Тепломеханическая часть электростанций специальных объектов

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 

Департамент образования, научно-технологической политики  

и рыбохозяйственного комплекса 

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования 

«Волгоградский государственный аграрный университет» 

 

Кафедра «Электроснабжение и энергетические системы» 

 
 
 

Н. М. Веселова, Т. П. Бренина 

 
 
 

ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ 
СПЕЦИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ 

 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Волгоград 

Волгоградский ГАУ 

2021 

УДК 620.9 (075.8) 
ББК 31.3 
В–38 

 
 

Рецензенты:  

кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергоснабжение, теп-
лотехника, теплогазоснабжение и вентиляция» ИАиС ФГБОУ ВО 
Волгоградский ГТУ, Н. Ю. Карапузова; кандидат технических наук, 
доцент, заведующий кафедрой «Электрооборудование и электрохо-
зяйство предприятий АПК» ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ               
С. И. Богданов 
 
 

Веселова, Наталья Михайловна 

В-38  
Тепломеханическая часть электростанций специальных объ-

ектов: учебное пособие / Н. М. Веселова, Т. П. Бренина. – Волгоград: 
ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2021. – 148 с. 

 
 

Рассмотрены примеры и алгоритмы решения задач по теплооб-

менным аппаратам и вспомогательному оборудованию электростан-
ций. Даны задачи для самостоятельного решения. В приложении 
учебного пособия приведены справочные материалы, указана реко-
мендуемая литература. 

Учебное пособие предназначено для обучающихся по специаль-

ности 13.05.01 Тепло- и электрообеспечение специальных технических 
систем и объектов, изучающих дисциплину «Тепломеханическая 
часть электростанций специальных объектов». Может быть полезно 
инженерам, эксплуатирующим тепломеханическое оборудование 
электростанций. 

 
 
 
 

УДК. 620.9 (075.8) 

ББК 31.3 

 
 

ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2021 
© Веселова Н. М., Бренина Т. П., 2021 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Введение.......................................................................................................4 
1 Теплообменные аппараты ....................................................................... 5 
1.1 Определение среднего температурного напора теплообменных 
аппаратов 
при 
различных 
схемах 
движения 
теплоносителей 

поверхности теплопередачи ....................................................................... 7 
1.2 Тепловой конструктивный расчет ..................................................... 12 
1.3 Поверочный расчет пароводяного подогревателя использование 
методы эффективности ............................................................................. 19 
1.4 Тепловой расчет пароводяных подогревателей поверхностного 
типа (графоаналитический метод) ........................................................... 26 
1.5 Тепловой расчет испарительной установки ..................................... 36 
1.6 Тепловой расчет газоохладителей (с ребристыми трубками) ........ 49 
1.7 Расчет водонагревателя-аккумулятора ............................................. 58 
1.8 
Гидравлический 
расчет 
поверхностного 
регенеративного 

подогревателя ............................................................................................ 65 
1.9 Расчет оборудования и трубопроводов на прочность ..................... 67 
2 Вспомогательное оборудование электростанций ............................... 75 
2.1 Гидравлический расчет участков трубопроводов............................ 75 
2.2 Выбор арматуры трубопроводов ....................................................... 77 
2.3 Компенсация трубопроводов ............................................................. 80 
2.4 Расчет толщины тепловой изоляции трубопроводов ...................... 86 
2.5 Выбор насосов и деаэраторов ............................................................ 87 
2.6 Гидравлическая характеристика сети ............................................... 96 
2.7 Выбор и расчет электрофильтра ...................................................... 104 
2.8 Расчет тягодутьевых устройств ....................................................... 106 
Заключение .............................................................................................. 112 
Список использованной литературы ..................................................... 113 
Приложение ............................................................................................. 115 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Будущему инженеру-энергетику при работе с технологическим 

оборудованием специальных объектов придется решать ряд производственных 
задач, направленных на поддержание заданных режимов работы 
оборудования, экономию энергетических и технических ресурсов. 
Соблюдение этих условий особенно важно для специальных технологических, 
военно-промышленных и оборонного комплексов 
страны, обеспечивающих боеготовность Вооруженных Сил Российской 
Федерации. 

Целью освоения дисциплиной «Тепломеханическая часть электростанций 
специальных объектов» является изучение основного и 
вспомогательного теплотехнического оборудования электростанций 
специальных объектов, что подразумевает под собой: 

- изучение типов конструкций и принципа работы тепломеханического 
и вспомогательного оборудования электростанций, путей его 
совершенствования; 

- изучение основных методик и приобретения навыков расчета и 

выбора теплообменного, механического и вспомогательного оборудо-
вания электростанций с использованием теплотехнической справоч-
ной и нормативной литературы. 

