Инженерный справочник

Кожухотрубный охладитель:
справочник инженера

Формулы теплового и гидравлического расчёта, таблицы коэффициентов теплопередачи, физические свойства сред, стандартные размеры, нормативы

📅 Март 2026 ⏱ 18 мин чтения 📐 Формулы + таблицы

Содержание

Формулы теплового расчёта Формулы гидравлического расчёта Коэффициенты теплопередачи K Коэффициенты загрязнения Rf Свойства воды Свойства масел Стандартные типоразмеры Нормативные документы FAQ

Формулы теплового расчёта

1. Основное уравнение теплопередачи

Q = K × F × ΔTср

Q — тепловая нагрузка, Вт

K — коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К

F — площадь теплообмена, м²

ΔTср — средний температурный напор, К

Применение: подбор площади: F = Q / (K × ΔTср). При известном аппарате — проверка нагрузки: Q = K × F_реал × ΔT.

2. Тепловой баланс

Q = G₁ × c₁ × (T₁_вх − T₁_вых) = G₂ × c₂ × (T₂_вых − T₂_вх)

G₁, G₂ — массовые расходы сред, кг/с

c₁, c₂ — теплоёмкости, Дж/кг·К

T₁_вх/вых — температуры горячей среды, К

T₂_вх/вых — температуры холодной среды, К

Пример: масло (c=2100 Дж/кг·К, G=3 кг/с), охлаждение 80→45°C. Q = 3 × 2100 × (80−45) = 220 500 Вт = 220,5 кВт.

3. Логарифмический средний температурный напор (LMTD)

LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)

ΔT₁ — температурный напор на одном конце, К

ΔT₂ — температурный напор на другом конце, К

Противоток: горячая 80→45°C, холодная 15→35°C.
ΔT₁ = 80 − 35 = 45 К; ΔT₂ = 45 − 15 = 30 К.
LMTD = (45 − 30) / ln(45/30) = 15 / 0,405 = 37,0 К.

Прямоток: горячая 80→45°C, холодная 15→35°C.
ΔT₁ = 80 − 15 = 65 К; ΔT₂ = 45 − 35 = 10 К.
LMTD = (65 − 10) / ln(65/10) = 55 / 1,872 = 29,4 К.
Противоток даёт на 26% больше — эффективнее.

4. Поправочный коэффициент F на схему движения

ΔTср = F × LMTD_противоток

F — поправочный коэффициент (от 0,75 до 1,0)

При чистом противотоке F = 1,0

При 2 ходах по трубам F ≈ 0,85–0,95

При 4 ходах по трубам F ≈ 0,80–0,92

Примечание: коэффициент F по диаграммам из TEMA или Kern «Process Heat Transfer». При F < 0,75 — схема нерациональна, выбрать противоток.

5. Коэффициент теплопередачи K (через слагаемые сопротивлений)

1/K = 1/α₁ + Rf₁ + δ/λ_ст + Rf₂ + 1/α₂

α₁ — теплоотдача внутри трубок, Вт/м²·К

α₂ — теплоотдача снаружи трубок, Вт/м²·К

Rf₁, Rf₂ — сопротивления загрязнений, м²·К/Вт

δ — толщина стенки трубки, м

λ_ст — теплопроводность металла трубки, Вт/м·К

6. Коэффициент теплоотдачи α (уравнение Дитуса-Болтера)

Nu = 0,023 × Re^0,8 × Pr^0,4

Nu = α×d/λ — число Нуссельта

Re = ρ×v×d/μ — число Рейнольдса

Pr = c_p×μ/λ — число Прандтля

Применимо при Re > 10 000 (турбулентное течение)

Пример: вода, d=0,021 м, v=1,2 м/с, t=30°C: ρ=996, μ=0,8×10⁻³, λ=0,618, Pr=5,4, c=4178.
Re = 996×1,2×0,021/0,0008 = 31 374 (турб.)
Nu = 0,023 × 31374^0,8 × 5,4^0,4 = 0,023 × 2736 × 1,98 = 124,5
α = Nu × λ / d = 124,5 × 0,618 / 0,021 = 3665 Вт/м²·К

7. NTU-метод (поверочный расчёт)

NTU = K × F / C_min ; ε = f(NTU, R)

C_min = min(G₁×c₁, G₂×c₂)

R = C_min / C_max

ε — эффективность (0 до 1)

Для противотока: ε = [1−exp(−NTU×(1−R))] / [1−R×exp(−NTU×(1−R))]

Применение: при известном аппарате (F, K) и расходах — вычислить, сколько тепла он реально передаст при изменении условий.

