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U形管换热器的设计解读

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摘要本文依据国家相关规范、标准，严格遵循GB151-99和GB150-98，着重介绍了U型管式换热器的传热工艺的计算，及物料与结构因素对换热能力的影响和换热器的机械设计，包括工艺结构与机械结构设计和换热器受力元件如管板的受力计算和强度校核，以保证蒸汽过热器安全运行，其中，前者主要是确定有关部件的结构形式，结构尺寸和零件之间的连接，如封头、接管、管板、折流板等的结构形式和尺寸，管板与换热管、壳体、管箱的连接等。

还介绍了U 型管式换热器的制造、检验、安装和维修时应注意的事项。

关键词：蒸汽过热器传热计算结构设计强度校核AbstractThis thesis is based on relevant national, standards, and strictly follows the GB151-99 and GB150-98, emphatically introduces the calculation of heat technologic process of U-tube heat exchangers, the effect with the fluids and structure of heat exchanger, and design of kinds of mechanical structure, including structure of technologic process and mechanical structure and the loading conditions of objects of heat exchanger and strength check ,such as, tube sheet, aimed to make the heat exchangers work safely, the former is mostly related to component structural form and dimension, such as Vessel Head, nozzle, tube sheet, and baffle plate, and so on. And it also involves connection between tube sheet and accessories, shell and channel. Besides it also introduces some events to taking into account when manufacturing, inspecting, installing and maintaining.Key words: Steam superheater; Calculation of heat transfer; Design of structure; Strength check目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1概述 (1)1.2换热器在工业中的应用 (1)1.3换热器研究现状及发展方向 (2)1.3.1研究现状 (2)1.3.2发展趋势 (3)1.4设计任务及思想 (4)1.4.1设计任务 (4)1.4.2设计思想 (4)第2章工艺计算及结构设计 (5)2.1确定物性参数 (5)2.2确定热流量 (7)2.2.1平均传热温差 (7)2.2.2热流量 (7)2.3工艺结构尺寸 (8)2.3.1管径和管内流速 (8)2.3.2管程数和传热管数 (8)2.3.3平均传热温差校正 (9)2.3.4传热管排列 (9)2.3.5筒体 (9)2.3.6折流板 (10)2.3.7其他附件 (11)2.3.8接管 (11)2.3.9鞍座设计 (12)2.4校核传热系数及换热面积 (12)2.4.1壳程表面传热系数 (12)2.4.2管内表面传热系数 (12)2.4.3污垢热阻和管壁热阻 (13)2.5换热器主要参数 (14)第3章结构及强度计算 (15)3.1 U型管换热器基本参数 (15)3.1.1原始数据 (15)3.1.2布管限定圆 (15)3.2壳体设计及检验 (15)3.2.1壳程筒体壁厚 (15)3.2.2筒体壁厚检验 (16)3.2.3壳程筒体封头厚度的计算 (17)3.2.4折流板设计及检验 (17)3.2.5验证U型管的尾部支撑 (17)3.3管箱设计 (18)3.3.1管箱短节设计 (18)3.3.2管箱短节壁厚检验 (18)3.3.3管箱封头设计 (19)3.3.4管箱法兰设计 (19)3.4管板设计计算 (20)3.5分程隔板的设计 (22)3.6拉杆与定距管的设计 (22)3.7开孔和开孔补强设计 (23)3.7.1壳程进出口接管补强计算 (23)3.7.2管箱短节进出口接管补强计算 (26)第4章安装使用及维修 (28)4.1安装 (28)4.2维护和检修 (29)4.3设备施工中常见错误的一些解决方案 (30)4.3.1设备施工中管口错误的解决方案 (30)4.3.2材料选择与代用 (30)4.3.3试压 (31)4.3.4容器加工 (31)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)第1章绪论1.1概述蒸汽过热器是管壳式换热器的一种，是以煤为原料的合成氨氮肥装置中的主要设备。

该设备用合成反应气来加热蒸汽，既便于合成反应气达到下一道工序的温度要求，同时使蒸汽的焓值升高，从而生成过热蒸汽，达到节能增效的目的。

换热器在日常生活中随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。

因此换热器的研究也备受世界各国政府及研究机构的高度重视。

随着研究投入的加大，一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件也随之诞生。

随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成就，社会效益得到了显著提高，缓解了能源紧张问题。

换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备，使化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。