Практические занятия являются неотъемлемой частью процесса 

изучения дисциплины «Тепломеханическая часть электростанций 
специальных объектов», они направлены на проработку и закрепление 
теоретического материала, развитию навыков по проведению конст-
руктивно-теплового расчетов теплообменного оборудования электро-
станций, выбора серийного тепломеханического оборудования по 
энергетическим и эксплуатационным требованиям. 

Практикум содержит краткие теоретические сведения и приме-

ры решения задач, что позволяет обучающемуся на практических за-
нятиях самостоятельно применять методики решения инженерных за-
дач, связанных с реконструкцией и эксплуатацией тепломеханическо-
го оборудования. 

Данный практикум подготовлен в соответствии с рабочей про-

граммой дисциплины и федеральным образовательным стандартом. 

Практикум может быть полезен при разработке соответствующих 

разделов выпускной квалификационной работы и на производстве. 

 

 
 

1 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 

 

Краткие сведения о теплообменных аппаратах. 
Теплообменными аппаратами (ТА) называют устройства, пред-

назначенные для передачи теплоты от горячей среды к холодной. Те-
ла, отдающие или воспринимающие теплоту, называют теплоносите-
лями. Кроме аппаратов, в которых передача теплоты является единст-
венной производственной задачей, к теплообменникам можно отнести 
и разнообразные технологические установки, и устройства, например, 
двигатели внутреннего сгорания, печи для термической обработки ма-
териалов, электрические машины, химические реакторы и пр. Общим 
для них является то, что для рациональной их эксплуатации необхо-
дим подвод или отвод определенного количества теплоты. Процесс 
теплообмена в аппаратах может сопровождаться изменением темпера-
туры теплоносителя или проходить при неизменной температуре теп-
лоносителей с изменением агрегатного состояния (конденсация, кипе-
ние, испарение, плавление, затвердевание, сублимация). 

Конструктивно ТА выполняю разнообразно в зависимости от 

условий применения и требований экономичности. В связи с этим 
четкой классификации ТА нет. Поэтому, ограничимся наиболее рас-
пространенными признаками классификации. 

1) По технологическому назначению ТА делятся на водоподог-

реватели, воздухоподогреватели, конденсаторы, испарители, деаэра-
торы, парогенераторы, пароперегреватели и т.п. 

2) По принципу действия бывают: 
- поверхностные. В поверхностных аппаратах теплоносители 

разделены теплопроводными стенками (поверхностями), через кото-
рые происходит теплообмен между теплоносителями. В свою очередь 
поверхностные ТА делятся на рекуперативные и регенеративные. 

Основным признаком рекуперативных теплообменников явля-

ется наличие теплообменной поверхности – стенки, которая разделяет 
горячую и холодную жидкости, причем, в каждой точке теплообмен-
ной поверхности рекуператора поток сохраняет постоянное направле-
ние. Это исключает перемешивания жидкостей и позволяет эксплуа-
тировать теплообменник при различных давлениях теплоносителей. 
Указанные особенности столь полезны, что подавляющее число теп-
лообменных аппаратов относится именно к рекуперативным. К реку-
перативным теплообменникам относятся кожухотрубчатые, ребри-
стые, пластинчатые и спиральные теплообменники.  

В регенеративных теплообменниках два или более теплоноси-

теля соприкасаются с одной и той же теплообменной поверхностью. 
Теплообмен в этих аппаратах происходит за несколько периодов. При 
соприкосновении поверхности аппарата с горячим теплоносителем, 
его теплообменные поверхности получают теплоту и аккумулируют 
ее внутрь (нагрев поверхностей). В следующий период, при соприкос-
новении с поверхностью аппарата холодного теплоносителя аккуму-
лированная теплота отдается ему (охлаждение поверхностей). Так как 
регенеративные теплообменники являются аппаратами периодическо-
го действия, то для непрерывности их работы используют две камеры, 
в которых направление теплового потока все время меняется. 

- смесительные (контактные). В этих ТА происходит непосред-

ственное соприкосновение и смешение различных теплоносителей. 
Примерами таких аппаратов могут служить оросительная камера у 
кондиционеров, градирни на ТЭС, скрубберы пылеочистки, деаэрато-
ры котельных и пр. 

