Расчет и проектирование теплоиспользующего оборудования

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ǷǧǸǾǬǹǯǶǷǵǬDZǹǯǷǵǩǧǴǯǬ
ǹǬǶDzǵǯǸǶǵDzȃǮǺȅȀǬǪǵ
ǵǨǵǷǺǫǵǩǧǴǯȆ


ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ

ǶȕȋȗȌȋȇȑȝȏȌȐȖȗȕțȌȘȘȕȗȇǧǴǵȘșȗȏȑȕȉȇ 





















dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ
ªǯȔțȗȇǯȔȍȌȔȌȗȏȦ«

1 
 

УДК 66.045 
ББК 31.3 
Р24  
 
 
Авторы: 
Остриков А. Н., Болгова И. Н., Желтоухова Е. Ю., 
Копылов М. В., Терёхина А. В. 
 
Рецензенты: 
кафедра технологии, машин и оборудования пищевых производств  
Майкопского государственного технологического университета  
(д-р техн. наук Х. Р. Сиюхов); 
кафедра технологий и оборудования пищевых и химических  
производств Тамбовского государственного технического  
университета (д-р техн. наук Д. С. Дворецкий) 
 
 
 
 
 
 
Р24   
Расчет и проектирование теплоиспользующего оборудования : учебное 
пособие / [Остриков А. Н. и др.] ; под ред. проф. А. Н. Острикова. - Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 396 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1609-2 
 
Приведены основные расчетные зависимости и последовательность выполнения теплового, конструктивного и гидравлического расчетов различных видов теплоиспользующего оборудования, примеры выполнения расчетов. 
Для студентов, обучающихся по направлениям: 15.00.00 «Машиностроение», 18.00.00 
«Химические технологии», 19.00.00 «Промышленная экология и биотехнологии», 
20.00.00 «Техносферная безопасность и природообустройство». 
 
УДК 66.045 
ББК 31.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1609-2 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ................................................................................................. 
5 
Введение в дисциплину .............................................................................. 
6 
1. Тепловой расчет ...................................................................................... 
8 
1.1. Определение тепловой нагрузки аппарата ..................................... 
8 
1.2. Определение расходов и температур теплоносителей. ................. 
9 
1.3. Расчет температурного режима теплообменника……. ............... 
10 
1.4. Выбор теплофизических характеристик теплоносителей 
........... 
12 
1.5. Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата.  
Выбор конструкции аппарата и материалов 
для его изготовления 
...................................................................... 
13 
1.6. Расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента  
теплопередачи. Приближенный расчет 
........................................ 
17 
1.7. Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. 
Окончательный выбор теплообменного аппарата ...................... 
30 
1.8. Обозначение теплообменных аппаратов ...................................... 
32 
1.8.1. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты .................... 
32 
1.8.2. Теплообменники типа «труба в трубе». ............................. 
38 
1.8.3. Пластинчатые теплообменные аппараты 
........................... 
42 
1.8.4. Спиральные теплообменные аппараты .............................. 
48 
1.8.5. Змеевиковые теплообменные аппараты ............................. 
51 
1.8.6. Воздухоохладители .............................................................. 
54 
1.8.7. Градирни ............................................................................... 
55 
1.8.8. Другие виды теплообменных аппаратов 
............................ 
86 
1.9. Расчет толщины слоя изоляции аппарата……..….. ..................... 
89 
2. Конструкторский расчет……………………………….. 
.................... 
92 
2.1. Выбор конструкционных материалов  
для изготовления аппарата ............................................................ 
93 
2.2. Выбор трубных решеток, способов размещения и крепления  
в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху 
.......... 
97 
2.3. Выбор конструкторской схемы поперечных перегородок  
и расстояния между ними. Противоударная защита 
................. 
106 
2.4. Выбор распределительных камер, крышек  
и днищ аппарата ........................................................................... 
109 
2.5. Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев,  
прокладок и крепежных элементов ............................................ 
111 
2.6. Проверка необходимости установки компенсирующего  
устройства. Выбор его конструкции .......................................... 
115 
2.7. Опоры аппаратов и устройства для строповки .......................... 
118 
2.8. Трубопроводы, запорные устройства и КИП ............................. 
125 
 
