螺旋纏繞管換熱器在深冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：先進(jìn)的設(shè)備使用不僅僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，更能保證工藝運(yùn)行安全可靠，有效地保護(hù)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(jié)構(gòu)上論述彈性管束有效補(bǔ)償熱應(yīng)力破壞及螺旋纏繞湍流換熱節(jié)能高效，成為制藥行業(yè)深冷系統(tǒng)的新工藝、新設(shè)備。

關(guān)鍵詞：深冷系統(tǒng)、換熱器、彈性管束、湍流換熱、換熱系數(shù)

引言：深冷系統(tǒng)就是應(yīng)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(tài)，使料液低溫狀態(tài)下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，管殼式換熱器作為通用設(shè)備在此工藝中得到廣泛應(yīng)用，隨著科技水平的進(jìn)步，換熱設(shè)備的發(fā)展也得到不同程度的提高，每種換熱器的研究發(fā)展都是如何保證換熱器的運(yùn)行安全可靠、節(jié)約能源是研究發(fā)展的重中之重。冷源為液氮。而空氣中含有78%的氮?dú)?，因此，液氮的制取十分方便，可以說是取之不盡的一種環(huán)保能源。另外，由于采用液氮制冷，不再使用壓縮機(jī)和水冷卻器，所以，噪聲低、運(yùn)行可靠，無需心臟部件的維護(hù)保養(yǎng)，維修簡單，同時耗電減少50%以上，這將會給企業(yè)帶來長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)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(xiàn)象，所以在換熱過程產(chǎn)生中換熱設(shè)備的溫度應(yīng)力是設(shè)備設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)；另外用于深冷系統(tǒng)對于設(shè)備的選用材料及制造工藝也有嚴(yán)格的要求。

換熱系數(shù)的提高，可以有效地減少設(shè)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(shù)是根據(jù)流體力學(xué)、及傳熱學(xué)技術(shù)的綜合研究利用，也是節(jié)能降耗的具體措施。

一、目前深冷系統(tǒng)換熱設(shè)備的應(yīng)用狀況   

現(xiàn)有的深冷反應(yīng)冷媒的冷卻主要采用的是傳統(tǒng)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(shè)置膨脹節(jié)；設(shè)備性能差、換熱系數(shù)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(yīng)為例：物料化學(xué)反應(yīng)須在-60℃的條件下進(jìn)行，反應(yīng)性質(zhì)/批量等描述

（1）反應(yīng)釜：總?cè)莘e500L；冷媒循環(huán)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(huán)泵：流量12.5t/h；

1.由上述工藝條件可知，完成該反應(yīng)冷卻劑的循環(huán)利用量是實(shí)際需求量的3～5倍，即本來500L的反應(yīng)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(huán)及循環(huán)冷卻槽100L總計需要300L-350L就可以滿足要求；由于傳統(tǒng)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(tǒng)的正常循環(huán)，需要填充至少900L的冷卻劑，為保證反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)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(fèi)，再加上內(nèi)外溫差達(dá)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(fèi)。導(dǎo)致目前制冷系統(tǒng)制冷劑的冷量利用率不到40%，可以說浪費(fèi)嚴(yán)重。

2. 由于使用環(huán)境的因素，用于-20℃以下的設(shè)備材質(zhì)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(yán)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(jié)采用304L不銹鋼，殼程及管板采用16MnDR材質(zhì)，在材料選擇上雖符合技術(shù)要求，但在焊接材料及焊接技術(shù)方面卻掌握不好，殼程膨脹節(jié)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(hù)焊，致使膨脹節(jié)的焊縫在使用中多次發(fā)生低溫脆化而開裂，不得不停車復(fù)焊檢修；在管子與管板的連接上采用了強(qiáng)度脹接加強(qiáng)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(shù)比碳鋼的膨脹系數(shù)大，使用中過度脹接的管子在管板處出現(xiàn)切口應(yīng)力而斷裂，該換熱器從投用一年來，發(fā)生斷管事件已有3次，只好在現(xiàn)場把斷管的管口堵死后繼續(xù)使用。

