工程热力学与传热学-第十八章-传热过程分析与换热器计算知识分享.ppt

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1、第十八章 传热(chun r)过程分析与换热器计算 在详细讨论了导热、对流、辐射三种热量传递方式的特点(tdin)和计算方法以后，本章将综合应用这些知识来分析一些典型工程传热问题。本章将从四个方面展开讨论：1。首先分析与计算通过几种不同几何形状固体壁面的传热过程。2。然后针对一种典型的热量交换的设备间壁式换热器，详细讨论顺流及逆流的对数平均温差的分析计算。3。分析强化或削弱热量传递过程的方法，详细讨论临界热绝缘直径的概念和分析计算。第一页，共41页。本章要点：本章要点：本章要点：本章要点：1 1。着重掌握传热过程的分析和计算。着重掌握传热过程的分析和计算。着重掌握传热过程的分析和计算。着重掌握

2、传热过程的分析和计算22。着重掌握顺流及逆流的对数。着重掌握顺流及逆流的对数。着重掌握顺流及逆流的对数。着重掌握顺流及逆流的对数(dush)(dush)平均温差的分析计平均温差的分析计平均温差的分析计平均温差的分析计算算算算33。着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算。着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算。着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算。着重掌握临界热绝缘直径的概念和分析计算44。掌握换热器的型式和分类以及换热器的热计算。掌握换热器的型式和分类以及换热器的热计算。掌握换热器的型式和分类以及换热器的热计算。掌握换热器的型式和分类以及换热器的热计算55。了解传热的强化和隔热保温技术及有关

3、问题分析。了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析。了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析。了解传热的强化和隔热保温技术及有关问题分析本章难点：临界热绝缘直径、对数本章难点：临界热绝缘直径、对数本章难点：临界热绝缘直径、对数本章难点：临界热绝缘直径、对数(dush)(dush)平均温差的概念和分析计平均温差的概念和分析计平均温差的概念和分析计平均温差的概念和分析计算算算算本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节第一节第一节 传热过程的分析与计算传热过程的分析与计算传热过程的分析与计算传热过程的分析与计算第二节第二节第二节第二节 热交换器的类型和平均温差热交换器

4、的类型和平均温差热交换器的类型和平均温差热交换器的类型和平均温差(wnch)(wnch)第三节第三节第三节第三节 换热器的热计算换热器的热计算换热器的热计算换热器的热计算第四节第四节第四节第四节 增强传热的方法和热绝缘的应用增强传热的方法和热绝缘的应用增强传热的方法和热绝缘的应用增强传热的方法和热绝缘的应用第五节第五节第五节第五节 热管热管热管热管第二页，共41页。第一节 传热过程(guchng)的分析与计算 传热过程：热流体通过(tnggu)固体壁面的导热把热能传给冷流体的过程。传热过程分析求解的基本关系为传热方程式，即 式中k为传热系数。1。通过(tnggu)平壁的传热 第三页，共41页。

5、2 2。通过。通过。通过。通过(tnggu)(tnggu)圆筒壁的圆筒壁的圆筒壁的圆筒壁的传热传热传热传热每米管长的传热量：每米管长的传热量：第四页，共41页。对于多层圆管对于多层圆管 每米管长的传热量每米管长的传热量(rling)：第五页，共41页。3 3 3 3。通过。通过。通过。通过(tnggu)(tnggu)(tnggu)(tnggu)肋肋肋肋壁的传热壁的传热壁的传热壁的传热加肋侧的面积(min j)A2肋片表面积(min j)A2两肋片之间壁的表面积(min j)A2”A2 A1肋化系数肋化系数：肋片越高，肋距越小，肋化系数(xsh)就越大。第六页，共41页。肋片与流体的换热量肋片与

