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文档简介

换热器课程设计换热器课程设计 换热器课程设计任务书换热器课程设计任务书 设计题目:单级空气预热器设计设计题目:单级空气预热器设计 设计任务:设计任务: 【一】设计说明书 【1】绪论 【2】空气平衡计算(计算单级空气预热器出口热空气过剩空气系数) 【3】燃烧产物体积及焓的计算 【4】单级空气预热器设计计算 【5】单级空气预热器校核计算 【二】设计图纸 单级空气预热器设计主体图,1#图纸 设计参数: 【一】锅炉参数: (1)锅炉额定蒸发量 )/130(/72 . 9 htskgD (2)过热蒸汽参数 压力:;温度: MPapgr9 . 3Ctgr 450 (3)汽包内饱和蒸汽压力 MPap3 . 4 (4)给水参数 压力:;温度: MPapgs8 . 4Ctgs 145 (5)排污率 %2 pw p (6)预热空气温度 Ctrk 288 (7)冷空气温度 Ctlk 20 (8)入口烟温 C iy 350 (9)锅炉效率 % 7 . 89 (10)烟道宽度 ma8 . 3 【二】煤的收到基成分 (1)燃料名称:燃料名称: 抚顺烟煤 (2)煤的收到基成分 碳 % 9 . 56)( ar C 氢 %4 . 4)( ar H 氧 %1 . 9)( ar O 氮 %2 . 1)( ar N 换热器课程设计换热器课程设计 硫 %6 . 0)( ar S 水分 % 0 . 13)( ar W 灰分 % 6 . 14)( ar A (3)煤的收到基低位发热量 kgkJQ arVnet /22415 【三】空预器设计参数:h (4) 单级 空预 器 空气 入口 温度 / 预热 温度 / 入口 烟温 / 20288350 换热器课程设计换热器课程设计 1.绪论6 2.空气平衡计算.7 2.1 空气平衡计算相关参数及公式的选取 .7 2.1.1 煤成分计算 7 2.1.2 空气平衡计算选用的公式 7 2.2 空气平衡计算结果汇总.8 2.2.1 空气平衡计算结果汇总表 8 3.单级空气预热器烟气特性计算9 3.1 烟气的特性参数计算依据9 3.1.1 空气过剩系数的选取 9 3.1.2 烟气特性参数计算依据.9 3.2 烟气特性参数计算汇总9 3.2.1 烟气特性参数计算汇总表.10 3.3 烟气的温焓表计算.10 3.3.1 烟气的温焓表.10 4.热平衡及燃料消耗量计算 11 4.1 相关公式的选取.11 4.2 相关计算参数的选取.12 4.3 计算结果汇总 12 4.3.1 热平衡及燃料消耗计算结果汇总表 .12 5.单级空气预热器的设计计算.13 5.1 相关结构参数的计算和选取.14 6.单级空气预热器的传热热力计算.16 6.1 确定传热方式 16 6.2 计算传热系数 16 6.2.1 确定烟气对流放热系数16 6.2.2 确定辐射放热系数 16 换热器课程设计换热器课程设计 6.2.3 确定综合传热系17 6.3 误差计算.17 6.4 计算结果汇总表.17 7.单级空气预热器校核计算 19 7.1 空气预热器校核计算汇总19 7.1.1 空气预热器校核计算汇总表 .19 8.计算结果汇总.21 8.1 计算结果汇总 21 8.1.1 计算结果汇总表21 9.单级空气预热器设计总结 23 参考文献.24 换热器课程设计换热器课程设计 5 1.1.绪论绪论 能源紧张是目前世界上普遍存在的严重问题, “节能“是缓和能源紧张不 可缺少的措施之一。对燃烧用的空气进行预热,可以节约大量能源,尤其是在 现有的大量工业炉窑上安装空气预热器更能取得明显的节能效果,因此高温空 气预热器广泛应用于工业生产的各个领域。空气预热器是通过对锅炉、加热炉 以及废气催化焚烧炉等炉窑的高温烟气与燃烧所用冷空气换热,进行余热回收 的一种重要装备,广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻 工等行业。空气预热器一方面可以提高进入炉膛助燃空气的温度,带入一部分 物理显热,提高炉膛的辐射温度,保证炉膛内燃料稳定燃烧,并能强化燃烧, 降低装置能耗,节约能源;另一方面,可减小炉内热损失,降低排烟温度,提 高炉窑热效率。