XXX移動(dòng)方向可逆的彩燈控制器設(shè)計(jì)

課程名稱： 移動(dòng)方向可逆的彩燈控制器 系 部： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 設(shè)計(jì)報(bào)告 一 內(nèi)容提要 : 在街道、商場或公共場所通常裝有各種五彩斑斕的燈飾，美化人們的生活空間。 本文介紹了由電子電路設(shè)計(jì)的一個(gè)彩燈控制器， 控制紅綠黃三個(gè)燈，按一定規(guī)律依次閃亮，即由電子電路實(shí)現(xiàn)一個(gè)可正向循環(huán)、逆向循環(huán)效果的彩燈控制器。 詳細(xì)說明了彩燈控制器的工作原理以及其各個(gè)組成部分，記錄了我 們?cè)谡麄€(gè)設(shè)計(jì)過程中對(duì)各部分電路設(shè)計(jì)方案的選擇、元器件的篩選、以及對(duì)它們的調(diào)試、對(duì)調(diào)試結(jié)果的分析等等。 二 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 : 用電子電路設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制器，控制紅綠黃三個(gè)燈，按一定規(guī)律依次點(diǎn)亮。由電子電路實(shí)現(xiàn)一個(gè)可正向循環(huán)、逆向循環(huán)效果的彩燈控制器。 （ 1） 控制紅、綠、黃一組彩燈循環(huán)閃亮，變化的規(guī)律是：先按正向循環(huán)閃亮， 全滅 紅 紅綠 綠 黃綠 黃 全亮 全滅。 緊接著按逆向循環(huán)閃亮 全亮 黃 黃綠 綠 紅綠 紅全滅，如此往復(fù)循環(huán) ,產(chǎn)生移動(dòng)方向變化 的“流水”效果。 （ 2） 正向循環(huán)閃亮速度慢， 逆向循環(huán)閃亮速度快 （ 3） 彩燈白天不亮，夜晚自動(dòng)亮。 三 設(shè)計(jì)思路及原理 : 1.系統(tǒng)概述 彩燈控制器由六部分組成：脈沖發(fā)生 部分 ，光敏器件檢測電路，加減控制，可逆計(jì)數(shù)器，循環(huán)結(jié)束判別，以及邏輯電路。 用光敏電阻 檢測電路 檢測周圍環(huán)境的光強(qiáng)， 用來 區(qū)分白天夜晚， 以 控制彩燈的亮滅。 由 555 定時(shí)器組成的多 諧 振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制彩燈的逆向循環(huán)，同時(shí)經(jīng)由 D觸發(fā)器分頻產(chǎn)生的低頻率脈沖 控制彩燈正向循環(huán) 。 兩脈沖分別送入可逆計(jì)數(shù)器的 Down 端和 Up 端 ， 用來控制計(jì)數(shù)器的加法計(jì)數(shù)和減法計(jì)數(shù)。 每完成一次計(jì)數(shù)循環(huán)通過循環(huán)結(jié)束判別電路的判斷由加法計(jì)數(shù)改為減法計(jì)數(shù)，或由減法計(jì)數(shù)改為加法計(jì)數(shù)， 循環(huán) 往復(fù)。 最后， 由可逆計(jì)數(shù)器的輸出端通過邏輯電路控制彩燈的亮滅 規(guī)律，以達(dá)到要求產(chǎn)生的效果 。 2.單元電路設(shè)計(jì)、仿真與分析 （一）光敏器件檢測電路 光敏電阻 一端與 10 千歐的電阻連接，另一端接 VCC，電阻另一端接地，光敏電阻與電阻的共同端接 555的 THR、 TRI 端， OUT為輸出端。白天光敏電阻的電阻小， OUT端輸出低電平，夜晚光敏電阻的電阻 大， OUT端輸出高電平。將 OUT光敏器件檢測電路 脈沖發(fā)生 可逆計(jì)數(shù)器 邏 輯 電 路 紅 黃 綠 Q2 Q1 Q0 D CP 加減控制 正向循環(huán)結(jié)束、逆向循環(huán)結(jié)束判別 時(shí)鐘快慢 控制 端與產(chǎn)生脈沖的多 諧 振蕩器 RES 端相連 就能 起到控制彩燈白天不亮夜晚亮的作用。 （二） 脈沖發(fā)生電路 在 555定時(shí)器內(nèi)部， 2個(gè)比較器出發(fā)輸入端 6（ THR）和 2（ TRI）是接在一個(gè)端點(diǎn)上并跟電容 C連接，如果這個(gè)端點(diǎn)上的電容電壓 u變動(dòng)，會(huì)同時(shí)導(dǎo)致兩個(gè)比較器的輸出電平改變，使 RS觸發(fā)器的輸出改變。 首先， 電源 Vcc 經(jīng) R1和 R2給電容 C充電， 當(dāng) u上升到 電源電壓 Vcc的三分之二 時(shí)， U2=U6=（ 2/3） Vcc， 輸出電壓為低電平，放電管 T導(dǎo)通，電容 C經(jīng) R2、放電端 7（ DIS） 放電， u 開始下 降，當(dāng)下降到 三分之一 Vcc 時(shí)， U2=U6=（ 1/3）Vcc，輸出電壓為高電平 ， 同時(shí)放電管 T 截止，放電端 7（ DIS） 斷開，電源 Vcc又經(jīng) R1和 R2給電容 C充電，使 u上升。這樣周而復(fù)始，電容電壓 u 形成了一個(gè)周期性充電放電的 波形，輸出電壓就形成周期性的矩形脈沖 ，此脈沖用來控制減法計(jì)數(shù)。 