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1、过程设备设计各章问答题过程设备设计习题1 压力容器导言压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？压力容器主要由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件六大部件组成。各部分的作用分别是：(1)筒体：提供工艺所需的承压空间(2)封头：与筒体等部件形成封闭空间(3)密封装置：保证压力容器正常、安全运行(4)开孔及接管：满足工艺要求和方便检修(5)支座：支撑和固定压力容器(6)安全附件：用于监控工作介质的参数，保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行1.2介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？介质的毒性程度和易燃特性愈高，压力容器爆炸、泄露或燃烧的危害性愈严重，

2、对压力容器的选材、设计、制造、使用和管理的要求愈高。1.3压力容器安全技术监察规程在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积大小进行分类？压力容器设计压力与全容积的乘积愈大，容器破裂时的爆炸能量愈大，危害性愈大，对容器的设计、制造、检查、使用和管理的要求就愈高，因而在确定压力容器类别时要视的大小进行分类。1.4特种设备安全监察条例、压力容器安全技术监察规程和GB150钢制压力容器的适用范围有何区别？(1)特种设备安全监察条例适用于同时具备以下条件的压力容器：1最高工作压力大于等于0.1MPa表压；2L；3盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体

3、。(2)压力容器安全技术监察规程适用于同时具备以下条件的压力容器：1最高工作压力大于等于0.1MPa不含液体静压力；2内直径非圆形截面指其最大尺寸大于等于0.15m，且容积3；3盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。(3)GB150钢制压力容器适用于同时具备以下条件的压力容器：1设计压力大于等于0.1MPa、小于等于35MPa；2设计温度范围根据钢材容许的使用温度确定，从-196到钢材的蠕变限用温度；3固定的，承受恒定的载荷。不适用于：直接用火焰加热的容器；核能装置中的容器；旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室；真空度低于0.02MPa的容器；内直径

4、小于150mm的容器；要求做疲劳分析的容器等。 3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响3.1压力容器用钢有哪些基本要求？压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。3.2影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？影响压力容器钢材性能的环境因素主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。3.3为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？因为硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即可大大提高钢材的纯洁度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆

5、化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。3.4为什么说材料性能劣化引起的失效往往具有突发性？工程上可采取哪些措施来预防这种失效？因为材料性能劣化往往单靠外观检查和无损检测不能有效地发现，因而由此引起事故往往具有突发性。工程上在设计阶段要预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施。3.5压力容器选材应考虑哪些因素？压力容器零件材料的选择，应综合考虑容器的使用条件、相容性、零件的功能和制造工艺、材料性能、材料使用经验历史、综合经济性和标准标准。4 压力容器设计4.2压力容器的设计文件应包括哪些内容？压力容器的设计文件应包括设计图样、技术条件、设计计算书，必要时还应包括设计

6、或安装、使用说明书。假设按分析设计标准设计，还应提供给力分析报告。4.3压力容器设计有哪些设计准则？它们和压力容器失效形式有什么关系？压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则、刚度失效设计准则、失稳失效设计准则和泄漏失效准则。压力容器设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计标准标准，再按标准要求进行设计和校核。4.4什么叫设计压力？液化气体储存压力容器的设计压力如何确定？设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器的计算壁厚及其元件尺寸的压力。对于储存液化气体的压力容器，其设计压力应高于工作条件下可能到达的最高金属温度下的液化气体的饱和蒸汽压。，外

7、壁温度为，通过传热计算得出的元件金属截面的温度平均值为，请问设计温度取哪个？选材以哪个温度为依据？设计温度取。选材以设计温度为准。4.6根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度刚度、稳定性及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？其中，假设计算厚度小于最小厚度，则计算厚度取最小厚度值。设计厚度。因为设计厚度为计算厚度和腐蚀裕量之和，其中计算厚度是由强度刚度公式确定，而腐蚀裕量由设计寿命确定，两者之和同时满足强度和寿命要求。4.7影响材料设计系数的主要因素有哪些？材料设计系数是一个强度“保险”系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其

