XXX移動方向可逆的彩燈控制器設(shè)計

課程名稱： 移動方向可逆的彩燈控制器 系 部： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成時間： 設(shè)計報告 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)計的一個彩燈控制器， 控制紅綠黃三個燈，按一定規(guī)律依次閃亮，即由電子電路實(shí)現(xiàn)一個可正向循環(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組成部分，記錄了我 們在整個設(shè)計過程中對各部分電路設(shè)計方案的選擇、元器件的篩選、以及對它們的調(diào)試、對調(diào)試結(jié)果的分析等等。 二 設(shè)計內(nèi)容及要求 : 用電子電路設(shè)計一個彩燈控制器，控制紅綠黃三個燈，按一定規(guī)律依次點(diǎn)亮。由電子電路實(shí)現(xiàn)一個可正向循環(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，夜晚自動亮。 三 設(shè)計思路及原理 : 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 定時器組成的多 諧 振蕩器產(chǎn)生脈沖信號控制彩燈的逆向循環(huán)，同時經(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數(shù)器的 Down 端和 Up 端 ， 用來控制計數(shù)器的加法計數(shù)和減法計數(shù)。 每完成一次計數(shù)循環(huán)通過循環(huán)結(jié)束判別電路的判斷由加法計數(shù)改為減法計數(shù)，或由減法計數(shù)改為加法計數(shù)， 循環(huán) 往復(fù)。 最后， 由可逆計數(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、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定時器內(nèi)部， 2個比較器出發(fā)輸入端 6（ THR）和 2（ TRI）是接在一個端點(diǎn)上并跟電容 C連接，如果這個端點(diǎn)上的電容電壓 u變動，會同時導(dǎo)致兩個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， 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， U2=U6=（ 1/3）Vcc，輸出電壓為高電平 ， 同時放電管 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間和放電時間解出參數(shù)數(shù)值。 充電時間 T1： T1 =0.7(R1+R2)C=0.7 (10+40) 10=350ms 放電時間 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)樵瓉硪话耄@低頻率脈沖用來控制加法計數(shù)。 （四）計數(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，對于三輸入與門，只有當(dāng)輸入為 111 時輸出為 1，對于三 輸入或非門，只有當(dāng)輸入為 000 時輸出為 1。所以計數(shù)器只有輸出為 000或 111時，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)開始計數(shù)時， 74192首先進(jìn)行加法計數(shù)，此時圖示 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)而控制計數(shù)器的加法計數(shù)。 計數(shù)從 000開始逐漸增加， 當(dāng)計數(shù)達(dá)到 111時，由循環(huán)結(jié)束判別電路產(chǎn)生一個 1信號輸入 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)行減法計數(shù)。 在進(jìn)行減法計數(shù)時，控制 Up端的與非門輸出始終為 1，同時控制 Down端的與非門輸出由高頻率脈沖決定，進(jìn)而控制計數(shù)器的減法計數(shù)。 當(dāng)數(shù)值減到 000時，由循環(huán)結(jié)束判別電路產(chǎn)生一個 1信號控制 D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn) ，進(jìn)行加法計數(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，才會產(chǎn)生 1信號是 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 計數(shù)芯片時鐘脈沖輸入 CPD 倒計時時鐘脈沖輸入 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 終端倒計時輸出 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 計數(shù)器輸出信號與邏輯信號的關(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 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，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)的判定信號出現(xiàn)錯誤。 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)域使用到了兩個中心芯片 74138和 74192，而且這兩個芯片之間的聯(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，我們在做完光敏器件檢測電路和脈沖發(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 電路時我們遇到了困難，因?yàn)闆]有完整的認(rèn)識整塊芯片，所以在 接 入芯片后發(fā)現(xiàn)芯片不能輸出信號，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。 邏輯電路的運(yùn)算沒有發(fā)現(xiàn)問題，但是我們在正向循環(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)了比較多的時間才處理好。 在檢測故障時，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。整個過程耗時比較長，但是出現(xiàn)故障后這樣一步一步檢測，總能找到問題所在。 四心得體會及建議 outO T T2 T3outO T T2 T31 王義炎 電子課 程設(shè)計 這門實(shí)踐課程 ， 極大地提高了我的動手能力 ， 也 讓我體 會到了理論和實(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?，那線路的連接和調(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，接線路時很容易混淆，這就要求我們對芯片要有足夠的認(rèn)識，同時也要有足夠的耐心 ，這對于培養(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，我也體會到了理論與實(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)一個小錯誤將影響所有的結(jié)果，而且還很難檢查出來，這就對我們的實(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)給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識的機(jī)會，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路的調(diào)試再到最后電路的成型， 都對我們所學(xué)的知識進(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不對，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)計提供了一次難得機(jī)會鍛煉我們的動手能力。