Теплотехника

ТЕПЛОТЕХНИКА

Москва
ИНФРА-М
2015

УЧЕБНИК

Второе издание

Ю.П. СЕМЕНОВ
А.Б. ЛЕВИН

Рекомендовано 
УМО по образованию в области лесного дела в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
35.03.02 (250400.62) «Технология и оборудование лесозаготовительных 
и деревоперерабатывающих производств»

УДК 621(075.8)
ББК 31.3я73
 
С30

Семенов Ю.П. 
Теплотехника : учебник / Ю.П. Семенов, А.Б. Левин. — 2-е изд. — 
Москва : ИНФРА-М, 2023. — 400 с. + Доп. материалы [Электронный 
ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/7972.

ISBN 978-5-16-010104-0 (print)
ISBN 978-5-16-101834-7 (online)

Учебник содержит сведения о теплотехнике в объеме, необходимом при 
изучении курса «Теплотехника» студентами высших учебных заведений, обучающимися по направлению 35.03.02 «Технология и машины лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», в соответствии с требованиями 
Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.

УДК 621(075.8)
ББК 31.3я73

Р е ц е н з е н т ы:
А.Н. Обливин, доктор технических наук, профессор;
С.П. Рудобашта, доктор технических наук, профессор

С30

© Семенов Ю.П., Левин А.Б., 2015
ISBN 978-5-16-010104-0 (print)
ISBN 978-5-16-101834-7 (online)

Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М

Подписано в печать 03.12.2022. 
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Усл. печ. л. 25,0. ПТ20. 

ТК 472550-1939094-250415

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ПРЕДИСЛОВИЕ

Технологии предприятий лесного сектора экономики связаны 
с большим потреблением теплоты; и чем глубже степень переработки 
древесного сырья, тем больше теплопотребление. Сушка пиломатериалов и измельченной древесины, прессование фанеры и различных плит, варка целлюлозы, производство бумаги и картона — 
все эти и многие другие процессы требуют значительных расходов 
теплоты, строгого соблюдения температурных режимов и в связи 
с этим — точного регулирования расходов и параметров теплоносителей. Очевидно, что специалисты и руководители предприятий лесопромышленного комплекса должны иметь ясные представления 
об основных закономерностях генерации, распространения, преобразования и транспорта теплоты.
Необходимость написания предлагаемого вниманию читателя 
учебника вызвана переходом к двухступенчатому высшему образованию и радикальному изменению учебных планов и объемов учебного времени, отводимого на изучение курса «Теплотехника» при 
обучении бакалавров направления подготовки «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», для которых он предназначен.
Авторы сочли необходимым сохранить традиционное построение 
курса с выделением трех основных блоков: техническая термодинамика, основы теории теплообмена и промышленная теплотехника. 
В то же время авторы использовали опыт и материалы, накопленные 
ими при создании ранее изданной учебной литературы [2; 9; 10; 12] 
и при подготовке инженеров — технологов и механиков лесного сектора экономики.
В первой части изложены основные закономерности макроскопических процессов, связанных с превращениями энергии. Рассмотрены свойства рабочих тел: идеального газа, реальных газов 
и водяного пара, а также процессы и циклы, используемые в современной технике. В частности, дано описание и анализ циклов паросиловых установок, двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и холодильных установок, поршневых и центробежных компрессоров. Эта часть написана авторами совместно.
Во второй части приведены сведения о законах переноса теплоты 
в пространстве с неоднородным полем температуры. Основное внимание уделено стационарной теплопроводности, конвективному, 

