Теплообменные аппараты низкотемпературных установок и систем термостатирования. Часть 1. Аппараты трубчатого и пластинчатого типов

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
В.Г. Бакланова, Ю.А. Шевич 
 
 
 
 
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК 
И СИСТЕМ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ 
 
 
 
Часть 1 
 
АППАРАТЫ ТРУБЧАТОГО  
И ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТОГО ТИПОВ 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
 в качестве учебного пособия 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2011 

УДК 621.1.016(075.8) 
ББК 31.392  
 Б19 
 
Рецензенты: В.И. Могорычный, В.Н. Афанасьев 
 

 
 
Бакланова В.Г. 
Теплообменные аппараты низкотемпературных устано-
вок и систем термостатирования : учеб. пособие. Ч. 1: Аппа-
раты трубчатого и пластинчатого типов / В.Г. Бакланова, 
Ю.А. Шевич. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.  
– 64, [4] с. : ил. 
 
В настоящем учебном пособии изложены основные сведения о 
процессах, протекающих в теплообменных аппаратах низкотемпе-
ратурных установок и систем термостатирования. В первой части 
пособия приведены общие сведения об особенностях расчета про-
цессов теплообмена и гидродинамики в высокоэффективных теп-
лообменных аппаратах, а также зависимости, необходимые для 
проектирования аппаратов трубчатого и пластинчато-ребристого 
типов. Во второй части пособия аналогичные сведения представ-
лены для проектирования теплообменных аппаратов матричного 
типа. 
Пособие предназначено для студентов старших курсов, изу-
чающих криогенную технику, системы термостатирования и кон-
диционирования. 
 
УДК 621.1.016(075.8) 
    ББК 31.392  
 

 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

Б19 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Настоящее учебное пособие предлагается в качестве основного 
для студентов 5-го курса кафедры «Холодильная, криогенная тех-
ника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (Э-4). 
Содержание этого пособия основано на материале ранее изданного 
пособия доцента, канд. техн. наук В.Г. Баклановой по курсу лек-
ций, читаемому ею в течение многих лет на кафедре Э-4, посвя-
щенному теплообменным аппаратам низкотемпературных устано-
вок. К сожалению, пособие длительное время не переиздавалось. 
Главным образом в нем были приведены сведения по трубчатым и 
пластинчато-ребристым аппаратам. Однако в последние годы поя-
вилась информация о новом типе теплообменных аппаратов – ап-
паратов матричного типа. Исследования этих аппаратов были проведены 
и на кафедре Э-4. Основные результаты этих исследований 
представлены во второй части этого пособия. 
В предлагаемом пособии рассмотрены особенности расчета 
низкотемпературных аппаратов, приведены расчетные зависимости, 
отмечены конструктивные особенности различных аппаратов. 
Описаны методы оценки эффективности теплообменных аппаратов, 
представлены результаты расчета эффективности аппаратов 
различных типов. 
Большую помощь при составлении данного пособия оказали 
студенты кафедры Э-4 К. Иванова и А. Пырова. Кроме того, большую 
помощь на заключительном этапе подготовки пособия к изданию 
оказал студент кафедры Э-4 Б. Алескеров. 

ВВЕДЕНИЕ 

Одними из основных элементов любой энергетической системы 
являются теплообменные аппараты (ТА), от которых в значительной 
степени зависят ее технические и экономические показатели. 
Для того чтобы эти показатели были высокими, ТА должны 
удовлетворять определенным требованиям. 

Многие современные технические системы основаны на физическом 
процессе обмена тепловой энергией. Этот процесс протекает 
в ТА, различающихся по принципу действия и конструктивному 
исполнению. Рассматриваемые в данном пособии ТА, в том 
числе и новые аппараты матричного типа, относятся к ТА с развитой 
поверхностью теплообмена. Они характеризуются высокой 
интенсивностью теплообмена и компактностью, что позволяет с 
помощью относительно небольшого размера передавать значительное 
количество теплоты. Наибольшее распространение эти ТА 
получили в таких областях, как авиация, криогенная и холодильная 
техника, химическая технология, энергетика, ракетная и космическая 
техника. 

