Теплопередача и теплообменные аппараты

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА 
И ТЕПЛООБМЕННЫЕ 
АППАРАТЫ
К.Ю. ФЕДОРОВСКИЙ
Н.К. ГРИНЕНКО
Москва
ИНФРА-М
2025
УЧЕБНИК

УДК 536.24(075.8)
ББК 31.312я73
 
Ф33
Федоровский К.Ю.
Ф33  
Теплопередача и теплообменные аппараты : учебник / К.Ю. Федоровский, Н.К. Гриненко. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 214 с. : ил. — 
(Высшее образование). — DOI 10.12737/2170972.
ISBN 978-5-16-020382-9 (print)
ISBN 978-5-16-112962-3 (online)
Целью учебника является обеспечение получения студентами необходимых знаний, умений и навыков в отношении процессов теплопередачи, 
конструкций, теплотехнических расчетов и особенностей эксплуатации 
теплообменных аппаратов.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначен, в первую очередь, для обучающихся по специальности 
26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок». Может быть 
полезен для специалистов, занимающихся проектированием судовых 
энергетических установок, и действующих судовых механиков.
УДК 536.24(075.8)
ББК 31.312я73
Р е ц е н з е н т ы:
Ениватов В.В., кандидат технических наук, доцент, заведующий 
кафедрой судовых энергетических установок Керченского государственного морского технологического университета;
Шерснев Н.В., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры 
энергоустановок морских судов и сооружений Севастопольского государственного университета
ISBN 978-5-16-020382-9 (print)
ISBN 978-5-16-112962-3 (online)
© Федоровский К.Ю., Гриненко Н.К., 
2025

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие ………………………………………………………………… 
Введение……………………………………………………………………... 
Основные обозначения ……………………………………………………. 
Глава 1. Теплопроводность ………………………………………………... 
1.1. Основной закон теплопроводности ……………………………….. 
1.2. Теплопроводность плоской стенки ………………………………... 
1.3. Теплопроводность цилиндрической стенки ……………………… 
1.4. Контрольные вопросы и задания ………………………………….. 
Глава 2. Конвективный теплообмен ……………………………………... 
2.1. Гидродинамический и тепловой пограничные слои ....................... 
2.2. Основной закон теплоотдачи………………………………………. 
2.3. Дифференциальные уравнения теплообмена …………………….. 
2.4. Общие сведения о подобии и моделировании процессов
конвективного теплообмена ……..………………………………… 
2.5. Теплоотдача при вынужденной конвекции ……………………….. 
2.5.1. Теплоотдача при обтекании плоской поверхности………… 
2.5.2. Теплоотдача при течении в трубах ………………………….. 
2.5.3. Теплоотдача при поперечном обтекании  одиночных труб...  
2.5.4. Теплоотдача при поперечном обтекании пучков труб …….. 
2.5.5. Теплоотдача импактных струй ………………………………. 
2.6. Теплоотдача при свободной конвекции….………………………… 
2.6.1. Теплоотдача в неограниченном пространстве………………. 
2.6.2. Теплоотдача в ограниченном пространстве…………………. 
2.7. Контрольные вопросы и задания ………………………………….. 
Глава 3. Теплообмен при кипении и конденсации ……………………... 
3.1. Теплообмен при кипении …………………………………………... 
3.1.1. Режимы кипения жидкости ………………………………….. 
3.1.2. Теплообмен при пузырьковом кипении ……………………... 
3.1.3. Теплообмен при пленочном кипении ……………………….. 
3.2. Теплообмен при конденсации пара ………………………………... 
3.2.1. Общие сведения о процессе конденсации …………………... 
3.2.2. Теплоотдача при капельной конденсации пара ……………... 
3.2.3. Теплоотдача при пленочной конденсации пара ...................... 
3.2.4. Теплоотдача при конденсации пара в трубах………………... 
3.2.5. Влияние различных факторов на процесс конденсации……  
3.3. Контрольные вопросы и задания ………………………………….. 
Глава 4. Теплообмен излучением …………………………………………. 
4.1. Законы теплового излучения ………………………………………. 
4.2. Теплообмен излучением между твердыми телами ……………….. 
4.3. Тепловое излучение газов ………………………………………….. 
4.4. Контрольные вопросы и задания ………………………………….. 
Глава 5. Процессы теплопередачи ………………………………………... 
5.1. Основное уравнение теплопередачи ………………………………. 
4 
7 
7 
10 
10 
13 
17 
20 
21 
22 
24 
26 
 