3 
 

3. Гидравлический расчет ..................................................................... 
126 
3.1. Коэффициенты гидравлического трения  
и местных сопротивлений ........................................................... 
128 
3.2. Зависимости для расчета гидравлического сопротивления  
при поперечном обтекании пучка труб и в каналах  
пластинчатых теплообменников 
................................................. 
132 
3.3. Расчет сопротивлений трубопровода и включенных  
в него аппаратов ........................................................................... 
136 
3.3.1. Разбивка трубопровода насосной установки на участки: 
всасывающая линия, участок напорного трубопровода  
от насоса до теплообменника, теплообменник, участок 
напорного трубопровода от теплообменника  
до конечной точки… 
.......................................................... 
136 
3.3.2. Определение геометрических характеристик участков 
трубопровода, скоростей и режимов движения  
в них теплоносителя .......................................................... 
136 
3.3.3. Расчет сопротивлений трубопроводов и аппаратов,  
включенных в них .............................................................. 
137 
3.4. Определение требуемого напора насоса 
..................................... 
137 
3.5. Выбор типа и марки насоса 
.......................................................... 
138 
3.6. Построение характеристик насоса и трубопровода.  
Определение рабочей точки насоса 
............................................ 
138 
4. Примеры выполнения проектов ...................................................... 
140 
4.1. Расчет кожухотрубчатого конденсатора перегретых паров 
...... 
140 
4.2. Расчет двухсекционного пластинчатого охладителя. 
................ 
193 
4.3. Расчет комбинированного конденсатора-холодильника 
........... 
225 
4.4. Расчет теплообменного аппарата типа «труба в трубе» 
............ 
256 
4.5. Расчет спирального теплообменного аппарата…... ................... 
288 
4.6. Расчет ребристого воздухоохладителя и морозильной  
камеры для хранения творога 
...................................................... 
321 
4.7. Расчет змеевикового водяного экономайзера ............................ 
330 
4.8. Расчет вентиляторной противоточной градирни ....................... 
341 
4.9. Расчет вентиляторной градирни отдельно стоящей…. ............. 
351 
Заключение 
............................................................................................... 
365 
Библиографический список .................................................................. 
366 
Приложения ............................................................................................. 
369 
4 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм 
обучения II-V курсов, для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям и специальностям подготовки групп 15.00.00 - «Машиностроение», 18.00.00 - «Химические технологии», 19.00.00 - «Промышленная экология и биотехнологии», 20.00.00 - «Техносферная безопасность  
и природообустройство».  
Оно способствует закреплению теоретических знаний раздела «Тепловые процессы» дисциплин группы «Процессы и аппараты» и получению 
практических навыков выполнения теплового, конструкторского и гидравлического расчетов наиболее распространенных теплоиспользующих видов 
оборудования. 
Учебное пособие состоит из четырех глав: тепловой расчет; конструкторский расчет; гидравлический расчет; примеры выполнения расчетов. 
5 
 

ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ 
 
Процессы тепловой обработки являются неотъемлемой и важнейшей 
частью большинства технологических процессов в различных отраслях промышленности. Задачи тепловой обработки разнообразны и в зависимости  
от целей достигаются с помощью следующих тепловых процессов: нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред (однородных жидкостей, 
растворов, суспензий, эмульсий, бинарных и многокомпонентных смесей); 
конденсация паров однородных жидкостей (воды, аммиака, фреона) и их 
смесей (водоспиртовых паров); кипение жидкостей (воды, высококонцентрированных растворов и сложных неоднородных систем) и др. 
Классификация теплообменных аппаратов. Теплообменные аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от 
характера и условий протекающих в них процессов. В связи с разнообразием 
требований в промышленности используются теплообменные аппараты различных типов, которые классифицируются: 
– по назначению: для проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния рабочей среды (нагреватели, охладители), проведения 
теплопередачи с изменением агрегатного состояния рабочих сред (испарители, кипятильники, конденсаторы), одновременного проведения технологического процесса и теплопередачи (реакторы, абсорберы и др.); 
– роду рабочих сред: паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газожидкостные; газо-газовые; 
– взаимному направлению движения рабочих сред: прямоточные, в которых обе среды движутся в одном направлении; противоточные - обе среды 
движутся в противоположных направлениях; перекрестного тока - обе рабочие среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях; смешанного тока, в которых направления потоков рабочих сред возможны в различных 
сочетаниях (прямоток и противоток); 
– характеру температурного режима в теплообменных аппаратах: 
аппараты с установившимся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена с течением времени не изменяется (теплообменники непрерывного действия); аппараты с неустановившимся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды 
на данном участке поверхности теплообмена изменяется с течением времени 
(теплообменники периодического действия); 
– конструктивному признаку: типа «труба в трубе», кожухотрубчатые, 
ламельные, пластинчатые, змеевиковые, спиральные, пластинчато-ребристые, 
оросительные, специальные (аппараты с рубашками, ребристые аппараты), 
комбинированные и др. 
– принципу действия: рекуперативные (в них теплоносители разделены 
стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через эту 
стенку), регенеративные (в них рабочая поверхность попеременно омывается 
различными теплоносителями: при омывании одним из теплоносителей она 
6 
 

