Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в системном анализе энергоемкости продукции. Раздел 1 — «Тепловые процессы»

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 
ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ

ПРИКЛАДНАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОВЫХ И 
МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМНОМ 
АНАЛИЗЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОДУКЦИИ

РАЗДЕЛ 1 
Тепловые процессы

ПРАКТИКУМ
для обучающихся по направлению 35.04.06 Агроинженерия, профиль 
«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2017

62-1/-9 
ББК 40.76

Составители:
М.М. Беззубцева, В.С. Волков. Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в 
системном анализе энергоемкости продукции. Раздел 1 — Тепловые процессы»: практикум 
для обучающихся по направлению 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический 
менеджмент и инжиниринг энергосистем». - СПб: СПбГАУ, 2017. - 160 с.

Рецензенты:
доктор техн. наук, профессор (ИТМО) А.Г. Новоселов;
доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник (РГАТУ) Ф.А. Мусаев

Практикум предназначен для обучающихся по направлению 35.04.06 
«Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг 
энергосистем» при изучении дисциплины «Прикладная теория тепловых и 
массообменных процессов в системном анализе энергоеммкости продукции». 
Содержание пособия соответствует действующей программе дисциплины и 
включает основные разделы изучения тепловых процессов АПК.
Цель практикума - знакомство с методами расчета, проектирования и анализа 
энергетических затрат тепловых технологических процессов АПК. Представлены 
примеры расчета типовых тепловых процессов АПК. Приведены справочные 
данные по устройству и размерам тепловых аппаратов. Представлены расчетные 
задания для самостоятельной работы.
Структура построения глав пособия предопределяет не только усвоение 
методологии расчета и проектирования тепловых процессов и аппаратов, но и 
представляет широкий спектр проблемных вопросов для самостоятельной и 
практической деятельности обучающихся.
Практикум может быть использован магистрами, аспирантами, научными 
сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК и 
занимающимися проблемами энергосбережения в энергетических линиях 
потребителей.

УДК 62-1/-9 
ББК 40.76

© М.М. Беззубцева, 
© В.С Волков,
© 
СПбГАУ, 2017

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................................................................................. 5
Глава 1 Расчет и проектирование теплообменных аппаратов.................................................7
1.1. Тепловое воздействие................................................................................................................ 7
1.2. Классификация теплообменных аппаратов........................................................................ 10
1.3. Расчет и выбор теплообменного оборудования..................................................................24
1.4. Расчетное задание.....................................................................................................................28
1.5. Исследование процесса рекуперации теплоты в процессах тепловой обработки
продуктов...........................................................................................................................................43
1.6. Вопросы и задачи для самоконтроля и самостоятельного решения............................... 51
Глава 2. Расчет и проектирование теплового процесса выпаривания 
(концентрирования)........................................................................................................................... 55
2.1. Общие сведения........................................................................................................................55
2.2. Анализ энергоэффективности однократного выпаривания. материальный и тепловой
балансы однокорпусной выпарной установки непрерывного действия............................... 58
2.3. Энергосбережение в многокорпусных выпарных установках (МВУ)........................... 67
2.4. Влияние числа корпусов МВУ на коэффициент энергоэффективности. техникоэкономический анализ предельного и оптимального числа корпусов МВУ........................73
2.5. Пути экономии энергии при выпаривании..........................................................................81
2.6. Расчёт трёхкорпусной выпарной установки....................................................................... 93
2.7. Вопросы и задачи для самоконтроля и самостоятельного решения............................. 118
Глава 3. Расчет и проектирование электрокалориферной установки конвективной 
сушилки............................................................................................................................................... 121
3.1. Тепловой расчет нагревательных элекментов..................................................................121
3.2. Конструктивный расчет нагревательного блока..............................................................125
3.3. Выбор ПЗА и расчет внутренних силовых сетей.............................................................128
3.4. Расчетное задание...................................................................................................................133
Заключение...........................................................................................................................................137
Приложение 1.......................................................................................................................................139
Приложение 2.......................................................................................................................................142
Приложение 3.......................................................................................................................................149
Приложение 4.......................................................................................................................................150
Литература............................................................................................................................................151

ВВЕДЕНИЕ

Повышение производительности электротехнологического оборудования, 

улучшение качества продукции, решение экологических проблем, снижение 

себестоимости продукции - составляющие энергоэффективности предприятий 

АПК.