Формулы гидравлического расчёта

8. Потери давления в трубном тракте

ΔP_тр = λ × (L/d_вн) × (ρ × v² / 2) × N_ходов

λ — коэффициент гидравлического трения

L — длина трубки, м

d_вн — внутренний диаметр трубки, м

ρ — плотность среды, кг/м³

v — скорость в трубках, м/с

N_ходов — число ходов трубного тракта

9. Коэффициент гидравлического трения λ

λ = 0,316 × Re^(−0,25) при Re = 4 000–100 000 (формула Блазиуса)

При Re > 100 000: λ ≈ 0,018–0,025 (зависит от шероховатости)

Новые стальные трубы: k = 0,046 мм (абс. шерох.)

Нержавейка: k = 0,01–0,02 мм

10. Скорость в трубках через расход

v = 4 × G_объём / (π × d_вн² × n_тр_в_ходе)

G_объём — объёмный расход через одну ходовую группу труб, м³/с

n_тр_в_ходе = общее число трубок / число ходов

Пример: G=0,01 м³/с, d_вн=0,021 м, 100 трубок, 2 хода.
Трубок в ходе = 100/2 = 50. v = 4×0,01 / (π × 0,021² × 50) = 0,04/0,0693 = 0,58 м/с.

Таблица: ориентировочные коэффициенты теплопередачи K

Примечание: значения для стальных труб, без учёта загрязнений, турбулентный режим. Фактический K может быть ниже из-за загрязнений (Rf) на 10–40%.

Горячая среда	Холодная среда	K, Вт/м²·К	Примечание
Вода	Вода	800–1500	Оба тракта турбулентны
Водный раствор	Вода	500–1200	Зависит от вязкости
Лёгкое масло (ν < 10 сСт)	Вода	300–600	При v_масла ≥ 0,5 м/с
Среднее масло (10–50 сСт)	Вода	150–350	Влияние вязкости
Тяжёлое масло (>50 сСт)	Вода	50–150	Нагрев масла улучшает K
Пар насыщенный (конденсация)	Вода	1500–4000	Фазовый переход
Пар перегретый	Вода	30–100	Газ, низкий α
Воздух / газ (0,1 МПа)	Вода	20–60	Оребрение трубок
Воздух / газ (1 МПа)	Вода	80–200	Давление повышает α
Нефтепродукт (150–300 сСт)	Вода	60–120	Осторожно — загрязнения
Этанол (раствор)	Вода	400–900	Близко к воде
Расплав соли	Вода	200–500	Высокая λ расплава

Таблица: коэффициенты загрязнения Rf (по TEMA)

Среда	Rf, м²·К/Вт	Примечание
Дистиллированная вода	0,00005	Наилучший случай
Речная вода (чистая)	0,0001	Стандарт TEMA
Оборотная вода (промышленная)	0,0002	Типовое значение
Вода из скважины (жёсткая)	0,0003	Риск накипи
Морская вода	0,0001	Биообрастание — контроль
Масло турбинное	0,0002	Чистое масло
Масло трансформаторное	0,0001	Высокая чистота
Масло смазочное (редуктор)	0,0003	Частицы износа
Пар насыщенный (чистый)	0,0001	—
Пар с маслом	0,0002	Примеси масла
Нефть сырая (лёгкая)	0,0003	—
Нефть сырая (тяжёлая)	0,0005	Возможен кокс
Дизельное топливо	0,0003	—
Бензин	0,0002	—
Этиленгликоль (раствор)	0,0002	—

Как применять: суммируйте Rf₁ (трубный тракт) + Rf₂ (межтрубный). Итоговый 1/K_эфф = 1/K_чист + Rf₁ + Rf₂. Для запаса площади: F_расч = F_теор × (1 + ΔF%), где ΔF% ≥ 20%.