在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂中，约占总投资的35%～40%。

1.2换热器在工业中的应用在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给稳到较低的流体，使流体温度达到工艺流程的指标，以满足工业流程上的需要。

由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。

近几十年来，紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到发展。

目前国内使用的换热器多为列管换热器和螺旋板换热器。

它的主要特点是管内外换热面积相等。

这样当交换系数相差较大的交换介质在管内外进行热量交换时，由于其不平恒性而达不到理想的交换目的，换热效率相对较低。

虽然现在出现大量结构紧凑高效的换热设备，例如：波纹板换热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等，但在各行业的换热设备中，管壳式换热器仍占据着主导地位。

因为许多工艺过程都具有高温、高压、高真空、有腐蚀等特点，而管壳式换热器具有选材范围广(可为碳钢、低合金钢、高合金钢、铝材、铜材、钛材等)，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器被广泛应用于化工、炼油、石油化工、制药、印染以及其它许多工业中，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。

管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。

换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。

换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。

壳体一般为圆筒形，也可为方形。

管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。

分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。

管壳式换热器在结构设计时，必须考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、管壳程壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等，从而确定一种适合的结构形式。

对于同一种形式的换热器，由于各种不同工况，往往采用的结构并不相同。

在工程设计中，应按其特定的条件进行分析设计，以满足工艺需要。

新型换热设备结构及材料研究及过程装备CAD/CAE/CAM技术研究方向以工程流体力学、传热学、应用力学为理论基础，集过程、工艺、结构于一系统之中，进行了优化与综合研究，推出了传统挡板管壳式换热器的换代产品。

首次系统地研究和论述了“纵流壳程换热器”的流体力学、传热性能及强化机理，组合结构的设计强度分析，强化换热管及管束制造，结构性能的模糊优化，管束的动力和计算机辅助设计及仿真模拟技术。

从理论上为新型“纵流壳程换热器”技术的发展与工程应用奠定坚实基础。

八十年代中至今，主要从事新型管壳式换热器的研究工作。

由于传统的挡板式横向流壳程管壳式换热器，它的高度可靠性和广泛适应性，是其它板式高效换热器所不能替代的。

因此，至今它仍在工业生产中占主要地位。

在日本其产量占全部换热器的70％，在我国高达90％以上。

但它却存在传热效率低、流体流动阻力大和易产生诱导振动等缺点。

因此进一步研究开发新型高效节能管壳式换热器，无论在理论和在工程实践中均有重要意义。

此项成果将直接产生巨大经济效益和社会效益。

1.3换热器研究现状及发展方向20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用的提高。

各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。

因而节能设备的研究与开发备受关注。

能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。

1.3.1研究现状美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI，是1962年发起组建的一个国际性、非赢利的合作研究机构。

在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面做出了重要贡献。

近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。

英国传热及流体服务中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service）即HTFS，于1967年成立，隶属于英国原子能管理局。

该公司长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅广泛应用于原子能工业，而且用于一般工业。

最大特点是与各大学和企业合作，进行专门的课题研究，研究成果显著。

在传热与流体计算上更准确，开发的HTFS、TASC各类换热器微机计算软件备受欢迎。

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U型管换热器设计说明书2

U型管换热器设计说明书2

目录U型管换热器的特点 (1)结构设计 (2)1 管箱设计 (2)2 封头设计 (4)3 管板设计 (4)4 拉杆和定距管的确定 (6)5旁路挡板设计 (8)6 容器法兰的设计 (8)7 选取支座 (8)强度校核 (9)8 管箱筒体计算 (9)1计算条件： (9)2厚度及重量计算 (9)3压力试验时应力校核 (10)4压力及应力计算 (10)9壳程圆筒计算 (10)1计算条件 (10)2厚度及重量计算 (11)3压力实验时应力校核 (11)4压力及应力计算 (11)10开孔补强计算 (12)1计算条件 (12)2开孔补强计算 (13)3设计条件 (13)4开孔补强计算 (1414)5固定管板计算 (14)结束语 (15)参考文献 (16)U型管换热器的特点U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定在同一管板上，这一换热器的优点是：管束可以自由伸缩，不会因为管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。

缺点：管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分部管不紧凑，所以管字数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。

此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分必须用壁较厚的管子。

这就影响了其适用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的场合。

本次课程设计的内容是U型管换热器，属管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。

其中以结构设计最为重要,U型管式换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。

对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其它特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能，流体的压力和温度。