參數(shù)選擇：電阻 R1、 R2和電容 C的參數(shù)選擇是由所需要的脈沖來決定的，根據(jù)所需要的脈沖的充電時(shí)間和放電時(shí)間解出參數(shù)數(shù)值。 充電時(shí)間 T1： T1 =0.7(R1+R2)C=0.7 (10+40) 10=350ms 放電時(shí)間 T2： T2 =0.7(R2 C)=0.7 40 10=280ms f=1/（ T1+T2） 1.6Hz （三） D觸發(fā)器分頻電路 將 D觸發(fā)器的 D端與非 Q相連，則從 Q輸出的脈沖頻率為輸入的 CP 脈沖的一半。多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖經(jīng) D觸發(fā)器分頻后頻率變?yōu)樵瓉硪话?，這低頻率脈沖用來控制加法計(jì)數(shù)。 （四）計(jì)數(shù)器以及加減控制電路 如圖，高頻率脈沖輸入與 Down端相連的與非門，低頻率脈沖輸入與 Up端相連的與非門，右邊三端分別作為邏輯電路的輸入端 A、 B、 C。 在循環(huán)結(jié)束判別電路中，對(duì)于三輸入與門，只有當(dāng)輸入為 111 時(shí)輸出為 1，對(duì)于三 輸入或非門，只有當(dāng)輸入為 000 時(shí)輸出為 1。所以計(jì)數(shù)器只有輸出為 000或 111時(shí)，二輸入 或門的輸出方為 1，才能使 D觸發(fā)器發(fā)生一次偏轉(zhuǎn)。 當(dāng)開始計(jì)數(shù)時(shí)， 74192首先進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，此時(shí)圖示 D觸發(fā)器輸出 Q端為 1，非 Q 端為 0，控制 Down 端的與非門輸出始終為 1， 而 控制 Up 端的與非門輸出由低頻率脈沖決定，進(jìn)而控制計(jì)數(shù)器的加法計(jì)數(shù)。 計(jì)數(shù)從 000開始逐漸增加， 當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到 111時(shí)，由循環(huán)結(jié)束判別電路產(chǎn)生一個(gè) 1信號(hào)輸入 D觸發(fā)器的脈沖端，從而使 D 觸發(fā)器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。 在進(jìn)行減法計(jì)數(shù)時(shí)，控制 Up端的與非門輸出始終為 1，同時(shí)控制 Down端的與非門輸出由高頻率脈沖決定，進(jìn)而控制計(jì)數(shù)器的減法計(jì)數(shù)。 當(dāng)數(shù)值減到 000時(shí)，由循環(huán)結(jié)束判別電路產(chǎn)生一個(gè) 1信號(hào)控制 D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn) ，進(jìn)行加法計(jì)數(shù) 。 在加減的過程中 D 觸發(fā)器的 CP 脈沖始終為 0，只有當(dāng)減到 000 或 加到 111時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生 1信號(hào)是 D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn) ， 如此循環(huán)往復(fù)。 74LS192 的管腳及功能用法 CPU 計(jì)數(shù)芯片時(shí)鐘脈沖輸入 CPD 倒計(jì)時(shí)時(shí)鐘脈沖輸入 MR 異步主復(fù)位（清除）輸入 PL 異步并行負(fù)載（低電平）輸入 Pn 并行數(shù)據(jù)輸入 Qn 觸發(fā)器輸出 TCD 終端倒計(jì)時(shí)輸出 TCU 終端數(shù)最多輸出 Vcc 接電源 GND 接地 （五）控制燈泡亮滅規(guī)律的邏輯電路 計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)與邏輯信號(hào)的關(guān)系： 2Q 1Q 0Q 紅 X 綠 Y 黃 Z 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 根據(jù)真值表，可寫出最小項(xiàng)表達(dá)式，如下： X= （ 1， 2， 6） Y= （ 2， 3， 4， 6） Z= （ 4， 5， 6） 3 電路的安裝與調(diào)試 現(xiàn)象記錄 原因分析 解決措施 效果 74L138 芯片無輸出信號(hào) 芯片沒有正常工作，應(yīng)該是芯片管腳接入問題。 將芯片 14 管腳接入高電平 芯片正常工作 LED 陣列無法進(jìn)行循環(huán) 循環(huán)結(jié)束判別電路的問題 檢測該區(qū)域電路，發(fā)現(xiàn)管腳松動(dòng)，固定管腳。 開始循環(huán) LED 陣列循環(huán)不正常，在 111與 000 之間循環(huán) 循環(huán)結(jié)束判別電路的問題，應(yīng)該是循環(huán)的判定信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 檢查該區(qū)域電路，更換了 74L20芯片 重新檢測，沒有改變 仍然是循環(huán)不正常 繼續(xù)檢測電路，仍該是循環(huán)電路問題 將 D觸發(fā)器進(jìn)行置一操作 問題解決 在電路安裝與調(diào)試的過程中，遇到的主要問題有，芯片的管腳功能無法確定，閑置管腳的處理方式不確定，如何達(dá)到最優(yōu)的線路連接，線路連接完畢后的故障排除等。 