Металлургическая теплотехника

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Металлургическая  

теплотехника 

П р а к т и ку м 

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки  

22.03.01 — Материаловедение и технология материалов;  

22.03.02, 22.04.02 — Металлургия 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2021 

УДК 621.745.3.(076.5)
ББК 31.391я73
          М54

Авторы: В. А. Дудко, С. Я. Журавлев, Е. В. Киселев, Н. Б. Лошка-

рев, В. И. Матюхин, О. В. Матюхин, Н. А. Спирин 

Рецензенты:
замдиректора ОАО «ВНИИМТ» д-р техн. наук, проф. Г. М. Дружинин;
гл. науч. сотр. Института металлургии УрО РАН д-р техн. наук,  

проф. А. Н. Дмитриев

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. Г. В. Воронов 

М54

Металлургическая теплотехника : практикум / В. А. Дудко, 

С. Я. Журавлев, Е. В. Киселев и др. ; М-во науки и высш. образования. — 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. — 83, [1] с.

ISBN 978-5-7996-3303-5

Изложены материалы для подготовки и проведения лабораторных работ по дис-

циплинам, в которых изучаются основы металлургической теплотехники. Практи-
кум предназначен для бакалавров и магистров металлургических направлений; его 
можно рекомендовать студентам, которые изучают в различных дисциплинах раз-
делы теплотехники и теплоэнергетики.

Табл. 1. Рис. 31.

УДК 621.745.3.(076.5)
ББК 31.391я73

ISBN 978-5-7996-3303-5
© Уральский федеральный  
     университет, 2021

Содержание

Содержание

Введение  ..............................................................................................4

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе»  ...........5

2. Испытание пластинчатого теплообменника  ................................18

3. Изучение водовоздушных теплообменников  ...............................26

4. Исследование теплообмена при течении в трубах  .......................34

5. Исследование режимов и способов сушки  
влажных материалов  .........................................................................50

6. Вакуумное охлаждение влажных материалов  ...............................59

7. Изучение процессов поверхностного и объемного кипения  
жидкости  ............................................................................................70

Список использованных источников  ...............................................82

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Введение 

Н

аиболее полное представление о работе теплотехнических агре-
гатов и технологических процессах, происходящих в них, фор-

мируется у студентов, когда они принимают участие в исследованиях.

Проведение экспериментов при выполнении лабораторного прак-

тикума хотя и имеет некоторые ограничения, но тем не менее игра-
ет серьезную роль в учебном процессе. При этом у студентов есть воз-
можность самостоятельно проанализировать и оценить взаимосвязь 
теоретических аспектов с процессами, которые происходят в лабора-
торной установке. Это касается и теплотехнических процессов, кото-
рые невозможно изучать без предварительного освоения теоретиче-
ских аспектов теплофизики.

Теплотехнические и теплоэнергетические агрегаты широко рас-

пространены в промышленности и часто играют определяющую роль 
в производственном, например металлургическом, процессе.

Каждая лабораторная работа позволяет решать задачи различного 

уровня в зависимости от объема проведенных исследований и глуби-
ны изучения процесса.

В процессе выполнения практикума студенты оформляют отчет 

о проведенной работе. Обязательные элементы, которые должен со-
держать итоговый отчет, оговариваются преподавателем.

Прохождение всех этапов при выполнении практикума призвано 

сформировать у студентов необходимые компетенции.

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе» 

1. Испытание теплообменника 
конструкции «труба в трубе» 

Ц

ель лабораторной работы — изучение конструкции и принци-
пов работы теплообменника типа «труба в трубе».

Задачи работы:
— закрепление сведений о физической сущности переноса те-

плоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяю-
щую их стенку и анализ факторов, влияющих на интенсивность 
этого процесса;

— определение коэффициентов теплопередачи в рекуперативных 

теплообменниках при прямоточной и противоточной схемах 
движения теплоносителя.

Основные сведения
Аппараты «труба в трубе» применяются в различных очистных уста-

новках, в установках обработки осадочных вод, при очистке отходов 
нефти. В химической и газовой промышленности теплообменники 
используются в технологических процессах, подразумевающих испа-
рение и конденсацию веществ. В теплоэнергетике, при использова-
нии теплоносителей высоких параметров, также применяются подоб-
ные устройства.

В зависимости от назначения, теплообменные аппараты «труба 

в трубе» используют как нагреватели, охладители, испарители и кон-
денсаторы. В металлургической промышленности используются те-
плообменники-испарители для охлаждения воды, масла и других сред, 
которые используются в циклических процессах.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Теплообменники «труба в трубе» применяются также для подогре-

ва мазута. Мазут подается в теплообменные трубки подогревателя на-
сосом, а в качестве горячего теплоносителя используется пар.