радиационному и сложному теплообмену, расчету процессов теплообмена и теплообменных аппаратов. Дано представление о методах 
расчета процессов нестационарной теплопроводности, конвективного тепло- и массообмена и теплообмена при фазовых превращениях. Вторая часть написана Ю.П. Семеновым.
В третьей части рассмотрены способы определения мощности 
и годовых расходов теплоты производственными и коммунальными 
потребителями. Описаны схемы организации теплоснабжения, 
источники теплоты, их технологические и тепловые схемы. Даны 
основные сведения об используемых в отрасли котельных топливах, 
способах их сжигания, конструкциях топочных устройств. Приведено описание типов и конструкций паровых и водогрейных котлов, 
рассмотрен тепловой баланс котла и порядок определения расхода 
топлива для него. Описаны системы обеспечения работы котлов 
и основные правила их безопасной эксплуатации. Рассмотрены 
схемы паровых и водогрейных котельных, изложены принципы расчета тепловой мощности котельной, выбора числа и типоразмера 
котлоагрегатов. Даны основные сведения по устройству тепловых 
сетей. Рассмотрены схемы тепловых паротурбинных и дизельных 
электростанций и принципы устройства устанавливаемых на них 
тепловых двигателей. Третья часть подготовлена авторами совместно. 
Учитывая, что учебный план подготовки бакалавров по направлению 
«Технология и машины лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» содержит дисциплину «Энергетическое использование древесной биомассы», специальные вопросы использования 
древесной биомассы для производства энергии рассматриваются 
кратко. В книге обобщен более чем сорокалетний опыт преподавания курсов «Теплотехника», «Техническая термодинамика и теплопередача» и «Теплоснабжение» на кафедре теплотехники МЛТИМГУЛ.
Авторы считают своим долгом выразить глубокое уважение памяти профессоров П.Н. Романенко и П.М. Брдлика, долгие годы 
заведовавших кафедрой теплотехники и сформировавших общий 
стиль преподавания дисциплин теплотехнического цикла, который 
мы попытались сохранить, насколько это было в наших силах.
Выражаем искреннюю признательность Л.Е. Наумовой и В.И. Артельщикову за помощь в подготовке рукописи к печати.

ПРЕДИСЛОВИЕ  
КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Получив любезное предложение издательства «ИНФРА-М» переиздать предлагаемый вниманию читателя учебник, авторы внимательно пересмотрели текст книги и внесли необходимые исправления и уточнения. Все рисунки были снабжены подрисуночными 
подписями. Уточнены ссылки на стандарты и другие нормативные 
документы. Авторы выражают искреннюю благодарность профессору кафедры В.Г. Малинину за ценные советы и сотрудничество.
Учитывая, что учебник может получить более широкое распространение, авторы обращаются к читателям с просьбой сообщать 
о замечаниях и/или предложениях издательству или авторам по адресу: Московская область, Мытищи 1, 1-я Институтская, 1, МГУЛ, 
кафедра ЭТЭ.

Часть 1 
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Глава 1 
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ  
И ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

1.1. СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДМЕТА.  
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

В широком понимании термодинамика изучает законы преобразования энергии в физических, химических и других макроскопических процессах. Раздел термодинамики, рассматривающий преобразование теплоты в механическую энергию и механической энергии 
в теплоту, называется технической термодинамикой.
Термодинамика изучает процессы, протекающие в термодинамических системах. Термодинамической системой называют совокупность физических тел, взаимодействующих энергетически между 
собой и с окружающей средой и обменивающихся массой. Границы 
раздела системы и окружающей среды обладают различными свойствами, определяющими характер их взаимодействия, в связи с чем 
термодинамические системы подразделяются на открытые, закрытые, теплоизолированные и изолированные.
В открытых системах наряду с энергообменом происходит обмен 
массой с окружающей средой. Границы раздела закрытой системы 
и окружающей среды непроницаемы, поэтому обмен массой отсутствует. Границы теплоизолированной системы препятствуют теплообмену с окружающей средой. Свойства границ изолированной системы 
таковы, что они полностью исключают обмен массой и энергетическое взаимодействие.
В курсе технической термодинамики рассматриваются термодинамические системы, в которых осуществляется взаимное преобразование теплоты и механической энергии (тепловые двигатели, теплосиловые установки, холодильные установки). Преобразование 
энергии в такого вида реальных системах происходит с участием газа 
или пара, обладающих высокой сжимаемостью при изменении дав

