热交换器原理与设计（第6版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:东南大学出版社

作者:史美中

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:

价格:49.8元

装帧:平装-胶订

isbn号码:9787564177119

丛书系列:

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• 电气
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• 热交换器
• 换热器
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热交换器：高效能量传递的科学与艺术（探索篇） 热交换器，作为现代工业不可或缺的核心设备，以其巧妙的设计和精密的计算，在无数场景中扮演着能量传递的“魔法师”角色。它并非仅仅是将两种流体隔离开来，而是通过精心构造的介质，实现热量的有效转移，从而提高能源利用效率，优化生产工艺，并保障各种设备的稳定运行。从我们日常生活中舒适的空调系统，到庞大复杂的发电站，再到精密的化工生产线，热交换器的身影无处不在，它们是默默奉献的基石，支撑着现代文明的运转。 一、 热交换的基本原理：无处不在的能量流动 热交换的核心在于能量的转移，而这种转移遵循着基本的物理定律。最基础的原理便是热传导、对流与辐射。 热传导 (Conduction)：这是能量在固体介质内部或接触的固体之间传递的方式。当温度不同的物质接触时，高温物质的分子振动更剧烈，它们将动能传递给低温物质的分子，从而实现热量的传递。在热交换器中，传热壁面（通常是金属管或板）便是热传导的主要通道。其速率取决于材料的导热系数、温差以及传热面积。例如，铜的导热性能远高于不锈钢，在某些对导热效率要求极高的场合，会优先选择铜质换热管。 热对流 (Convection)：这是流体（液体或气体）因温度不均而产生的宏观运动所带来的热量传递。当流体受热时，其密度降低，受冷时密度升高，这种密度差导致了流体的自然对流。如果流体被强制搅拌或泵送，则称为强制对流。热交换器中，流体在换热器内的流动，以及流体与传热壁面之间的界面，都是对流换热的重要发生场所。对流换热的强度与流体的性质（粘度、密度、热容、导热系数）、流速以及换热器的几何形状密切相关。雷诺数（Reynolds number）是判断流体流动状态（层流或紊流）的关键参数，它直接影响对流换热系数的大小。湍流状态下，流体混合更充分，换热效率通常更高。 热辐射 (Radiation)：这是物体以电磁波的形式释放能量，从而实现的热量传递，即使在真空中也能发生。虽然在许多常规热交换器设计中，辐射传热的影响可能不如传导和对流显著，但在高温应用中，例如锅炉、窑炉或某些特定工业过程，辐射传热是不可忽视的能量传递方式。黑体（blackbody）是理想的辐射体，实际物体根据其表面性质（如颜色、粗糙度）表现出不同的辐射能力，这通常用发射率（emissivity）来衡量。 这三种基本传热方式并非孤立存在，它们在热交换器的内部相互作用，共同决定了整体的传热效率。传热壁面两侧的流体，通过对流将热量传递给壁面，壁面再通过传导将热量传递到另一侧，另一侧的流体再通过对流将热量带走。在这个过程中，每一个环节的阻力都会影响最终的热量传递速率。 二、 热交换器的核心组成与功能：精妙的结构实现高效传递 热交换器的基本结构通常包含几个关键要素，它们协同工作，以最大化热量传递效率并确保运行的可靠性。 换热元件 (Heat Transfer Surface)：这是热交换器中最核心的组成部分，是两种流体之间进行热量交换的物理界面。最常见的形式是管式换热器中的管子，以及板式换热器中的金属板。这些元件通常由导热性能优良的金属材料制成，如不锈钢、铜、铝合金等，以减小传导阻力。为了增加单位体积内的换热面积，提高传热效率，换热元件的设计往往非常巧妙。例如，在管式换热器中，会采用翅片管（finned tube），在管外增加翅片，大大增加了对流换热面积。在板式换热器中，通过压制出各种波纹的金属板，不仅增加了换热面积，还能诱导流体产生湍流，进一步提高对流换热系数。 壳程与管程 (Shell and Tube Side)：在管式换热器中，两种流体分别在管内（管程）和管外（壳程）流动。壳体（shell）包裹着管束，为壳程流体提供流动通道，并起到密封作用。管束（tube bundle）由多根并行的换热管组成，是管程流体的通道。壳程和管程的设计，以及流体在其中的流动方式（单程、多程、横向折流等），对换热器的传热效率和压降有显著影响。 折流板 (Baffles)：在许多壳程流体设计中，会设置折流板。