U形管换热器课程设计 U形管换热器结构设计

U形管换热器课程设计 U形管换热器结构设计

U形管换热器课程设计-- U形管换热器结构设计目录过程设备课程设计任务书 (4)前言 (5)摘要 (6)第一章绪论 (7)1.1 管壳式换热器的概述 (7)1.2 本毕业设计的目的 (7)1.3、设计的要求及内容 (8)1.4 、课程设计的步骤 (9)1.4.1设计的准备阶段 (9)1.4.2机械结构设计 (9)第二章换热器结构设计 (10)2.1换热管数的计算 (10)2.2 换热管排列方式，管间距的确定 (10)2.3 筒体结构设计 (11)2.4管箱及封头 (12)2.4.1管箱管箱分类 (12)2.4.2封头 (12)2.5 接管、接管法兰 (13)2.5.1接管 (13)2.5.2接管法兰的确定 (13)2.5.3管箱法兰和管箱侧壳体法兰 (14)2.6 管箱的最小内测深度 (14)2.7 分程隔板 (14)2.8 U形管 (15)2.8.1 U形管选择 (15)2.8.2 U形管弯管段的弯曲半径 (15)2.9 管板 (16)2.91分程隔板槽 (16)2.9.2管板 (16)2.9.3 布管定圆 (16)2.9.4管孔 (16)2.9.3拉杆孔 (17)2.10换热管与管板的连接 (17)2.11折流板和支撑板管孔 (18)2.12 U型管尾部支撑 (18)2.11拉杆 (19)2.12 折流板 (20)2.12.1折流板的主要几何参数 (20)2.12.2 折流板与壳体间隙 (20)2.12.3 折流板厚度 (20)2.12.4 折流板的管孔 (20)2.12.4 材料的选取 (21)2.13 滑道 (21)2.14防短路结构 (22)2.14.1旁路挡板 (22)2.14.2挡管 (22)2.14.3中间挡板 (23)2.15垫片设计 (23)2.16支座 (24)2.17 附件 (24)(1)起吊附件 (24)三、确定设计压力 (24)3.1筒体壁厚计算 (24)3.2筒体短节、封头厚度计算 (25)3.3管箱短节、封头厚度计算 (26)3.4管箱短节开孔补强的校核 (27)3.5壳体接管开孔补强校核 (28)参考文献 (29)过程设备课程设计任务书一、设计题目： U形管换热器结构设计二、设计任务及条件：被冷却流体热空气进气温度150℃出气温度40℃设计温度150℃设计压力 2.5Mpa冷却介质类型循环水OH2进口温度30℃出口温度40℃设计温度40℃设计压力 1.0Mpa90换热面积2m换热管规格及管束级别Φ19⨯2 长6m Ⅰ类程数 2 2标准规范GB150-1999；GB151-19991、根据两种介质的流量、进出口温度、操作压力等计算出换热器所需的传递热量2、根据介质性质选择合适的材料。

U形管换热器的设计解读

U形管换热器的设计解读

U形管换热器的设计解读摘要本文依据国家相关规范、标准，严格遵循GB151-99和GB150-98，着重介绍了U型管式换热器的传热工艺的计算，及物料与结构因素对换热能力的影响和换热器的机械设计，包括工艺结构与机械结构设计和换热器受力元件如管板的受力计算和强度校核，以保证蒸汽过热器安全运行，其中，前者主要是确定有关部件的结构形式，结构尺寸和零件之间的连接，如封头、接管、管板、折流板等的结构形式和尺寸，管板与换热管、壳体、管箱的连接等。