Протекающий в ТА процесс передачи теплоты от среды с высокой 
температурой к среде с более низкой температурой происходит 
самопроизвольно. Согласно определению Р. Клаузиуса, теплообмен 
относится к естественным процессам, для протекания которых 
не требуется вмешательство извне. Процессом, противоположным 
теплообмену, является процесс перехода теплоты от менее 
нагретых тел к более нагретым, для чего, согласно второму 
началу термодинамики, требуются затраты энергии. Следует отметить, 
что неверным является мнение о том, что теплообмен, протекающий 
самопроизвольно, не сопряжен с затратами энергии.  

При работе любого ТА, включенного в какую-либо энергетическую 
систему, имеют место энергетические потери, нередко значительные. 
Главным образом это обусловлено тем, что процесс передачи 
теплоты является необратимым. Этот процесс может протекать 

только при разности температур ∆Т, являющейся движущей силой 
теплообмена и одновременно мерой его необратимости. 

Теплообмен всегда сопровождается увеличением суммарной 

энтропии тел, участвующих в процессе. Так, при теплообмене  
между потоками двух веществ с постоянными средними температурами 
ТА и ТБ, количеством теплоты Q и разностью температур  
между ними ∆Т = ТА − ТБ происходит возрастание энтропии в ТА 
на величину 
0
Б
A
Б
A
/
/
,
Ts
s
s
Q T
Q T

 
 


 откуда следует 

0
A Б
/(
).
Тs
Q T
T T



 Увеличение энтропии приводит к соответствующим 
потерям энергии (потерям эксергии), которые определяются 
как 
0
0
.
T
Т
s
 

 Из приведенных зависимостей следует, что 

потери энергии в ТА пропорциональны разности температур ∆T и 
обратно пропорциональны средним температурам потоков ТА и ТБ. 
Следовательно, потери наиболее значительны в криогенных сис-
темах, в которых абсолютные температуры ТА и ТБ низки. По этой 
причине в криогенных ТА допустимы только небольшие разности 
температур ∆T, что требует создания эффективных компактных 
аппаратов. 

Помимо разности температур в ТА также имеются потери дав-

ления ∆р. При движении теплоносителей вдоль поверхности тепло-
обмена необходимы затраты энергии на преодоление гидродинами-
ческих сопротивлений, при этом термодинамические характеристи-
ки установки в целом ухудшаются. Так, при увеличении давления 
температура кипения жидкости в криогенных и холодильных уста-
новках повышается. Кроме того, возникают дополнительные потери 
в результате как теплообмена с окружающей средой, так и продоль-
ного теплообмена по корпусу ТА, но во многих случаях они менее 
значительны. Таким образом, идеальным считают ТА с минимально 
возможной разностью температур между потоками ∆Tmin, мини-
мальными гидравлическими сопротивлениями ∆pmin, без дополни-
тельных потерь. 

Однако принятие условий ∆Tmin и ∆pmin приводит к резкому 

увеличению поверхности теплообмена F, массы и размеров ТА. 
Уменьшение разности ∆T вызывает увеличение поверхности теп-
лообмена в обратной пропорции. Уменьшение давления ∆p связа-
но с необходимостью уменьшения скорости теплоносителей, что в 
свою очередь уменьшает коэффициенты теплоотдачи и также при-
водит к увеличению поверхности теплообмена. Последнее обу-

словливает увеличение гидравлических потерь. В результате этого 
возникает ряд противоречивых требований, одновременное вы-
полнение которых не представляется возможным. Таким образом, 
стремление уменьшить размеры, массу и стоимость ТА, сделать 
его компактным часто противостоит стремлению обеспечить ми-
нимальные потери энергии при эксплуатации ТА, достичь его наи-
большей термодинамической эффективности. 

Поиски компромисса при варьировании таких различных пара-

метров, как скорости потоков, геометрические размеры элементов  
поверхности, далеко не всегда приводят к желаемым результатам. 
Применение высококомпактных и эффективных типов ТА с наи-
лучшими тепловыми и гидравлическими характеристиками позволя-
ет решить эту задачу. При создании современных эффективных  
ТА наиболее рациональными оказались следующие два подхода: 
первый – широкое использование развитых высококомпактных по-
верхностей; второй – создание благоприятных гидравлических усло-
вий движения теплоносителя, что дает возможность обеспечить вы-
сокие коэффициенты теплоотдачи при умеренных гидравлических 
сопротивлениях.  

