Металлургическая теплотехника

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Металлургическая  

теплотехника 

П р а к т и ку м 

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки  

22.03.01 — Материаловедение и технология материалов;  

22.03.02, 22.04.02 — Металлургия 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2021 

УДК 621.745.3.(076.5)
ББК 31.391я73
          М54

Авторы: В. А. Дудко, С. Я. Журавлев, Е. В. Киселев, Н. Б. Лошка
рев, В. И. Матюхин, О. В. Матюхин, Н. А. Спирин 

Рецензенты:
замдиректора ОАО «ВНИИМТ» д-р техн. наук, проф. Г. М. Дружинин;
гл. науч. сотр. Института металлургии УрО РАН д-р техн. наук,  

проф. А. Н. Дмитриев

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. Г. В. Воронов 

М54

Металлургическая теплотехника : практикум / В. А. Дудко, 

С. Я. Журавлев, Е. В. Киселев и др. ; М-во науки и высш. образования. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. — 83, [1] с.

ISBN 978-5-7996-3303-5

Изложены материалы для подготовки и проведения лабораторных работ по дис
циплинам, в которых изучаются основы металлургической теплотехники. Практикум предназначен для бакалавров и магистров металлургических направлений; его 
можно рекомендовать студентам, которые изучают в различных дисциплинах разделы теплотехники и теплоэнергетики.

Табл. 1. Рис. 31.

УДК 621.745.3.(076.5)
ББК 31.391я73

ISBN 978-5-7996-3303-5
© Уральский федеральный  
     университет, 2021

Содержание

Содержание

Введение  ..............................................................................................4

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе»  ...........5

2. Испытание пластинчатого теплообменника  ................................18

3. Изучение водовоздушных теплообменников  ...............................26

4. Исследование теплообмена при течении в трубах  .......................34

5. Исследование режимов и способов сушки  
влажных материалов  .........................................................................50

6. Вакуумное охлаждение влажных материалов  ...............................59

7. Изучение процессов поверхностного и объемного кипения  
жидкости  ............................................................................................70

Список использованных источников  ...............................................82

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Введение 

Н

аиболее полное представление о работе теплотехнических агрегатов и технологических процессах, происходящих в них, фор
мируется у студентов, когда они принимают участие в исследованиях.

Проведение экспериментов при выполнении лабораторного прак
тикума хотя и имеет некоторые ограничения, но тем не менее играет серьезную роль в учебном процессе. При этом у студентов есть возможность самостоятельно проанализировать и оценить взаимосвязь 
теоретических аспектов с процессами, которые происходят в лабораторной установке. Это касается и теплотехнических процессов, которые невозможно изучать без предварительного освоения теоретических аспектов теплофизики.

Теплотехнические и теплоэнергетические агрегаты широко рас
пространены в промышленности и часто играют определяющую роль 
в производственном, например металлургическом, процессе.

Каждая лабораторная работа позволяет решать задачи различного 

уровня в зависимости от объема проведенных исследований и глубины изучения процесса.

В процессе выполнения практикума студенты оформляют отчет 

о проведенной работе. Обязательные элементы, которые должен содержать итоговый отчет, оговариваются преподавателем.

Прохождение всех этапов при выполнении практикума призвано 

сформировать у студентов необходимые компетенции.

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе» 

1. Испытание теплообменника 
конструкции «труба в трубе» 

Ц

ель лабораторной работы — изучение конструкции и принципов работы теплообменника типа «труба в трубе».

Задачи работы:
— закрепление сведений о физической сущности переноса те
плоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку и анализ факторов, влияющих на интенсивность 
этого процесса;

— определение коэффициентов теплопередачи в рекуперативных 

теплообменниках при прямоточной и противоточной схемах 
движения теплоносителя.

Основные сведения
Аппараты «труба в трубе» применяются в различных очистных уста
новках, в установках обработки осадочных вод, при очистке отходов 
нефти. В химической и газовой промышленности теплообменники 
используются в технологических процессах, подразумевающих испарение и конденсацию веществ. В теплоэнергетике, при использовании теплоносителей высоких параметров, также применяются подобные устройства.

В зависимости от назначения, теплообменные аппараты «труба 

в трубе» используют как нагреватели, охладители, испарители и конденсаторы. В металлургической промышленности используются теплообменники-испарители для охлаждения воды, масла и других сред, 
которые используются в циклических процессах.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Теплообменники «труба в трубе» применяются также для подогре
ва мазута. Мазут подается в теплообменные трубки подогревателя насосом, а в качестве горячего теплоносителя используется пар.

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются 

устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. По принципу действия теплообменные аппараты 
подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В теплообменных аппаратах рекуперативного типа, теплота пере
дается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую 
их стенку, которая называется поверхностью нагрева теплообменного  
аппарата.