нагревается за счет его теплоты; при омывании ее другим теплоносителем 
она охлаждается, передавая теплоту последнему) и смесительные, в которых 
передача теплоты происходит при непосредственном соприкосновении  
и смешении теплоносителей.  
Основной задачей расчета поверхностных теплообменных аппаратов 
является определение величины и конфигурации разделяющей поверхности - 
площади поверхности, геометрических размеров ее элементов и энергозатрат 
на осуществление прокачки теплоносителей через аппарат. 
Тепловые расчеты производят совместно с гидравлическими и конструктивными, и на основе всех этих расчетов подбирают наиболее подходящие конструкции теплообменных аппаратов. 
В учебном пособии представлена структура и примеры комплексного 
расчета рекуперативных теплообменных аппаратов, включающие как выбор 
конструкции и элементов аппарата, так и насоса для транспортировки рабочей среды через него. 
Авторский коллектив искренне благодарит профессоров Д. С. Дворецкого и Х. Р. Сиюхова за труд, связанный с рецензированием учебного пособия. 
Авторы заранее признательны всем читателям за критические замечания, которые будут учтены при переработке книги в дальнейшем. Все замечания просим направлять по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, ВГУИТ. 
7 
 

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ 
 
Цель теплового расчета - определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбор стандартизированного теплообменника. Из основного уравнения теплопередачи находим 
площадь теплопередающей поверхности  
 
ср
/ (
)
F
Q
K
t
'
 
,          
                  (1.1) 
где F - площадь теплопередающей поверхности, м2; Q - тепловая нагрузка 
аппарата, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2āК); 
ср
t
'
 - средний 
температурный напор, К или ƒС. 
 
1.1. Определение тепловой нагрузки аппарата 
 
Для обогрева теплообменных аппаратов в качестве горячих теплоносителей в промышленности используют водяной пар, пары органических веществ (спиртов) и жидкие теплоносители (рассолы, органические вещества, 
масла, воду и т. п.). Обычно нагревают жидкие и газообразные теплоносители 
(различные продукты и полуфабрикаты, воду, воздух и т. п.). В некоторых 
процессах теплоноситель переходит в твердое состояние (вымораживание, 
кристаллизация) или обратно превращается в жидкое или газообразное 
(плавление, сублимация). 
Температуру горячего теплоносителя обозначают буквой Т, холодно- 
го - t. Индекс «н» соответствует температуре, расходу или другой величине, 
характеризующей теплоноситель на входе в аппарат, индекс «к» - на выходе 
из аппарата. Рассмотрим случай обогрева аппарата перегретым паром с последующим охлаждением его до температуры насыщения Тнас, конденсацией 
и охлаждением конденсата до некоторой конечной температуры Тк.  
Тепловые нагрузки по зонам 
 


1
п
н
Q
D I
I
 

,                 
            (1.2) 
 


2
н
к
Q
D I
I
D r
 

 
,    
                      (1.3) 
 


3
к
нас
к
Q
Dс
Т
Т
 

,     
                    (1.4) 
где D - массовый расход пара, кг/с; Iп, Iн, Iк - удельная энтальпия соответственно перегретого пара, насыщенного пара и конденсата, Дж/кг; r - удельная теплота конденсации пара, Дж/кг; ск - средняя удельная теплоемкость 
конденсата, Дж/(кгāК). 
 