Агропромышленный 
комплекс 
характеризуется 
большим 
числом 

разнообразных 
производств, 
различными 
условиями 
протекания

технологических процессов и многообразием производимой продукции. Вместе 

с тем технологические процессы представляют собой комбинацию сравнительно 

небольшого числа типовых процессов, лидирующую роль среди них занимают 

тепловые 
процессы. 
Эти 
процессы 
реализованы 
в 
электротехническом 

оборудовании различных конструктивных модификаций. 
Закономерности их 

протекания описываются типовыми законами, что значительно упрощает расчет 

и анализ энергетических параметров 
(энергоемкости продукции, резерва 

энергосбережения и т.д.).

Теплообменная 
аппаратура 
представляет 
значительную 
часть 

технологического оборудования в АПК и смежных отраслях промышленности. 

Удельный вес теплообменного оборудования составляет на предприятиях 

отрасли в среднем 15-18%. Это объясняется тем, что почти все основные 

процессы в аппаратурно-технологических системах производства (выпаривание, 

ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода 

теплоты.

Цель практикума - практическое ознакомление обучающихся с методами 

расчета и проектирования тепловых процессов и аппаратов АПК.

Практикум состоит из трех глав. Первая глава посвящена общим 

принципам расчета тепловых процессов. Приведенные уравнения, справочные 

данные и рекомендации помогут обучающимся рассчитать теплообменники с 

последующим выбором из каталогов тепловых стандартных аппаратов.

5

Во второй главе представлены алгоритмы расчета, пути экономии 

энергии 
и 
примеры 
расчета 
типовых 
выпарных 
аппаратов 
различных 

конструкций. Рассмотрены алгоритмы расчета и последовательность выбора 

вспомогательных 
аппаратов 
и 
оборудования, 
предназначенных 
для 

энергоэффективной работы выпарных установок.

В третьей главе представлен алгоритм расчета и проектирования 

электрокалориферов.

Приведены справочные данные по устройству и размерам тепловых 

аппаратов.

Каждая 
глава 
содержит 
контрольные 
вопросы 
и 
задания 
для 

самостоятельной работы.

Компетенции, приобретаемые обучающимися при изучении дисциплины: 

ОПК-5 владение логическими методами и приемами научного исследования; 

ОПК-7 
способность 
анализировать 
современные 
проблемы 
науки 
и 

производства в агроинжерии и вести поиск их решения;

ПК-5 
способность 
и 
готовность 
организовывать 
самостоятельную 
и 

коллективную научно-исследовательскую работу, вести поиск инновационных 

решений в инженерно-технической сфере;

ПК-7 способность проведения инженерных расчетов для проектирования 

систем и объектов;

ПК-9 способность проектировать содержание и технологию преподавания, 

управлять учебным процессом.

Практикум предназначен для обучающихся по направлению 35.04.06 

«Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг 

энергосистем» при изучении дисциплины «Прикладная теория тепловых и 

массообменных процессов в системном анализе энергоеммкости продукции». 

Содержание пособия соответствует действующей программе дисциплины и 

включает основные разделы изучения тепловых процессов АПК.