При использовании первого подхода обычно применяют дву-

стороннее оребрение, что позволяет создать развитую поверхность 
теплообмена, например, в аппаратах пластинчато-ребристого или 
матричного типа. Для количественной оценки компактности обыч-
но используют понятие удельной поверхности S = F/V, где F – по-
верхность теплообмена, м2; V – объем, занимаемый этой поверхно-
стью теплообмена, м3. Величина S обратно пропорциональна экви-
валентному диаметру каналов поверхности теплообмена, с его 
уменьшением она возрастает. В ТА различной конструкции величи-
на S изменяется в широких пределах. Так, удельная поверхность S 
обычных гладкотрубных ТА составляет до 1 000 м2/м3, а пластинча-
то-ребристых или матричных теплообменников (МТ) – 3 000… 
…10 000 м2/м3. При использовании наиболее компактных ТА с сет-
чатыми матрицами (регенераторы газовых криогенных машин) зна-
чение S увеличивается до 40 000 м2/м3. При создании многоканаль-
ных эффективных ТА с высокой компактностью обычно требуется 
решение ряда сложных конструктивных и технологических задач. 

В случае применения второго подхода, т. е. при обеспечении бла-

гоприятной гидродинамики теплоносителя, обычно осуществляют 
турбулизацию потока вблизи поверхности теплообмена. Этого дости-

гают использованием коротких ребер, специальных элементов, а 
также каналов со сложной изменяющейся формой сечения. Примене-
ние таких поверхностей позволяет создавать отрывные зоны, т. е. 
турбулизировать поток, что приводит к уменьшению толщины по-
граничного слоя и, как следствие, к увеличению интенсивности теп-
лообмена. При этом следует исходить из того, что существенное зна-
чение имеет турбулизация потока не по всему сечению канала, а 
именно в том месте сечения канала, где создается наибольшее терми-
ческое сопротивление теплообмену (наибольший градиент темпера-
туры). Обычно эта область – область ламинарного подслоя – нахо-
дится вблизи поверхности теплообмена. Турбулизация ядра потока 
может привести лишь к возрастанию гидродинамических потерь при 
незначительном увеличении коэффициента теплоотдачи. 

При конструировании эффективных ТА эти два подхода исполь-

зуют одновременно, т. е. создают высококомпактную поверхность с 
большим значением S с каналами определенной формы, что позволяет 
повысить эффективность турбулизации потока. В первых конструкци-
ях компактных ТА была использована трубчатая форма поверхности 
теплообмена, эффективность которой существенно увеличивается при 
оребрении труб и уменьшении их диаметра. Следующим этапом усо-
вершенствования ТА было создание пластинчато-ребристых аппаратов 
с прямоугольными каналами и двусторонним оребрением прерыви-
стого типа, отличающихся высокой компактностью, но более слож-
ной технологией изготовления. В дальнейшем были разработаны 
МТ, представляющие собой конструкцию из большого числа чере-
дующихся слоев теплопроводных элементов с отверстиями и про-
кладок, формирующих каналы. В результате этого образуется мат-
рица, т. е. набор стереотипных элементов, обладающая высокоразви-
той поверхностью теплообмена. Компактность, интенсивный теплообмен, 
работоспособность при высоких давлениях, использование 
унифицированных конструктивных элементов, возможность автоматизации 
производства – это некоторые преимущества, определяющие 
перспективность МТ.  

Во второй части пособия рассмотрен ряд вопросов, связанных с 

особенностями расчета и создания этих ТА: 

– различные виды матричных поверхностей, их геометрические 
характеристики, конструкции аппаратов с матрицами разных 
типов; 

– экспериментальная информация по тепловым и гидравлическим 
характеристикам сетчатых и перфорированных матриц с раз-

личными геометрическими размерами и компоновкой элементов, 
являющаяся исходной для расчета МТ; 

– методика расчета МТ; особое внимание обращено на определение 
КПД оребренной поверхности сложной конфигурации, дана 
оценка значения осевой теплопроводности и распределения потоков 
по каналам;  

– информация о технологии изготовления отдельных элементов 
МТ, а также о наиболее важном этапе технологии – сборке 
клееных и сварных МТ; 

– методика оценки эффективности поверхностей теплообмена 

различных типов и условия, при которых МТ оказываются пред-
почтительнее по сравнению с аппаратами другого типа. 

