螺旋螺紋換熱器將助推制藥企業的節能減排

韓強

（SECESPOL國際集團山東鴻基換熱技術有限公司，山東濟南250022）

    摘要：分析了SECESPOL螺旋螺紋管換熱器的雙面強化傳熱效果設計，介紹了其在制藥企業的應用點及其節能減排特點。
    關鍵詞：換熱器；螺旋纏繞；安全；節能
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器（如圖1）為歐盟EU原裝進口產品，是SECESPOL國際集團結合波蘭格坦斯克理工大學及多個研究院傳熱技術之精華，于1988年發明生產的一種螺旋螺紋管換熱器。產品嚴格按照美國機械工程師（ASME）標準制造，是目前世界上最先進的管殼式換熱器之一。綜合其設計理論依據、結構特點、性能分析及客戶案例，可看到其同時具有安全、高效節能、體積小、表面光潔維護費用低、使用壽命長等特點，相對于傳統換熱器，其為具有劃時代意義的節能減排產品，這是通過國內上百家制藥企業應用印證的。

              
    1·螺旋螺紋管換熱器的設計
    1.1設計依據
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器依據以下的國際先進設計理論：（1）螺旋螺紋管設計，雙側強化傳熱設計；
    （2）利用歐文（OWEN）湍流抖振頻率準則原理，消除換熱器湍流抖振現象，熱應力自消除；（3）利用聲共鳴許用準則（Eisinger和Bevins準則），抑制聲駐波，降低運行噪音；（4）利用CFD（計算流體力學技術），FEM（有限元技術），提高計算精度。
    1.2設計及機理
    1.2.1材質
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器換熱管為316L不銹鋼，殼程為316L不銹鋼，以滿足不同物料的換熱要求。最高耐溫400℃，最高耐壓1.6 MPa。
    1.2.2螺紋管束
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱管采用雙螺紋管形式，該管束表面設計周期變化的環形螺紋，當換熱管內外物料流動時，由于流通截面和流動方向的不斷變化，沖擊層流底層，提高流體湍流強度和湍流的給熱能力。
    1.2.3換熱管螺旋纏繞結構
    換熱管束經特殊工藝加工成盤旋纏繞結構。換熱管束兩端通過先強度脹接后焊接的工藝固定在管板上，管束與管板封裝在換熱器殼體內，管板焊接在兩端封頭上。單位體積內增大換熱面積，經盤旋纏繞后的換熱管束拉伸后長度可達殼體長度的4～6倍，使熱媒體在換熱管內停留時間長，換熱更充分。雙側流體通過時，沿軸向運動，不斷改變流體運動方向。在螺紋管增加湍流強度的同時，再次強化傳熱，保持穩定連續的強化作用，使傳熱效果顯著提高。
    1.2.4專利100°連接方式
    SECESPOL螺旋螺紋纏繞換熱器在接管連接方式上有一項與眾不同的設計，即在兩端封頭上的兩個接管中心線間的角度α為100°（如圖2）。此設計對于提高換熱器的傳熱性能、降低結垢傾向都具有顯著的效果。該設計已獲得國家專利（專利號：ZL200620127384.4）。

               
    1.2.5非對稱流設計
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器管程殼程容積不相同，殼程容積最大能達到管程容積的4.2倍，以滿足醫藥、化工等各種不同復雜工況要求。
     1.2.6主設計目的
    傳熱系數是傳熱設備的一個重要技術指標，強化換熱表面對流傳熱是提高傳熱系數的有效措施。SECESPOL螺旋螺紋管換熱器通過以上的獨特結構設計，顯著提高了換熱系數，實現高效節能。
    2·螺旋螺紋管換熱器的性能
    2.1耐溫、耐壓，壽命長
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器的換熱管束和殼體采用不銹鋼材質，具有統一的膨脹系數，不會由于壓力和溫度變化而引起換熱器的變形。換熱器耐高溫、高壓，無需加裝減溫、減壓裝置，最高耐溫400℃，耐壓1.6 MPa。同時，嚴格按照美國機械工程師（ASME）標準設計制造，設計壽命為40年。
    2.2高效節能
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器，因其獨特的設計，顯著地提高換熱能力，尤其在有相變的換熱工況時，較傳統換熱器更有顯著優勢。在汽水交換如蒸汽加熱水的工況下，常規的管殼式換熱器換熱系數k值一般最高為6 000 W/（m·2℃），SECESPOL螺旋螺紋管換熱器其換熱系數k值可高達14 000 W/（m·2℃），是常規管殼式換熱器的3～7倍。實現熱量充分利用，節省能源。
    2.3體積小，重量輕，便于安裝
    相對于傳統換熱器體積龐大，笨重，需要大型吊裝而言，SECESPOL螺旋螺紋管換熱器的螺旋纏繞方式，使其結構緊湊，滿足相同熱負荷的工況時，SECESPOL螺旋螺紋管換熱器體積只有傳統管殼式換熱器的1/10左右，占地面積小，節省空間；同時也因為體積小、重量輕，更加便于安裝、拆卸，減少了安裝費用。圖3為螺旋螺紋管換熱器與傳統換熱器的對比。

