобразований в 
промышленности.
Ключевым моментом в этом вопросе 
являются разработка и контроль параметров теплообменного оборудования при 
оптимизации энергопотребления. 
Эволюцию вычислений, связанных с расчетом производительности теплообменников, 
можно проследить еще с начала века Индустриализации. Как и многие промышленные 
разработки, созданные на заре развития науки 
и техники, первые образцы теплообменников 
были совершенно субъективными, основан
These book sets aim to provide 
summary information concerning the 
calculations used in practical activities of designing heat transfer equipment today, based on modern scientific research.
Until now there has never been a 
time in history when the world’s attention has been so focused on generating energy at minimum cost to 
both the consumer and to the environment. Minimising wasted energy 
by maximising equipment efficiency 
is recognized globally as not just important but absolutely essential for 
the future of all life on this planet. So 
much depends therefore on both science and technology to deliver this 
basic, fundamental and urgent need.
Being able to create heat and 
transfer it from one medium to another more efficiently remains an 
ongoing challenge to the ingenuity 
of engineers and scientists. The research of transferring heat process 
from one fluid to another for mechanical advantage, initiated the use 
of steam as a mobile power source 
heralding the start of the Industrial 
Revolution.
A corner stone in the progress 
towards process and production optimization using less energy, lies in the 
design and control of heat exchangers.
Evolution of calculations associated with predicting the performance 
of heat exchangers can be traced 
back to the start of Industrialization. 
Like many industrial developments 
having their roots in science and en

ПРЕДИСЛОВИЕ

ными на эмпирическом опыте – методе «проб 
и ошибок», предполагали минимальный контроль параметров на действующем оборудовании. В таком виде они прослужили достаточно долго.
Осборн Рейнольдс нашел способ охарактеризовать состояние жидкого потока, 
зависимость его физических свойств от 
меняющихся условий внешней среды, появилась возможность использования универсальных тепловых вычислений. Расчет 
диаметра трубы на основе значений вязкости жидкости, скорости потока и константы, 
называемой числом Рейнольдса, является 
фундаментальным универсальным инструментом для получения технических параметров теплообменника.
На Рис. 1 представлен стеклянный рабочий участок в корпусе из красного дерева, 
на экспериментальном стенде О. Рейнольдса для исследования зависимости между 
скоростью потока и его свойствами в ламинарном, переходном и турбулентном состояниях. Его открытие безразмерного постоянного числа, названного его именем (число 
Рейнольдса), теперь широко применяется 
инженерами для описания «состояния потока» и является значительным результатом 

Рис. 1. Экспериментальный стенд О. Рейнольдса.
Photograph 1. Osborne Reynolds experimental test apparatus.

gineering, early heat exchanger design was almost entirely subjective, 
being based on heuristic experience, 
‘trial and error’, using rudimentary 
measurements taken from operating 
equipment, proven over time.
Osborne Reynolds recognised 
the need to characterise the state of 
fluid flow under changing fluid conditions and physical properties, did 
the opportunity become possible to 
perform universal thermal calculations. Accounting for changes in 
tube diameter, fluid viscosity and velocity, the dimensionless group that 
makes up a Reynolds Number is a 
fundamental calculation tool of universal engineering significance.
Photograph 1 shows the glass 
working area within the original 
Mahogany frame on experimental test apparatus used by Osborne 
Reynolds in his discovery of the 
relationship between flow velocity 
and the phenomena of laminar, transition and turbulent flow regimes. 
His subsequent development of the 
non-dimensional group named after 

ПРЕДИСЛОВИЕ

всей его работы в Манчестере (Великобритания) в конце ΧΙΧ века.
Прослеживая эволюцию развития возможностей 
теплового 
проектирования, 
вполне обоснованно можно поделить ее на 
два периода: до и после появления компьютеров.
До появления компьютера  вычисления 
опирались на результаты, главным образом, 
академических экспериментов и соответствующие данные публиковались в книгах и 
инструкциях компаний и научных институтов. С момента своего создания использование компьютерных средств  проектирования 
изменило весь процесс прогнозирования тепловой производительности, дополнительно связав его с проектированием механических конструкций и сложных систем теплообменных сетей. Чтобы обеспечить точные 
тепловые характеристики, в проектировании оптимальных размеров оборудования 
на сегодняшний день используют сложные 
специализированные компьютерные программы, эффективность которых зависит от 
качества научных исследований и точности 
данных, например, пакет HTRI.

Компания HTRI – консорциум мирового масштаба, состоящий из тысячи крупных 
компаний. Применение передовых компьютерных возможностей сократило тепловой 
расчет теплообменного аппарата до нескольких секунд. Детальный анализ каждого изменения в заданных параметрах проектирования 
теперь позволяет проектировщику полностью 
понять, какие возможности и ограничения будет иметь в итоге каждый вид теплообменников. 
Технологии, развиваемые в промышленном масштабе, также тесно связаны с 
данными программами. Они позволяют расширить область применения этих программ 
для обеспечения проектирования отдельных 
видов оборудования, включая производство 
оребренных труб, устройства улучшения теплообмена внутритрубного пространства, 