Физические свойства воды при атмосферном давлении

T, °C	ρ, кг/м³	c, Дж/кг·К	μ×10³, Па·с	λ, Вт/м·К	Pr
10	999,7	4192	1,306	0,574	9,52
20	998,2	4182	1,002	0,598	7,00
30	995,7	4178	0,798	0,618	5,40
40	992,2	4179	0,653	0,635	4,30
50	988,1	4181	0,547	0,648	3,54
60	983,2	4184	0,467	0,651	3,00
70	977,8	4190	0,404	0,663	2,55
80	971,8	4197	0,355	0,669	2,22
90	965,3	4205	0,315	0,675	1,96
100	958,4	4216	0,282	0,680	1,75

Физические свойства масел (ориентировочно)

Примечание: значения приближённые — зависят от марки масла. Уточняйте по паспорту на продукт или ГОСТ.

Масло	T, °C	ρ, кг/м³	c, Дж/кг·К	ν, сСт	λ, Вт/м·К
Индустриальное И-20А	50	860	2000	20	0,130
Индустриальное И-46А	50	865	2010	46	0,130
Индустриальное И-100А	50	875	2020	100	0,125
Турбинное Тп-22	50	855	2000	22	0,128
Гидравлическое МГ-46В	50	870	2000	46	0,132
Трансформаторное ГК	25	870	1880	25	0,130
Дизельное топливо	20	840	1980	4,5	0,136
Бензин А-92	20	735	2100	0,7	0,120

Теплопроводность конструкционных материалов трубок

Материал	λ, Вт/м·К (20°C)	λ, Вт/м·К (200°C)
Сталь углеродистая (ст.20)	50	46
Нержавейка 08Х18Н10Т (304)	16	18
Нержавейка 03Х17Н14М2 (316L)	15	17
Медь М1	385	370
Латунь Л68	110	120
Медно-никелевый МНЖ5-1	45	50
Титан ВТ1-0 (Grade 2)	17	18
Сталь легированная 09Г2С	47	43

Стандартные типоразмеры по ГОСТ 14245

Параметры по ГОСТ 14245-79: типы ХН, ХК, ХП, ХУ. Трубки 25×2 мм (нержавейка по ГОСТ 9941), длина 2, 3, 4, 6 м.

D кожуха, мм	Число трубок	F (L=4 м), м²	F (L=6 м), м²	Типичное Q (вода/вода), кВт
159	19–37	5–9	7–14	50–120
219	37–61	9–15	14–23	100–250
273	61–109	15–27	23–41	200–400
325	109–163	27–40	41–61	300–600
400	163–277	40–68	61–102	500–1000
500	277–469	68–116	102–174	800–1800
600	469–733	116–180	174–270	1500–3000
800	733–1261	180–310	270–465	2500–5500
1000	1261–2041	310–500	465–750	4000–9000
1200	2041–3049	500–750	750–1120	6000–14000

Примечание: диапазоны Q приблизительны для K = 900 Вт/м²·К, ΔTср = 30 К. Для масла/вода Q будет в 3–5 раз меньше из-за более низкого K.

Стандартные диаметры трубок и их характеристики

Размер, нар×толщ, мм	d_вн, мм	F_сеч, мм²	P_внутр, МПа (ст.20)	Применение
20×2	16	201	до 5	Компактные аппараты
25×2	21	346	до 4	Стандарт (ГОСТ 14245)
25×2,5	20	314	до 6	Повышенное давление
32×2	28	616	до 3	Вязкие среды
38×2,5	33	855	до 3	Загрязнённые среды
57×3,5	50	1963	до 2,5	Крупные аппараты, вязкие среды

Нормативные документы

Документ	Область применения
ГОСТ 14245-79	Типы охладителей ХН, ХК, ХКН, ХП, ХУ; основные параметры и размеры
ГОСТ Р 52630-2012	Сосуды и аппараты стальные сварные; требования к изготовлению и испытаниям
ГОСТ 28197-2017	ТО и ремонт теплообменного оборудования нефтегазовой и химической промышленности
ГОСТ Р 55601-2013	Расчёт на прочность и вибрацию трубных пучков кожухотрубных ТА
ОСТ 26-1238-84	Кожухотрубные ТА нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности
ФНП «Сосуды под давлением»	Требования к эксплуатации, регистрации и надзору РТН (Ростехнадзор)
ГОСТ Р ИСО 13702-2015	Управление обнаружением пожара и газа на нефтегазовых объектах
API 660 (международный)	Shell-and-tube heat exchangers для нефтяной промышленности
TEMA (международный)	Стандарты ассоциации производителей теплообменного оборудования (США)
ASME VIII Div.1 (международный)	Сосуды под давлением (американский стандарт)
NACE MR0175 / ISO 15156	Материалы для H₂S-содержащих сред (нефтяные и газовые производства)