6、流体的换热量 f为肋片效率为肋片效率(xiol)加肋侧与流体的换热量加肋侧与流体的换热量肋壁总效率肋壁总效率第七页，共41页。肋壁的导热热量加肋侧流体的换热量不加肋侧与流体的换热量肋壁的传热公式肋壁的传热公式以以A1为基准的肋壁的传热系数为基准的肋壁的传热系数第八页，共41页。对于(duy)蒸汽加热的暖气包，由于蒸汽凝结换热系数1远远大于暖气包对室内空气自然对流时的2，使这一传热过程中的总热阻完全决定于2一侧的换热热阻。因此在2一侧加导热热阻较小的肋片是最有效的改进措施。在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是强化传热的一种行之有效的方法。在冷热介质温度一定时，要增强传热可以加大1、2、A1、A2以

7、及(yj)减小。最有效的措施是改变上列某些值后，可减小各项分热阻中最大的那一个热阻值。第九页，共41页。例例1：一平壁一侧加肋，加肋后面积为一平壁一侧加肋，加肋后面积为A2，肋化系数，肋化系数=13，肋壁总效率，肋壁总效率tot=0.9。壁的厚度。壁的厚度(hud)=10mm，材料的导热系数，材料的导热系数=50W/(mK)，相，相对应的换热系数为对应的换热系数为1=200W/(m2K)和和2=10W/(m2K)，流体温度，流体温度tf1=75C和和tf2=15C。求以求以A1为基准，其单位面积的传热量为基准，其单位面积的传热量q1，并与不加肋，并与不加肋时的传热量时的传热量q比较。比较。解：

8、解：q1/q=4347.6/570.3=7.623第十页，共41页。例例2：墙厚：墙厚240mm，室内空气，室内空气(kngq)的温度为的温度为20C，室，室外空气外空气(kngq)的温度为的温度为-10C；砖墙的导热系数；砖墙的导热系数=0.95W/(mK)，室内空气，室内空气(kngq)对墙面的换热系数为对墙面的换热系数为1=8W/(m2K)，室外空气，室外空气(kngq)的换热系数为的换热系数为2=37W/(m2K)（考虑了辐射换热的因素）。试求冬季室（考虑了辐射换热的因素）。试求冬季室内、外空气内、外空气(kngq)通过砖墙传递的热量和砖墙内侧的温度。通过砖墙传递的热量和砖墙内侧的温度

9、。（不考虑门、窗的传热影响）（不考虑门、窗的传热影响）第十一页，共41页。第二节 热交换器的型式和平均(pngjn)温差 定义定义(dngy)(dngy)及分类及分类 1.1.换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。换热器：把热量从热流体传递给冷流体的热力设备。2.2.按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式按换热器操作过程分为：间壁式、混合式及蓄热式(或称回或称回 热式热式)三大类。三大类。1）间壁）间壁(jinb)式：冷、热流体被间壁式：冷、热流体被间壁(jinb)隔开，通过间隔开，通过间壁壁(jinb)换热。换热。2）混合式：冷、热流体通过直接接触换热。）混合式：冷、热流体通过

10、直接接触换热。3）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。）回热式：冷、热流体周期性地流过固体壁面换热。在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构型在三类换热器中以间壁式换热器应用最广，本节将对其结构型式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详细的式及换热器中冷、热流体间的平均温差的计算方法作比较详细的介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式换热器，介绍。近年发展起来的热管换热器是一种有相变的间壁式换热器，其工作原理具有一定特点。其工作原理具有一定特点。第十二页，共41页。1.1.间壁式换热器的主要型式间壁式换热器的主要型式 1 1）套管式换热器。这是最简单的

11、一种间壁式换热器，其结构如下图所）套管式换热器。这是最简单的一种间壁式换热器，其结构如下图所示。总的来说，这类间壁式换热器适用示。总的来说，这类间壁式换热器适用(shyng)(shyng)于传热量不大或流体于传热量不大或流体流量不大的情流量不大的情形。实际使用时，为增加换热面积可采用形。实际使用时，为增加换热面积可采用c c所示结构。所示结构。图图9-3套管套管(toun)式换热器示意图式换热器示意图间壁式热交换器间壁式热交换器管式热交换器板式(bnsh)热交换器壳管式热交换器壳管式热交换器肋片管式热交换器肋片管式热交换器套管式热交换器套管式热交换器板翅式热交换器板翅式热交换器平行板式热交换器