3) По схеме движения теплоносителей ТА бывают: 
- прямоточные; 
- противоточные; 
- с перекрестным ходом; 
- комбинированные. 
4) По роду теплоносителей: водоводяные, пароводяные, водо-

воздушные, газовоздушные, масловоздушные, и т.п.; 

5) По роду материала, из которого выполнены элементы ТА: 

чугунные, стальные (самые распространенные среди используемых 
ТА), графитовые (применяются в случае химически агрессивной сре-
ды), стеклянные, керамические, свинцовые. 

6) По роду теплообменных поверхностей: гладкотрубные (в 

свою очередь трубки могут быть прямыми, U-образными, змеевико-
вой и другой формы), ребристые или ошипованные (применяются, ко-
гда коэффициент теплоотдачи одного теплоносителя намного больше 
другого), пластинчатые, спиральные. 

7) По числу ходов теплоносителя: одноходовые и многоходо-

вые. 

8) По компоновке поверхностей нагрева: труба в трубе, кожу-

хотрубчатые, без ограничивающего корпуса (оросительные) и др. 

9) По монтажной сборке: секционные и несекционные. 
10) По периодичности действия: непрерывного и периодиче-

ского действия. 

1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПОРА 

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ 

СХЕМАХ ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ 

ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ 

 

При расчете теплообменных аппаратов используют два уравнения: 

- 
уравнение теплопередачи  
▪ для регенеративных 

 

Q
F k
t

  , Вт,                                           (1) 

 

где F – площадь поверхности теплообмена, м2; 
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2· К); 
Δt – средняя разность температур, К; 
 

▪ для регенеративных 

 

Q
F k
t 

   , Дж,                                        (2) 

 

где τ – время передачи теплоты, с; 
 

▪ для смешивающих 

 

v
Q
d
t V



, Вт                                           (3) 

 

где dv – объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3·К); 
V – объем теплообменника; 

 

- уравнение теплового баланса 

 

1
2
 , 
Q
Q
Q

 
Вт(Дж),                                       (4) 

где 





1
1
1
1
1
1
1
1 ,  
p
Q
m h
h
m C
t
t








Вт;                           (5) 





2
2
2
2
2
2
2
2 ,  
p
Q
m
h
h
m C
t
t








Вт;                         (6) 

 

▪ для регенеративных ТА 

 





1
1
1
1
1
1
1
1
1
1,  
p
Q
m h
h
m C
t
t










Вт;                         (7) 





2
2
2
2
2
2
2
2
2
2, 
p
Q
m
h
h
m C
t
t










Вт,                      (8) 

 

где ΔQ – потери в окружающую среду, Вт; 
m1 и m2 – массовые расходы греющего и нагреваемого теплоносителя; 
h′1, h″1 и h′2, h″2 – энтальпии греющей и нагреваемой среды на входе и на выходе 
соответственно, Дж /кг; 

Ср1 и Ср2 – удельные теплоемкости теплоносителей, Дж (/кг·К); 
t′1, t″1 и t′2, t″2 – температуры греющей и нагреваемой среды соответственно на 
входе и на выходе в теплообменный аппарат, °С  

 
При конструктивном Расчете теплообменного аппарата опреде-

ляет площадь поверхности, при проверочном расчете определяет ко-
нечные температуры греющий и нагреваемой среды. 

Значение среднего температурного напора Δt в теплообменных 

аппаратах зависит от схемы взаимного движения теплоносителей. 
Схемы движения теплоносителей показаны на рис.1. 

 

а)
б)

в)
г)

Рисунок 1 – Схемы движения теплоносителей:  

а) прямоток; б) противоток; в) перекрестное движение;  

г) смешенное движение 

 
Если решить уравнения теплового баланса и теплопередачи от-

носительно температурного напора, то можно получить экспоненци-
альную зависимость 

"
 , 
AkF

xt
t e

  
 °C,                                       (9) 

 

где 
1
2
1
1
A
W
W


 – коэффициент (+  соответствует прямотоку, –  соответству-

ет противотоку, перекрестному и смешенному движению), 
здесь 
1
1
1
p
W
m C

 
– 
расходная 
теплоемкость 
первого 
теплоносителя, 

2
2
2
p
W
m C

 – расходная теплоемкость второго теплоносителя. 

 
Средний температурный напор для прямотока и противотока 

определяется по одной формуле: 

 



ln
/

б
м

ср

б
м

t
t
t
t
t


 




 , °C,                                  (10) 

 

где Δtб – наибольший температурный напор; 
Δtм – наименьший температурный напор. 

При одинаковых температурах теплоносителей среднелогариф-

мический температурный напор Δtср всегда меньше, чем среднеариф-
метический напор. 