由于上述事故已嚴(yán)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(jié)構(gòu)的換熱管組成，在相同容積的殼體內(nèi)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(jié)構(gòu)的換熱管，換熱管束的軸向膨脹與收縮呈自由狀態(tài)，換熱器管程與殼程不存在溫度與溫差應(yīng)力；彈性管束螺紋纏繞換熱器材質(zhì)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(dá)到-196℃。

這種彈性管束螺紋纏繞換熱器與傳統(tǒng)列管式換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、換熱系數(shù)高，熱效率高

換熱器獨(dú)特的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，流體湍流狀態(tài)非常明顯，雷諾數(shù)大大提高了2-3倍，換熱系數(shù)高達(dá)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(shù)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(yè)的冷凝器，換熱面積：64㎡；安裝尺寸：800*2620mm；經(jīng)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(jié)約安裝費(fèi)用，縮短安裝工期的優(yōu)勢。

3彈性管束設(shè)計，彈性強(qiáng)，應(yīng)力補(bǔ)償能力強(qiáng)，更安全

彈性螺旋纏繞管束換熱器使用全不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕性強(qiáng)

從安全角度看，彈性管束設(shè)計有效地對各種熱應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償，避免了因熱脹冷縮對換熱器的損壞，保證換熱設(shè)備的運(yùn)行安全可靠。結(jié)構(gòu)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(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢非常明顯，能夠安全、及時、高效、節(jié)能的為生產(chǎn)服務(wù)，可以作為制藥行業(yè)深冷系統(tǒng)的新工藝、新設(shè)備進(jìn)行推廣使用。

三、應(yīng)用業(yè)績：螺旋纏繞換熱器在液氮制冷項(xiàng)目中的成功應(yīng)用

1、大連某化工企業(yè)液氮蒸發(fā)器使用情況：

現(xiàn)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(jìn)口溫度-196℃。

2、濟(jì)南某精細(xì)化工有限公司使用情況：

管程：60%乙二醇，進(jìn)出口溫度-25/-40℃，流量4.83t/h；

殼程：液氮，進(jìn)出口溫度-196/-40℃，流量179kg/h，氮?dú)獬隹?40℃。

    氮?dú)怏w積流量：124m3/h，蒸發(fā)后流速10.4m/s

四、結(jié)語：通過冷凝器多次實(shí)驗(yàn)可以證明，應(yīng)用在液氮蒸發(fā)制冷的工藝具有以下幾點(diǎn)優(yōu)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(huán)境的反應(yīng)釜之間進(jìn)行移動，減少了低溫專用管線的安裝，降低了企業(yè)投資，節(jié)能高效。

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

（3）可根據(jù)貴方企業(yè)生產(chǎn)工藝的變化，隨時進(jìn)行溫度的調(diào)整，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率

（4）有效降低了高耗能制冷機(jī)組的使用頻率，降低了電能的消耗，有效降低了產(chǎn)品的運(yùn)行成本，提升企業(yè)綜合競爭實(shí)力

（5）通過乙醇間接對物料進(jìn)行降溫，有效避免了傳統(tǒng)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(huán)境的污染又為企業(yè)降低了損失

（6）冷凝器獨(dú)特的纏繞結(jié)構(gòu)可以有效提升換熱效率，相對傳統(tǒng)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(fā)生設(shè)備焊縫、管子開裂等損壞事故，循環(huán)冷卻劑使用量比原來減少60%以上，而且基本上不需要補(bǔ)充，液氮消耗量也有大幅減少，節(jié)能明顯；

      彈性螺旋纏繞管束換熱器在深冷行業(yè)的應(yīng)用業(yè)績表明，該類型換熱器比傳統(tǒng)列管式換熱器有無可比擬的優(yōu)勢，深冷系統(tǒng)運(yùn)行可靠性完全達(dá)到整個裝置同步的要求，而運(yùn)行費(fèi)用也大幅降低。彈性螺旋纏繞管束換熱設(shè)備在深冷行業(yè)推廣有非常積極的意義。