12、平行板式热交换器螺旋板式热交换器螺旋板式热交换器第十三页，共41页。2)壳管式换热器。这是间壁式换热器的一种主要形式又称管壳式换热器。化工厂中的加热器、冷却器，电厂中的冷凝器、冷油器以及压缩机的中间冷却器等都是壳管式换热器的实例。图9-4是一种最简单(jindn)的壳管式换热器的示意图。一种流体(图中冷流体)从封头进口流进管于里，再经封头流出。这条路径称为管程。另一种流体从外壳上的连接管进入换热器，在壳体与管子之间流动，这条路径称为壳程。图图9-4简单简单(jindn)的壳管式换热器示意的壳管式换热器示意图图第十四页，共41页。为了提高管程流体的流速，在图9-4所示的换热器中，一端(ydun)

13、的封头里加了 一块隔板，构成了两管程的结构，称为l-2型换热器(此处l表示壳程数，2表示管程数)。图9-5所示是一个1-2型换热器的剖面图。图图9-51-2型换热器剖面型换热器剖面(pumin)示意图示意图第十五页，共41页。3）交叉流换热器。它是间壁式换热器的又一种主要型式。根据换热表面结构的不同又可有管束(gunsh)式、管翅式及板翅式等的区别，如图9-6所示图图9-6交叉交叉(jioch)流换热流换热器示意图器示意图第十六页，共41页。4）板式换热器。板式换热器由一组几何(j h)结构相同的平行薄平板叠加所组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个

14、通道中流动。为强化换热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式，图9-7所示为1-1型板式换热器的逆流布置，这里的1-1型表示冷、热流体都只流过一个通道。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易污染物的流体(如牛奶等有机流体)的换热。图图9-7 9-7 板式板式(bnsh)(bnsh)换热器示意图换热器示意图第十七页，共41页。5）螺旋板式换热器。螺旋板式换热器的换热表面(biomin)是由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动，图9-8所示是其两个方向的截面示意图。这种换热器换热效果较好，缺点是换热器的密封比较困难。图图9-8 9-8

15、螺旋螺旋(luxun)(luxun)板式换热器板式换热器第十八页，共41页。按流动方向按流动方向按流动方向按流动方向(fngxing)(fngxing)分类：分类：分类：分类：1、顺流式、顺流式2、逆流式、逆流式3、叉流式、叉流式4、混合流式（杂流式）、混合流式（杂流式）第十九页，共41页。按流程按流程(lichng)分类：分类：单流程单流程(lichng)：双流程双流程(lichng)：多流程多流程(lichng)：第二十页，共41页。2.2.简单顺流及逆流换热器的对数简单顺流及逆流换热器的对数(du sh)(du sh)平均温差平均温差 在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿

16、在换热器中，热流体沿程放出热量温度不断下降；冷流体沿程吸收程吸收热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热量而温度不断上升。当利用传热方程式来计算整个传热面上的热流量热流量时，必须使用整个传热面积上的平均温差时，必须使用整个传热面积上的平均温差(又称平均温压又称平均温压)，记为，记为tmtm。据此，传热方程式的一般形式应为。据此，传热方程式的一般形式应为:=kA tm:=kA tm 换热器中流体的温度分布换热器中流体的温度分布 tAtAtAtA第二十一页，共41页。设设t1t1，t1t1，qm1qm1和和c1c1分别分别(fnbi)(fnbi)表示热流体的进出表示热流体的进出口

17、温度、流量和比热容；口温度、流量和比热容；t2 t2，t2t2，qm2qm2和和c2c2分别分别(fnbi)(fnbi)表示冷流体的进出口温度、流量和比热容。表示冷流体的进出口温度、流量和比热容。热流体放出的热量热流体放出的热量冷流体吸收的热量冷流体吸收的热量对数平均温差对数平均温差(wnch)公式公式推导推导第二十二页，共41页。第二十三页，共41页。对微元面积对微元面积dA，传热方程为，传热方程为第二十四页，共41页。对数平均温差对数平均温差第二十五页，共41页。对逆流对逆流对逆流对逆流(nli)(nli)换换换换热过程热过程热过程热过程tA对数平均温差对数平均温差第二十六页，共41页。t