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются 

устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоно-
сителя к другому. По принципу действия теплообменные аппараты 
подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и сме-
сительные.

В теплообменных аппаратах рекуперативного типа, теплота пере-

дается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую 
их стенку, которая называется поверхностью нагрева теплообменного  
аппарата.

Интенсивность работы теплообменного аппарата характеризуется 

коэффициентом теплопередачи k, который равен количеству тепло-
ты, проходящей через единицу поверхности нагрева в единицу вре-
мени, при разности температур теплоносителей в один градус. Эта 
величина зависит от физических свойств теплоносителей (вязкость, 
теплопроводность, плотность, теплоемкость), от режима движения 
горячего и холодного теплоносителя, конструктивных особенностей 
аппарата (размеры, конфигурация, материал, состояние поверхности  
нагрева).

При расчете теплообменных аппаратов изменение температур те-

плоносителей, при их движении по теплообменнику, учитывается путем 
введения в расчетную формулу средней логарифмической разности 
температур горячего и холодного теплоносителя Δt. Влияние осталь-
ных факторов учитывают путем введения коэффициента теплопереда-
чи. Формула для расчета количества теплоты, передаваемой в тепло-
обменном аппарате за единицу времени, имеет вид 

 
Q
kF
t
=
ЧD . 

Значение средней логарифмической разности температур сред Δt 

зависит от начальных t t
1
2
'
'
,  и конечных t t
1
2

''
"
,  температур теплоносителей 

(t1 — горячий теплоноситель; t2 — холодный теплоноситель), а также 
от схемы включения теплообменного аппарата, т. е. от взаимных на-
правлений движения теплоносителей.

Существует три основные схемы включения: прямоточная, противо-

точная и перекрестная, — кроме того, множество смешанных схем, по-
лучаемых в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1.1).

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе» 

а
б
в

г
д

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Рис. 1.1. Типичные конструктивные схемы 
рекуперативных теплообменных аппаратов:
1 — поток горячего теплоносителя; 2 — поток холодного теплоносителя; 
а — «труба в трубе» противоток; б — «труба в трубе» прямоток; 
в — трубчатый теплообменник с перекрестным током; г — пластинчатый 
теплообменник с перекрестным током; д — трубчатый теплообменник 
с многократным перекрестным током 

Изменение температуры теплоносителей и поверхности нагрева 
в теплообменных аппаратах с различными схемами движения пока-
зано на рис. 1.2. Из приведенных рисунков видно, что температур-
ный напор, т. е. разность температур сред, меняется по длине тепло-
обменника в зависимости от схемы движения теплоносителей. При 
прямоточной схеме (рис. 1.2, а), горячий 1 и холодный 2 теплоно-
сители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении 
так, что на входе в аппарат тепло передается от горячего теплоно-
сителя к холодному при относительно большой разности темпера-
тур. На выходе из аппарата тепло передается от остывшего горяче-
го теплоносителя к нагретому — холодному при меньшей разности 
температур.
При противоточной схеме движения (рис. 1.2, б), теплоносители 
1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных на-
правлениях так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель от-
дает тепло уже подогретому холодному теплоносителю.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а
б

в

F

Рис. 1.2. Схемы изменения температур сред и поверхности 
в зависимости от конструкции теплообменного аппарата:

t1
/ — температура горячего теплоносителя на входе в рекуператор; t1
// — 
температура горячего теплоносителя на выходе из рекуператора; t2
/ — температура 
холодного теплоносителя на входе в рекуператор; t2
// — температура холодного 
теплоносителя на выходе из рекуператора; tп
/ — температура поверхности 
теплообмена на входе холодного теплоносителя; tп
// — температура поверхности 
теплообмена на выходе холодного теплоносителя 

При перекрестной схеме движения теплоносителей (рис. 1.2, в), 
температура горячего теплоносителя для всей поверхности теплообмена 
остается постоянной, а температура холодного теплоносителя 
растет. Именно так получается при кипении жидкости или конденсации 
паров.