him (Reynolds Number), used universally by engineers to describe the 
‘state of flow’, is a lasting tribute to 
his work in Manchester UK in the 
late 19th Century.
Tracing the evolution of thermal 
design capability, this can be reasonably divided into 2 periods: before 
and after the advent of computers.
Prior to computers advent the 
calculations relied on the results of 
mostly academic experiments and 
associated measurements were published in books and company or institute manuals. Since its inception, 
the use of computer has changed the 
whole process of predicting thermal 
performance, additionally linking 
it now with mechanical design and 
multi exchanger network systems. 
To meet precise thermal performance 
in designing optimally sized equipment, today use the sophisticated 
specialized computer programmers, 
such as HTRI software, which are reliant on good research and accurate 
data.
HTRI (Heat Transfer Research 
Incorporated) is a worldwide highbred 
consortia of nearly one thousand companies.
Through shared research and 
advanced computing power, reduced 
programme run-time for exchanger 
designing down to a few seconds. 
Detailed analysis of each design 
change now allows the designer to 
fully understand what capabilities 
and limitations each exchanger option will actually have.
Commercially 
developed 
technologies also link into these programmers extending  their use to provide 
proprietary equipment design including 
finned tubes, heat transfer enhancement 

ПРЕДИСЛОВИЕ

особые системы интенсификации в межтрубном 
пространстве, 
противовибрационное 
оборудование. Расчеты теплообменников, 
основанные на разных, часто субъективных 
теориях, описанные различными авторами, 
теперь уже не имеют практической ценности 
в условиях закрытости информации, особенно при сравнении конкурентоспособности 
различного оборудования в глобальном масштабе. Для современных теплообменников, 
выполненных по термо-физическим проектам, требуются не только самые последние, 
наиболее точные экспериментальные данные, 
полученные на основе передовой теории, но и 
фундаментальное понимание процессов термогидравлики, которая и формирует основу 
для различных методов расчетов, уже применяемых повсеместно.
На Рис. 2 представлена экспериментальная испытательная установка для точного описания теплообмена во внутритрубном пространстве. Она разработана для 
оперирования числами Рейнольдса в пределах от 1 до 250,000 и имеет точность теплового баланса менее 5 % шкалы измерения 
до 0,01 градуса по Цельсию. Изоляция труб 
достигается вакуумом с размерами испыта
Рис 2. Экспериментальная установка исследования теплообмена в трубе компании Cal Gavin Ltd,  
(Великобритания).

devices for inside tubes, special shellside baffle systems, anti-vibration equipment. Heat exchanger calculations based 
on different and often subjective theories, published by different authors, has 
little value now in terms of confidence, 
when comparing competitive equipment 
offers on a global basis. The modern 
thermo physics engineer designing heat 
exchangers, needs not only to use the 
latest, more accurate experiment data 
based improved theory but also have a 
fundamental understanding of thermohydraulics, which forms the basis of the 
different calculation methods now universally used.
Photograph 2 shows the experimental test rig to accurately description of tube-side heat transfer. It is 
designed to operate in the range 1 to 
250,000 Reynolds Number and have 
an accuracy, in terms of heat balance, of less than 5% measuring to 
0.01 Degrees Centigrade. Tubular insulation is by Vacuum with test section dimensions of 3 meters long x 6 
to 35mm tube bore. 

ПРЕДИСЛОВИЕ

тельной (рабочей) части 3 метра в длину и 
от 6 до 35 мм в диаметре.
Вырабатываемые тепло и электричество являются основными источниками 
энергии во всех областях нашей повседневной жизни. Энергия, получаемая из тепла в 
процессе сгорания топлива, является главной движущей силой при осуществлении 
перевозок, главной составляющей при производстве металлов, химикатов и пластмасс. 
В связи с этим  существует острая необходимость в поиске всех возможных способов, ведущих к сокращению потребляемой 
энергии и разрушительных потенциальных 
побочных эффектов, что возложено теперь 
на инженеров по адаптации лучших технологий для оптимизации теплообменного 
оборудования и сокращения загрязнений 
окружающей среды. 
Настоящее пособие соединяет основы 
теории теплообмена с практикой проектирования теплообменного оборудования на основе 
методик разработанных в формате  HTRI. Пособие изложено в простой и логичной форме, что 
делает ее полезной для студентов технических 
университетов и для специалистов – проектировщиков современного теплообменного оборудования. 

Мартин Дж. Гофф. Управляющий 
директор компании   
Cal Gavin Ltd,  
Великобритания.

Generated heat and the electrical power remains the main energy 
source for nearly all the basic needs 
we expect from life today. Energy 
from heat under the fuel combustion process provides the main motive force for transportation, manufacturing of metals, chemicals and 
plastics. As a result it is absolutely 
essential to find the all possible ways 
of minimising wasted energy and 
destructive side-effects and now is 
of engineers duty to deliver the best 
technologies for maximizing equipment efficiency and reducing environmental pollution. 
This book is aimed at linking 
the scientific roots and established 
theory of heat transfer with current 
engineering design practice based 
on HTRI (Heat Transfer Research 
Incorporated) accepted methods. 
The reference material is presented in a simple, logical form to be 
a useful resource for students of 
technical universities as well as 
heat transfer engineers designing 
“State of the Art” equipment.

Marnin J.  
Gough Managing Director  
Cal Gavin Ltd, UK