18、At”t第二十七页，共41页。叉流和混合叉流和混合叉流和混合叉流和混合(hnh)(hnh)(hnh)(hnh)流流流流 （壳管式换热器与交叉流式（壳管式换热器与交叉流式（壳管式换热器与交叉流式（壳管式换热器与交叉流式换热器）换热器）换热器）换热器）逆流时的对数平均温差3 3。其他。其他(qt)(qt)复杂布置时流换热器平均温差的计算复杂布置时流换热器平均温差的计算计算计算(j sun)P(j sun)P、R R 值，查图表定值，查图表定e e4 4。各种流动形式的比较。各种流动形式的比较 在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、在各种流动形式中，顺流和逆流可以看作是两种

19、极端情况。在相同的进、出口温度条件下，出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。而其他各种而其他各种流动形式介与顺流和逆流之间。流动形式介与顺流和逆流之间。逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得逆流的缺点是：热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的温度特别高，这是应该避免的。该处的温度特别高，这是应该避免的。第二十八页，共41页。例：已知一换热器，热流体进口温度例：已知一换热器，热流体进口温度t1=3000C,t1=3000C,出口温度出口温度 为为t1=2100Ct1=2100C；冷流体进口温度；

20、冷流体进口温度t2=1000C,t2=1000C,出口温度出口温度 为为t2=2000Ct2=2000C。求换热器在顺流布置和逆流布置时的。求换热器在顺流布置和逆流布置时的 对数对数(du sh)(du sh)平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。平均温差，试说明哪一种布置换热效果好。第二十九页，共41页。第三节 换热器的热计算(j sun)基本概念及公式基本概念及公式 1.1.设计计算：设计一个新的换热器，以确定换热器所需的设计计算：设计一个新的换热器，以确定换热器所需的 换热面积。换热面积。2.2.校核计算：对已有的或巳选定了换热面积的换热器。在校核计算：对已有的或巳选定了换热面积的换热器

21、。在 非设计工况条件下核算它能否非设计工况条件下核算它能否(nn fu)(nn fu)胜任规定的换热任务。胜任规定的换热任务。3.3.基本原理为传热方程式及热平衡方程式：基本原理为传热方程式及热平衡方程式：=kAtm =kAtm 4.4.换热器热计算的方法有两类：平均温差法及传热单元数换热器热计算的方法有两类：平均温差法及传热单元数 法。法。第三十页，共41页。1.1.换热器热计算的平均温差法换热器热计算的平均温差法 所谓平均温差法，就是直接应用热平衡方程式和传热方程式进所谓平均温差法，就是直接应用热平衡方程式和传热方程式进行行(jnxng)(jnxng)热计算的方法。热计算的方法。1.)1.

22、)平均温差法用作设计计算时步骤如下：平均温差法用作设计计算时步骤如下：(1)(1)初步布置换热面，并计算出相应的传热系数初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k k。(2)(2)根据给定条件，由热平衡方程式求出进、出口温度中的那个根据给定条件，由热平衡方程式求出进、出口温度中的那个待定待定 的温度。的温度。(3)(3)由冷、热流体的由冷、热流体的4 4个进、出口温度确定平均温差个进、出口温度确定平均温差tmtm，计算时，计算时要注要注 意保持修正系数意保持修正系数具有合适的数值。具有合适的数值。(4)(4)由传热方程式求出所需的换热面积由传热方程式求出所需的换热面积A A，并核算换热两侧流体，