ления. Обычно используются продукты сгорания топлива, воздух, 
водяной пар или пары других жидкостей. Поэтому изучение термодинамических свойств газов и водяного пара также является важной 
составляющей курса технической термодинамики.
Для теоретического анализа тепловой двигатель, теплосиловая 
или холодильная установка представляются как термодинамическая 
система (рабочее тело), отделенная от окружающей среды определенной границей.
Механическое взаимодействие рабочего тела с окружающей 
средой характеризуется работой, тепловое взаимодействие — теплотой, под которой здесь понимается количество энергии, передаваемое от источника к рабочему телу теплообменом (система не теплоизолированная). Температура источника при этом должна отличаться от температуры рабочего тела. Тогда, если граница это 
допускает, происходит теплообмен между рабочим телом и окружающей средой. Работу система совершает против действия внешних 
сил. В частности, расширяясь, система совершает работу для преодоления внешнего давления. Для сжатия рабочего тела затрачивается 
внешняя работа.
Взаимодействие с окружающей средой приводит к изменению 
состояния рабочего тела, которое характеризуется параметрами состояния.

1.2. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ.  
ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Важным термодинамическим состоянием системы является состояние равновесия. Это состояние обладает свойством не изменяться 
до тех пор, пока внешние условия остаются неизменными. Например, газ, заключенный в сосуд постоянного объема, находится 
в равновесии, когда его давление и температура повсюду постоянны, 
температура равна температуре окружающей среды, а внешние силы 
уравновешены силами внутреннего давления. Различные состояния 
равновесия отличаются числовыми значениями физических величин, называемых параметрами состояния, или термодинамическими параметрами.
Каждому состоянию соответствуют определенные значения абсолютного давления, температуры и удельного объема, не зависящие 
от количества вещества и поэтому называемые интенсивными параметрами. Зависящие от количества вещества свойства, такие как 
объем, называют экстенсивными.

Абсолютное давление р — сила, действующая на единицу площади 
по нормали к поверхности оболочки, в которой находится газ. Давление газа распределено равномерно по поверхности оболочки. Единица измерения давления в системе СИ 1 Н/м2 называется паскаль (Па). Для больших давлений используется единица измерения 
давления 1 бар = 105 Па, или 1 МПа = 106 Па. В технике также используются следующие единицы измерения давления:
• 1 кгс /см2 = 1 атм (техническая атмосфера);
• 1 мм рт. ст. (миллиметр ртутного столба);
• 1 мм вод. ст. (миллиметр водяного столба).
Соотношения между единицами измерения давления:
1 бар = 105 Па = 0,1 МПа = 1,02 кгс/см2 = 750 мм рт. ст. =  
= 1,02 ⋅ 104 мм вод. ст.
Давление газов выше атмосферного измеряется манометрами, 
ниже атмосферного — вакуумметрами. Эти приборы показывают 
разность между абсолютным давлением и атмосферным (барометрическим). Таким образом, манометры показывают избыточное (манометрическое) давление pм = p − B, а вакуумметры — разряжение (вакуум) pраз = B − p, где p — абсолютное давление, B — барометрическое 
давление.
Удельный объем v — объем единицы массы вещества. В системе 
СИ единица измерения удельного объема — м3/кг, эта же единица 
в основном используется в технике.
Величина, обратная удельному объему, — плотность, ρ = 1/v, кг/м3.
Температура — некоторая статистическая величина, пропорциональная средней кинетической энергии движения молекул и атомов, 
называемого тепловым. Характеризует уровень нагретости тела. Для 
измерения температуры применяются различные приборы (термометры), принцип действия которых основан на законах изменения 
определенных свойств вещества при изменении температуры, например объема, электрического сопротивления и т.д. Для количественной характеристики температуры используются различные 
температурные шкалы. В науке и технике в основном применяются 
две шкалы: шкала Цельсия, точнее — близкая к ней международная 
стоградусная шкала, и термодинамическая шкала температуры — 
шкала Кельвина. При построении шкалы Цельсия за ноль градусов 
принято состояние точки плавления льда, за сто градусов — состояние точки кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст. = 0,1013 МПа). Единица измерения температуры 
по шкале Цельсия — 1 °C (один градус Цельсия). Единица измерения 

