Теплообменные аппараты низкотемпературных установок и систем термостатирования. Часть 1. Аппараты трубчатого и пластинчатого типов

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
В.Г. Бакланова, Ю.А. Шевич 
 
 
 
 
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК 
И СИСТЕМ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ 
 
 
 
Часть 1 
 
АППАРАТЫ ТРУБЧАТОГО  
И ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТОГО ТИПОВ 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
 в качестве учебного пособия 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2011 

УДК 621.1.016(075.8) 
ББК 31.392  
 Б19 
 
Рецензенты: В.И. Могорычный, В.Н. Афанасьев 
 

 
 
Бакланова В.Г. 
Теплообменные аппараты низкотемпературных установок и систем термостатирования : учеб. пособие. Ч. 1: Аппараты трубчатого и пластинчатого типов / В.Г. Бакланова, 
Ю.А. Шевич. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.  
– 64, [4] с. : ил. 
 
В настоящем учебном пособии изложены основные сведения о 
процессах, протекающих в теплообменных аппаратах низкотемпературных установок и систем термостатирования. В первой части 
пособия приведены общие сведения об особенностях расчета процессов теплообмена и гидродинамики в высокоэффективных теплообменных аппаратах, а также зависимости, необходимые для 
проектирования аппаратов трубчатого и пластинчато-ребристого 
типов. Во второй части пособия аналогичные сведения представлены для проектирования теплообменных аппаратов матричного 
типа. 
Пособие предназначено для студентов старших курсов, изучающих криогенную технику, системы термостатирования и кондиционирования. 
 
УДК 621.1.016(075.8) 
    ББК 31.392  
 

 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

Б19 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Настоящее учебное пособие предлагается в качестве основного 
для студентов 5-го курса кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (Э-4). 
Содержание этого пособия основано на материале ранее изданного 
пособия доцента, канд. техн. наук В.Г. Баклановой по курсу лекций, читаемому ею в течение многих лет на кафедре Э-4, посвященному теплообменным аппаратам низкотемпературных установок. К сожалению, пособие длительное время не переиздавалось. 
Главным образом в нем были приведены сведения по трубчатым и 
пластинчато-ребристым аппаратам. Однако в последние годы появилась информация о новом типе теплообменных аппаратов – аппаратов матричного типа. Исследования этих аппаратов были проведены и на кафедре Э-4. Основные результаты этих исследований 
представлены во второй части этого пособия. 
В предлагаемом пособии рассмотрены особенности расчета 
низкотемпературных аппаратов, приведены расчетные зависимости, отмечены конструктивные особенности различных аппаратов. 
Описаны методы оценки эффективности теплообменных аппаратов, представлены результаты расчета эффективности аппаратов 
различных типов. 
Большую помощь при составлении данного пособия оказали 
студенты кафедры Э-4 К. Иванова и А. Пырова. Кроме того, большую помощь на заключительном этапе подготовки пособия к изданию оказал студент кафедры Э-4 Б. Алескеров. 

ВВЕДЕНИЕ 

Одними из основных элементов любой энергетической систе
мы являются теплообменные аппараты (ТА), от которых в значительной степени зависят ее технические и экономические показатели. Для того чтобы эти показатели были высокими, ТА должны 
удовлетворять определенным требованиям. 

Многие современные технические системы основаны на физи
ческом процессе обмена тепловой энергией. Этот процесс протекает в ТА, различающихся по принципу действия и конструктивному исполнению. Рассматриваемые в данном пособии ТА, в том 
числе и новые аппараты матричного типа, относятся к ТА с развитой поверхностью теплообмена. Они характеризуются высокой 
интенсивностью теплообмена и компактностью, что позволяет с 
помощью относительно небольшого размера передавать значительное количество теплоты. Наибольшее распространение эти ТА 
получили в таких областях, как авиация, криогенная и холодильная техника, химическая технология, энергетика, ракетная и космическая техника. 

Протекающий в ТА процесс передачи теплоты от среды с вы
сокой температурой к среде с более низкой температурой происходит самопроизвольно. Согласно определению Р. Клаузиуса, теплообмен относится к естественным процессам, для протекания которых не требуется вмешательство извне. Процессом, противоположным теплообмену, является процесс перехода теплоты от менее нагретых тел к более нагретым, для чего, согласно второму 
началу термодинамики, требуются затраты энергии. Следует отметить, что неверным является мнение о том, что теплообмен, протекающий самопроизвольно, не сопряжен с затратами энергии.  

При работе любого ТА, включенного в какую-либо энергетиче
скую систему, имеют место энергетические потери, нередко значительные. Главным образом это обусловлено тем, что процесс передачи теплоты является необратимым. Этот процесс может протекать 

только при разности температур ∆Т, являющейся движущей силой 
теплообмена и одновременно мерой его необратимости. 

Теплообмен всегда сопровождается увеличением суммарной 

энтропии тел, участвующих в процессе. Так, при теплообмене  
между потоками двух веществ с постоянными средними температурами ТА и ТБ, количеством теплоты Q и разностью температур  
между ними ∆Т = ТА − ТБ происходит возрастание энтропии в ТА 
на величину 
0
Б
A
Б
A
/
/
,
Ts
s
s
Q T
Q T

 
 


 откуда следует 

0
A Б
/(
).
Тs
Q T
T T



 Увеличение энтропии приводит к соответст
вующим потерям энергии (потерям эксергии), которые определяются как 
0
0
.
T
Т
s
 

 Из приведенных зависимостей следует, что 

потери энергии в ТА пропорциональны разности температур ∆T и 
обратно пропорциональны средним температурам потоков ТА и ТБ. 
Следовательно, потери наиболее значительны в криогенных системах, в которых абсолютные температуры ТА и ТБ низки. По этой 
причине в криогенных ТА допустимы только небольшие разности 
температур ∆T, что требует создания эффективных компактных 
аппаратов. 