折流板并非完全阻碍流体流动，而是通过引导流体以特定方向和路径流过管束，促使流体与管束之间产生更充分的混合和更强的湍流，从而提高壳程的对流换热系数。同时，折流板还能为管束提供支撑，防止其在压力下发生变形。折流板的形状、尺寸和排列方式，是优化壳程换热效率和降低压降的关键设计参数。 集管与分配器 (Headers and Distributors)：集管用于汇集或分配流体，将一种流体均匀地引入或引出换热元件。例如，在管式换热器中，管箱（tube sheet）上的孔眼与换热管连接，构成流体进入或离开管束的通道。良好的集管设计能够确保流体在换热元件内分布均匀，避免局部过热或过冷，从而提高整体换热效果。 密封与连接 (Sealing and Connections)：为了防止两种流体之间的泄漏，同时保持系统压力，各种密封件（如垫片）和连接方式（如焊接、法兰）至关重要。密封的可靠性直接关系到热交换器的安全运行和使用寿命。 三、 热交换器的多样化设计：满足不同工况下的严苛需求 根据不同的应用场景、介质性质、操作压力、温度以及经济性要求，热交换器发展出了多种多样的结构形式，每一种都有其独特的优势和适用范围。 管壳式换热器 (Shell and Tube Heat Exchanger)：这是应用最广泛的一种热交换器，结构坚固，适用于高压、高温工况。它可以根据流体在壳程和管程的流程数、管束的固定方式（如固定管板、浮头、U形管）以及壳体形状等进行多种组合设计。例如，浮头式换热器能适应较大的温差引起的管束热胀冷缩，避免产生过大的应力；U形管换热器结构紧凑，易于清洗。 板式换热器 (Plate Heat Exchanger)：由一系列带波纹的金属板片组成，通过垫片密封。板片之间的流道窄而深，且波纹设计能诱导流体产生强烈的湍流，因此传热系数很高，结构紧凑，重量轻。它特别适用于中低压、对体积要求严格的场合，如食品、制药、中央空调等。但其耐压能力相对较弱，不适合含有固体颗粒或高粘度的介质。 空冷器 (Air Cooler)：利用空气作为冷却介质的热交换器，通常用于工业冷却，例如在炼油厂、化工厂和发电厂中，用于冷却工艺流体或冷却剂。它由换热管束和强制通风的风扇组成，风扇将空气吹过换热管表面，带走热量。 再沸器与冷凝器 (Reboilers and Condensers)：在蒸馏、精馏等分离过程中，再沸器用于将液相加热蒸发，产生蒸汽；冷凝器则用于将蒸汽冷却，使其凝结成液体。它们是化工过程中的关键热力设备。 套管式换热器 (Jacketed/Coaxial Heat Exchanger)：结构简单，由一个内管和一个外管组成，两种流体分别在内管和内外管之间的环形空间内流动。适用于处理高粘度流体或需要精确控温的场合。 螺旋板换热器 (Spiral Plate Heat Exchanger)：由两块金属板卷绕而成，形成两个同心的螺旋通道，流体在其中螺旋流动。具有传热效率高、不易堵塞、结构紧凑等优点，适用于处理含杂质、易结垢的介质。 四、 设计考量与性能优化：从理论到实践的严谨追求 一个高效、可靠的热交换器设计，绝非仅仅是简单的组合。它需要深入理解流体力学、传热学以及材料科学的原理，并进行严谨的计算和分析。 传热性能 (Heat Transfer Performance)：核心目标是最大化热量传递速率，同时最小化能量损失。这涉及到计算总传热系数，并根据不同的流体性质、流速和换热器结构，精确预测在给定温差下的传热量。 压降 (Pressure Drop)：流体在流经换热器时，会产生一定的压力损失。过高的压降会增加泵的能耗，甚至影响工艺流程的正常运行。设计时需要在传热效率和压降之间找到一个平衡点。 流体分布 (Fluid Distribution)：确保两种流体在换热元件内的分布均匀，避免局部流速过高或过低，这对提高整体传热效率和避免局部过热/过冷至关重要。 材质选择 (Material Selection)：根据流体的腐蚀性、操作温度、压力以及成本等因素，选择合适的换热元件和结构材料。例如，处理海水或腐蚀性化学品时，需要选用耐腐蚀的合金。 清洗与维护 (Cleaning and Maintenance)：易于清洗和维护的设计，能够延长设备的使用寿命，降低运行成本。例如，可拆卸的板式换热器，或者便于管束抽出的管壳式换热器。 经济性 (Economy)：在满足性能要求的前提下，设计应考虑制造成本、安装成本和运行成本，实现最佳的经济效益。 结语 热交换器，看似普通的设备，实则蕴含着深刻的科学原理和精湛的工程艺术。从基础的传热定律到复杂的结构设计，再到严谨的性能优化，每一个环节都体现了人类对高效能量利用的不懈追求。理解热交换器的原理和设计，不仅有助于我们认识到现代工业的精妙之处，更能为我们解决能源效率、环境保护等诸多挑战提供关键的技术支撑。它是一个充满探索性的领域，不断推动着科学技术的进步，为我们构建更清洁、更高效的未来。