8、大小与应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷确实切程度、制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。4.8压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？(1)常规设计：1将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力。2常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体与部件中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体和部件是安全的。3常规设计标准中规定了具体的容器结构形式。(2)分析设计：1将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,包括交变载荷,热应力,局部应力等。2进行应力分类，再按

9、不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。3可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。4.9薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分？其强度设计的理论基础是什么？有何区别？假设圆筒外直径与内直径的比值1.11.2时，称为薄壁圆筒；反之，则称为厚壁圆筒。薄壁圆筒强度设计以薄膜理论为基础，采用最大拉应力准则；厚壁圆筒的强度计算以拉美公式为基础，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。4.10高压容器的圆筒有哪些结构形式？它们各有什么特点和适用范围？(1)多层包扎式：制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性高；对介质适应性强；但制造工

10、序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对焊的深环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。(2)热套式：具有包扎式圆筒的大多数优点外，还具有工序少，周期短等优点。(3)绕板式：机械化程度高，制造效率高，材料的利用率也高；但筒节两端会出现明显的累积间隙，影响产品的质量。(4)整体多层包扎式：是一种错开环缝合采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构，防止圆筒上出现深环焊缝，可靠性较高。(5)绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式。型槽绕带式结构的圆筒具有较高的安全性，机械化程度高，材料的损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布比较均匀，但对钢带的技术要求高。扁平钢带倾角错绕式圆筒结

11、构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。4.11高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足？如何防止？高压容器圆筒的对接深环焊缝影响容器的制造质量和安全：(1)无损检测困难，无法用超声检测，只能依靠射线检测；(2)焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降，因而焊缝质量较难保证；(3)环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。采用整体多层包扎式或绕带式等组合式圆筒。4.12对于内压厚壁圆筒，中径公式也可按第三强度理论导出，试作推导。在仅受内压作用时，圆筒内壁处三向应力分量分别为：；显然，由第三强度理论得：？由圆筒的薄膜应力按最大拉应力准则导出的内压圆筒厚度计算公式

12、为： 1按形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始屈服压力与实测值较为吻合，因而与形状改变比能准则相对应的应力强度能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。=与中径公式相对应的应力强度比值随径比的增大而增大。当时，此比值为这说明内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的倍。GB150中取，在液压试验时，筒体内外表的实际应力强度最大为许用应力的1.6倍，说明筒体内外表金属仍未到达屈服点，处于弹性状态。这说明式1的适用厚度可扩大到1.5。当时，=，代入式1得：即 因此，内压圆筒厚度计算公式1仅适用于时。椭圆形封头、碟形封头为何均设置直边段？直边段可防止封头和筒体的连接环焊缝处出现经向曲率半径突

13、变，改善焊缝的受力状况。从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点，并说明其主要应用场合。(1)半球形封头在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒体的一半。但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上。(2)椭圆形封头椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。(3)碟形封头是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部

14、位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，使碟形封头的应用范围较为广泛。(4)锥壳结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒体的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。(5)平盖平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的，主要用于直径较小、压力较高的容器。螺栓法兰连接密封中，垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？(1)垫片比压力形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用表示，单位为MPa。(2)垫片系数为保

15、证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的倍表示，这里称为“垫片系数”，无因次。法兰标准化有何意义？选择标准法兰时，应按哪些因素确定法兰的公称压力？为简化计算、降低成本、增加互换性，制订了一系列法兰标准。法兰标准根据用途分管法兰和容器法兰两套标准。法兰的公称压力应取容器或管道的设计压力相近且又稍高一级的公称压力，且不应低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。在法兰强度校核时，为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制？当法兰锥颈有少量屈服时，锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷，其中大部分需要法兰环