試驗(yàn)箱上共有三塊面包板，我們首先遇到的問題就是芯片的布局，好的芯片布局可以大量減少后面接線的工作量，并且容易排查可能出現(xiàn)的故障。我們組將光敏控制電路和脈沖發(fā)生電路放在了面包板上靠近電阻電容區(qū)域的位置，這樣使得接 線的長度減少很多。然后將可逆計(jì)數(shù)器以及邏輯電路放在脈沖發(fā)生電路的后面，因?yàn)檫@兩片電路區(qū)域使用到了兩個(gè)中心芯片 74138和 74192，而且這兩個(gè)芯片之間的聯(lián)系比較緊密。在這塊面包板下面的面包板上，我們組放置了反饋電路和數(shù)字邏輯電路所需要的部分新片，因?yàn)檫@部分電路所需要的芯片多且雜亂，這部分電路作為輔助電路輔助上面的芯片。而且我們統(tǒng)一規(guī)定面包板的最上面一排接孔為 Vcc，最先面一排接孔為接地，這樣統(tǒng)一定義，簡潔明了。 做完上述工作后開始連接線路，我們?cè)谧鐾旯饷羝骷z測電路和脈沖發(fā)生電路后進(jìn)行了統(tǒng)一的檢測，檢測結(jié)果 正常，檢測的結(jié)果 可如下表示 ： 然后是 D觸發(fā)器分頻電路 ， 輸出正常， 輸出波形如圖所示： 在連接 74138 電路時(shí)我們遇到了困難，因?yàn)闆]有完整的認(rèn)識(shí)整塊芯片，所以在 接 入芯片后發(fā)現(xiàn)芯片不能輸出信號(hào)，后來經(jīng)過查找資料以及詢問同學(xué)發(fā)現(xiàn)了問題所在，問題在十四以及十一管腳上，經(jīng)過調(diào)整后，解決了問題，輸出了信號(hào)。 邏輯電路的運(yùn)算沒有發(fā)現(xiàn)問題，但是我們?cè)谡蜓h(huán)結(jié)束判別以及 逆向 循環(huán)結(jié)束判別電路上遇到不少阻力 ，主要的問題有 D觸發(fā)器忘記置一，面包板與芯片管 腳 之間接觸不良，等等，因?yàn)檫@片電路用到的芯片最多，而且管 腳之 間連線比較凌亂，所以花費(fèi)了比較多的時(shí)間才處理好。 在檢測故障時(shí)，我們組一般是采用首先進(jìn)行區(qū)域的故障檢測確定是 哪 一片區(qū)域出現(xiàn)問題 ， 檢測這一片區(qū)域的供電以及接地 ， 然后進(jìn)行元器件的故障排查，確定元器件都是好的 ， 接著是查看管腳之間的連線是否有誤 ， 然后是接線連接的故障檢測 ， 最終確定問題出在哪里，排查修理。整個(gè)過程耗時(shí)比較長，但是出現(xiàn)故障后這樣一步一步檢測，總能找到問題所在。 四心得體會(huì)及建議 outO T T2 T3outO T T2 T31 王義炎 電子課 程設(shè)計(jì) 這門實(shí)踐課程 ， 極大地提高了我的動(dòng)手能力 ， 也 讓我體 會(huì)到了理論和實(shí)踐相結(jié)合的重要性，理論是需要實(shí)踐 來檢驗(yàn) 的 。但我們又必須承認(rèn)理論的重要性， 理論是前提。通過在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的各種問題，我了解到實(shí)驗(yàn)前對(duì)基本理論和原理的了解是必不可少的，因?yàn)槿绻聿涣私獾脑挘蔷€路的連接和調(diào)試將寸步難行。 試驗(yàn)中要用到很多很多的芯片，所以了解芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是非常重要的。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，接線路時(shí)很容易混淆，這就要求我們對(duì)芯片要有足夠的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也要有足夠的耐心 ，這對(duì)于培養(yǎng)我們實(shí)事求是、認(rèn)真負(fù)責(zé)的科學(xué)態(tài)度有極大幫助。 與此 同時(shí)，我也體會(huì)到了理論與實(shí)踐的差異性很大?？障氲睦碚摏]有實(shí)踐的支持同樣是站不住腳的。理論與實(shí)踐是相輔相成，缺一不可的。 2.常鵬翔 課程設(shè)計(jì)無論在仿真還是在調(diào)試都有復(fù)雜的工作要做，這要求我們要細(xì)心，認(rèn)真。由于線路的復(fù)雜，一旦出現(xiàn)一個(gè)小錯(cuò)誤將影響所有的結(jié)果，而且還很難檢查出來，這就對(duì)我們的實(shí)踐能力提出了一定的挑戰(zhàn)，讓我深刻感受到了把理論和實(shí)踐結(jié)合起來是多么的重要，二者缺其一將不能做出有效的成果來。 這次實(shí)習(xí)給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從到圖書館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路的調(diào)試再到最后電路的成型， 都對(duì)我們所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)和鞏固。 