螺旋螺紋換熱器將助推制藥企業(yè)的節(jié)能減排

韓強

（SECESPOL國際集團山東鴻基換熱技術(shù)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(shè)計，介紹了其在制藥企業(yè)的應(yīng)用點及其節(jié)能減排特點。
    關(guān)鍵詞：換熱器；螺旋纏繞；安全；節(jié)能
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器（如圖1）為歐盟EU原裝進口產(chǎn)品，是SECESPOL國際集團結(jié)合波蘭格坦斯克理工大學(xué)及多個研究院傳熱技術(shù)之精華，于1988年發(fā)明生產(chǎn)的一種螺旋螺紋管換熱器。產(chǎn)品嚴(yán)格按照美國機械工程師（ASME）標(biāo)準(zhǔn)制造，是目前世界上最先進的管殼式換熱器之一。綜合其設(shè)計理論依據(jù)、結(jié)構(gòu)特點、性能分析及客戶案例，可看到其同時具有安全、高效節(jié)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(tǒng)換熱器，其為具有劃時代意義的節(jié)能減排產(chǎn)品，這是通過國內(nèi)上百家制藥企業(yè)應(yīng)用印證的。

              
    1·螺旋螺紋管換熱器的設(shè)計
    1.1設(shè)計依據(jù)
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器依據(jù)以下的國際先進設(shè)計理論：（1）螺旋螺紋管設(shè)計，雙側(cè)強化傳熱設(shè)計；
    （2）利用歐文（OWEN）湍流抖振頻率準(zhǔn)則原理，消除換熱器湍流抖振現(xiàn)象，熱應(yīng)力自消除；（3）利用聲共鳴許用準(zhǔn)則（Eisinger和Bevins準(zhǔn)則），抑制聲駐波，降低運行噪音；（4）利用CFD（計算流體力學(xué)技術(shù)），F(xiàn)EM（有限元技術(shù)），提高計算精度。
    1.2設(shè)計及機理
    1.2.1材質(zhì)
    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(shè)計周期變化的環(huán)形螺紋，當(dāng)換熱管內(nèi)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(jié)構(gòu)
    換熱管束經(jīng)特殊工藝加工成盤旋纏繞結(jié)構(gòu)。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(nèi)，管板焊接在兩端封頭上。單位體積內(nèi)增大換熱面積，經(jīng)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(nèi)停留時間長，換熱更充分。雙側(cè)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(wěn)定連續(xù)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(shè)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(shè)計對于提高換熱器的傳熱性能、降低結(jié)垢傾向都具有顯著的效果。該設(shè)計已獲得國家專利（專利號：ZL200620127384.4）。

               
    1.2.5非對稱流設(shè)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(yī)藥、化工等各種不同復(fù)雜工況要求。
     1.2.6主設(shè)計目的
    傳熱系數(shù)是傳熱設(shè)備的一個重要技術(shù)指標(biāo)，強化換熱表面對流傳熱是提高傳熱系數(shù)的有效措施。SECESPOL螺旋螺紋管換熱器通過以上的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯著提高了換熱系數(shù)，實現(xiàn)高效節(jié)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(zhì)，具有統(tǒng)一的膨脹系數(shù)，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(yán)格按照美國機械工程師（ASME）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造，設(shè)計壽命為40年。
    2.2高效節(jié)能
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器，因其獨特的設(shè)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(tǒng)換熱器更有顯著優(yōu)勢。在汽水交換如蒸汽加熱水的工況下，常規(guī)的管殼式換熱器換熱系數(shù)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(shù)k值可高達14 000 W/（m·2℃），是常規(guī)管殼式換熱器的3～7倍。實現(xiàn)熱量充分利用，節(jié)省能源。
    2.3體積小，重量輕，便于安裝
    相對于傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)管殼式換熱器的1/10左右，占地面積小，節(jié)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(tǒng)換熱器的對比。

             
    2.4結(jié)垢低，維護方便
    換熱器結(jié)垢會直接降低換熱效果，進而達不到工藝要求，影響生產(chǎn)，增加維護費用，因此盡量降低結(jié)構(gòu)傾向是換熱器設(shè)計重要因素。
    SECESPOL螺旋螺紋管換熱器從以下方面來降低結(jié)垢傾向：（1）換熱過程降低溫度梯度，減少設(shè)備內(nèi)部結(jié)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(jié)垢傾向；（3）提高換熱管的表面光潔度，降低污垢系數(shù)；（4）采用螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，極大地改變流體的流動狀態(tài)，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(jié)垢；（5）最關(guān)鍵是提高流速為5.5 m/（s傳統(tǒng)設(shè)計為1.2 m/s），起到不易結(jié)垢并且可以沖刷污垢作用。
     3·螺旋螺紋管換熱器的應(yīng)用
    螺旋螺紋管換熱器在制藥行業(yè)可應(yīng)用于反應(yīng)釜蒸餾回流系統(tǒng)、精餾塔精餾回流系統(tǒng)、尾氣回收系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、高溫滅菌系統(tǒng)、CIP系統(tǒng)、發(fā)酵液或物料冷卻、純化水或物料加熱、注射液冷卻系統(tǒng)。
    某藥業(yè)有限公司按照原設(shè)計為四種物料的塔頂冷凝回流，根據(jù)醫(yī)藥設(shè)計院的原始設(shè)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(shè)備占地面積為800 m2。選用螺旋螺紋換熱器進行優(yōu)化設(shè)計，在保證工藝需求的前提下，取得較高的經(jīng)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(shè)計的1/3左右，大大節(jié)約設(shè)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(shè)備安裝方便，大大縮短了50%安裝工期。通過上述數(shù)據(jù)可知，螺旋螺紋管冷凝器性價比高，在醫(yī)藥中間體生產(chǎn)中物料的冷凝回流應(yīng)用有很大優(yōu)勢。該用戶應(yīng)用后認為：冷凝效果好，充分體現(xiàn)了螺旋螺紋換熱器螺旋纏繞換熱管的高技術(shù)優(yōu)勢；冷凝速度快（原5 000 L的反應(yīng)釜6 h一個生產(chǎn)流程，采用螺旋螺紋管換熱器只需要4 h），大大提高了生產(chǎn)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(shè)備的檢修費用和工時。隨著節(jié)能減排工作的深入，目前如浙江東邦藥業(yè)公司、浙江昂利康制藥、新時代藥業(yè)、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(yè)都選用螺旋螺紋管換熱器，其均能在節(jié)能減排方面起到積極作用。
    4·結(jié)語
    綜上所述，SECESPOL螺旋螺紋管換熱器是實現(xiàn)了雙面強化傳熱的高效換熱器，同時具有安全、高效節(jié)能、體積小、維護費用低、使用壽命長等特點，相對于傳統(tǒng)換熱器其為具有劃時代意義的節(jié)能減排產(chǎn)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(biāo)等對不銹鋼強腐蝕的物料；（2）物料加熱冷卻過程中易結(jié)晶造成換熱管嚴(yán)重堵塞的工況。
    [參考文獻]
    [1]賀匡國.化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊.北京：化學(xué)工業(yè)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(yè)換熱技術(shù)。