还介绍了U 型管式换热器的制造、检验、安装和维修时应注意的事项。

关键词：蒸汽过热器传热计算结构设计强度校核AbstractThis thesis is based on relevant national, standards, and strictly follows the GB151-99 and GB150-98, emphatically introduces the calculation of heat technologic process of U-tube heat exchangers, the effect with the fluids and structure of heat exchanger, and design of kinds of mechanical structure, including structure of technologic process and mechanical structure and the loading conditions of objects of heat exchanger and strength check ,such as, tube sheet, aimed to make the heat exchangers work safely, the former is mostly related to component structural form and dimension, such as Vessel Head, nozzle, tube sheet, and baffle plate, and so on. And it also involves connection between tube sheet and accessories, shell and channel. Besides it also introduces some events to taking into account when manufacturing, inspecting, installing and maintaining.Key words: Steam superheater; Calculation of heat transfer; Design of structure; Strength check目录摘要........................................................................................................................... (I)Abstract .............................................................................................................. ........... II 第1章绪论 (1)1.1概述 (1)1.2换热器在工业中的应用 (1)1.3换热器研究现状及发展方向 (2)1.3.1研究现状 (2)1.3.2发展趋势 (3)1.4设计任务及思想 (4)1.4.1设计任务 (4)1.4.2设计思想 (4)第2章工艺计算及结构设计 (5)2.1确定物性参数 (5)2.2确定热流量 (7)2.2.1平均传热温差 (7)2.2.2热流量 (7)2.3工艺结构尺寸 (8)2.3.1管径和管内流速 (8)2.3.2管程数和传热管数 (8)2.3.3平均传热温差校正 (9)2.3.4传热管排列 (9)2.3.5筒体 (9)2.3.6折流板 (10)2.3.7其他附件 (11)2.3.8接管 (11)2.3.9鞍座设计 (12)2.4校核传热系数及换热面积 (12)2.4.1壳程表面传热系数 (12)2.4.2管内表面传热系数 (12)2.4.3污垢热阻和管壁热阻 (13)2.5换热器主要参数 (14)第3章结构及强度计算 (15)3.1 U型管换热器基本参数 (15)3.1.1原始数据 (15)3.1.2布管限定圆 (15)3.2壳体设计及检验 (15)3.2.1壳程筒体壁厚 (15)3.2.2筒体壁厚检验 (16)3.2.3壳程筒体封头厚度的计算 (17)3.2.4折流板设计及检验 (17)3.2.5验证U型管的尾部支撑 (17)3.3管箱设计 (18)3.3.1管箱短节设计 (18)3.3.2管箱短节壁厚检验 (18)3.3.3管箱封头设计 (19)3.3.4管箱法兰设计 (19)3.4管板设计计算 (20)3.5分程隔板的设计 (22)3.6拉杆与定距管的设计 (22)3.7开孔和开孔补强设计 (23)3.7.1壳程进出口接管补强计算 (23)3.7.2管箱短节进出口接管补强计算 (26)第4章安装使用及维修 (28)4.1安装 (28)4.2维护和检修 (29)4.3设备施工中常见错误的一些解决方案 (30) 4.3.1设备施工中管口错误的解决方案 (30) 4.3.2材料选择与代用 (30)4.3.3试压 (31)4.3.4容器加工 (31)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)第1章绪论1.1概述蒸汽过热器是管壳式换热器的一种，是以煤为原料的合成氨氮肥装置中的主要设备。