根据经验,当空气在预热器中温度升高 15时,排烟温度可 降低 1。在炉窑烟道中安装空气预热器后,如果能把空气预热 1 501 60, 就可以降低排烟温度 11 o1 20,可将炉窑热效率提高 775,节约 燃料 11一 12。 空气预热器包括管式预热器和回转式预热器。管箱预热器工作原理:较为 简单,烟气从管箱外部流经,空气从管箱内部通过,通过温差不同传热。与省 煤器、过热器等原理相同。回转式预热器的工作原理:预热器转子部件由数以 万计的传热元件组成,当空预器缓慢旋转,烟气和空气逆向交替流经空气预热 器。蓄热原件在烟气侧吸热,在空气侧放热,从而达到降低锅炉排烟温度,提 高热风温度的预热作用。空气预热器是火力发电厂中的一个重要设备,起到降 低排烟温度,提高锅炉燃烧效率的目的,研究空气预热器的热力性能具有十分 重要的意义。 换热器课程设计换热器课程设计 6 2.2.空气平衡计算空气平衡计算 2.12.1 空气平衡计算相关参数及公式的选取空气平衡计算相关参数及公式的选取 2.1.1 煤成分计算 根据任务书我们选择煤种为抚顺烟煤,其煤的收到基成分如下所示: 碳 %60.8)( ar C 氢 %4.0)( ar H 氧 %7.7)( ar O 氮 %1.1)( ar N 硫 %0.7)( ar S 水分 %6.0)( ar W 灰分 %19.7)( ar A 煤的收到基低位发热量 kgkJQ arVnet /24300 2.1.2 空气平衡计算选用的公式 (1)上级空气预热器过量空气系数及各受热面的漏风系数选择如下所示。 表 21 空预器中各受热面的漏风系数及过量空气系数 过量空气系数 烟道名称 入口出口 漏风系数 上级空气预热器 1.251.280.03 炉膛 1.20.1 煤粉系统 0.04 空气预热器出口热空气的过量空气系数为: 14. 104 . 0 1 . 028 . 1 11 fky 其中 1 、 f 通过查表 21 得出。 换热器课程设计换热器课程设计 7 (2)燃烧产物体积及焓的计算 煤完全燃烧()时理论空气量及燃烧产1 物体积计算如下。 理论空气量(标况下)为: )/(941 . 5 1 . 90333 . 0 4 . 4265. 0)6 . 0375. 0 9 . 56(0889 . 0 0333. 0265 . 0 )375 . 0 (0889 . 0 3 kgm OHSCV arararar 理论体积为: 2 RO )/(066 . 1 100 6 . 0375 . 0 9 . 56 866 . 1 100 375 . 0 866 . 1 3 2 kgm SC V arar RO 的理论体积: 2 N )/(703 . 4 100 2 . 1 8 . 0941 . 5 79 . 0 100 8 . 079 . 0 3 2 kgm N VV ar N 的理论体积:OH2 )/(745. 0941 . 5 0161 . 0 0 . 130124 . 0 4 . 4111 . 0 0161 . 0 0124 . 0 111 . 0 3 2 kgm VWHV ararOH 2.22.2 空气平衡计算结果汇总空气平衡计算结果汇总 2.2.1 空气平衡计算结果汇总表 根据燃料的收到基成分及以上公式得到空气平衡计算的结果如表 21 表 2-1 理论燃烧产物计算结果表 序号名称公式及计算结果 1 理论空 气需要 量/m3/kg 1 . 90333 . 0 4 . 4265. 0)6 . 0375 . 0 9 . 56(0889 . 0 0333. 0265 . 0 )375 . 0 (0889 . 0 arararar OHSCV )/(941 . 5 3 kgm 2 RO2的理 论体积 /m3/kg 100 6 . 0375 . 0 9 . 56 866 . 1 100 375 . 0 866 . 1 2 arar RO SC V )/(066 . 1 3 kgm 换热器课程设计换热器课程设计 8 3 N2的理 论体积 /m3/kg 100 2 . 1 8 . 0941 . 5 79 . 0 100 8 . 079 . 0 2 ar N N VV )/(703 . 4 3 kgm 4 H2O 的理 论体积 /m3/kg 941 . 5 0161 . 0 0 . 