Арифметическую среднюю разность (напор) 
2

б
м

ср

t
t
t

 


 мож-

но использовать только тогда, когда  Δtб/Δtм < 2, ошибка в этом случае 
составляет не более 4%. 

Для более сложных схем движения теплоносителей средний 

температурный напор меньше, чем при противотоке и находится по 
формуле: 

 
 
ср
ср пр
t
t




                                         (11) 

 

где 
 
ср пр
t

– средний температурный напор, определенный для противотока; 

   – поправка, определяемая по графикам справочных данных, 

 



, 
,
f P R
 
 
здесь 
2
2

1
2

t
t
P
t
t




 





  ;   
1
1

2
2

t
t
R
t
t




  



. 

 

При Расчете теплообменников для определения средних разностей 
температур теплоносителя вдоль поверхности теплообмена рекомендуется 
наносить начальные и конечные температуры на график: 

 

 

 

Для определения поверхности теплообмена необходимо знать 

коэффициент теплопередачи. Если известны конструктивные особенности 
теплообменного аппарата и коэффициенты теплоотдачи, то коэффициент 
теплопередачи можно определить для большинства теплообменных 
аппаратов у которых δ/d <0,1 по формуле: 

2

1
2

1
Вт
 ,     
1
1
м К
ст

заг

ст

k

R












;                           (12) 

 

для оребренных аппаратов 

 

1

2

1
2

1
1
Вт
 ,     

м К

pc
ст

заг

ст
c
пр

F
k
R
F



























                  (13) 

 

где α 1 и α 2 – коэффициент теплоотдачи для внутренней и внешней поверхности 
стенки;  

α 2пр – приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны ребристой поверхностью; 


δст – толщина стенки, м; 
λст – коэффициент теплопроводности материала стенки; 
Fрс – площадь поверхности и оребренной стенки; 
Fc – площадь поверхности гладкой стенки; 
Rзаг – термическое сопротивление учитывающие загрязнения с обеих сторон 

стенки; 

1
2

1
2

заг
R







, 

2
м К
 Вт ,                                     (14) 

 

где δ1 и δ2 –  толщина отложений на внутренней и внешней поверхности стенки; 

λ1 и λ2 – коэффициент теплопроводности загрязнениям. 
 

В пароперегревателях и топках котлов теплоотдача дымовых га-

зов при t > 400 °C происходит не только конвекцией, но и излучением, 
поэтому используют понятие суммарного коэффициента теплоотдачи 

 

 
,
сум
к
из





                                        (15) 

 

Зная коэффициент теплопередачи и средний температурный на-

пор можно определить поверхность теплообмена аппарата: 

 

 
Q
F
k t

 , м2.                                            (16) 

 

Задача №1 
Определить потребную поверхность рекуперативного теплооб-

менного аппарата, в котором вода нагревается горячими газами. Про-
вести Расчет для прямоточной и противоточной схемы. Привести гра-
фики изменения температур для обеих схем движения. 

Исходные данные: 
Температура газов 
- на входе: t′1 = 400 °С, 
-на выходе: t″1 =250 °C. 
Температура воды 
- на входе: t′2 =30 °С, 
-на выходе: t″2 =120 °C. 
Коэффициент теплопередачи: 
k = 38 Вт/(м2 ·К). 

Расход воды:  
 
 
 
m2 = 1 кг/с. 

Тепловыми потерями в окружающую среду пренебречь: 

ΔQ=0. 

Решение. 
Определим тепловую мощность теплоносителя 
 





2
2
2
2
2
1 4,19 120
30 1000
377100,  Вт
p
Q
m C
t
t


 






, 

 

где 


2
4,19,  кДж/ кг К
p
C


 – теплоемкость воды 

 
Построим графики изменения теплоносителей при прямотоке и 

противотоке 

Рассчитаем средний температурный напор и теплообменную 

поверхность при прямотоке 

 


 


 

1
2
1
2

1
2

1
2

400
30
250 120
 
229,4 
400
30
ln
ln
250 120

ср

t
t
t
t
t

t
t

t
t
































 




°С, 

2
2
377100
43,3  м
 
38 229,4
.

cp

Q
F
k t





 

 

Рассчитаем средний температурный напор и теплообменную 

поверхность при прямотоке 

 


 


 

1
2
1
2

1
2

1
2

400 120
250
30
 
250 
400 120
ln
ln
250
30

ср

t
t
t
t
t

t
t

t
t







































°С, 

2
2
377100
39,7  м
 
38 250
cp

Q
F
k t





. 

 

Так как на противотоке поверхность теплопередачи меньше, то 

это более экономичный (выгодный) вариант.