U型管式换热器的设计论文

U型管式换热器的设计论文

摘要换热器是重要的化工单元操作设备之一。

其中管壳式换热器在化工生产中应用最为广泛。

根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式和釜式再沸器五类。

近年来，尽管受到其它新型换热器的挑战，但管壳式换热器仍占主导地位。

本文主要讨论U型管式换热器的设计。

U型管式换热器是将换热管弯成U型，管子两端固定在同一块管板上。

由于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。

因U型管式换热器仅有一块管板，结构较简单，而且管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。

U型管式换热器一般用于高温高压情况下，尤其是壳体与换热管金属壁温差较大时。

它具有结构简单紧凑、密封性能好、金属耗量小、造价低、热补偿性能好及承压能力强。

本文第一部分对设计方案进行论证，第二部分对U型管式换热器进行工艺设计计算，主要是传热系数、传热面积、压强降的计算。

第三部分是结构设计、强度计算及其校核。

本次设计采用Auto CAD软件绘制工程图。

图纸符合机械制图国家标准，结构合理。

设计计算结果比较准确，与实际运行设备参数基本相符。

关键词：换热器；传热系数；U型管；工艺设计AbstractHeat exchanger is one of the most important chemical unit operation equipments, among which shell and tube heat exchanger is used most widely in chemical engineering production. According to the structure characteristic of the shell and tube exchanger, heat exchanger can be divided into fixed tube-sheet, floating head-style, U-tube, the function and kettle-reboiler. Recently, although it has been challenged by other new type exchangers, the shell and tube heat exchanger still take unirreplacable role.This thesis is mainly about the design of U-tube exchanger. U-tube exchanger is made by exchanger which is bent into U-shaped, and both end of the tubes fix in the same piece of board. Exchanger can be stretched out and drawn back freely, so shell and tube have no pressure on the temperature difference. It is easy to clean the outside of the shell because the structure of the U-tube is simple with only one tube, and the tube can be pulled out from the shell. But the inside of the tube is difficult to clean for we have to keep the media clean and hard to be dirty. U-tube exchanger is usually used in the circumstance under high temperature and high voltage, especially when the difference in temperature of metal wall between shell and tube is apparent. It also has the feature that simple and compact structure, well sealed, low consumption of the mental, low price,heat and pressure compensation for good performance and strong pressure capacity.The first part of this thesis is to give the demonstration to the design. The second part is to compute the U-tube exchanger from the perspective of process design, mainly including the calculation of heat transfer coefficient, heat transfer area and pressure drop. The third part consists of the structure design, strength calculation and checking. This design makes full use of the Auto CAD to draw the engineering plat. The blueprint is correspond to the mechanical drawing of the national standards, which has reasonable structure. The result of the design calculation is basically correct and tally with the practical parameters of the operation of equipment.Key Word: Heat exchanger；Heat transfer coefficient；U-tube,；Process design.目录1绪论 (1)1.1换热器的概述 (1)1.2管壳式换热器的分类及其特点 (1)1.3U型管式换热器的结构及优点 (2)1.4机械设计的基本要求与内容 (3)1.5换热器发展趋势 (3)2设计方案的论证及选择 (5)2.1工艺简介 (5)2.2操作条件 (5)2.3设计方案的论证及选择 (5)3工艺设计计算 (9)3.1换热面积的计算 (9)3.1.1计算热负荷和流量 (9)3.1.2计算两流体的平均温度差 (10)3.1.3换热面积的计算 (10)3.2核算压强降 (13)3.2.1管程压强降 (13)3.2.2壳程压强降 (13)3.3核算总传热系数 (15)4机械设计计算 (18)4.1换热器壳体壁厚的计算 (18)4.1.1壳体壁厚的设计计算 (18)4.1.2管箱壁厚的设计计算 (19)4.2封头的计算 (20)4.3管箱接管壁厚计算 (23)4.3.1接管名义壁厚计算 (23)4.3.2接管有效壁厚 (24)4.3.3接管最小壁厚 (24)4.4壳程接管壁厚计算 (24)4.4.1接管名义壁厚 (24)4.4.2接管有效壁厚 (25)4.4.3接管最小壁厚 (25)4.5管子拉脱力计算 (26)4.5.1在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 (26)4.5.2在温差作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力 (26)4.6容器法兰的设计与校核 (27)4.6.1壳体法兰的选择 (27)4.6.2法兰强度的校核 (28)4.6.3法兰应力校核 (32)4.7螺栓设计 (32)4.7.1垫片的选用 (32)4.7.2螺栓的设计 (34)4.8开孔补强 (35)4.8.1补强结构 (35)4.8.2补强计算 (36)4.9管板设计 (37)4.9.1符号说明 (37)4.9.2设计计算和校核 (39)4.10支座设计 (40)4.10.1鞍座的设计计算 (40)4.10.2鞍座内力分析 (42)4.10.3圆筒应力计算与校核 (44)4.11爆破片的设计 (49)4.11.1爆破片的类型 (49)4.11.2爆破片的设计计算 (50)5结构设计 (52)5.1折流板设计 (52)5.1.1折流板结构设计 (52)5.1.2折流板缺口高度 (52)5.1.3折流板间距 (52)5.2拉杆的设计 (53)5.3防冲板的设计 (55)5.4挡管的设计 (55)5.5工艺接管设计 (55)5.6容器法兰的结构尺寸设计 (56)5.7焊接结构 (56)5.7.1焊接要求 (56)5.7.2主要焊接区结构 (57)6加工制造要求 (59)6.1制造技术要求 (59)6.2加工制造 (60)6.2.1容器筒体部分的制造 (60)6.2.2滚圆工艺 (60)6.2.3设备的组对装配 (61)6.2.4组对的基本工序及工具 (62)6.2.5换热器内部管件组对 (63)参考文献 (64)致谢 (65)附录 (66)1绪论1.1换热器的概述换热器是实现两种或两种以上温度不同的流体相互换热的设备。