130124 . 0 4 . 4111 . 0 0161 . 0 0124 . 0 111 . 0 2 VWHV ararOH )/(745 . 0 3 kgm 3.3.单级空气预热器烟气特性计算单级空气预热器烟气特性计算 根据空气平衡计算结果,选取相应的空气过剩系数,即可计算出烟气的成 分,并根据烟气成分及其各个成分在不同温度下的焓值,计算出烟气的温焓表, 为后续烟气放热系数及迭代计算做准备。 3.13.1 烟气的特性参数计算依据烟气的特性参数计算依据 3.1.1 空气过剩系数的选取 根据烟道前部结构的漏风系数及取单级空气预热器的漏风系数 0.03,得到 了单级空气预热器入口过量空气系数=1.25 及出口空气过剩系数=1.28,“ 具体如下表所示。 表 31 空预器中各受热面的漏风系数及过量空气系数 过量空气系数 烟道名称 入口出口 漏风系数 上级空气预热器 1.251.280.03 3.1.2 烟气特性参数计算依据 根据入口空气过剩系数、出口空气过剩系数及理论燃烧产物得到了烟气相 关特性参数见表 32。 3.23.2 烟气特性参数计算汇总烟气特性参数计算汇总 换热器课程设计换热器课程设计 9 表 32 烟气特性 名称及公式上级空气预热器 出口处过量空气系数 1.28 平均过量空气系数)(5 . 0 pj1.265 过剩空气量)/() 1( 3 kgmV pj 1.574 体积OH2 )/() 1(0161 . 0 3 22 kgmVVV PJOHOH 0.77 烟气总体积 )/() 1( 3 222 kgmVVVVV pjORNOHy 8.113 体积份额OR2 yROOR VVr/ 22 0.131 体积份额OH2 yOHOH VVr/ 22 0.0918 三原子气体总体积份额 OHRO rrr 22 0.2228 烟气质量 )/(306 . 1 100 1kgkgV A G pj ar y 10.669 灰分浓度)/(/ 100 烟kgkg G A y fhar fh 0.0123 3.33.3 烟气的温焓表计算烟气的温焓表计算 3.3.1 烟气的温焓表 根据烟气的成分计算不同温度下烟气的焓值汇总如下表: 表 33 烟气温焓表 烟气温度 C/ kgm V o RO /066 . 1 3 2 kgm VN /703 . 4 3 2 kgm V o OH /745 . 0 3 2 kgkg A fh /131. 0 100 换热器课程设计换热器课程设计 10 )/ /( 3 2 m kJ cco )/ /( 2 2 2 kg kJ c V I CO RO RO )/ /( 3 2 m kJ cN )/ /( 2 2 2 kg kJ c V I N N N )/ /( 3 2 m kJ c OH )/ /( 2 2 2 kg kJ c V I N N N )/ /( 3 m kJ cfh )/ /( 100 kg kJ c A I fh fh fh C350 665.5709.4459.52161.0544.5405.631240.8 kyy III) 1( thOH N o ROy II I II 2 2 2 kgm V o /941 . 5 3 28. 1 ky 烟气温度 C/ )/(kgkJ )/ /( 3 m kJ ck )/ /( kg kJ cV I k k C350 3316.8472.5 2807. 1 4102.8 4.4.热平衡及燃料消耗量计算热平衡及燃料消耗量计算 锅炉的热平衡计算是指根据送入锅炉机组的热量与锅炉机组有效利用的热 量及各项损失之间的平衡。根据任务书给定的参数及前述计算,以 1kg 燃料为 计算基础,计算出锅炉的有效利用热,根据给水参数及吸热后蒸汽参数及锅炉 容量,计算出燃料消耗量。 4.14.1 相关公式的选取相关公式的选取 1) 锅炉有效利用热: 换热器课程设计换热器课程设计 11 (4-1)(02 . 0 )( gsbhgsgr iiDiiD 2) 燃料消耗量: (4-2) arvney gl Q Q B 100 3)计算燃料消耗量: Bj= (4-3) 4 100 () 100 q B 4.24.2 相关计算参数的选取相关计算参数的选取 1)给水焓及过热蒸汽焓: 查水和水蒸气热力性质图表得到任务书给定压力下的过热蒸汽焓和给 水焓,具体数值见表 5。 