В данном пособии в основном рассмотрены теплообменники 

рекуперативного типа. 

 

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ТА  
И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ 

В любой теплоэнергетической установке, криогенной систе-
ме или в системе кондиционирования используется большое 
число различных ТА, которые трудно классифицировать по ка-
кому-либо одному признаку. Рассмотрим основные варианты 
классификации. 
По способу передачи теплоты ТА подразделяют на контактные 
и поверхностные. В контактных аппаратах передача теплоты проис-
ходит при непосредственном контакте теплоносителей и, как пра-
вило, сопровождается массообменом. Примером таких ТА могут 
быть азотоводяные холодильники, абсорберы, ректификационные 
колонны и др. В поверхностных ТА передача теплоты осуществля-
ется через поверхность теплообмена. К ним относятся регенераторы 
и рекуператоры. В регенераторах поверхностью теплообмена явля-
ется поверхность насадки, которая попеременно омывается то горя-
чим, то холодным теплоносителем. В первом случае она аккумули-
рует теплоту, а во втором ее отдает. В рекуператорах передача теп-
лоты происходит при непрерывном протекании теплоносителей по 
обе стороны от поверхности теплообмена.  
По характеру фазового состояния теплоносителей ТА подраз-
деляют следующим образом: 
– аппараты для однофазных теплоносителей (воздушные, т. е. 
газовые (г-г), жидкостные (ж-ж) и газожидкостные (г-ж) ТА); 
– аппараты, в которых процесс теплообмена сопровождается 
изменением фазового состояния теплоносителей (конденсаторы-
испарители) или одного теплоносителя (испарительные теплооб-
менники, конденсаторы); 
– аппараты, в которых теплоноситель содержит примеси, из-
меняющие свое фазовое состояние в процессе теплообмена (теп-
лообменники-вымораживатели влаги, теплообменники-ожижители 
и  т. п.). 

Необходимо отметить, что каждый тип ТА имеет определен-
ные особенности расчета процесса теплопередачи. Конструкции 
ТА подразделяют следующим образом: 
– по конструктивным признакам различают пластинчатые, ко-
жухотрубные, трубчатые витые ТА и т. д.  
– по характеру движения теплоносителей различают противо-
точные, прямоточные и перекрестноточные ТА. 
Возможны классификации и по другим признакам, например 
по назначению ТА, способу изготовления, материалу его конст-
рукции и т. п.  
Основные требования к ТА при заданной величине теплового 
потока Q состоят в следующем. 
1. Высокое термодинамическое совершенство ТА. Под этим под-
разумевается, что при заданной величине передаваемого потока Q 
термодинамические потери, вызванные необратимостью процесса 
теплообмена, должны быть минимальны. 
2. Рациональная конструкция: 
– в конструкции должно быть обеспечено равномерное распре-
деление потоков теплоносителей по сечению аппарата; 
– потери давления теплоносителей в коллекторах, переходни-
ках, распределителях потока и в других вспомогательных элемен-
тах теплообменника должны быть максимально снижены, т. е. же-
лательно, чтобы выполнялось условие 
тп
полн
1,
P
Р



 где 
тп
P

 – 
потери давления в поверхности теплообмена; 
полн
Р

 – полные по-
тери давления теплоносителя, прошедшего через ТА. 
3. Оптимальные габаритные и массовые характеристики ТА. 
При заданном тепловом потоке Q ТА должен быть компактным 
(
min).
V 
 Это достигается выбором типа поверхности конструк-
тивных элементов и типа ТА. Например, при использовании глад-
кой трубки или трубки, оребренной проволокой, ТА может быть 
кожухотрубным или витым. В этих вариантах сочетаний достигает-
ся различная компактность ТА. Кроме того, при заданном тепловом 
потоке Q масса ТА должна быть минимальной. Это в основном за-
висит от типа поверхности конструктивных элементов, от типа ТА, 
от свойств используемого материала (например, плотность меди  
ρ ≈ 8,4 кг/дм3, плотность алюминиевого сплава ρ ≈ 2,6 кг/дм3) и  
от технологии изготовления (оребренная поверхность может быть 
выполнена пайкой ребер или сваркой, прессованием или протяжкой 
и т. п.).