34 
38 
38 
41 
47 
50 
54 
57 
57 
64 
68 
71 
71 
71 
76 
80 
81 
81 
82 
83 
86 
88 
91 
92 
93 
102 
105 
112 
113 
113 

5.2. Теплопередача через стенки ……………………………………….. 
5.2.1. Теплопередача через плоские стенки………………………... 
5.2.2. Теплопередача через цилиндрические стенки………………. 
5.2.3. Теплопередача через оребренные стенки …………………… 
5.3. Интенсификация процессов теплопередачи ……………………… 
5.3.1. Общие принципы интенсификации теплоотдачи…………... 
5.3.2. Основные методы интенсификации теплоотдачи………….. 
5.4. Тепловая изоляция .………………………………………………… 
5.5. Контрольные вопросы и задания ………………………………….. 
Глава 6. Теплообменные аппараты ………………………………………. 
6.1. Особенности процессов теплопередачи в судовых 
энергетических установках ………………………………………... 
6.2. Судовые теплообменные аппараты………………………………... 
      6.2.1. Кожухотрубные теплообменные аппараты …..…………….. 
      6.2.2. Пластинчатые теплообменные аппараты……………………. 
      6.2.3. Специальные судовые теплообменные аппараты .…………. 
      6.2.4. Теплообменники-регенераторы с вращающейся  
       теплообменной поверхностью ……………………………………….. 
6.3. Основные положения теплового расчета  
рекуперативных аппаратов ………………………………………... 
6.3.1. Виды расчетов и основные зависимости .…..……………….. 
6.3.2. Схемы движения теплоносителей и температурный напор.. 
6.3.3. Конструкторский и поверочный расчеты  
рекуперативных теплообменников …………………………... 
6.4. Показатели эффективности теплообменников ….………………... 
6.5. Контрольные вопросы и задания ………………………………….. 
Глава 7. Особенности эксплуатации судовых теплообменных  
аппаратов ……………………………………………………………………. 
7.1. Общая характеристика и правила эксплуатации  
теплообменников………………………………………………………... 
7.2. Загрязнение теплообменного оборудования ……………………… 
7.3. Предотвращение эксплуатационных отложений на поверхностях.  
7.4. Очистка теплообменных аппаратов ……………………………….. 
7.5. Повреждение труб ...…….………………………………………….. 
7.6. Контроль герметичности и испытание теплообменников ………. 
7.7. Контрольные вопросы и задания ………………………………….. 
Приложения ………………………………………………………………… 
Список использованной литературы ………………………………….… 
Список использованных интернет-ресурсов……………………………. 
Список рекомендованной литературы ………………………………….. 
Предметный указатель  ……………………………………………………. 
Именной указатель ………………………………………………………… 
114 
114 
117 
121 
124 
124 
125 
139 
142 
143 
 