2)固体不完全燃烧损失: 查实用锅炉手册表 2-71 得。 4 4%q 4.34.3 计算结果汇总计算结果汇总 4.3.1 热平衡及燃料消耗计算结果汇总表 根据以上参数、公式及任务书给定条件,得到以下计算结果汇总如下表: 表 41 热平衡及燃料消耗计算 序号名称公式及计算结果 1 燃料拥有热量 )/(kgkJQg j 任务书给定 22415 (收到基低位 发热量) 2 排烟温度C py /任务书给定 226.89 3 排烟焓 )/(/kgkJCIpy 查表 14 33 . 1 py 2258.65 4 冷空气温度Ctlk/ 任务书给定 20 换热器课程设计换热器课程设计 12 5 冷空气焓 )/(kgkJI H lk 见表 33 128.6 6 锅炉效率%/ gl 任务书给定 89.7 7 过热蒸汽出口焓 )/(kgkJigr CtMPap450,9 . 3 查水蒸气热力表 3333.5 8 饱和水焓 )/(kgkJibh ,查水蒸MPap3 . 4 气性质表 1113.5 9 给水焓 )/(kgkJigs CtMPap145,8 . 4 ,查水蒸气性质表 720.0 10 排污率%/ pw p任务书给定 2 11 锅炉总吸热量 )/(skJQgl ) (02. 0)( gs bhgsgr i iDiiD 25479.7 12 燃料消耗量 )/(skgB arvney gl Q Q 100 1.267 13 计算燃烧消耗量 )/(skgBj ) 100 1 ( 4 q B 1.143 14 保热系数 75.11 7 . 89 66 . 0 1 1 1 1 3 kygl q q 0.99 5.5.单级空气预热器的设计计算单级空气预热器的设计计算 5.15.1 单级空预器的结构计算单级空预器的结构计算 换热器课程设计换热器课程设计 13 采用钢管式预热器,高温(上级)空气预热器有一个管组,由四个并列管 箱组成。管式空气预热器常用于中、小型锅炉,它是直径 30mm40mm,壁 1.2mm1.5mm 的有缝薄钢直管与错列开孔的上下板焊接而成,形成立体管箱。 对燃煤锅炉,为了减轻积灰,采用立式布置,烟气在管内纵向流动。在我国管 式空气预热器近年来都采用 401.5mm 的有缝管焊接在两端较厚的管板上制 成(有时管板间还有把气流隔成几个流程的管板),外部有时还焊一些钢架以增 强其钢度。 管子的排列从空气侧来说采用错列,常用的管距如下 75 . 1 5 . 1 1 d S 25 . 1 1 2 d S 在选用S1、S2时应注意使两管间的斜向距离的数值不得小于 10mm,如 值太大或太小,管板会在管子焊接时发生过大的变形。 如果在决定S1、S2时预先考虑是横向管间间隙S1-d为斜向管间间隙之二 倍,则空气气流在管簇中流动时没有过多的压缩、膨胀,因而流阻较小,根据 计算,以下的一些S1、S2的配合是比较合适的。 表 5-1 适合值表 1 S 2 S S1606468727782 S2404142434445 换热器课程设计换热器课程设计 14 在空气预热器中烟气流速wy一般在 10m/s14m/s 的范围里选取、烟气流速 过高则磨损大,烟气过低则堵灰,设计中一般取空气流速比烟气流速低,为烟 气流速 45%55%。 高温空气预热器中烟气与空气流动的方向互相垂直,为交叉流动,总的流 动方向是逆流。初选烟气流速为 14m/s,空气流速为 7m/s,则可算得管子的根 数: 19494) 273 1 . 427 1 ( 14037 . 0 4 249 . 6 3118.18 273 1 4 2 y 2 n yj wd VB n 其中,可从后面的表 4-3 取。 高温(上级)空气预热器结构计算见表 5-2。 表 5-2 高温(上级)空气预热器结构计算 序号名称符号单位公式及计算结果 dmm _40 1 管子规格 mm _1.5 2 横向节距 1 smm _60 3 纵向节距 2 smm _40 4 横向相对 截距 1 d s1 1.75 5 纵向相对 截距 2 d s2 1.0 6 横向管数 1 z个63 7 沿空气流 2 z排 26 换热器课程设计换热器课程设计 15 相管排数 8 烟道宽度am给定 3.8 9 烟道深度bm 比管道高度高 6.9 10 管子根数n 根 21z z 1638 11 管子高度 l m 6.3 12 总受热面H 2 m nldpj 1247.4 13 空气流通 截面 k F 2 m ldza08 . 