16、来承担，这就使法兰环的实际应力有可能超过原有的法兰环强度条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封的机理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。(1)密封机理：1强制式密封：在预紧和工作状态下都完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件从而到达密封目的。2自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封，介质压力越高，密封越可靠。自紧式密封根据密封元件的主要变形形式，又可分为轴向自紧式密封和径向自紧式密封。轴向自紧式密封的密封性能主要依靠密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度来保证；而径向自紧式

17、密封主要依靠密封元件的径向刚度小于被连接件的径向刚度来实现。(2)双锥密封是一种保留了主螺栓但属于有径向自紧作用的半自紧式密封结构。为保证自紧密封正常工作，应：1两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封比压；2合理设计双锥环的尺寸，使双锥环有适当的刚度，保持有适当的回弹自紧力。按GB150规定，在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？为什么这些孔可不另行补强？GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距对曲面间距以弧长计算大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足表1要求，就可不另行补强。表1 不另行补强的接管最

18、小厚度接管公称外径253238454857657689最小厚度压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。采用补强圈补强时，GB150对其使用范围作了何种限制，其原因是什么？补强圈等面积补强法是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为其理论依据。但实际的开孔接管是位于壳体而不是平板上，壳体总有一定的曲率，为减小实际应力集中系数与理论分析结果之间的差异，GB150对开孔的尺寸和形

19、状给予一定的限制：1圆筒上开孔的限制，当其内径1500mm时，开孔最大直径，且520mm；当其内径1500mm时，开孔最大直径，且1000mm。2凸形封头或球壳上开孔最大直径。3锥壳或锥形封头上开孔最大直径，为开孔中心处的锥壳内直径。4在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头外表。比较安全阀和爆破片各自的优缺点？在什么情况下必须采用爆破片装置？(1)安全阀安全阀的作用是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，防止一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次

20、，安装调整也比较容易。但密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。(2)爆破片爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它利用爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来到达泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也被迫停止运行。虽然爆破片是一种爆破后不重新闭合的泄放装置，但与安全阀相比，它有两个特点：一是密闭性能好，能做到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。因此，当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。在以下场合应优先选用爆破片作为安全泄放装置：介质为不洁净气体的压力容器；由于物料的化学反应压力可能迅速上升的压力容器；毒性程度为极度、高度危害的气体介质或盛装贵重介

21、质的压力容器；介质为强腐蚀性气体的压力容器，腐蚀性大的介质，用耐腐蚀的贵重材料制造安全阀成本高，而用其制造爆破片，成本非常低廉。压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？对于内压容器，耐压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏，检验密封结构的密封性能。对于外压容器，在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量也越大，爆炸也就

22、越危险，故应选用压缩系数小的流体作为试验介质。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。简述带夹套压力容器的压力试验步骤，以及内筒与夹套的组装顺序。夹套容器是由内筒和夹套组成的多腔压力容器，各腔的设计压力通常是不同的，应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力值。内筒根据实际情况按外压容器或内压容器确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。先做内筒压力试验，压力试验安全后组装夹套。在确定了夹套试验压力后，还必须校核内筒在该试验压力下的稳定性。如不能满足外压稳定性要求，则在作夹套的液压试验时，必须同时在内筒保持一定的压力，以确保夹套试压时内筒的稳定性。为什么要对压力容器中

23、的应力进行分类？应力分类的依据和原则是什么？压力容器所承受的载荷有多种类型，如机械载荷包括压力、重力、支座反力、风载荷及地震载荷等、热载荷等。它们可能是施加在整个容器上如压力，也可能是施加在容器的局部部位如支座反力。因此，载荷在容器中所产生的应力与分布以及对容器失效的影响也就各不相同。就分布范围来看，有些应力遍布于整个容器壳体，可能会造成容器整体范围内的弹性或塑性失效；而有些应力只存在于容器的局部部位，只会造成容器局部弹塑性失效或疲劳失效。从应力产生的原因来看，有些应力必须满足与外载荷的静力平衡关系，因此随外载荷的增加而增加，可直接导致容器失效；而有些应力则是在载荷作用下由于变形不协调引起的，

