1、螺旋螺纹换热器强化传热设计韩强SECESPOL 国际集团 山东鸿基 换热技术有限公司 摘 要：本文对 SECESPOL 螺旋螺纹换热器其设计双面强化传热效果进行了分析，介绍了其在制药企业的应用点及节能减排中的应用。SECESPOL 换热器为欧盟 EU 原装进口产品，是 SECESPOL 国际集团结合波兰格坦斯克理工大学及多个研究院传热技术之精华，于 1988 年发明生产的一种螺旋螺纹管换热器。产品严格按照美国机械工程师（ASME）标准制造，是目前世界上最先进的管壳式换热器之一。综合其设计理论依据，结构特点，性能分析及客户案例，它同时具有安全、高效节能、体积小、表面光洁维护费用低、使用寿命长等特
2、点，相对于传统换热器它是具有划时代意义的节能产品，通过国内上百家制药企业的应用，在节能减排中起到了重要的作用。关键词：换热器 螺旋缠绕 安全 节能一.设计依据：SECESPOL 换热器较传统换热器，依据国际先进设计理论，计算准确，设计合理。1. 螺旋螺纹管设计，双侧强化传热设计。2. 利用欧文（OWEN）湍流抖振频率准则原理，消除换热器湍流抖振现象，热应力自消除。3. 利用声共鸣许用准则（Eisinger 准则和 Bevins 准则） ，抑制声驻波，降低运行噪音。4. 利用 CFD（计算流体力学技术） ，FEM（有限元技术） ，提高计算精度。二.独特设计及机理：传热系数是传热设备的一个重要技术
3、指标，强化换热表面对流传热是提高传热系数的有效措施。SECESPOL 换热器通过独特的结构设计，显著提高换热系数，实现高效节能。1. 材质：SECESPOL 全不锈钢换热器，换热管为不锈钢 316L 材质，壳程为不锈钢316 材质，以满足不同复杂物料的换热要求。最高耐温 400，最高耐压1.6Mpa。换热管壁厚 0.6mm。2. 螺纹管束：SECESPOL 换热管采用高效不锈钢双螺纹管。该管束表面设计周期变化的环形螺纹，当换热管内外物料流动时，由于流通截面和流动方向的不断变化，破坏层流底层，提高流体湍流强度和湍流的给热能力。3. 换热管螺旋缠绕结构：换热管束经特殊工艺加工成盘旋缠绕结构。换热管
4、束两端通过先强度胀接后焊接的工艺固定在管板上，管束与管板封装在换热器壳体内，管板焊接在两端封头上。单位体积内增大换面积，经盘旋缠绕后的换热管束拉伸后长度可达壳体长度的 4-6 倍，使热媒体在换热管内停留时间长，换热更充分。双侧流体通过时，沿轴向运动，不断改变流体运动方向。在螺纹管增加湍流强度的同时，再次强化传热，保持稳定连续的强化作用，使传热效果显著提高。4. 专利 100连接方式：SECESPOL 螺旋螺纹缠绕换热器在接管连接方式上有一项与众不同的设计，即在两端封头上的两个接管中心线间的角度 为 100（如图所示） 。此设计对于提高换热器的传热性能、降低结垢倾向都具有显著的效果。该设计已获得
5、中华人民共和国国家知识产权局颁发的外观设计专利证书(专利号: ZL200620127384.4)。5. 非对称流设计：SECESPOL 换热器管程壳程容积不相同，壳程容积最大能达到管程容积的 4.2 倍，以满足医药，化工等各种不同复杂工况要求。三.性能分析：1. 全不锈钢材质，耐高温、高压，设计寿命长达 40 年SECESPOL 换热器的换热管束和壳体采用不锈钢 316（0Cr17Ni12Mo2）、316L（00Cr17Ni14Mo2）材质，具有统一的膨胀系数，不会由于压力和温度变化而引起换热器的变形。换热器耐高温、高压，无需加装减温减压装置，最高耐温 400，耐压 1.6Mpa。SECESP
6、OL 换热器严格按照美国机械工程师（ASME）标准设计制造，设计寿命为 40 年.2. 高效节能SECESPOL 换热器，整体先进的设计，显著提高换热能力，尤其在有相变的换热工况，较传统换热器有显著性能优势。在汽水交换如蒸汽加热水的工况下，常规的管壳式换热器换热系数 k 值一般最高为 6000 w/（），SECESPOL 换热器其换热系数 k 值可高达 14000w/（），是常规管壳式换热器的 3-7 倍。实现热量充分利用，节省能源。3. 结构紧凑，体积小，重量轻，便于安装相对于传统换热器体积庞大，笨重，需要大型吊装而言，SECESPOL 换热器螺旋缠绕方式，结构紧凑，满足相同热负荷的工况时，