23、并核算换热两侧流体 的流动阻力。的流动阻力。(5)(5)如流动阻力过大，改变方案重新设计。如流动阻力过大，改变方案重新设计。第三十一页，共41页。2.)平均温差法用作校核(xio h)计算时步骤如下：(1)先假设一个流体的出口温度,按热平衡方程求出另一个流体的出口 温度。(2)根据4个进、出口温度求得平均温差tm。(3)根据换热器的结构、算出相应工作条件下传热系数k的值。(4)已知kA和tm，按传热方程式求出值。因为流体的出口温度是 假设性的，因此求出的值未必是真实的数值。(5)根据4个进、出口温度，用热平衡式求得另一个值，同理，这个 值也是假设性的。(6)比较步骤(4)和(5)中求得的两个值

24、。一般来说，两者总是不同 的。这说明步骤(1)中假设的温度值不符合实际。再重新假设一个 流体的出口温度，重复以上步骡(1)至(6)，直到由步骤(4)和(5)求得的两个值彼此接近时为止。至于两者接近到何种程度方称 满意，则由所要求的计算精确度而定。一般认为两者之差应小于 25。第三十二页，共41页。2.2.换热器热计算的效能换热器热计算的效能-传热单元数法传热单元数法 传热单元数和换热器的效能传热单元数和换热器的效能 换热器的效能换热器的效能按下式定义：按下式定义：传热单元数按下式定义：传热单元数按下式定义：效能效能表示换热器的实际换热效果表示换热器的实际换热效果(xiogu)(xiogu)与最

25、大可与最大可能的换热效果能的换热效果(xiogu)(xiogu)之比。已知之比。已知后，换热器交换的后，换热器交换的热流量热流量即可根据两种流体的进口温度确定：即可根据两种流体的进口温度确定：则：则：第三十三页，共41页。3.用效能-传热单元(dnyun)数（-NTU法）计算换热器的步骤 根据及NTU的定义及换热器两类热计算的任务可知，设计计算是已知求NTU，而校核计算则是由NTU求取，如图9-9中箭头所示。它们的计算步骤都与平均温差法中对应计算大致相似。图图9-9 9-9 可作为逆流、顺流处理可作为逆流、顺流处理(chl)(chl)的的情况情况第三十四页，共41页。4.4.换热器设计时的综合

26、考虑换热器设计时的综合考虑1 1）换热器设计是个综合性的课题，必须考虑初投资、运行费用、安全可）换热器设计是个综合性的课题，必须考虑初投资、运行费用、安全可靠等因素，而以达到最佳的综合技术经济指标为目标。靠等因素，而以达到最佳的综合技术经济指标为目标。2 2）换热器的热计算仅是这个）换热器的热计算仅是这个(zh ge)(zh ge)综合性课题的一个局部组成，其他综合性课题的一个局部组成，其他计算还有流动阻力计算、材料强度计算及必要的技术经济分析与比较等。计算还有流动阻力计算、材料强度计算及必要的技术经济分析与比较等。5.5.换热器的结垢及污垢热阻换热器的结垢及污垢热阻1 1）污垢热阻）污垢热阻

27、 R f=1/k-1/k0 R f=1/k-1/k0 其中：其中：k0 k0为洁净换热面的传热系数；为洁净换热面的传热系数；k k为有污垢的换热面的传热系数。为有污垢的换热面的传热系数。2 2）传热系数（已结垢的）传热系数（已结垢的）P339 (9-25)P339 (9-25)式式3 3）污垢热阻）污垢热阻RfRf的参考值（表的参考值（表9-19-1）第三十五页，共41页。例：有一间壁式油冷却器，壳程为单程，管侧为二程（例：有一间壁式油冷却器，壳程为单程，管侧为二程（1-21-2型管壳式型管壳式结构）。需冷却的油的流量为结构）。需冷却的油的流量为35t/h35t/h，油的，油的t1=580Ct