0 3 1 2.184 14 烟气流通 截面 y F 2 m 25) 2( 4 dn 1.76 6.6.单级空气预热器的传热热力计算单级空气预热器的传热热力计算 热力计算是确定烟气运行过程中各种锅炉受热面吸收烟气热量的比例关系, 通过热量平衡,计算锅炉各受热面的结构尺寸,确保锅炉达到额定的出力和参 数。此部分计算分为设计计算和校核计算,设计计算是在给定水温和燃料特性 的前提下,为达到额定的参数和出力,选定的计锅炉各个受热面的结构尺寸, 并为选配辅助设备和进行锅炉类型计算提供原始资料。设计计算是一个从无到 有的过程;校核计算是根据已有的锅炉各受热面结构参数和锅炉参数,燃料种 类或局部受热面发生变化时,通过计算确定各受热面各节点水温,蒸汽温度湿 度,确定锅炉热效率和燃料消耗量等。限于篇幅,本设计仅将最终计算结果汇 总与下表中。 6.16.1 确定传热方式确定传热方式 单级空气预热器布置在烟道中,主要为烟气通过管道与水进行换热,其换 热方式主要为对流放热与辐射换热。在换热过程中对流放热占据主导地位,故 将辐射换热折合成对流换热来计算。 6.26.2 计算传热系数计算传热系数 换热器课程设计换热器课程设计 16 6.2.1 确定烟气对流放热系数 根据管径 d=32mm,相对横向节距为 2.8,相对纵向节距为 1.7,烟气流速 为 11.2m/s 及 n=16,查实用锅炉手册图 10-32 得,及的值并根 s c z c w c H 据以下公式计算出烟气对流放热系数的值: (6-1) 2 91.2/() dHzws c c cWm KA 6.2.2 确定辐射放热系数 炉膛中产生的高温烟气流经对流受热面时,主要以对流方式将热量传递给 管道中的工质。但是烟气中的三原子气体,以及随烟气流动的灰粒均具有一定 的辐射能力因此锅炉受热面的换热系数由对流换热系数与辐射换热系数组成。 为了简化计算,在辐射换热系数的计算中,只考虑管壁与烟气的一次辐射吸收 能,被忽略的多次反射与吸收部分用增加管壁黑度的方法进行校正。计算黑度 时只考虑三原子气体和灰粒,也就是把烟气和管束间的辐射换热看成黑体间的 换热。计算过程见表四。 6.2.3 确定综合传热系 确定辐射换热系数与对流放热系数后根据以下公式便可以确定综合传热系数: (6-2) 1() df df K 6.36.3 误差计算误差计算 根据传热方程计算出传热量后,再由表四中公式即可以求出传热误差,最 后通过迭代法将误差确定在 2 以下即可。 6.46.4 计算结果汇总表计算结果汇总表 表 61 单级空气预热器传热热力计算表 序号名称公式及计算结果 1 烟气入口温度C iy /见表 24 C350 2烟气入口焓 )/(kgkJ I 由表 33 推出 4102.8 3 空气入口温度 Ct / 任务书给定 20 4空气入口焓 )/(kgkJ i 查表 3-3 128.6 换热器课程设计换热器课程设计 17 5 空气出口温度 Ct / 任务书给定 288 6空气出口焓 )/(kgkJ i 由表 33 推出 1863.36 7 平均空气温度 Ct / )28820( 2 1 )( 2 1 tt 154 8 平均空气焓 )/(kgkJi )36.1863 6 .128( 2 1 )( 2 1 ii 995.98 9 出口过量空气系数 进炉膛的热空气份 额,查表 1-1 1.14 10 空气吸热量 )/(kgkJQk )6 .128 36.1863)(64 . 0 14 . 1 ()( 2 ( ii 3087.87 11 烟气出口焓)/(kgkJ I i Q I k 2258.65 12 烟气出口温度C / 3328 . 1 查表 226.89 13平均烟温C/ )( 2 1 288.45 14 烟气体积(标准状况) )/( 3 kgmVy 查表 3228 . 