температуры по термодинамической шкале — 1 К (один Кельвин). 
При определении величины 1 К используется то же правило, что 
и при определении величины 1 °C, т.е. разность между значениями 
температуры в точках кипения воды и плавления льда делится на сто, 
поэтому 1 К = 1 °C.
По шкале Кельвина ноль соответствует предельному состоянию, 
при котором отсутствует тепловое движение молекул и атомов и давление равно нулю. Точка плавления льда при нормальном атмосферном давлении соответствует температуре по шкале Кельвина 
273,15 К. Значение температуры по шкале Кельвина называют абсолютной температурой и обозначают Т. Соотношение между температурой по шкале Цельсия t и абсолютной температурой имеет вид 
 
Т = t + 273,15 К.
Параметры состояния не могут устанавливаться произвольным 
образом, между ними существует зависимость, называемая уравнением состояния:
 
F(p, v, T) = 0. 
(1.1)
Из уравнения (1.1) следует, например, что для однородного газа 
произвольно заданным двум параметрам состояния соответствует 
единственное значение третьего параметра. Вид функции (1.1) зависит от состава и состояния вещества в системе.
В технической термодинамике для упрощения получения основных термодинамических соотношений в качестве рабочего тела 
принят идеальный газ. Молекулы такого газа представляют собой 
материальные точки с пренебрежимо малыми размерами; взаимодействие молекул ограничено упругими соударениями; силы взаимного притяжения и отталкивания исчезающе малы. Для идеального 
газа получены важные закономерности. Еще в XVII в. Робертом 
Бойлем и Эдмом Мариоттом установлено, что при постоянной температуре произведение давления газа на его объем остается постоянным:
 
pVТ=const = const. 
(1.2)
Уравнение (1.2) получило название закона Бойля — Мариотта.
В 1802 г. Жозеф Луи Гей-Люссак установил зависимость между 
температурой и объемом газа при постоянном давлении:

 
V
V
T
T
p

1

2

1

2

⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
=

=const
,  
(1.3)

которая получила название закона Гей-Люссака.

Соотношения (1.2) и (1.3) получены из опытов с реальными газами при условиях, близких к атмосферным. Впоследствии более 
точными измерениями было установлено, что эти зависимости 
не выполняются абсолютно строго.
В 1811 г. Амедео Авогадро выдвинул положение, что в равных объемах любых идеальных газов при одинаковых температурах и одинаковых давлениях заключено равное число молекул. Это положение 
называется законом Авогадро. Из закона Авогадро следует, что при 
одинаковых давлениях и температурах объемы молей всех идеальных 
газов равны. Так, объем одного моля идеального газа при нормальных физических условиях (р = 760 мм рт. ст. = 1,013 ⋅ 105 Па; 
t = 0 °C) равен 22,4 м3/кмоль.
В 1834 г. Бенуа Поль Эмиль Клапейрон получил уравнение состояния идеального газа в виде
 
pV = BT, 
(1.4)
где коэффициент пропорциональности В зависит от рода газа и его 
массы. 
В 1874 г. Д.И. Менделеев, используя закон Авогадро, вывел уравнение состояния для одного моля идеального газа:
 
pVμ = R*T, 
(1.5)
где Vμ — объем одного моля; R* — универсальная газовая постоянная.
Подстановкой в уравнение (1.5) значений параметров газа при 
нормальных физических условиях в системе СИ (Т = 273,15 К; 
Vμ = 22,4 м3/кмоль; p = 1,013 ⋅ 105 Па) определяется величина 
R* = 8314 Дж/(кмоль⋅К). Соотношение (1.5) носит название уравнение 
Клапейрона — Менделеева. Оно обобщает законы Бойля — Мариотта, 
Гей-Люссака и Авогадро. Используются также и другие формы записи уравнения (1.5). Так, разделив выражение (1.5) на молекулярную массу μ, имея в виду, что Vμ/μ = v, получаем для 1 кг газа

 
pv
R T
=

∗

μ
,

или
 
pv = RT, 
(1.6)
где R = 8314/μ, Дж/(кг⋅К) — газовая постоянная, зависящая только 
от молекулярной массы газа.
Для некоторого количества газа массой G из уравнения (1.6) следует:
 
pV = GRT, 
(1.7)
для одного моля газа
 
pVμ = μRT. 
(1.8)