Общая тепловая нагрузка аппарата в этом случае определяется как 
сумма тепловых нагрузок в каждой зоне (рис. 1.1).  
8 
 

 
Рис. 1.1. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности:  
I - зона охлаждения пара; II - зона конденсации; III - зона охлаждения конденсата 
 
При эксплуатации теплообменных аппаратов в различных отраслях 
промышленности для их обогрева может быть использована теплота первой  
и второй, второй и третьей или отдельно каждой из зон аппарата. Необходимо, однако, помнить, что применение второй зоны (конденсация пара) обеспечивает максимальное получение теплоты. Например, 1 кг пара при давлении 0,2 МПа, конденсируясь, выделяет 2206,6 кДж теплоты, температура образовавшегося конденсата при этом равна температуре пара. Далее, охлаждаясь на 1 К, 1 кг конденсата выделяет 4,23 кДж теплоты, т. е. в 500 с лишним 
раз меньше. При охлаждении перегретого пара теплоты выделяется еще 
меньше. 
 
1.2. Определение расходов и температур теплоносителей 
 
Неизвестные расходы или температуры теплоносителей, а также потери 
теплоты в окружающую среду определяют из уравнения теплового баланса 
 
гор
хол
пот
Q
Q
Q
 

.             
                    (1.5) 
На рисунке 1.1 показан характер изменения температур теплоносителей 
[23] при нагревании холодного теплоносителя от температуры tн до tк теплотой, 
выделяющейся при охлаждении перегретого пара, его конденсации и охлаждении конденсата. В общем случае температура теплоносителей в теплообменных аппаратах изменяется нелинейно, поэтому прямолинейное изменение температуры на рисунке 1.1 показано условно - для простоты изображения.  
Общая тепловая нагрузка: 
 
1
2
3
Q
Q
Q
Q
 


,      
                           (1.6) 


хол
хол
к
н
Q
G
с
t
t
F
 

, 
где Gхол и схол - соответственно массовый расход и средняя удельная теплоемкость холодного теплоносителя, кг/с и Дж/(кгāК); F  = 1,03…1,05 - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду. 
9 
 

Для определения температур холодного теплоносителя при переходе 
его из одной зоны в другую (tх, ty) составляют уравнения теплового баланса 
по зонам: 


1
хол
хол
к
y
Q
G
с
t
t
 

, 
 


2
хол
хол
y
х
Q
G
с
t
t
 

,    
                           (1.7) 


3
хол
хол
х
н
Q
G
с
t
t
 

. 
 
1.3. Расчет температурного режима теплообменника 
 
Цель расчета - определение средней разности температур 
ср
t
'
 и сред 
Рис. 1.2. Схема движения  
теплоносителей  
них температур теплоносителей tcр1 и tср2. Для этого необходимо установить 
характер изменения температур теплоносителей и выбрать схему их движения с учетом обеспечения наибольшей средней разности температур, 
наилучшего использования теплоты рабочих сред и создания наиболее благоприятных условий теплопередачи. Для аппаратов с поверхностью теплообмена, образованной пучками труб, необходимо знать, какой поток пропускать 
по трубам, а какой - в межтрубном пространстве. 
В общем случае в межтрубное пространство следует направлять более вязкий теплоноситель, считая вязкость при фактической рабочей температуре в аппарате. Если среда может вызвать интенсивную коррозию поверхности теплообмена, ее надо пропускать через трубное пространство, несмотря на повышенную 
вязкость. Поток, имеющий повышенное рабочее давление, целесообразно также 
направлять через трубное пространство из соображений прочности и экономичности конструкции, поскольку в этом случае удовлетворяется общее правило 
конструирования: нагружать более высоким давлением детали меньшего размера.  
Среды, 
дающие 
загрязнение 
поверхности 
нагрева 
(осаждение 
взвешенных частиц из охлаждающей 
воды, коррозионные отложения, полимерные отложения из углеводородных теплоносителей и т. п.), следует пропускать в трубное пространство, которое легче подвергается периодической чистке. Для определения среднего температурного напора 
ср
t
'
  
в случае противотока рекомендуется следующая схема расчета (рис. 1.2): 
Если 
б
м
2
t
t
'
'
d
, то   
б
м
ср
2
t
t
t
'
'
'

 
.        
         (1.8) 
Если 
б

 
.    
              (1.9) 
м
2
t
t
'
'
!
, то   
б
м
ср
б
t
t
t
t
t
'
'
'
'
'
м
2,3lg
10