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，讓我們對科學(xué)實(shí)驗(yàn)有了更加深刻的認(rèn)識 ，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)計不僅對我們所學(xué)知識進(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 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 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 華中科技大學(xué)出版社 2004 年 食品工程原理 課 程 設(shè) 計 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 2.學(xué)生完成全部任務(wù)期 2010 年 1 月 4 日 限 : 3.設(shè)計數(shù)據(jù)說明 （ 1） 液化液處理量： 111100（ 噸 /年 ) （ 2） 年開工時： 8000小時。 （ 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 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)計要求 : （ 1）資料充分、完整，計算 正確。 （ 2）設(shè)計說明書書寫符合規(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）按時提交設(shè)計說明書。 （ 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 說 明 書 課程名稱： 食品工程原理課程設(shè)計 題 目： 雙酶法一水 -口服葡萄糖液化液冷卻換熱器設(shè)計 學(xué) 生： 黎冬平 學(xué) 號： 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 說 明 書 內(nèi) 容 目錄 第一章 緒論 (課程設(shè)計的目的、意義、綜述 ) 4 第二章 工藝流程及設(shè)計方案（確定設(shè)計方案） 6 第三章 設(shè)備計算及 設(shè)計 8 第四章 設(shè)計結(jié)果匯總表 15 第五章 設(shè)計說明及討論 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)計或選型時應(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 ,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)備中仍占有絕對優(yōu)勢。 本設(shè)計要用到的 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，稱為管程流體；另一種在管外流動，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管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。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，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 時的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力 又不太高時，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。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，造價較高。其結(jié)構(gòu)如 圖 1-3 所示： 第二章 工藝流程及設(shè)計方案 一、設(shè)計相關(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)計與選型是工程上一大重點(diǎn)問題。本設(shè)計是通過 雙酶法一水 -口服葡萄糖液化工藝流程，主要針對傳熱操作中 冷卻換熱器的設(shè)計。 二、設(shè)計方案 淀粉漿 涉及冷卻換熱器的設(shè)計 圖 1-3 浮頭式換熱器 C0105C095 600C 1、設(shè)計任務(wù) 設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計 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，年開工時間為 8000 小時，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)計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。 2設(shè)計方案的確定 （ 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。但這不是絕對的，如流動阻力損失允許，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，其進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，估計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)計條件已經(jīng)給出，為方便設(shè)計，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)計方案思路 第三章 設(shè)備計算及 設(shè)計 一、傳熱面積的估算 1、 計算熱負(fù)荷和冷卻水的流量 按照設(shè)計任務(wù)， 液化液處理量： 100000 噸 /年 班號 10000 噸 /年 學(xué)號 100噸 /年，而本人學(xué)號為 11號，故設(shè)計的處理量為 ： 年噸 /1 1 1 1 0 0100111 0 0 0 011 0 0 0 0 0 W 而年開工時間為 8000 小時，所以實(shí)際 設(shè)計的處理量為 ： hkgh kg /138888000 101 1 1 1 0 0 W 3h 根據(jù)0S選用換熱器型號 選取一合適 K 計 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 先按逆流來計算，由逆流時的平均溫差公式： 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，一般的液體是 0.53 m/s,對于容易結(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 算 ， 所 需 的 傳 熱 管 長 度 為 ：mndSLco6.11230 2 5.014.3 210 計算得的傳熱管 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，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)計可按照下式計算殼體的內(nèi)徑，即： /1. 05 tDTN其中 為管板利用率，對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)定路徑多次錯流通過管束，使湍動 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 流動類型為湍流 iii ud 設(shè)管壁粗糙度 ,1.0 mm 故相對粗糙度 ,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，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)必要時進(jìn)行方案對比，找出最經(jīng)濟(jì)合理的換熱方案。 二、設(shè)計討論 在設(shè)計計算中，要特別注意對管、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。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)計好，對生產(chǎn)過程中可能會帶來一定的危險性。所以，在換熱器設(shè)