Тепломассообменное оборудование предприятий

В. С. Малышев, С. П. Пантилеев 
ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
ПРЕДПРИЯТИЙ 
Допущено ученым советом Мурманского государственного технического университета 
в качестве учебного пособия по дисциплине «Тепломассовое оборудование предприятий» 
для студентов направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 536.24 
ББК 31.39 
М20 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
заместитель министра энергетики и ЖКХ Мурманской области Р. М. Ахметов; 
к. ф.-м. н., доцент, заведующий кафедрой физики, биологии и инженерных  
технологий ФГБОУ ВО «МАГУ» В. Г. Николаев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Малышев, В. С. 
М20  
Тепломассообменное оборудование предприятий : учебное пособие / 
В. С. Малышев, С. П. Пантилеев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. - 320 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1876-8 
 
Рассматриваются современные тепломассообменные аппараты: выпарные, сушильные, разделительные установки; вспомогательное оборудование теплотехнологических установок и применяемые в них теплоносители, вопросы очистки и утилизации 
промышленных выбросов. Основное внимание обращено на процессы, происходящие 
в установках, на особенности конструкции аппаратов, на основы их расчета и проектирования. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 «Тепло- 
энергетика и теплотехника». 
 
УДК 536.24 
ББК 31.39 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1876-8 
” Малышев В. С., Пантилеев С. П., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5 
 
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС 
.................................................................................. 6 
1.1. Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий 
........... 6 
1.1.1. Основные виды и классификация теплообменного  
оборудования промышленных предприятий ....................................... 7 
1.1.2. Рекуперативные теплообменные аппараты 
........................................ 11 
1.1.3. Тепловые трубы 
..................................................................................... 27 
1.2. Тепломассообменные аппараты и установки 
.............................................. 34 
1.2.1. Регенеративные теплообменные аппараты и установки 
................... 34 
1.2.2. Выпарные и кристаллизационные установки .................................... 43 
1.2.3. Смесительные теплообменники .......................................................... 55 
1.2.4. Сушильные установки .......................................................................... 67 
1.2.5. Абсорбционные процессы и установки .............................................. 93 
1.2.6. Адсорбционные процессы и установки .............................................. 94 
1.2.7. Перегонные и ректификационные установки .................................... 95 
1.3. Холодоснабжение предприятий ................................................................. 114 
1.3.1. Холодоснабжение предприятий ........................................................ 121 
1.3.2. Рабочие вещества паровых холодильных машин  
и хладоносители .................................................................................. 124 
1.3.3. Компрессоры холодильных машин 
................................................... 125 
1.3.4. Теплообменные аппараты и вспомогательное 
оборудование холодильных машин .................................................. 129 
1.3.5. Расчет компрессоров, испарителей и охлаждающих батарей,  
воздухоохладителей и вспомогательных аппаратов ....................... 133 
1.3.6. Повышение эффективности массообменных процессов ................ 154 
 
2. ПРАКТИЧЕСКИЕ КУРСЫ............................................................................. 156 
2.1. Конструктивный расчет четырехходового рекуперативного  
теплообменника 
............................................................................................... 156 
2.2. Тепловой расчет трубчатых теплообменных аппаратов 
жесткой конструкции 
...................................................................................... 170 
2.3. Гидравлический расчет трубчатых теплообменных аппаратов  
рекуперативного типа ..................................................................................... 177 
2.4. Описание и расчет тепловых труб и термосифонов ..................................... 181 
2.5. Расчет вакуумных выпарных аппаратов ........................................................ 201 
2.6. Расчет скруббера для охлаждения воздуха водой ........................................ 215 
2.7. Расчет одно- и многоступенчатой холодильной машины ........................... 222 
2.8. Изучение конструктивных характеристик сетевого подогревателя ........... 226 
2.9. Изучение конструктивных характеристик деаэраторов разных типов ...... 234 
2.10. Расчет и конструирование деаэрационных колонок .................................. 243 
3 
 

2.11. Изучение конструктивных характеристик аппаратов  
с кипящим слоем ............................................................................................ 255 
2.12. Изучение конструктивных характеристик сушильных установок ........... 260 
2.13. Расчет и конструирование сушильных установок 
...................................... 275 
 