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老实说，最初我对《自动控制系统分析与设计（第7版）》抱有一定的畏惧感，总觉得控制理论是晦涩难懂的数学游戏。然而，这本书彻底颠覆了我的看法。它的叙事风格非常注重工程实践的逻辑性，开篇就用一个实际的机械臂控制问题引入，引导读者自然而然地接触到传递函数、时域响应这些概念。最让我感到惊喜的是，它在讲解频率响应分析时，没有仅仅停留在波德图和奈奎斯特图的绘制上，而是深入剖析了这些图线如何直接反映系统的稳定裕度和抗干扰能力，简直是把抽象的数学工具“翻译”成了工程师的直观语言。此外，对于现代控制理论的引入部分，它采取了非常审慎的态度，先打好经典控制的坚实地基，再逐步过渡到状态空间法，使得读者在理解现代方法时，能看到其与经典方法的内在联系。我感觉自己不仅仅学会了如何设计控制器，更重要的是理解了“为什么要这样设计”，这才是解决复杂控制难题的关键所在。

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这本《流体力学基础与应用》绝对是为那些想要深入理解物质运动规律的工程师和学生量身定做的。它从最基本的概念讲起，比如流体静力学，讲得非常透彻，让人感觉不是在背公式，而是在理解自然界的真实现象。我尤其欣赏作者在讲解伯努利方程时所采取的循序渐进的方法，将抽象的能量守恒定律具体化到流体运动的场景中，配图和算例都极其精准。书中对粘性流体和无粘性流体的区分讨论得非常到位，使得读者能清晰地认识到模型假设在实际工程问题中的重要性。读完前半部分，我对管道设计中的压力损失计算和泵选型问题有了全新的认识，不再是简单套用经验公式，而是能从原理层面去分析和优化。那些复杂的边界层理论和湍流模型，作者也尽量用直观的语言加以阐释，虽然深度依然很高，但至少为初学者架起了一座可以攀登的桥梁。对于希望在航空航天、化工过程等领域深耕的人来说，这本书是必备的参考资料，它不仅仅是一本教材，更像是一本高水平的工具手册。

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《化工过程系统工程：原理与实践（第5版）》这本书，简直是化工设计领域的一部里程碑式的著作。它成功地将热力学、反应动力学、分离过程等多个基础学科的知识融汇到一个宏大的系统层面进行思考。我个人认为，其在工艺流程模拟和优化方面的论述是全书的精华所在。它详细拆解了从流程图输入到求解器运行的每一个步骤，尤其是在处理大型复杂反应网络时的模块化建模思想，对我后续参与装置的能效优化项目提供了极大的启发。书中对动态模拟和过程控制的介绍也极具前瞻性，超越了传统稳态设计的范畴。阅读过程中，我发现作者非常强调经济性和安全性在系统设计中的权重，这使得书中的案例分析充满了真实世界的张力，不是空中楼阁般的理想化模型。总而言之，这是一本将理论深度、工程广度和实用性完美结合的典范之作，对于培养新一代的系统工程师而言，价值无可估量。

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我最近在研究《材料科学与工程导论（第10版）》时，发现这本书在宏观和微观层面之间的衔接做得非常出色。不同于市面上很多只注重晶体结构和相图的教材，它花了大量的篇幅来探讨材料的力学性能与制造工艺之间的相互作用。例如，在讲解金属的强化机制时，它不仅详细描述了固溶强化、晶界强化，还引入了现代粉末冶金和增材制造（3D打印）对材料微观结构的影响，这一点非常贴合当前工业前沿。我对其中关于陶瓷材料的断裂韧性提升策略那几章印象尤为深刻，作者没有停留在理论层面，而是结合了复合材料的设计思路，给出了实际的工程案例分析，让人茅塞顿开。阅读体验上，排版清晰，图表质量极高，即便是复杂的电子显微镜图像也纹理分明。对于一个想要系统构建材料知识体系的研究者而言，这本书提供了坚实的理论基础和广阔的视野，它迫使你思考：“我如何通过控制微观结构来获得我想要的宏观性能？”这种思维训练比单纯记忆知识点要宝贵得多。

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翻开《计算方法与算法实现》，我立刻被其务实的气质所吸引。这本书的重点显然不在于数学理论的深奥推导，而在于如何将这些数学模型高效、准确地转化为计算机可以执行的代码。作者的讲解方式非常注重算法的收敛性、稳定性和计算复杂度分析，这一点对于任何需要进行大规模数值模拟的工程师来说至关重要。比如，在讨论非线性方程求解时，牛顿法的讲解不仅仅是展示了迭代公式，而是深入讨论了初值选择不当导致的震荡甚至发散问题，并提供了诸如线搜索等改进策略。书中大量的伪代码和实际编程示例（尽管没有明确指定语言，但逻辑清晰可见）极大地降低了理论到实践的跨越难度。对于我这种需要用数值方法处理结构优化问题的用户来说，这本书提供的工具箱是无可替代的，它教会我如何“量化”计算的成本和风险，而不是盲目地追求高精度。

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