6

Глава 1 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ
АППАРАТОВ

1.1. Тепловое воздействие

Тепловое воздействие на обрабатываемую среду осуществляется, как 

правило, за счет передачи теплоты от теплоносителя. Теплоноситель может 

быть подведен как через разделяющую стенку, так и непосредственно в 

жидкость или газ. Нагревание жидкости может быть также произведено за счет 

других видов воздействий -  акустического, механического, электромагнитного 

и радиационного. Процессы, скорость протекания которых определяется 

скоростью подвода или отвода теплоты, называют тепловыми. Тепловой 

процесс может быть реализован как нагреванием, так и охлаждением.

Перенос теплоты является сложным процессом, поэтому при исследовании 

тепловых процессов их разделяют на более простые явления. Различают три 

вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция [1, 

6]. 
При 
теплопроводности 
перенос 
теплоты 
происходит 
путем 

непосредственного соприкосновения между микрочастицами (молекулами, 

атомами, 
электронами). 
Явление 
теплового 
излучения 
-  это 
процесс 

распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний.

Конвекция состоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие 

движения и перемешивания макроскопических объемов фазы. Конвекция 

всегда сопровождается теплопроводностью.

Тепловое воздействие на вещества вызывает следующие эффекты:

• кипение -  образование парогазовых пузырьков в жидкости;

• фазовый переход -  изменение фазового состояния вещества;

• инверсия фаз -  переход дисперсной фазы в сплошную и наоборот 

(при концентрациях фаз, близких к предельным);

• эффект Соре (термическая диффузия) -  перенос вещества за счет 

теплопроводности;

7

• термоэффекты -  изменение физико-химических свойств веществ 

за счет нагревания или охлаждения;

• эффект 
Марангони 
-  
непостоянство 
коэффициента 

поверхностного натяжения в зависимости от температуры или 

концентрации вещества;

• структурообразование -  формирование регулярных структур за 

счет тепловых потоков (например, ячейки Бенара).

Интенсивность теплообмена можно выразить как [17]:

Q  
TSK+ 
V
M t H  ~ M t K  
M t H  ~ M t K
i = ^  = KM = K-
Mt 
^ 1 
О 
Л
St 
2,3lg 
H
1 + ^  ^i + 1
MtK 
К 
a 2 J
2,3 lg M h

M t K

(1.1)

где K -  коэффициент теплопередачи;

S -  поверхность теплообмена; 

t -  время;

At -  средняя разность температур;

Atн, A/к -  начальная и конечная разность температур между теплоносителями; 

а1, а2 -  коэффициенты теплоотдачи; Si -  толщина стенки, осадка, загрязнений; 

Xi -  теплопроводность стенки, осадка, загрязнений.

Эту зависимость можно использовать для составления наглядной схемы 

действий 
по 
интенсификации 
конкретного 
теплообменного 
процесса, 

обозначив |  -  необходимость увеличения и |  -  необходимость уменьшения 

того или иного параметра.

Зависимость (1.1) можно записать в виде:

i| = А/н|, А/к|, аЦ , Si[, Xi\, а2\ . 
(1.2)

Такая схема наглядно показывает направление изменения тех или иных 

параметров процесса или конструктивных характеристик аппарата для 

интенсификации 
процесса 
теплообмена. 
Необходимо 
увеличивать 

коэффициенты 
теплоотдачи 
а1 
и 
а2 
для 
обоих 
теплоносителей,

8

теплопроводность материала аппарата и инкрустации X1, начальную разность 

температур 
А/н; 
уменьшать 
конечную 
разность 
температур 
между 

теплоносителями А/к и толщину стенки теплопередающей поверхности и 

загрязнений St.

Анализ процесса и выявление лимитирующего уровня в соответствии с 

изложенным выше методом позволяют отобрать из формулы (1.1) факторы, 

соответствующие 
по 
масштабу 
лимитирующему 
уровню. 
Анализ 

формализованных зависимостей необходимо проводить с целью повышения 

энергоэффективности технологического процесса.