3. КОНТРОЛЬНЫЕ ТЕСТЫ .............................................................................. 287 
 
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ  
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РГР И КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 
.......................... 290 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 316 
 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебное пособие «Тепломассообменное оборудование предприятий» подготовлено на основе рабочей программы для (Ф)ГОС ВПО по направлению (специальности) 13.03.01, утверждённому согласно приказу Минобрнауки России от 
12.09.2013 № 1061; на основании УП утвержденного Ученым советом МГТУ  
28 февраля 2019, протокол № 7, для обучающихся по направлению подготовки 
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». 
В пособии рассматриваются современные тепломассообменные аппараты: 
выпарные, сушильные, разделительные установки; вспомогательное оборудование теплотехнологических установок и применяемые в них теплоносители, вопросы очистки и утилизации промышленных выбросов. Основное внимание обращено на процессы, происходящие в установках, на особенности конструкции 
аппаратов, на основы их расчета и проектирования.  
В пособии приведены методические указания и общие рекомендации к выполнению практических работ по данной дисциплине, а также последовательное 
описание каждой работы в объеме, достаточном для самостоятельной подготовки к их выполнению. 
Целью дисциплины Тепломассообменное оборудование является изучение 
конструкций современных теплотехнологических аппаратов, методов построения и расчета теплотехнологических схем процессов, а также технологий и методов использования вторичных материалов и энергоресурсов, систем защиты 
окружающей среды. 
Материал пособия предназначен для обеспечения успешного изучения 
дисциплины и приобретения обучающимися навыков и умений выбирать, разрабатывать и оптимизировать теплотехнологические схемы установок, оценивать 
эффективность их работы, надежность систем и их элементов. 
В результате изучения дисциплины студент должен знать: 
- методы расчета расходов воздуха, топлива, воды и пара для ведения теплотехнологических процессов; 
- схемы, состав оборудования и режимы работы современных и перспективных промышленных тепломассообменных установок; 
- конструктивные формы используемых тепломассообменных аппаратов  
и методы их расчета; 
- способы эффективного использования вторичных энергоресурсов. 
Студент должен уметь: 
- выполнять теплотехнические и конструктивные расчеты промышленных 
тепломассообменных установок, выбирать основное и вспомогательное оборудование; 
- разрабатывать теплотехнологические схемы установок и систем, обеспечивающие экономичную, надежную и безопасную их работу; 
- оформлять проектно-конструкторскую документацию.  
Содержание пособия позволяет полностью реализовать решение поставленных задач. 
 
5 
 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС 
 
1.1. Тепломассообменное оборудование  
промышленных предприятий 
 
В мире имеются большое число разнообразных промышленных производств, которые различаются: 
- условиями протекания технологических процессов; 
- многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ; 
- многообразием физико-химических свойств выпускаемой продукции. 
Вместе с тем, технологические схемы различных промышленных производств представляют собой комбинацию сравнительно небольшого числа типовых процессов, таких как нагревание, испарение, выпаривание, плавление, охлаждение, конденсация, сублимация, сушка, разделение, ректификация и дистилляция. 
Предмет и содержание курса тепломассообменного оборудования предприятий (ТМОП) составляют: 
- теоретические основы реализации указанных типовых процессов; 
- методы теплотехнического расчета этих процессов; 
- принципы наиболее рационального их аппаратурного оформления. 
Большинство веществ, технологических жидкостей и газов, используемых 
в технике, представляют собой многокомпонентные системы. Так, например, 
нефть и нефтепродукты представляют собой смесь различных углеводородов. 
При этом многие процессы теплообмена сопровождаются и переносом массы. 
Если в некоторой изолированной системе содержится смесь компонентов 
с первоначально неоднородным распределением концентраций, то в ней возникает перенос массы компонентов смеси, стремящейся к установлению равновесного (равномерного) поля концентраций. 
Перенос вещества в смеси, обусловленный хаотическим тепловым движением микрочастиц вещества (молекул, ионов, атомов), называется молекулярной 
диффузией. Молекулярная диффузия вследствие неоднородного распределения 
концентраций в смеси называется концентрационной диффузией. Аналогия 
между процессами тепло- и массообмена заключается в единообразии математических формулировок соответствующих законов: закон Фурье для теплопроводности и закон Фика для концентрационной диффузии. 
q   Ograd(T) - закон Фурье 
где  Oкоэффициент теплопроводности, Вт/(мāК). 
grad(T) - градиент температуры, вектор, направленный по нормали к изотермичской поверхности в сторону увеличения температуры и численно равный 
изменению температуры на единице длины. 
J = -D (dc/dx) - закон Фика 
где  dc - изменение концентрации в соответствии с изменением dх - разиера. 
6 
 