24、因此具有“自限性”。因此有必要对应力进行分类，再按不同的设计准则来限制。压力容器应力分类的依据是应力对容器强度失效所起作用的大小。这种作用又取决于以下两个因素：1应力产生的原因。即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的，外载荷是机械载荷还是热载荷。2应力的作用区域与分布形式。即应力的作用是总体范围还是局部范围的，沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么？1.一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因到达材料的屈服点而自行限制，所以，一次应力的基本特征是“非自限性

25、”。另外，当一次应力超过屈服点时将引起容器总体范围内的显著变形或破坏，对容器的失效影响最大。2.二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或剪应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷，而是使结构在受载时变形协调。这种应力的基本特征是它具有自限性，也就是当局部范围内的材料发生屈服或小量的塑性流动时，相邻部分之间的变形约束得到缓解而不再继续发展，应力就自动地限制在一定范围内。3.峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起

26、任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳破坏或脆性断裂。分析设计标准划分了哪五组应力强度？许用值分别是多少？是如何确定的？(1)一次总体薄膜应力强度S许用值以极限分析原理来确定的。S=KSm(2)一次局部薄膜应力强度SS=1.5KSm(3)一次薄膜总体或局部加一次弯曲应力强度SS=1.5KSm(4)一次加二次应力强度S根据安定性分析，一次加二次应力强度S许用值为3Sm(5)峰值应力强度S按疲劳失效设计准则，峰值应力强度应由疲劳设计曲线得到的应力幅Sa进行评定，即S=Sa在疲劳分析中，为什么要考虑平均应力的影响？如何考虑？疲劳试验曲线或计算曲线是在平均应力为零的对称应力循环下绘制的，但压力容器往

27、往是在非对称应力循环下工作的，因此，要将疲劳试验曲线或计算曲线变为可用于工程应用的设计疲劳曲线，除了要取一定的安全系数外，还必须考虑平均应力的影响。平均应力增加时，在同一循环次数下发生破坏的交变应力幅下降，也就是说，在非对称循环的交变应力作用下，平均应力增加将会使疲劳寿命下降。关于同一疲劳寿命下平均应力与交变应力幅之间相互关系的描述，有多种形式，最简单的是Goodman提出的方程见课本4.5疲劳分析。第六章 换热设备换热设备有哪几种主要形式？按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式：1.直接接触式换热器利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。2.蓄热式换热器借助于由固体

28、构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。3.间壁式换热器利用间壁固体壁面冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。4.中间载热体式换热器载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？1.管式换热器按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压

29、和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。2.板面式换热器按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就到达湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。管壳式换热器主要有哪几种形式？换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？1固定管板式：结构简单，承压高

30、，管程易清洁，可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。 2浮头式：结构复杂，无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。 3U形管式：结构比较简单，内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。 4填料函式：结构简单，管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa以下，温度受限制。 5釜式重沸器：壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸汽品质所决定。清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。 1.强度胀密封与抗拉脱弱，无缝隙；2.强度焊密封与抗拉脱强，有缝隙，存在焊接残余热应力；3.胀焊并用先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱。连接方式：强度胀焊 主要适用于设计压力小于等于4Mpa，设计温度小于等于300，操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。 强度焊 除有较大振动及有间隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，可用于任何场合。 胀焊并用 主要用于密封性能要求高，承受振动或疲劳载荷，有间隙腐蚀，需采用复合管板的场合。换热器流体诱导振动的主要原因有哪些？相应采取哪些防振措施？1螺旋脱落2流体弹性扰动3湍流颤振4声振动5射流转换 防振措施：1改变流速2改变管子固有频率3增设消声板4抑制周期性漩涡5设置防冲板或导流筒换热设备传