             
    2.4結垢低，維護方便
    換熱器結垢會直接降低換熱效果，進而達不到工藝要求，影響生產，增加維護費用，因此盡量降低結構傾向是換熱器設計重要因素。
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器從以下方面來降低結垢傾向：（1）換熱過程降低溫度梯度，減少設備內部結垢因素；獨特的螺旋螺紋管長度是殼體的4～6倍，有效地減小了溫度梯度；（2）采用100°連接，可以使換熱器全部參與換熱，不留死角。也使流體自動沖刷管路，降低結垢傾向；（3）提高換熱管的表面光潔度，降低污垢系數；（4）采用螺旋纏繞結構，極大地改變流體的流動狀態，形成了強烈的湍流效果。由于流體是螺旋流動的，在離心力的作用下對管壁有較強的沖刷作用，因此不易結垢；（5）最關鍵是提高流速為5.5 m/（s傳統設計為1.2 m/s），起到不易結垢并且可以沖刷污垢作用。
     3·螺旋螺紋管換熱器的應用
    螺旋螺紋管換熱器在制藥行業可應用于反應釜蒸餾回流系統、精餾塔精餾回流系統、尾氣回收系統、干燥系統、高溫滅菌系統、CIP系統、發酵液或物料冷卻、純化水或物料加熱、注射液冷卻系統。
    某藥業有限公司按照原設計為四種物料的塔頂冷凝回流，根據醫藥設計院的原始設計，冷凝換熱量合計為10 874 kW，需要換熱面積總計1 058.7 m2，設備占地面積為800 m2。選用螺旋螺紋換熱器進行優化設計，在保證工藝需求的前提下，取得較高的經濟效益：（1）換熱面積大大降低，使用螺旋螺紋換熱器換熱面積為297.7 m2，是原設計的1/3左右，大大節約設備投資；（2）占地面積減少，采用螺旋螺紋換熱器占地面積不足400 m2，可以減少約400 m2的基建費用；（3）螺旋螺紋管換熱器體積小，安裝方便，安裝費用降低30%；（4）設備安裝方便，大大縮短了50%安裝工期。通過上述數據可知，螺旋螺紋管冷凝器性價比高，在醫藥中間體生產中物料的冷凝回流應用有很大優勢。該用戶應用后認為：冷凝效果好，充分體現了螺旋螺紋換熱器螺旋纏繞換熱管的高技術優勢；冷凝速度快（原5 000 L的反應釜6 h一個生產流程，采用螺旋螺紋管換熱器只需要4 h），大大提高了生產效率，同時因螺旋螺紋換熱器全焊接耐高壓的特點，大大減少了設備的檢修費用和工時。隨著節能減排工作的深入，目前如浙江東邦藥業公司、浙江昂利康制藥、新時代藥業、魯抗集團、新合成股份、石藥集團、華藥集團、瑞陽制藥、齊都制藥、華海制藥、無錫制藥等上百家企業都選用螺旋螺紋管換熱器，其均能在節能減排方面起到積極作用。
    4·結語
    綜上所述，SECESPOL螺旋螺紋管換熱器是實現了雙面強化傳熱的高效換熱器，同時具有安全、高效節能、體積小、維護費用低、使用壽命長等特點，相對于傳統換熱器其為具有劃時代意義的節能減排產品。但是，螺旋螺紋換管換熱器不能適用下述情況：（1）含Cl-量超標等對不銹鋼強腐蝕的物料；（2）物料加熱冷卻過程中易結晶造成換熱管嚴重堵塞的工況。
    [參考文獻]
    [1]賀匡國.化工容器及設備簡明設計手冊.北京：化學工業出版社，2002
    作者簡介：韓強（1983—），男，山東濟南人，工藝工程師，研究方向：制藥行業換熱技術。