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 пиломате-
риалов и измельченной древесины, прессование фанеры и раз-
личных 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 теплоноси-
телей. Очевидно, что специалисты и руководители предприятий ле-
сопромышленного комплекса должны иметь ясные представления 
об основных закономерностях генерации, распространения, пре-
образования и транспорта теплоты.
Необходимость написания предлагаемого вниманию читателя 
учебника вызвана переходом к двухступенчатому высшему образо-
ванию и радикальному изменению учебных планов и объемов учеб-
ного времени, отводимого на изучение курса «Теплотехника» при 
обучении бакалавров направления подготовки «Технология лесоза-
готовительных и деревоперерабатывающих производств», для ко-
торых он предназначен.
Авторы сочли необходимым сохранить традиционное построение 
курса с выделением трех основных блоков: техническая термодина-
мика, 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 сек-
тора экономики.
В первой части изложены основные закономерности макроскопи-
ческих 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. Приве-
дено 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 рас-
чета 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 деревоперерабатыва-
ющих производств» содержит дисциплину «Энергетическое исполь-
зование древесной биомассы», специальные вопросы использования 
древесной биомассы для производства энергии рассматриваются 
кратко. В книге обобщен более чем сорокалетний опыт препода-
вания курсов «Теплотехника», «Техническая термодинамика и тепло-
передача» и «Теплоснабжение» на кафедре теплотехники МЛТИ-
МГУЛ.
Авторы считают своим долгом выразить глубокое уважение па-
мяти 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. Ар-
тельщикову за помощь в подготовке рукописи к печати.

ПРЕДИСЛОВИЕ  
КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Получив любезное предложение издательства «ИНФРА-М» пе-
реиздать предлагаемый вниманию читателя учебник, авторы внима-
тельно пересмотрели текст книги и внесли необходимые исправ-
ления и уточнения. Все рисунки были снабжены подрисуночными 
подписями. Уточнены ссылки на стандарты и другие нормативные 
документы. Авторы выражают искреннюю благодарность профес-
сору кафедры В.Г. Малинину за ценные советы и сотрудничество.
Учитывая, что учебник может получить более широкое распро-
странение, авторы обращаются к читателям с просьбой сообщать 
о замечаниях и/или предложениях издательству или авторам по ад-
ресу: 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 преобра-
зования энергии в физических, химических и других макроскопиче-
ских процессах. Раздел термодинамики, рассматривающий преобра-
зование теплоты в механическую энергию и механической энергии 
в теплоту, называется технической термодинамикой.
Термодинамика изучает процессы, протекающие в термодинами-
ческих системах. Термодинамической системой называют совокуп-
ность физических тел, взаимодействующих энергетически между 
собой и с окружающей средой и обменивающихся массой. Границы 
раздела системы и окружающей среды обладают различными свой-
ствами, определяющими характер их взаимодействия, в связи с чем 
термодинамические системы подразделяются на открытые, за-
крытые, 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 (барометри-
ческим). Таким образом, манометры показывают избыточное (мано-
метрическое) давление pм = p − B, а вакуумметры — разряжение (ва-
куум) 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, пропорцио-
нальная средней кинетической энергии движения молекул и атомов, 
называемого тепловым. Характеризует уровень нагретости тела. Для 
измерения температуры применяются различные приборы (термо-
метры), принцип действия которых основан на законах изменения 
определенных свойств вещества при изменении температуры, на-
пример объема, электрического сопротивления и т.д. Для количе-
ственной 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 — со-
стояние точки кипения воды при нормальном атмосферном дав-
лении (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 дав-
ление равно нулю. Точка плавления льда при нормальном атмо-
сферном давлении соответствует температуре по шкале Кельвина 
273,15 К. Значение температуры по шкале Кельвина называют абсо-
лютной температурой и обозначают Т. Соотношение между темпе-
ратурой 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 уравне-
нием 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) за-
висит от состава и состояния вещества в системе.
В технической термодинамике для упрощения получения ос-
новных термодинамических соотношений в качестве рабочего тела 
принят идеальный газ. Молекулы такого газа представляют собой 
материальные точки с пренебрежимо малыми размерами; взаимо-
действие молекул ограничено упругими соударениями; силы взаим-
ного притяжения и отталкивания исчезающе малы. Для идеального 
газа получены важные закономерности. Еще в XVII в. Робертом 
Бойлем и Эдмом Мариоттом установлено, что при постоянной тем-
пературе произведение давления газа на его объем остается посто-
янным:
 
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 га-
зами 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 объ-
емах любых идеальных газов при одинаковых температурах и одина-
ковых 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 нор-
мальных 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 со-
стояния 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 урав-
нение 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 за-
писи уравнения (1.5). Так, разделив выражение (1.5) на молеку-
лярную 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) сле-
дует:
 
pV = GRT, 
(1.7)
для одного моля газа
 
pVμ = μRT. 
(1.8)