Интенсивность работы теплообменного аппарата характеризуется 

коэффициентом теплопередачи k, который равен количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности нагрева в единицу времени, при разности температур теплоносителей в один градус. Эта 
величина зависит от физических свойств теплоносителей (вязкость, 
теплопроводность, плотность, теплоемкость), от режима движения 
горячего и холодного теплоносителя, конструктивных особенностей 
аппарата (размеры, конфигурация, материал, состояние поверхности  
нагрева).

При расчете теплообменных аппаратов изменение температур те
плоносителей, при их движении по теплообменнику, учитывается путем 
введения в расчетную формулу средней логарифмической разности 
температур горячего и холодного теплоносителя Δt. Влияние остальных факторов учитывают путем введения коэффициента теплопередачи. Формула для расчета количества теплоты, передаваемой в теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид 

 
Q
kF
t
=
ЧD . 

Значение средней логарифмической разности температур сред Δt 

зависит от начальных t t
1
2
'
'
,  и конечных t t
1
2

''
"
,  температур теплоносителей 

(t1 — горячий теплоноситель; t2 — холодный теплоноситель), а также 
от схемы включения теплообменного аппарата, т. е. от взаимных направлений движения теплоносителей.

Существует три основные схемы включения: прямоточная, противо
точная и перекрестная, — кроме того, множество смешанных схем, получаемых в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1.1).

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе» 

а
б
в

г
д

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Рис. 1.1. Типичные конструктивные схемы 
рекуперативных теплообменных аппаратов:
1 — поток горячего теплоносителя; 2 — поток холодного теплоносителя; 
а — «труба в трубе» противоток; б — «труба в трубе» прямоток; 
в — трубчатый теплообменник с перекрестным током; г — пластинчатый 
теплообменник с перекрестным током; д — трубчатый теплообменник 
с многократным перекрестным током 

Изменение температуры теплоносителей и поверхности нагрева 
в теплообменных аппаратах с различными схемами движения показано на рис. 1.2. Из приведенных рисунков видно, что температурный напор, т. е. разность температур сред, меняется по длине теплообменника в зависимости от схемы движения теплоносителей. При 
прямоточной схеме (рис. 1.2, а), горячий 1 и холодный 2 теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении 
так, что на входе в аппарат тепло передается от горячего теплоносителя к холодному при относительно большой разности температур. На выходе из аппарата тепло передается от остывшего горячего теплоносителя к нагретому — холодному при меньшей разности 
температур.
При противоточной схеме движения (рис. 1.2, б), теплоносители 
1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных направлениях так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель отдает тепло уже подогретому холодному теплоносителю.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а
б

в

F

Рис. 1.2. Схемы изменения температур сред и поверхности 
в зависимости от конструкции теплообменного аппарата:

t1
/ — температура горячего теплоносителя на входе в рекуператор; t1
// — 
температура горячего теплоносителя на выходе из рекуператора; t2
/ — температура 
холодного теплоносителя на входе в рекуператор; t2
// — температура холодного 
теплоносителя на выходе из рекуператора; tп
/ — температура поверхности 
теплообмена на входе холодного теплоносителя; tп
// — температура поверхности 
теплообмена на выходе холодного теплоносителя 

При перекрестной схеме движения теплоносителей (рис. 1.2, в), 
температура горячего теплоносителя для всей поверхности теплообмена остается постоянной, а температура холодного теплоносителя 
растет. Именно так получается при кипении жидкости или конденсации паров.

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе» 

Важное для расчета теплообмена значение средней логарифмиче
ской разности температур для прямоточной схемы движения может 
быть определено по формуле 

 
Dt
t
t
t
t

t
t
t
t

=

(
)
(
)

ln

'
'
"
"

'
'

"
"

1
2
1
2

1
2

1
2

.  
(1.1) 

Средняя логарифмическая разность температур при противотоке 

определяется по формуле 

 
Dt
t
t
t
t

t
t
t
t

=

(
)
(
)

ln

'
"
"
'

'
"

"
'

1
2
1
2

1
2

1
2

.  
(1.2) 

Для перекрестного тока средняя логарифмическая разность темпе
ратур с достаточной степенью точности может быть определена как 
средняя арифметическая разность температур на входе и на выходе 
из рекуператора 

 
Dt
t
t
t
t
=
+
(
)
(
)
'
'
"
"

1
2
1
2
2
.

Полученные формулы позволяют сравнить Δt при различных схе
мах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата, в противоточном теплообменнике Δt получается 
наибольшим. Из-за большей величины Δt в противоточной схеме, холодный теплоноситель может быть нагрет до большей темпе- 
ратуры.

Коэффициент теплоотдачи k, Вт/(м 2 · К), в трубчатых теплообмен
ных аппаратах определяют обычно по формулам для плоской стенки, т. к. стенки трубок теплообменников имеют небольшую толщину 
по сравнению с их диаметром, 

 
k
S
=
+
+

1

1
1

1
2
a
l
a

,  

где S — толщина стенки рекуператора, м;

λ — коэффициент теплопроводности материала стенки рекупера
тора, Вт/(м · К);