При перемещении, т. е. конвекции, масса компонента переносится макроскопическими элементами смеси. Перенос массы за счет совместного действия 
молекулярной диффузии и конвективного переноса вещества называется конвективным массообменом. Конвективный массообмен между жидкой (твердой) поверхностью и окружающей средой называется массоотдачей. Плотность потока 
массы при концентрационной диффузии определяют уравнением, аналогичным 
уравнению Ньютона - Рихмана: 
q = - Į (tc - tж) - закон Ньютона - Рихмана для теплоотдачи 
где  Į - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2āК). 
tc, tж - температуры стенки и жидкости, К 
 
ȳi = ȡ ȕМ (mic - mio) - для диффузии 
 
где  ȕМ - коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций 
диффундирующего вещества, м/с;  
mic и mio - концентрации вещества на поверхности массоотдачи и в окружающей среде. 
 
Массообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса массы 
данного компонента в пространстве с неоднородным полем химического потенциала этого компонента (в простейшем случае - с неоднородным полем концентрации или парциального давления этого компонента). В случае термодиффузии 
массообмен вызывается также разностью температур. Массообмен между движущейся средой и поверхностью раздела с другой средой называется массоотдачей. Массообменные процессы обычно многостадийны и включают как перенос 
вещества в пределах одной фазы, так и переход вещества через фазовую поверхность. 
Массообмен лежит в основе многих технологических процессов: ректификации, экстракции, абсорбции, адсорбции, сушки, изотопного обмена и других, 
которые широко используются для разделения веществ и для их очистки от вредных или балластных примесей. 
 
1.1.1. Основные виды и классификация теплообменного оборудования  
промышленных предприятий 
 
Теплообменные аппараты используются во многих производствах с целью 
нагрева, охлаждения, испарения, конденсации технологических потоков. При 
этом теплообмен может выступать как основная технологическая операция, так 
и вспомогательная. Интенсивность теплообмена влияет на скорость протекания 
массообменных, биохимических и гидромеханических процессов.  
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, 
предназначенные для обмена теплом между греющей и. обогреваемой рабочими 
средами. Последние в ряде случаев называются теплоносителями. 
Необходимость передачи тепла от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: в энергетике, в химической, металлургической, 
нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности. 
7 
 

Теплообменные аппараты классифицируются по следующим признакам:  
- способу теплопередачи;  
- технологическому назначению;  
- направлению движения теплоносителя;  
- конструкции.  
По способу теплопередачи различают теплообменники смесительные,  
рекуперативные и регенеративные.  
В рекуперативных аппаратах - рекуператорах теплоносители разделены 
стенкой и тепло передаётся от одного теплоносителя к другому через эту разделяющую их стенку. Существенным для теплообменных аппаратов рекуперативного типа является изготовление стенки, разделяющей потоки теплоносителей, 
из теплопроводного материала. Эта стенка служит одновременно как для разделения и надежной изоляции теплоносителей, так и поверхностью теплообмена. 
В регенеративных аппаратах - регенераторах одна и та же поверхность твёрдого 
тела омывается попеременно различными теплоносителями. При омывании поверхности твёрдого тела одним из теплоносителей оно нагревается за счёт его 
тепла, а при омывании этой же поверхности другим теплоносителем, оно охлаждается, передавав тепло другому теплоносителю. Таким образом, в регенераторах, кроме теплоносителей, обменивающихся теплом, необходимо наличие твёрдых тел, которые воспринимают тепло от одного теплоносителя и аккумулируют 
его, а затем отдают другому.  
В смесительных (контактных) аппаратах передача тепла происходит при 
непосредственном соприкосновении и смешении теплоносителей. Примером 
смесительного аппарата является, например, элеваторный узел в системе отопления здания. 
По направлению движения (см. рисунок 1.1) теплоносителей различают 
теплообменники противоточные, прямоточные, перекрёстного движения теплоносителей и смешанного типа.  
 