7、SECESPOL 换热器体积只有传统管壳式换热器的 1/10 左右，占地面积小，节省空间；同时也因为体积小、重量轻，更加便于安装、拆卸，减少了安装费用。4. 结垢倾向低，维护方便换热器结垢会直接降低换热效果，进而达不到工艺要求，影响生产，增加维护费用，因此尽量降低结构倾向是换热器设计重要因素。SECESPOL 从以下方面来降低结垢倾向。换热过程降低温度梯度，减少设备内部结垢因素；SECESPOL 换热器独特的螺旋螺纹管长度是壳体的 46 倍，有效的减小了温度梯度。采用 100 度连接，可以使换热器全部参与换热，不留死角；使流体自动冲刷管路，降低结垢倾向；提高换热管的表面光洁度，降低污垢系数；采
8、用螺旋缠绕结构，极大的改变流体的流动状态，形成了强烈的湍流效果；由于流体是螺旋流动的，流体在离心力的作用下对管壁有较强的冲刷作用，因此不易结垢.最关键是提高流速为 5.5m/s（传统设计为 1.2m/s）起到不易结垢并且可以冲刷污垢；是换热器不易结垢的主要原因；四.SECESPOL 现有产品系列JAD 系列（螺旋缠绕） B 系列（螺纹直管） H 系列（螺旋缠绕）五.制药行业应用点1. 反应釜蒸馏、回流系统2. 精馏塔精馏、回流系统3. 尾气回收系统4. 烘干干燥系统5. 高温灭菌系统6. CIP 清洗系统7. 发酵液，物料冷却 8. 纯化水，物料加热9. 注射液冷却系统六.应用实例分析右图是某
9、药业有限公司原料药生产车间俯览图,按照原设计为四种物料的塔顶冷凝回流,根据医药设计院的原始设计，冷凝换热量合计为 10874KW,需要换热面积总计 1058.7 平方米,设备占地面积为 800 平方米选用螺旋螺纹换热器进行优化设计,在保证工艺需求的前提下,优化设计如下,取得较高的经济效益:1.换热面积大大降低，使用螺旋螺纹换热器换热面积为 297.7 平方米，是原设计的 1/3 左右，大大节约设备投资；2.占地面积减少，采用螺旋螺纹换热器，占地面积不足 400 平方米，可以减少约 400 平方米的基建费用；3.螺旋螺纹换热器体积小，安装方便，安装费用降低 30%；4.设备安装方便，大大缩短了
10、50%安装工期。通过上述数据分析可知，螺旋螺纹螺旋螺纹管冷凝器性价比高，在医药中间体生产中物料的冷凝回流应用有很大优势。以上优势是换热器结构本身体现的特点，通过该用户的实际应用的评价：冷凝效果好，充分体现了螺旋螺纹换热器螺旋缠绕换热管的高技术优势；冷凝速度快（原5000L 的反应釜 6 小时一个生产流程，采用螺旋螺纹冷凝器只需要 4 个小时），大大提高了生产效率，同时因螺旋螺纹换热器全焊接耐高压的特点，大大减少了设备的检修费用和工时，又是制药企业节能降耗的具体应用。山东聊城某药业集团减压蒸馏甲苯工艺的应用情况:原工艺甲苯蒸汽从 110冷凝冷却到45，采用二级冷凝，一级冷凝器换热面积42，二级冷
11、却器换热面积 28。采用secespol 冷凝器后，选用一台 JADX9.88，换热面积只有 10.8，而冷凝温度比原工艺低了 3，实际甲苯的回收率提高了 2%。该换热器体积是原设备的 1/20，安装费用减少 80%。随着节能减排工作的深入，目前像浙江东邦药业公司、浙江昂利康制药、新时代药业、鲁抗集团、新合成股份、石药集团、华药集团、瑞阳制药、齐都制药、华海制药、无锡制药等上百家企业都选用螺旋螺纹冷凝器，都在节能减排工作发挥了积极作用。七.存在的问题1. 对于含 cl-等对不锈钢强腐蚀的物料，SECESPOL 换热器不适用。2. 对于物料加热冷却过程中，易结晶造成换热管严重堵塞的工况，SECESPOL 换热器不适用。八.结语综上所述，SECESPOL 螺旋缠绕换热器实现了双面强化传热的高效换热器，它同时具有安全、高效节能、体积小、表面光洁维护费用低、使用寿命长等特点，相对于传统换热器它是具有划时代意义的节能产品，通过国内上百家制药企业的应用，在节能减排中起到了非凡的作用。