Помимо разности температур в ТА также имеются потери дав
ления ∆р. При движении теплоносителей вдоль поверхности теплообмена необходимы затраты энергии на преодоление гидродинамических сопротивлений, при этом термодинамические характеристики установки в целом ухудшаются. Так, при увеличении давления 
температура кипения жидкости в криогенных и холодильных установках повышается. Кроме того, возникают дополнительные потери 
в результате как теплообмена с окружающей средой, так и продольного теплообмена по корпусу ТА, но во многих случаях они менее 
значительны. Таким образом, идеальным считают ТА с минимально 
возможной разностью температур между потоками ∆Tmin, минимальными гидравлическими сопротивлениями ∆pmin, без дополнительных потерь. 

Однако принятие условий ∆Tmin и ∆pmin приводит к резкому 

увеличению поверхности теплообмена F, массы и размеров ТА. 
Уменьшение разности ∆T вызывает увеличение поверхности теплообмена в обратной пропорции. Уменьшение давления ∆p связано с необходимостью уменьшения скорости теплоносителей, что в 
свою очередь уменьшает коэффициенты теплоотдачи и также приводит к увеличению поверхности теплообмена. Последнее обу

словливает увеличение гидравлических потерь. В результате этого 
возникает ряд противоречивых требований, одновременное выполнение которых не представляется возможным. Таким образом, 
стремление уменьшить размеры, массу и стоимость ТА, сделать 
его компактным часто противостоит стремлению обеспечить минимальные потери энергии при эксплуатации ТА, достичь его наибольшей термодинамической эффективности. 

Поиски компромисса при варьировании таких различных пара
метров, как скорости потоков, геометрические размеры элементов  
поверхности, далеко не всегда приводят к желаемым результатам. 
Применение высококомпактных и эффективных типов ТА с наилучшими тепловыми и гидравлическими характеристиками позволяет решить эту задачу. При создании современных эффективных  
ТА наиболее рациональными оказались следующие два подхода: 
первый – широкое использование развитых высококомпактных поверхностей; второй – создание благоприятных гидравлических условий движения теплоносителя, что дает возможность обеспечить высокие коэффициенты теплоотдачи при умеренных гидравлических 
сопротивлениях.  

При использовании первого подхода обычно применяют дву
стороннее оребрение, что позволяет создать развитую поверхность 
теплообмена, например, в аппаратах пластинчато-ребристого или 
матричного типа. Для количественной оценки компактности обычно используют понятие удельной поверхности S = F/V, где F – поверхность теплообмена, м2; V – объем, занимаемый этой поверхностью теплообмена, м3. Величина S обратно пропорциональна эквивалентному диаметру каналов поверхности теплообмена, с его 
уменьшением она возрастает. В ТА различной конструкции величина S изменяется в широких пределах. Так, удельная поверхность S 
обычных гладкотрубных ТА составляет до 1 000 м2/м3, а пластинчато-ребристых или матричных теплообменников (МТ) – 3 000… 
…10 000 м2/м3. При использовании наиболее компактных ТА с сетчатыми матрицами (регенераторы газовых криогенных машин) значение S увеличивается до 40 000 м2/м3. При создании многоканальных эффективных ТА с высокой компактностью обычно требуется 
решение ряда сложных конструктивных и технологических задач. 

В случае применения второго подхода, т. е. при обеспечении бла
гоприятной гидродинамики теплоносителя, обычно осуществляют 
турбулизацию потока вблизи поверхности теплообмена. Этого дости

гают использованием коротких ребер, специальных элементов, а 
также каналов со сложной изменяющейся формой сечения. Применение таких поверхностей позволяет создавать отрывные зоны, т. е. 
турбулизировать поток, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и, как следствие, к увеличению интенсивности теплообмена. При этом следует исходить из того, что существенное значение имеет турбулизация потока не по всему сечению канала, а 
именно в том месте сечения канала, где создается наибольшее термическое сопротивление теплообмену (наибольший градиент температуры). Обычно эта область – область ламинарного подслоя – находится вблизи поверхности теплообмена. Турбулизация ядра потока 
может привести лишь к возрастанию гидродинамических потерь при 
незначительном увеличении коэффициента теплоотдачи. 

При конструировании эффективных ТА эти два подхода исполь
зуют одновременно, т. е. создают высококомпактную поверхность с 
большим значением S с каналами определенной формы, что позволяет 
повысить эффективность турбулизации потока. В первых конструкциях компактных ТА была использована трубчатая форма поверхности 
теплообмена, эффективность которой существенно увеличивается при 
оребрении труб и уменьшении их диаметра. Следующим этапом усовершенствования ТА было создание пластинчато-ребристых аппаратов 
с прямоугольными каналами и двусторонним оребрением прерывистого типа, отличающихся высокой компактностью, но более сложной технологией изготовления. В дальнейшем были разработаны 
МТ, представляющие собой конструкцию из большого числа чередующихся слоев теплопроводных элементов с отверстиями и прокладок, формирующих каналы. В результате этого образуется матрица, т. е. набор стереотипных элементов, обладающая высокоразвитой поверхностью теплообмена. Компактность, интенсивный теплообмен, работоспособность при высоких давлениях, использование 
унифицированных конструктивных элементов, возможность автоматизации производства – это некоторые преимущества, определяющие перспективность МТ.  

Во второй части пособия рассмотрен ряд вопросов, связанных с 

особенностями расчета и создания этих ТА: 

– различные виды матричных поверхностей, их геометриче
ские характеристики, конструкции аппаратов с матрицами разных 
типов; 

– экспериментальная информация по тепловым и гидравличе
ским характеристикам сетчатых и перфорированных матриц с раз