先進的冷卻器使用不僅僅可以實現節能降耗，提高行業經濟效益，更能保證工藝運行安全可靠，有效地保護工人的人身安全，本文主要介紹一種新型彈性管束螺紋纏繞換熱器，從結構上論述彈性管束有效補償熱應力破壞及螺旋纏繞湍流換熱節能高效，成為制藥行業深冷系統的新工藝、新設備。

深冷系統就是應用于-20℃以下的工藝操作條件；在制藥工藝中利用一種制冷劑（液氮或氟利昂等）將溶媒（乙醇或乙二醇）冷卻到-15℃到-60℃的低溫狀態，使料液低溫狀態下進行化學反應，管殼式換熱器作為通用設備在此工藝中得到廣泛應用，隨著科技水平的進步，換熱設備的發展也得到不同程度的提高，每種換熱器的研究發展都是如何保證換熱器的運行安全可靠、節約能源是研究發展的重中之重。冷源為液氮。而空氣中含有78%的氮氣，因此，液氮的制取十分方便，可以說是取之不盡的一種環保能源。另外，由于采用液氮制冷，不再使用壓縮機和水冷卻器，所以，噪聲低、運行可靠，無需心臟部件的維護保養，維修簡單，同時耗電減少50%以上，這將會給企業帶來長遠的經濟效益。

換熱器的作用就是完成熱量傳遞的過程，在該過程有熱傳遞就有熱脹冷縮的現象，所以在換熱過程產生中換熱設備的溫度應力是設備設計的一個重要環節；另外用于深冷系統對于設備的選用材料及制造工藝也有嚴格的要求。

換熱系數的提高，可以有效地減少設備的體積，減少占地面積方便維修。如何提高換熱器換熱系數是根據流體力學、及傳熱學技術的綜合研究利用，也是節能降耗的具體措施。

一、目前深冷系統換熱設備的應用狀況  

現有的深冷反應冷媒的冷卻主要采用的是傳統管殼換熱器，換熱管采用不銹鋼、管板為低溫碳鋼，管程采用U形管或在殼程設置膨脹節；設備性能差、換熱系數小、殼程與管程容積大、換熱器體積龐大。

以制藥低溫溶媒反應為例：物料化學反應須在-60℃的條件下進行，反應性質/批量等描述

（1）反應釜：總容積500L；冷媒循環罐：100L；冷媒種類：乙醇；

（2）冷凝器：換熱面積：64㎡；安裝尺寸：800*2620mm；接口尺寸：DN125；

（3）循環泵：流量12.5t/h；

1.由上述工藝條件可知，完成該反應冷卻劑的循環利用量是實際需求量的3～5倍，即本來500L的反應釜夾套容積只有100L，需要填充冷卻劑理論需要100L，加上管道循環及循環冷卻槽100L總計需要300L-350L就可以滿足要求；由于傳統管殼式換熱器為保證工藝需要，選用的換熱器殼程容積為700L，為了保證制冷系統的正常循環，需要填充至少900L的冷卻劑，為保證反應釜內的反應溫度，就需要將900L的冷卻劑降低到-70℃，這樣就會消耗3倍的制冷劑，造成能源的極大浪費，再加上內外溫差達到90℃，通過換熱器表面積向空氣散失的冷量也很多，再次造成浪費。導致目前制冷系統制冷劑的冷量利用率不到40%，可以說浪費嚴重。

2. 由于使用環境的因素，用于-20℃以下的設備材質必須選用奧氏體不銹鋼、或含P≤0.025%/S≤0.015%的低溫用碳鋼，而且焊接的要求也極為嚴格，原來使用的管殼式換熱器換熱面積64㎡，液氮走管程，冷卻劑走殼程，換熱管與殼程膨脹節采用304L不銹鋼，殼程及管板采用16MnDR材質，在材料選擇上雖符合技術要求，但在焊接材料及焊接技術方面卻掌握不好，殼程膨脹節與殼程筒體的焊縫材料為H1Cr18Ni10，且焊接采用了手工電弧焊，而沒有采用氬氣保護焊，致使膨脹節的焊縫在使用中多次發生低溫脆化而開裂，不得不停車復焊檢修；在管子與管板的連接上采用了強度脹接加強度焊的方式，由于脹管操作不均勻使得有的管子脹接過度，再加上由于304L的膨脹系數比碳鋼的膨脹系數大，使用中過度脹接的管子在管板處出現切口應力而斷裂，該換熱器從投用一年來，發生斷管事件已有3次，只好在現場把斷管的管口堵死后繼續使用。