1 8.113 15 烟气流速)/(smVy 273 273 / yyj FVB 11.25 16 相对管长dl / 157.5 17 水蒸气体积份额 OH r 2 0.0918 18 烟气侧放热系数 )/(/ 2 CmW y 38.09 19 空气流速)/(smvk )273/()273 () 2 ( k j F iBV 5.65 20 空气侧放热系数 61.28 换热器课程设计换热器课程设计 18 )/(/ 2 CmW k 21 污染系数单行程,选用 0.85 22 传热系数CmWK 2 / ky ky 19.96 23 入口温压Ctx/ t 62 24 出口温压Ctd/ t 206.87 25 逆流温压Ctnl/ x d xd t t tt ln/ 155.44 26 大温降C d /tt 268 27 小温降C x / 123.11 28 参数 P)/(t x 0.373 29 参数 R xd / 2.177 30 温压修正系数 查实用锅炉手册 0.9 31 温压Ct / hl t 139.89 32 传热量)/(kgkJQ j B tHK 1000 3050 33 误差%/e100 87.3087 305087.3087 0.012 7.7.单级空气预热器校核计算单级空气预热器校核计算 为了使单级空气预热器的压力满足要求,即单级空气预热器中水阻力在中 压时不大于锅炉压力的 8%,本小节内容对阻力进行校核。 7.17.1 空气预热器校核计算汇总空气预热器校核计算汇总 7.1.1 空气预热器校核计算汇总表 表 7-1 单级空气预热器校核计算表 换热器课程设计换热器课程设计 19 序 号 名称符号单位公式及计算 结果 1 烟气入口温度 C给定 350 2 烟气入口焓 I kgkJ / 查焓温表 (未示出) 4102.8 3 烟气出口温度 C假定后复校 226.89 4 烟气出口焓 I kgkJ /查焓温表 2258.65 5 平均烟气温度 C 2 1 288.45 6 热平衡传热量 ph Q kgkJ / ( )( lf III 为漏风焓, H I 预先假定为 1943) 305 0 7 空气出口温度 t C给定288 8 空气出口焓 k IkgkJ /查焓温表 1863.36 9 空气入口焓 k I kgkJ / 2 1 ph k Q I 128.6 10 空气入口温度 t C查焓温表 20 11 漏风焓 lf I kJ/kg kk II 2 1 995.95 12 平均空气温度t C tt 2 1 154 13 烟气流速 y sm/ 273 1 F VB yj 11.25 14 烟气测放热系数 1 )/( 2 CmW fd 38.09 15 空气流速 k sm/ ) 273 1 ( ) 2 ( f BV j 5.65 16 空气侧放热系数 2 )/( 2 CmW 查实用锅炉 手册 61.28 换热器课程设计换热器课程设计 20 17 传热系数k)/( 2 CmW 21 21 19.96 18 逆流温压 nl t C t t tt tnl ln )()( 155.44 19 大温降 d C tt 268 20 小温降 x C 123.11 21 参数P _ )/(t x 0.373 22 参数R _ xd / 2.177 23 交叉流温压改正系数 _0.9 25 交叉流温压tC 139.89 26 传过热量 ch QkgkJ / j B tHK 1000 3050 27 误差e % 100 87.3087 305087.3087 0.012 8.8.计算结果汇总计算结果汇总 通过以上设计和计算,得出了该单级空气预热器的主要结构参数,本小节 内容将上述计算的重要参数汇总如下表。 8.18.1 计算结果汇总计算结果汇总 8.1.1 计算结果汇总表 根据以上计算,将主要计算结果汇总如下表: 表 8-1 计算结果汇总表 换热器课程设计换热器课程设计 21 序号名称及单位计算结果序号名称及单位计算结果 1 烟气总体积 Vy/m3/kg 7.65310 烟道深度/m 6.9 2 烟气质量 G/kg/s 10.811 有效受热面积 2 /H m 1247.4 3 计算燃料消耗 量 Bj/kg/s 2.3412 烟气流通截面 积 2 /F m 1.76 4 管子规格/d mm mm 5 . 140 13出口烟温/ 226.89 5 横向截距 1/ Smm 1.7514 传热系数 K/ )

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