Часто задаваемые вопросы

F = Q / (K × ΔTср). Q — тепловая нагрузка (Вт), K — коэффициент теплопередачи (Вт/м²·К), ΔTср — LMTD (К). Запас площади — минимум 20–25%. Пример: Q=500 кВт, K=900, ΔT=25 → F=22,2 м². С запасом 25%: F_расч=27,8 м².

Для лёгких масел (ν = 10–30 сСт, t = 50–70°C): K = 250–450 Вт/м²·К. Для тяжёлых (ν > 100 сСт): K = 80–150. Для подогретого масла (т.е. при более высоких температурах вязкость снижается): K растёт. Точный K — из расчёта по уравнению Дитуса-Болтера с Pr и Re для масла.

В типичных задачах противоток даёт LMTD на 20–40% выше прямотока. Это напрямую снижает требуемую площадь на 20–40% при той же нагрузке Q. Практическое следствие: при равных условиях в противотоке нужен аппарат на 1–2 типоразмера меньше.

G_воды = Q / (c × ΔT). с воды = 4186 Дж/кг·К. Пример: Q=500 кВт, ΔT=10°C → G=11,9 кг/с=43 м³/ч. При ΔT=5°C расход удваивается до 86 м³/ч. Увеличение расхода снижает эффективность насоса — важен баланс ΔT и G.

Суммируйте Rf для обоих трактов: Rf_суммарный = Rf₁ + Rf₂. Затем: 1/K_эфф = 1/K_чист + Rf_суммарный. Пример: K_чист=1200, Rf₁=0,0002 (оборотная вода), Rf₂=0,0003 (масло). 1/K_эфф = 1/1200 + 0,0005 = 0,000833 + 0,0005 = 0,001333 → K_эфф = 750 Вт/м²·К. Снижение K на 38% требует увеличения F на 38%.

Для чистых сред (вода, конденсат) — 25×2 мм (стандарт). Для вязких сред (масло ν > 50 сСт) — 32×2 или 38×2,5 (снижает ΔP). Для загрязнённых сред с крупными частицами — 38 мм и выше (не засоряются). U-образные трубки (тип ХУ) — только для чистых сред (нельзя механически чистить изнутри).

1) Рассчитайте требуемую площадь F_расч. 2) Выберите длину труб: L=4 м для стеснённого монтажа, L=6 м — при наличии места. 3) Найдите в таблице ближайший диаметр кожуха с F ≥ F_расч. 4) Проверьте, что Q_типовое соответствует задаче. 5) Подтвердите расчётом у инженера.

Официальные источники: ГОСТ Р 52630-2012 и ГОСТ 14245-79 доступны на сайте ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ» (gostrf.com) и в базе docs.cntd.ru (Техэксперт). Бесплатные версии ГОСТ — на gost.ru (официальный портал Росстандарта) в разделе «Каталог стандартов». API 660 — платный документ ANSI/API.

Да. При 2 ходах трубного тракта схема — уже не чистый противоток. Поправочный коэффициент F обычно 0,85–0,95 (по диаграммам TEMA или стандарту Kern). Это значит ΔTэфф = F × LMTD_противоток. При неблагоприятном соотношении расходов F может падать до 0,75 — в таких случаях лучше увеличить число ходов или перейти на прямую противоточную схему.

n_тр = 4 × G_объём / (π × d_вн² × v × N_ходов). Пример: G=0,01 м³/с, d=0,021 м, целевая v=1,2 м/с, N_ходов=2. n_тр = 4×0,01 / (π × 0,000441 × 1,2 × 2) = 0,04 / 0,003326 = 12 трубок на ход × 2 хода = 24 трубки всего. Увеличение числа трубок (при том же расходе) снижает скорость.

Нужен тепловой расчёт охладителя?

Предоставьте исходные данные — выполним полный расчёт по формулам выше и предложим оптимальный типоразмер

Запросить расчёт

Оставить заявку

Кожухотрубный охладитель:справочник инженера