由于上述事故已嚴重影響到工藝操作，造成巨大損失。

二、新型彈性管束螺紋纏繞換熱器

    如圖所示，彈性管束螺紋纏繞換熱器是由多組、多層纏繞結構的換熱管組成，在相同容積的殼體內部能夠布的換熱管更多，單位容積的換熱面積更大；由于纏繞結構的換熱管，換熱管束的軸向膨脹與收縮呈自由狀態，換熱器管程與殼程不存在溫度與溫差應力；彈性管束螺紋纏繞換熱器材質及焊接材料全部采用奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼的使用溫度最低可達到-196℃。

這種彈性管束螺紋纏繞換熱器與傳統列管式換熱器具有以下優點：

1、換熱系數高，熱效率高

換熱器獨特的螺旋纏繞結構，流體湍流狀態非常明顯，雷諾數大大提高了2-3倍，換熱系數高達1000w/m2·℃，使換熱過程中的制冷劑能夠充分的釋放冷量，同樣被冷卻劑也能夠充分的吸收冷量，減少了熱量的損失。

 2、體積小，熱損失小

換熱器換熱系數高，提高了換熱過程中單位面積的換熱效率，使用很小的換熱面積就能夠滿足需求。體積小使比表面積大大減少，熱損失有效降低。上述企業的冷凝器，換熱面積：64㎡；安裝尺寸：800*2620mm；經改造替換為彈性螺旋纏繞管束換熱器體積僅如右圖所示，表面積縮小了8倍多，使冷量損失減少了87.5%。

從上圖還可以明顯的看出彈性螺旋纏繞管束換熱器體積小安裝方便，減少占地，節約安裝費用，縮短安裝工期的優勢。

3彈性管束設計，彈性強，應力補償能力強，更安全

彈性螺旋纏繞管束換熱器使用全不銹鋼材質，耐腐蝕性強

從安全角度看，彈性管束設計有效地對各種熱應力進行補償，避免了因熱脹冷縮對換熱器的損壞，保證換熱設備的運行安全可靠。結構如圖所示。

通過以上分析，可以看出彈性螺旋纏繞管束換熱器在深冷系統應用優勢非常明顯，能夠安全、及時、高效、節能的為生產服務，可以作為制藥行業深冷系統的新工藝、新設備進行推廣使用。

三、應用業績：螺旋纏繞冷卻器在液氮制冷項目中的成功應用

1、大連某化工企業液氮蒸發器使用情況：

現在利用（5.3㎡），原列管換熱器25㎡，選型換熱器5.3㎡。目前使用效果很好。

管程：酒精，出口溫度-70℃～ -80℃。

殼程：液氮，進口溫度-196℃。

2、濟南某精細化工有限公司使用情況：

管程：60%乙二醇，進出口溫度-25/-40℃，流量4.83t/h；

殼程：液氮，進出口溫度-196/-40℃，流量179kg/h，氮氣出口-40℃。

    氮氣體積流量：124m3/h，蒸發后流速10.4m/s

四、結語：通過冷凝器多次實驗可以證明，應用在液氮蒸發制冷的工藝具有以下幾點優勢：

（1）冷凝器體積小巧、方便安裝，可以較為靈活的在所需低溫環境的反應釜之間進行移動，減少了低溫專用管線的安裝，降低了企業投資，節能高效。

（2）有效建立靈活的深冷移動系統，避免傳統制冷系統中對大型乙醇槽的制冷，有效減少液氮的消耗量

（3）可根據貴方企業生產工藝的變化，隨時進行溫度的調整，提高企業的生產效率

（4）有效降低了高耗能制冷機組的使用頻率，降低了電能的消耗，有效降低了產品的運行成本，提升企業綜合競爭實力

（5）通過乙醇間接對物料進行降溫，有效避免了傳統直接通液氮的方式，徹底避免了液氮因氣化而帶出的少量物料，既減少了對環境的污染又為企業降低了損失

（6）冷凝器獨特的纏繞結構可以有效提升換熱效率，相對傳統換熱器能夠減少液氮消耗量

……在近二年的使用情況中，從未發生設備焊縫、管子開裂等損壞事故，循環冷卻劑使用量比原來減少60%以上，而且基本上不需要補充，液氮消耗量也有大幅減少，節能明顯；

      彈性螺旋纏繞管束換熱器在深冷行業的應用業績表明，該類型換熱器比傳統列管式換熱器有無可比擬的優勢，深冷系統運行可靠性完全達到整個裝置同步的要求，而運行費用也大幅降低。彈性螺旋纏繞管束換熱設備在深冷行業推廣有非常積極的意義。
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