Для определения дальнейшего направления интенсификации рассмотрим 

уравнения теплопереноса и используем одно из известных выражений для а1 и 

а2 в виде критериальной зависимости:

a  = j  A Re0,8 Pr0,33 (Pr/ PrCT )0,25 
(1.3)

Откуда, не учитывая (Pr/ PrCT)0,25, получаем

A i0,67t/0,8 7-0,2 0 8^0,33 , ,-0,47
a  = ЛК 
V 
l , p  , C p 
ju , 
, 
(1.4)

Здесь ^теплопроводность теплоносителя; 

где l -  определяющий линейный размер (например, толщина слоя 

теплоносителя);

Re = V lp / u -  критерий Рейнольдса;

Pr = u / (pa) -  критерий Прандтля;

V -  скорость;

a = К/ (Cp p) -  коэффициент температуропроводности;

р -  плотность; Ср -  теплоемкость.

Тогда формула (1.2) примет вид:

i =А/н|А/к|5стДстТХзагрТЗзагрД 11 V1\p1\Cp2] 11 [^1[Х2'\ V2'\p2'\Cp2'\l2[^2[ . 
(2.6)

9

Индексы 
1 
и 
2 
относятся 
к 
характеристикам 
потоков 
двух 

теплоносителей.

интенсификации ТП включает в себя как режимно - технологические, так и 

аппаратно-конструктивные 
характеристики 
теплообменного 
процесса 
на 

различных уровнях иерархии системы.

1.2. Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим 

признакам [30, 42]:

-  по принципу действия: поверхностные и смесительные;

-  по 
назначению: 
холодильники, 
подогреватели, 
конденсаторы, 

испарители;

-  по направлению движения теплоносителей: прямоточные, 

противоточные, перекрестного тока и др.

Рассмотрим 
более 
подробно 
классификацию 
теплообменных 

аппаратов по принципу действия.

В соответствии с этим классификационным признаком поверхностные 

аппараты можно подразделить на следующие типы в зависимости от вида 

поверхности теплообмена:

-  аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена (кожухотрубчатые 

теплообменники, теплообменники «труба в трубе», оросительные 

теплообменники, змеевиковые теплообменники);

-  аппараты 
с 
плоской 
поверхностью 
теплообмена 
(пластинчатые 

теплооб- менники, спиральные теплообменники, аппараты с рубашкой).

Кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые 
теплообменники 
различных 
конструкций 
-  

наиболее распространённый 
тип 
теплообменных 
аппаратов 
[76]. 
Их

10

устройство показано на рисунках 1 .1 и 1 .2 .

Рисунок 1.1- Кожухотрубчатый теплообменник: 
1 - кожух, 2 - крышки, 3 - теплообменные трубки, 4 - 
трубная решетка, 5 - фланцы,
6 - соединительное кольцо с шпильками, 7 - 
прокладка, 8 - крепёж

Рисунок 1. 2 - Трубные пучки кожухотрубчатых теплообменников: 1 - 
трубная решетка с развальцованными трубами,
2 - перегородки в трубном пространстве, 3 - 
теплообменные трубки

11

В 
кожухе 
1 
помещается 
пучок 
теплообменных 
труб 
3, 
трубы 

развальцованы, запаяны или вварены в трубную решетку 4, кожух закрыт 

крышками 2, теплоносители вводятся в трубное и межтрубное пространство 

через штуцеры 5. В межтрубном пространстве очень часто устанавливаются 

поперечные перегородки 2 (рис.1.2), закреплённые стяжками.

При малом расходе теплоносителя, подаваемого в трубное пространство, 

в крышках устанавливают перегородки 1 (рис. 1.3) при этом теплоноситель 

проходит сначала по одной части труб потом по другой. На рис. 1.3 

изображен четырёхходовой теплообменник. Изготавливаются также двух и 

шести ходовые кожухотрубчатые теплообменники. На рис. 1.4 представлен 

такой теплообменник в сборе.

Рисунок 1.3 - Четырёхходовой теплообменник: 
1- перегородки

12