143 
148 
148 
153 
158 
 
163 
 
165 
165 
166 
 
171 
175 
176 
 
178 
 
178 
182 
185 
185 
187 
189 
191 
193 
203 
204 
209 
210 
213 
 
 
4

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Представленный в учебнике материал ориентирован на обучающихся в 
рамках системы высшего образования, в первую очередь по специальностям 
26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и 26.05.02 «Проектирование, изготовление и ремонт энергетических установок и систем автоматизации кораблей и судов» и поэтому содержит соответствующую профильную информацию. 
Учебник может быть использован обучающимися других смежных специальностей, включая систему среднего профессионального образования. 
Процессы теплопередачи имеют место во всех типах судовых энергетических установок (СЭУ) и чрезвычайно важны для обеспечения их нормальной работы. Нарушение этих процессов решающим образом сказывается на работе 
СЭУ, снижая их эффективность или даже приводя к аварийной ситуации, что 
указывает на важность данной учебной дисциплины в подготовке специалистов, 
занимающихся эксплуатацией и проектированием таких установок.  
Целью учебника является обеспечение получения студентами необходимой информации о процессах теплопередачи в СЭУ и факторах, определяющих 
их эффективность. Задачами являются ознакомление обучающихся с: фундаментальными и прикладными положениями теории теплопередачи; влиянием различных факторов на процессы теплопередачи и методами обеспечения требуемой их эффективности. В результате изучения учебного материала обучающийся 
получает необходимые профессиональные компетенции и будет:  
• знать основные процессы теплопередачи; влияние различных факторов на 
эффективность этих процессов; особенности конструкции и эксплуатации 
теплообменников различного назначения. 
• уметь применять основные законы и зависимости теории теплопередачи в 
профессиональной деятельности; выявить проблемы, формулировать задачи и намечать пути повышения эффективности тепловых процессов; выполнять необходимые теплотехнические расчеты.     
• владеть навыками определения параметров протекания процессов теплопередачи; оценки их эффективности; обеспечения заданных показателей 
работы теплоэнергетического оборудования 
Данная учебная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентом 
при изучении математики, физики, гидромеханики, технической термодинамики 
и призвана обеспечить дальнейшее изучение таких учебных дисциплин, как  
«Судовые паровые котлы и их эксплуатация», «Судовые ДВС и их эксплуатация», «Судовые вспомогательные механизмы, системы и их эксплуатация» и т.д.  
В методическом аспекте при изложении фундаментальных разделов теории теплопередачи авторы максимально использовали хорошо апробированные 
классические подходы. На этой основе даны сведения, касающиеся современных 
методов обеспечения эффективности процессов теплопередачи.   
Особенностью учебника является то, что в нем представлено большое количество иллюстраций, полученных в результате визуализации процессов 

тепломассообмена, посредством, как оптических методов, так и методов цифрового моделирования. Это позволяет лучше понять физику происходящих процессов и помогает обучающемуся при самостоятельном овладении данной учебной 
дисциплиной. Достижению данной цели также способствует исполнение представленного графического материала в цвете.  
Учебник содержит результаты собственных многолетних научных исследований авторов, касающихся процессов теплопередачи, в частности в судовом 
оборудовании. 
В составе учебника имеется приложение, содержащее справочные данные, 
необходимые для получения требуемых навыков выполнения теплотехнических 
расчетов и определения параметров работы оборудования. 
Авторство по главам, 1, 2, 3 и 4 принадлежит Гриненко Н.К., а по главам 
5, 6 и 7 - Федоровскому К.Ю. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6

ВВЕДЕНИЕ 
 
Теплопередача (или теплообмен) - учение о самопроизвольных необратимых процессах переноса теплоты в пространстве. При этом выделяются три основных элементарных процесса: 
• теплопроводность –  молекулярный процесс переноса теплоты в телах, обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.  
• конвекция –  представляет собой процесс переноса теплоты микрообъёмами 
вещества (жидкости или газа) из области с одной температурой в область с 
другой температурой в рамках рассматриваемого макрообъема этого же вещества.  
• тепловое излучение –  процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и свойствами излучающего тела. При этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения.  
Данные процессы часто взаимосвязаны и имеют свои ограничения, в зависимости от того, в какой физической среде они происходят. Однако все они имеют 
место в судовых энергетических установках: дизельных, паротурбинных установки, рефрижераторных и газотурбинных. На судах также имеется большое количество вспомогательного оборудования (теплоутилизаторы, опреснители 
воды, разнообразные подогреватели и охладители рабочих сред), в основе работы которых лежат процессы теплопередачи. Именно с учетом этого далее рассмотрены процессы теплопередачи, а также особенности конструкции и эксплуатации соответствующего теплообменного оборудования. 
 