由于器件比較小，芯片接口很小，在實(shí)驗(yàn)室就不得不很小心地去連接電路。每做完一段就要停下來檢查做的對(duì)不對(duì)，這培養(yǎng)著我們科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，因此這次課程設(shè)計(jì)試驗(yàn)意義重大。 3.雷浩 在試驗(yàn)的安 裝調(diào)試階段要連接大量的線路，工作量很大，也很繁瑣，器件比較小， 極其挑戰(zhàn)我們的耐心，這也正是我們具不具備一定的科學(xué)素養(yǎng)的體現(xiàn)。 這次課程設(shè)計(jì)提供了一次難得機(jī)會(huì)鍛煉我們的動(dòng)手能力。通過試驗(yàn)中不斷遇到瓶頸并不斷克服，我們變得更加認(rèn)真， 更加細(xì)心，讓我們對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有了更加深刻的認(rèn)識(shí) ，并不斷提高 自己各方面的能力讓試驗(yàn)更有效率。 這次的電子課程設(shè)計(jì)不僅對(duì)我們所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了一次檢驗(yàn)，也很大程度上培養(yǎng)了我們想問題、做事情嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，更是我們以后為人處事的基礎(chǔ)。 五附錄 元件名稱 數(shù)量 555 定時(shí)器 2 10uF 電容 1 40kohm 電阻 1 50kohm 電阻 1 2kohm 電阻 1 10kohm 電阻 2 74HC74 1 74LS00 1 74LS04 1 74LS20 2 74LS27 1 74LS02 1 74LS192 1 74LS138 1 六參考文獻(xiàn) 林紅 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 2009年 4月 韓 振振 唐志宏 數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì) 大連理工大學(xué)出版社 2000年 曹漢房 數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì) 華中科技大學(xué)出版社 2004 年 食品工程原理 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 指導(dǎo)教師： 李春海 1.題目： 雙酶法一水 -口服葡萄糖液化液冷卻換熱器設(shè)計(jì) 2.學(xué)生完成全部任務(wù)期 2010 年 1 月 4 日 限 : 3.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)說明 （ 1） 液化液處理量： 111100（ 噸 /年 ) （ 2） 年開工時(shí)： 8000小時(shí)。 （ 3） 性質(zhì)數(shù)據(jù)： 液化液密度 1076kg/m3、比熱容 1.8KJ/(kg. )、 粘度 1.42 10-3Pa.s、導(dǎo)熱系數(shù) 0.15KJ/(m. )； 34時(shí)循環(huán)水 密度 994.3 /m3、 定壓比熱容4.174KJ/(kg. )、 導(dǎo)熱系數(shù) 0.624W/(m. )、 粘度 0.742 10-3Pa.s。 4.課程設(shè)計(jì) 條件 （ 1）液化液進(jìn)口溫度 95（經(jīng)自然冷卻），出口溫度 60； （ 2）采取循環(huán)水冷卻，循環(huán)水進(jìn)出口溫度 34和 42； （ 3） 換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降不大于 30Kpa； （ 4） 假設(shè)管壁熱阻和熱損失可以忽略。 （ 5）其他參數(shù)查資料自選。 5.課程設(shè)計(jì)要求 : （ 1）資料充分、完整，計(jì)算 正確。 （ 2）設(shè)計(jì)說明書書寫符合規(guī)范 ,圖表書寫符合標(biāo)準(zhǔn)。 （ 3）說明書語句通順，層次分明，文字簡練，說明透徹。 （ 4）按時(shí)提交設(shè)計(jì)說明書。 （ 5）繪制裝置圖，包括設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細(xì)表、標(biāo)題欄。 