28、1=580C。要求其出口温度。要求其出口温度不得不得(bu de)(bu de)超过超过450C450C。若用流量为。若用流量为45t/h45t/h的冷却水冷却，其入口温度的冷却水冷却，其入口温度t2=300Ct2=300C传热系数传热系数K=340w/(m2.0C)K=340w/(m2.0C)，求换热器最小传热面积。已知，求换热器最小传热面积。已知油的油的Cp=1.95kj/(kg 0C),Cp=1.95kj/(kg 0C),水的水的Cp=4.18kj/(kg 0C)Cp=4.18kj/(kg 0C)。第三十六页，共41页。一、用热绝缘层的目的一、用热绝缘层的目的1、节约燃料。、节约燃料。2

29、、满足工程技术条件、满足工程技术条件(tiojin)的要求。的要求。3、改善劳动条件、改善劳动条件(tiojin)。二、对热绝缘材料的要求二、对热绝缘材料的要求凡凡导导热热性性低低的的材材料料都都可可以以被被用用作作热热绝绝缘缘层层。不不过过，通通常常将将导导热热系系数数值值小小于于0.14W/（mK）的的材材料料称称为为隔隔热热材材料料。热绝缘材料具有下述性能：热绝缘材料具有下述性能：（1）导热性。）导热性。（2）机械性能，如抗压和抗拉强度）机械性能，如抗压和抗拉强度(knlqind)等。等。（3）不吸水性和耐高热的能力。）不吸水性和耐高热的能力。第四节第四节 增强传热的方法增强传热的方法(

30、fngf)(fngf)和热绝缘的应用和热绝缘的应用第三十七页，共41页。三、三、三、三、临界热绝缘临界热绝缘临界热绝缘临界热绝缘(juyun)(juyun)直径与热绝缘直径与热绝缘直径与热绝缘直径与热绝缘(juyun)(juyun)层经层经层经层经济厚度济厚度济厚度济厚度在圆管外覆盖在圆管外覆盖(fgi)一层热绝缘材料时一层热绝缘材料时则每米管长的总热阻为：则每米管长的总热阻为：(1)+(2)(4)(3)R总,ldROd2dcrd3dql第三十八页，共41页。即当 时，热阻值(z zh)为最小。单位管长传热量ql为最大值。此时的dx称为“临界热绝缘直径”，用d c r表示。注意：1。当裸管的外

31、径 d c r时，保温层越厚，保温效果越好Q 当裸管的外径 d c r时，保温层厚度要超过d3后才起作用。2。要考虑较小的2的保温材料，使d c r第三十九页，共41页。热绝缘层经济厚度热绝缘层经济厚度热绝缘层经济厚度热绝缘层经济厚度:每年每年每年每年(minin)(minin)的热损失与热绝缘投资最少时对应的热的热损失与热绝缘投资最少时对应的热的热损失与热绝缘投资最少时对应的热的热损失与热绝缘投资最少时对应的热绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。绝缘厚度称为热绝缘层经济厚度。Od2dcrd3dql绝缘层厚度R总,l费用经济厚度经济厚度例：

32、有一外径为例：有一外径为例：有一外径为例：有一外径为0.015m0.015m的管道要作保温处理的管道要作保温处理的管道要作保温处理的管道要作保温处理(chl)(chl)。现有两种隔。现有两种隔。现有两种隔。现有两种隔热材料，其一热材料，其一热材料，其一热材料，其一A:A:的导热系数为的导热系数为的导热系数为的导热系数为0.209w/(m0c);0.209w/(m0c);其二其二其二其二B:B:的导热系数为的导热系数为的导热系数为的导热系数为0.058w/(m0c)0.058w/(m0c)。已知管的换热系数为。已知管的换热系数为。已知管的换热系数为。已知管的换热系数为13.96w/(m0c)13.96w/(m0c)。试问选择哪。试问选择哪。试问选择哪。试问选择哪一种材料合适？一种材料合适？一种材料合适？一种材料合适？第四十页，共41页。传热的强化和隔热保温技术1。强化传热的原则和强化对流换热的手段2。确定传热过程(guchng)分热阻的威尔逊图解法3。隔热保温技术传热问题的综合分析1。一个测定热流密度的简单方法2。肋片的另一作用-改变换热壁面的温度工况3。轿车后窗玻璃的热分析第四十一页，共41页。