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
r, R 
– радиус, м; 
d, D – диаметр, м; 
l, L 
– характерный размер, длина, м; 
δ 
– толщина, м; 
h, H – высота, м; 
F 
– поверхность, площадь поверхности, м2; 
f 
– площадь поперечного сечения, м2; 
τ 
– время, с; 
t 
– температура, °С; 
Т 
– температура, °К; 
tc 
– температура поверхности, °С; 
tж 
– температура жидкости, газа, °С; 
ts 
– температура насыщения, °С; 
δt 
– изменение температуры жидкости в направлении ее движения, °С; 
Δt 
– температурный напор, разность температур, °С; 
Δtлог – средний логарифмический температурный напор, °С; 

υ 
– объем, м3; 
p 
– давление, Па; 
Δp 
– перепад давлений, Па; 
G 
– массовый расход жидкости (газа), кг/с; 
V 
– объемный расход жидкости (газа), м3/с; 
m 
– масса вещества, кг; 
w 
– скорость, м/с; 
g 
– ускорение свободного падения, м/с2; 
ρ 
– плотность, кг/м3; 
β 
– температурный коэффициент объемного расширения, 
1/К; 
cυ; cp – удельная теплоемкость при постоянном объеме и давлении соответственно, Дж/(кг∙К); 
cυ; cp – удельная теплоемкость при постоянном объеме и давлении соответственно, Дж/(кг∙К); 
i 
– энтальпия, Дж/кг; 
r 
– теплота фазового перехода, Дж/кг; 
μ 
– динамический коэффициент вязкости, Па·с; 
ν 
– кинематический коэффициент вязкости, м2/с; 
s 
– сила трения, Па; 
σ 
– поверхностное натяжение, Н/м; 
ξ 
– коэффициент сопротивления трения; 
θ 
– краевой угол между стенкой и свободной поверхностью 
жидкости, град; 
Q* 
– количество теплоты, Дж; 
Q 
– тепловой поток, Вт; 
q 
– плотность теплового потока, Вт/м2; 
ql 
– линейная плотность теплового потока, Вт/м; 
λ 
– коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); 
а 
– коэффициент температуропроводности, м2/с; 
α 
– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); 
k 
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); 
С 
– коэффициент излучения, Вт/(м2·К4); 
Е 
– плотность потока излучения, Вт/м2; 
ε 
– степень черноты; 
′ 
– вход (теплоносителя); 
′′ 
– выход (теплоносителя). 
 
 
ЧИСЛА ПОДОБИЯ 
 
ν
wl
=
Re
 
– число Рейнольдса; 
a
C p
ν
λ
µ
=
=
Pr
 – число Прандтля; 
8

2
Eu
w
p ρ
∆
=
 
– число Эйлера; 
λ
αl
=
Nu
  
– число Нуссельта; 
a
wl
=
⋅
=
Pr
Re
Pe
 – число Пекле; 
2
3
Gr
ν
β tl
g ∆
=
 
– число Грасгофа; 
Pr
Gr
Ra
⋅
=
  
– число Релея; 
2
Fo
l
aτ
=
  
– число Фурье; 
Pe
Nu
St =
 
– число Стантона. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ 
 
Теплопроводность –  молекулярный процесс переноса теплоты в телах, 
обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве. 
Теплопроводность имеет место в твёрдых телах, жидкостях и газах.  
Применительно к СЭУ частными примерами оборудования, реализующего данный процесс, могут служить паровые и водогрейные котлы, теплообменники и т.д. (рис. 1.1). Перенос теплоты посредством теплопроводности осуществляется в трубках, обычно выполненных из различных металлов. 
 
 
 
 
а                                        
 
 
 
 
б 
Рис. 1.1 - Котел (а) и кожухотрубный теплообменный аппарат (б) [18, 73] 
 
Правильный учет данного процесса и обеспечение эго максимальной эффективности во многом определяют эффективность функционирования судового 
оборудования. 
 
1.1. Основной закон теплопроводности 
 
Теплопроводность в газах осуществляется путем диффузии молекул и атомов, в жидкостях и твердых телах-диэлектриках – путем упругих волн, а в металлах – в основном путем диффузии свободных электронов.  
Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры в рассматриваемом пространстве.  
Температурное поле – совокупность значений температуры для всех точек 
пространства в данный момент времени. На рисунке 1.2 а) в качестве примера 
показан разогретый металлический куб, на различных поверхностях которого 
видно различное свечение, что говорит о различной температуре. Соответственно и внутри так же имеются различные температуры в различных его частях. 
В общем случае температура t является функцией координат х, у, z и времени τ 
10