茂 名 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 課程名稱： 食品工程原理課程設(shè)計(jì) 題 目： 雙酶法一水 -口服葡萄糖液化液冷卻換熱器設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 黎冬平 學(xué) 號(hào)： 07114050111 班 別： 食品 07-1 班 專 業(yè)： 食品科學(xué)與 工程 指導(dǎo)教師： 李 春 海（副教授） 日 期： 2010 年 1 月 4 日 設(shè) 計(jì) 說 明 書 內(nèi) 容 目錄 第一章 緒論 (課程設(shè)計(jì)的目的、意義、綜述 ) 4 第二章 工藝流程及設(shè)計(jì)方案（確定設(shè)計(jì)方案） 6 第三章 設(shè)備計(jì)算及 設(shè)計(jì) 8 第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 15 第五章 設(shè)計(jì)說明及討論 16 第六章 參考文獻(xiàn) 17 第七章 結(jié)束語 18 附錄：設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（盡量使用 AutoCAD） 19 第一章 緒論 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。 換熱器是石油化工、環(huán)保、能源、電力、空分、深冷等許多工業(yè)領(lǐng)域中的一種重要的單元設(shè)備。通常在化工廠的建設(shè)中， 換熱器約占總投資的 10 20%；在煉油廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的 35 40。所以換熱器自身性能的優(yōu)劣及在運(yùn)行中性能是否充分得以發(fā)揮，不僅直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量問題，而且對(duì)能源的高效利用性及節(jié)能也起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)換熱器的研究一直是人們研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對(duì)某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求： 1、 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； 2、 結(jié)構(gòu)安全可靠； 3、 便于制造、安裝、操作和維修； 4、 經(jīng)濟(jì)上合理。 熱交換器分類方式多樣 ,按照其工作原理可分為 :直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類 ,其中間壁式換熱器用量最大 ,據(jù)統(tǒng)計(jì) ,這類換熱器占總用量的 99%。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類 ,其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性 ,在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn) ,其設(shè)計(jì)資料比較齊全 ,在許多國家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。近年來盡管管殼式換熱器也受到了新 型換熱器的挑戰(zhàn) ,但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn) ,管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器 ,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢。 本設(shè)計(jì)要用到的 熱交換器 是 固定管板 式換熱器 ，它是 管殼式換熱器 最為廣泛使用的。 管殼式換熱器又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬 材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。 現(xiàn)簡述一下 管殼式換熱器 的結(jié)構(gòu)和類型。 結(jié)構(gòu) 由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次 橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等 邊三角形排列較緊 湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體 。 流體每通過管束一次稱為一個(gè)管程；每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度 ,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。 類型 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng) 力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過 50 時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： 固定管板式換熱器 管束兩端的管 板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單 ,但只適用于 冷熱流體溫度差不大 ,且殼程不需機(jī)械清洗 時(shí)的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力 又不太高時(shí)，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償 圈，以減小熱應(yīng)力。 