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе» 

Важное для расчета теплообмена значение средней логарифмической 
разности температур для прямоточной схемы движения может 
быть определено по формуле 

 
Dt
t
t
t
t

t
t
t
t

=
-
-
-
-
-

(
)
(
)

ln

'
'
"
"

'
'

"
"

1
2
1
2

1
2

1
2

.  
(1.1) 

Средняя логарифмическая разность температур при противотоке 

определяется по формуле 

 
Dt
t
t
t
t

t
t
t
t

=
-
-
-
-
-

(
)
(
)

ln

'
"
"
'

'
"

"
'

1
2
1
2

1
2

1
2

.  
(1.2) 

Для перекрестного тока средняя логарифмическая разность температур 
с достаточной степенью точности может быть определена как 
средняя арифметическая разность температур на входе и на выходе 
из рекуператора 

 
Dt
t
t
t
t
=
-
+
-
(
)
(
)
'
'
"
"

1
2
1
2
2
.

Полученные формулы позволяют сравнить Δt при различных схе-

мах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при оди-
наковых температурах теплоносителей на входе и выходе из теплооб-
менного аппарата, в противоточном теплообменнике Δt получается 
наибольшим. Из-за большей величины Δt в противоточной схе-
ме, холодный теплоноситель может быть нагрет до большей темпе- 
ратуры.

Коэффициент теплоотдачи k, Вт/(м 2 · К), в трубчатых теплообмен-

ных аппаратах определяют обычно по формулам для плоской стен-
ки, т. к. стенки трубок теплообменников имеют небольшую толщину 
по сравнению с их диаметром, 

 
k
S
=
+
+

1

1
1

1
2
a
l
a

,  

где S — толщина стенки рекуператора, м;

λ — коэффициент теплопроводности материала стенки рекупера-

тора, Вт/(м · К);

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

α1, α2 — коэффициенты теплоотдачи соответственно от горячей сре-

ды к стенке и от стенки к холодной среде, Вт/(м 2 · К).

Для экспериментального определения коэффициента теплопереда-

чи требуется знать количество теплоты Q, переданное в теплообмен-
ном аппарате холодному теплоносителю за единицу времени, среднюю 
логарифмическую разность температур Δt между горячим и холодным 
теплоносителями и размер теплообменной поверхности F, что позво-
ляет рассчитать коэффициент теплопередачи по формуле 

 
k
Q
t F
= D
.  
(1.3) 

Количество теплоты определяется по расходу теплоносителей, их 

теплоемкости и изменению их температуры в теплообменном аппарате 

 
Q
V
C
t
т
т
т
=
Ч
ЧD
,  
(1.4) 

где Vт — расход теплоносителя, кг/с;

Ст — теплоемкость теплоносителя при его средней температуре, 

Дж/(кг · К);

Δtm — изменение температуры теплоносителя при прохождении че-

рез теплообменник, °C.

В идеальном теплообменном аппарате, в котором нет потерь те-

плоты в окружающую среду, количество теплоты, отданное горячим 
теплоносителем Q1, должно равняться количеству теплоты, получен-
ному холодным теплоносителем Q2. В реальном теплообменном аппа-
рате существуют потери теплоты в окружающее пространство, поэтому  
Q1 > Q2, а его эффективность работы оценивают по Q2 [1, 2].

Описание экспериментальной установки
Основными элементами лабораторной установки являются тепло-

обменный аппарат типа «труба в трубе» с движением горячего тепло-
носителя по внутренней трубе и холодного теплоносителя по кольце-
вому каналу между внутренней и наружной трубами.

На рис. 1.3 показана схема движения сред, соответствующая про-

тивотоку. Однако установка позволяет организовать прямоток, поме-
няв направление движения холодного теплоносителя. Таким образом, 
в данной лабораторной работе можно экспериментально оценить эф-
фективность теплообмена при различных схемах движения сред.

Схема экспериментальной установки и ее фотография показаны 

на рис. 1.4 и 1.5.

1. Испытание теплообменника конструкции «труба в трубе» 

L

dвх 

dвых 

Рис. 1.3. Схема теплообменного аппарата «труба в трубе» 

1

2

3

4
5
6
7
8

9

10

11

12
13
14

Рис. 1.4. Схема экспериментальной установки:
1 — водонагреватель со ступенчатым управлением температурой нагрева; 
2 — кран подачи горячего теплоносителя; 3 — термопара на входе 
в теплообменник Т1 горячего контура; 4 — заливочное устройство; 5 — счетчик 
расхода горячего теплоносителя; 6 — термопара холодного контура T3; 
7 — теплообменник «труба в трубе»; 8 — термопара на выходе из теплообменника 
Т2 горячего контура; 9 — термопара холодного контура Т4; 10 — циркуляционный 
насос подачи горячего теплоносителя; 11 — сливной кран горячего теплоносителя; 
12 — резервуар холодного теплоносителя; 13 — насос подачи холодного 
теплоносителя; 14 — вентили включения режимов прямотока и противотока