Рисунок 1.1. Классификация по схеме движения теплоносителя:  
а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток; 
 г – многократный перекрестный ток; д, е – сложные схемы 
 
Противоточные теплообменники характеризуются наибольшей интенсивностью теплообмена и при некоторой фиксированной площади теплопередачи 
8 
 

отличаются более напряженным температурным напором, что обеспечивает 
ускоренный нагрев.  
Прямоточные теплообменники имеют меньшую интенсивность нагрева  
и поэтому характеризуются относительно низким темпом нагрева технологического потока.  
Теплообменники с перекрёстным током теплоносителей занимают промежуточное положение по интенсивности теплопередачи между прямоточными  
и противоточными. 
По технологическому назначению различают теплообменники: для теплообмена между газами, между газом и паром, между газом и жидкостью, между 
жидкостью и паром, между жидкостью и жидкостью. 
По конструктивному признаку теплообменники различаются на кожухотрубчатые, труба в трубе, змеевиковые, спиральные, пластинчатые. 
Теплообменники, в которых периодически изменяются подача и отвод теплоносителей, называются теплообменниками периодического действия. Большинство регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Теплообменники такого типа могу работать и непрерывно.  
В этом случае вращающаяся насадка (или стенка) попеременно соприкасается  
с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносит тепло из одного потока в другой. 
 
Выбор теплообменника 
При выборе теплообменника в первую очередь учитывают экстремальные 
технологические требования для организации процесса. К такого рода требованиям относятся: предельные значения давления, температур, корродирующие 
агрессивные свойства технологических потоков, санитарно-гигиенические требования. При наличии экстремальных требований выбирают конструкцию, которая удовлетворяет этим требованиям. Например, теплоноситель, имеющий высокую температуру, загрязняющий поверхность теплопередачи отложениями 
(накипью) с высокими агрессивными свойствами следует подавать в пространство, которое легко поддаётся очистке, изолировано от окружающей среды, а соответствующие элементы конструкции легко поддаются замене. Таким требованиям соответствует трубное пространство теплообменников (кожухотрубчатых, 
труба в трубе). Кроме того, необходимо учитывать интенсивность теплоотдачи 
со стороны каждого из теплоносителей. 
При выборе теплообменника следует учитывать также удельную поверхность теплопередачи (м2/м3 м2 поверхности к м3 объёма аппарата), поскольку металлоёмкость, удельные капитальные затраты находятся в обратно пропорциональной зависимости от удельной поверхности теплопередачи. При организации 
процесса теплообмена с конденсацией одного из теплоносителей конструкция 
теплообменника, его расположение в пространстве (наклонный, вертикальный, 
горизонтальный) должны обеспечивать благоприятные условия стекания плёнки 
конденсата. 
Наиболее широко применяются в промышленности поверхностные теплообменники, конструкции которых весьма разнообразны. Изготовляются такие 
9 
 

теплообменники из различных металлов, главным образом из углеродистых, легированных сталей и меди. Выбор металла диктуется в основном его коррозионной стойкостью, теплопроводностью и стоимостью. Конструкция теплообменного аппарата должна быть простой и удобной для ремонта и монтажа, обеспечивать возможность лёгкой очистки. 
 
Теплоносители 
В качестве теплоносителей в зависимости от назначения производственных процессов могут применяться самые разнообразные газообразные и жидкие 
теплоносители, в том числе жидкие металлы. 
Теплоносители должны обладать следующими качествами: 
 Иметь достаточно большую теплоту парообразования, плотность и теплоемкость, малую вязкость.  
 Допускать нагрева до высоких температур при малых давлениях. 
 Иметь необходимую термостойкость и не оказывать неблагоприятного 
воздействия на материалы аппаратуры. Теплоносители должны быть химически стойкими и неагрессивными даже при достаточно длительном 
воздействии высоких температур. 
 Быть недорогими и достаточно доступными. 
Наиболее распространенными теплоносителями являются: пар, вода, дымовые газы, высокотемпературные теплоносители. 
Водяной пар как греющий теплоноситель получил больше распространение. 
Достоинства водяного пара: 
 Высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации, что позволяет 
получать относительно небольшие поверхности теплообмена. 
 Большое изменение энтальпии при конденсации водяного пара позволяет расходовать его небольшое массовое количество для передачи сравнительно больших количеств тепла. 
 Постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность наиболее просто поддерживать постоянный режим и регулировать процесс в аппаратах. 
Недостатком водяного пара является относительно невысокое значение 
критической температуры (374,12 ƒС), что ограничивает возможности его 
нагрева при использовании в тепловом цикле. 
Горячая вода получила большое распространение в качестве греющего 
теплоносителя, особенно в отопительных и вентиляционных установках. Подогрев осуществляется в специальных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. 
Достоинства горячей воды: 
Горячую воду как теплоноситель можно транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния (до нескольких километров). При этом понижение температуры не превышает 1 ƒС/км. 
Дымовые и топочные газы как греющая среда применяются обычно на месте их получения для непосредственного обогрева промышленных изделий  
10