其結(jié)構(gòu)如 圖 1-1 所示： U 型管換熱器 每根換熱管皆彎成 U 形， 兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助 于管箱 內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換 熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡 單，但管程不易清洗。 其結(jié)構(gòu)如 圖 1-2 所示： 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的特點(diǎn)是有 一端管板不與外殼連為一體，可以沿軸向 自由浮動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)不但完全消除了熱應(yīng) 圖 1-1 固定管板式換熱器 圖 1-2 U 型管換熱器 力的影響，且由于固定端的管板以法蘭與 殼體連接，整個(gè)管束可以從殼體中抽出， 因此便于清洗和檢修。故浮頭式換熱器應(yīng) 用較為普遍，但它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。其結(jié)構(gòu)如 圖 1-3 所示： 第二章 工藝流程及設(shè)計(jì)方案 一、設(shè)計(jì)相關(guān)工藝流程 工業(yè)上采用的雙酶法一水 -口服 葡萄糖液化常用以下工藝流程圖來進(jìn)行大批生產(chǎn)，該過程主要是將處理好的淀粉漿先通過離心泵輸送到液化罐液化，經(jīng)過了五個(gè)液化罐工序，得到了 1050C 的液化液。然后通過蒸汽分離器后輸入另一液化罐，再次用離心泵將已冷卻為 900C 的液化液通過換熱器冷卻為 600C，以達(dá)到糖化所需要溫度，達(dá)到了生產(chǎn)目的。 圖 1-4 雙酶法一水 -口服葡萄糖液化工藝流程示意圖 可見在生產(chǎn)過程中，需要進(jìn)行冷卻這一單元操作，這一操作就與 換熱器緊密相連。其實(shí)，化工生產(chǎn)過程中，其操作環(huán)境大都是在高于或者低于正常環(huán)境 溫度下發(fā)生的。無論是在能源、宇航、化工、動(dòng)力、冶金、機(jī)械、建筑等工業(yè)，還是在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等其他部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱問題。所以，換熱器的設(shè)計(jì)與選型是工程上一大重點(diǎn)問題。本設(shè)計(jì)是通過 雙酶法一水 -口服葡萄糖液化工藝流程，主要針對(duì)傳熱操作中 冷卻換熱器的設(shè)計(jì)。 二、設(shè)計(jì)方案 淀粉漿 涉及冷卻換熱器的設(shè)計(jì) 圖 1-3 浮頭式換熱器 C0105C095 600C 1、設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì) 雙酶法一水 -口服葡萄糖液化液冷卻用換熱器 ，指定年生產(chǎn)量 111100 噸，年開工時(shí)間為 8000 小時(shí)，用循環(huán)冷卻水將其從 95進(jìn)一步冷卻至 60之后，進(jìn)入糖化罐糖化，管程殼程壓降不大于 30Kpa ，循環(huán)水的入口 溫度為 34，出口溫度為 42 ，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。 2設(shè)計(jì)方案的確定 （ 1）、選擇換熱器的類型 在換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流經(jīng)殼程，下列幾點(diǎn)可作為選擇的一般原則： a) 不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。 b) 腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。 c) 壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。 d) 飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出。 e) 流量小 而粘度大（ ）的流體一般以殼程為宜，因在殼程 Re100 即可達(dá)到湍流。但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 f) 若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。 g) 需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。 兩流體溫的變化情況：液化液（熱流體）進(jìn)口溫度 95 出口溫度 60；冷流體進(jìn)口溫度 34，出口溫度為 42，該換熱器用冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用最為廣泛使用的浮頭式換熱器。 （ 2）、管程安排確定 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，水適合走管程；并且待冷卻的液化液流體黏度比較大，適合走殼程。故綜上分析流程選擇冷卻水走交換 器的管程，液化液走其殼程。 （ 3）冷熱流體物性數(shù)據(jù)的確定 定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程液化液的定性溫度為： T=26095=77.5 管程流體的定性溫度為： t= 382 4234 而殼程和管程流體的有關(guān)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)條件已經(jīng)給出，為方便設(shè)計(jì)，現(xiàn)將在定性溫度下流體物性列于附表 1 1 中： 流體 流程安 排 定性溫度（） 密度（ kg/m3） 比熱容KJ/(kg.) 黏度 （ Pa.s） 導(dǎo)熱系數(shù)KJ/(m. ) 液化液 殼程 77.5 1076 1.8 1.42 10-3 0.15 冷卻水 管程 38 994.3 4.174 0.742 10-3 0.624 附表 1 1 殼程和管程流體的有關(guān)物理性質(zhì)數(shù)據(jù) （ 4）、設(shè)計(jì)方案思路 第三章 設(shè)備計(jì)算及 設(shè)計(jì) 一、傳熱面積的估算 1、 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水的流量 按照設(shè)計(jì)任務(wù)， 液化液處理量： 100000 噸 /年 班號(hào) 10000 噸 /年 學(xué)號(hào) 100噸 /年，而本人學(xué)號(hào)為 11號(hào)，故設(shè)計(jì)的處理量為 ： 年噸 /1 1 1 1 0 0100111 0 0 0 011 0 0 0 0 0 W 而年開工時(shí)間為 8000 小時(shí)，所以實(shí)際 設(shè)計(jì)的處理量為 ： hkgh kg /138888000 101 1 1 1 0 0 W 3h 根據(jù)0S選用換熱器型號(hào) 選取一合適 K 計(jì) 算 實(shí) 際 的sosiic RRK , 0 mcc tKQA 需由傳熱任務(wù)確定換熱器型式、流程并計(jì)算 Q、mt確定傳熱面積 20 mtKQS面積裕度需需實(shí)ccp A AAH 1520% 選用結(jié)果 計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降 否 是 N Y K 不符 K 符 熱負(fù)荷量 WTTCWQ phh 2430403600 )6095(108.113888)( 321 所需冷卻水的流量： hkgttcQwpcc/26202)3442(10174.4 360024304 0)( 312 2、平均 傳熱溫差 先按逆流來計(jì)算，由逆流時(shí)的平均溫差公式： Ctttttm9.3734604295ln)3460()4295(ln1212 而 P= 13.0349581112 tT ttR= 4.4344260951221 tt TT按單殼程結(jié)構(gòu)，查溫度校正系數(shù)表得溫度校正系數(shù)： 97.0t故平均傳熱溫差： Cttmtm 36 .7637 .90. 97 2、 估算傳熱面積 根據(jù)兩流體的情況，假設(shè) K=310W/( k)。 故估算的傳熱面積為： 20 2176.36310 2 4 3 0 4 0 mtK QSm 二、交換器結(jié)構(gòu)尺寸選擇 1確定殼程數(shù) 由以上的計(jì)算表明，由于平均傳熱溫差校正系數(shù) 8.097.0 t并且殼程流體流量比較大，故取單殼程合適。 2管徑和管程流速 我國目前試用的管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)僅有 mmmm 5.225 及mmmm 219 兩種規(guī)格的管 子，故可選用前者 mmmm 5.225 規(guī)格的管子，其傳熱管子可以選擇不銹鋼材料。 流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對(duì)于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn) ，在選擇換熱器管程流速時(shí)，一般的液體是 0.53 m/s,對(duì)于容易結(jié)垢的液體則 1.0 m/s，故可取管程流速 smui /05.1。 3管程數(shù)和傳熱管數(shù)的確定 由iicc udVn24可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)： 20.2205.102.0414.33.99436002620244222iiciiccudwudVn取為 23 根 假 設(shè) 按 照 單 程 管 計(jì) 算 ， 所 需 的 傳 熱 管 長 度 為 ：mndSLco6.11230 2 5.014.3 210 計(jì)算得的傳熱管 mL 6.11 長度過長，不便于清洗，且長管容易彎曲，故應(yīng)采用多管程結(jié)構(gòu)。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)管長為 6m,合理的換熱器長應(yīng)為 1.5m、 2m、3m 和 6m。系列標(biāo)準(zhǔn)中也采用這四種管長 。故根據(jù)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可取傳熱管長 ml 6 。 故管程數(shù) )(26 6.11 管程 lLN p。 傳熱管總根數(shù) )(46223 根pcT NnN4.傳熱管排列方法的確定 由于設(shè)計(jì)所需傳熱管總根數(shù)比較少， )(46 根TN ，故可以選用正方形的排列方式排列。雖然正方形的排列在同樣的管板面積上可配置的傳熱管最少，但是其優(yōu)點(diǎn)突出的是，該排列方式便于清洗列 管的外壁，也適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合。所以選用正方形的排列，如右圖 1-5 所示： 取管心距 t=1.25d0，則 t=1.25 25=32 隔板中心到離其最近一排管中心距離 可以按下式計(jì)算： S=t/2+6=32/2+6=22 故各程相鄰管的管心距為 44 。 5外殼殼體內(nèi)徑的確定 初步設(shè)計(jì)可按照下式計(jì)算殼體的內(nèi)徑，即： /1. 05 tDTN其中 為管板利用率，對(duì)于傳熱管以正方形排列 ， 2 管程其范圍為 =0.550.7 故可取利用率 =0.55，則殼體內(nèi)徑為： )(307.5 50/46321 .0 5D mm 卷制殼體的公稱直徑一般是以 400mm 為基數(shù)，以 100mm 為進(jìn)檔，故可取 )(400D mm 6折流板的選取 為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍動(dòng) 程度大為增加。 一般是采用弓形折流板，如右圖 1-6 所示，由于弓形折流板切去圓缺高度一般是殼體內(nèi)徑的 10%40%，常用值為 20%25%。故可取為 20%，則切去的圓缺高度為： h=0.2 400=80mm 取折流板間距 B=0.3D， 則 B=0.3 400=120 mm 折流板數(shù)目 NB= 塊94112060001 Bl7接管的選取 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液化液流速為 u1=0.8m/s，則接管內(nèi)徑為 0 7 5 6 ( m ).00 .814.3 1 0 7 6 )3 6 0 0/(1 3 8 8 844VD 1 圓整后可取管內(nèi)徑為 76mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速 u2=2.0m/s，則接管內(nèi)徑為 )(0682.00.214.3 )3.9943600/(2620242 mD 圓整后去管內(nèi)徑為 68mm。 圖 1-6 折流板的選取與排列 圖 1-5 正方形的排列方式 三、換熱器核算 1核算壓強(qiáng)降 （ 1）、管程壓強(qiáng)降核算 管程流體阻力：pcti NNFppp )( 21 串聯(lián)的殼程數(shù)： 1cN， 管程數(shù)： 2pN對(duì)于 mmmm 5.225 的管子，tF=1.4 管程流通面積： 222 007 2 2.024602.0414.34 mNdA pcii n 故 smAVuici /014.100722.0 )3.9943600/(26202 )(4 0 0 02 7 1 7 610742.0 3.994014.1020.0Re 3 流動(dòng)類型為湍流 iii ud 設(shè)管壁粗糙度 ,1.0 mm 故相對(duì)粗糙度 ,00 5.020 1.0 mmd i 由d Re關(guān)系圖中查得： 032.0 ，而流速 u=1.014m/s, 3/3.994 mkg 代入相應(yīng)公式得： PaudLp 49072 014.13.99402.0 6032.02 221 Paup 15342 014.13.99432 222 Pap i 180344.12)15344907( 1520% 時(shí)，所選換熱器適宜，否則重選 (重復(fù)步驟 2， 3， 4)，直至滿足要求為止。 (6)必要時(shí)進(jìn)行方案對(duì)比，找出最經(jīng)濟(jì)合理的換熱方案。 二、設(shè)計(jì)討論 在設(shè)計(jì)計(jì)算中，要特別注意對(duì)管、殼程壓降，總傳熱系數(shù) K， 面積裕度為 H進(jìn)行核算， 如果合算結(jié)果不在 合理范圍內(nèi)，必須調(diào)整相應(yīng)設(shè)計(jì)。即 換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降不大于 30Kpa， 總傳熱系數(shù) K與假設(shè) K0必須滿足 K/K0=1.15 1.25之間，而 換熱器的面積裕度大于 15%20%，這是都是考慮到生產(chǎn)安全的問題，如果不設(shè)計(jì)好，對(duì)生產(chǎn)過程中可能會(huì)帶來一定的危險(xiǎn)性。所以，在換熱器設(shè)