螺旋缠绕管式换热器的应用

      众所周知换热器已经广泛的应用于各行各业，它是决定企业能耗水平的主导性因素之一，也是行业节能挖潜的关键设备。

传热现象是由温度差引起的能量转移，即以温度差为动力而产生的能量由高温向低温进行传递的过程。螺旋缠绕管式换热器是管壳式换热器之一。综合其设计理论依据，结构特点，性能分析，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。本文将通过国内各行业的应用实例，来展现螺旋缠绕管式换热器在节能减排中起到的重要作用。

一.设计依据：

螺旋缠绕管式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指标，强化换热表面对流传热是提高传热系数的有效措施。螺旋缠绕管式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：

   螺旋缠绕管式换热器，换热管为不锈钢316L材质，壳程为不锈钢304材质，以满足不同复杂物料的换热要求。耐温300℃，耐压1.6Mpa。

2.   螺纹管束：

螺旋缠绕管式换热器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。同时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.   接管中心线间90°连接方式：

螺旋缠绕管式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90°。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。

5.非对称流设计：

  螺旋缠绕管式换热器管程壳程容积不相同，壳程容积能达到管程容积的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

   螺旋缠绕管式换热器的换热管束和壳体采用不锈钢304、316L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，耐温300℃，耐压1.6Mpa。

2. 高效节能

   螺旋缠绕管式换热器，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值一般可达为6000 w/（㎡·℃），螺旋缠绕管式换热器其换热系数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，螺旋缠绕管式换热器螺旋缠绕方式，结构紧凑，满足相同热负荷的工况时，螺旋缠绕管式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。螺旋缠绕管式换热器从以下方面来降低结垢倾向。

⑴换热过程降低温度梯度，减少设备内部结垢因素；螺旋缠绕管式换热器独特的螺旋螺纹管长度是壳体的4～6倍，有效的减小了温度梯度。

⑵采用90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；

⑶提高换热管的表面光洁度，降低污垢系数；

⑷采用螺旋缠绕结构，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.

⑸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、实例介绍

某药业有限公司原料药生产车间,按照原设计为四种物料的塔顶冷凝回流,根据原始设计，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

    选用螺旋缠绕管式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，使用螺旋缠绕管式换热器换热面积为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，采用螺旋缠绕管式换热器，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）. 螺旋缠绕管式换热器体积小，安装方便，安装费用降低30%；

（4）.设备安装方便，大大缩短了50%安装工期。

通过上述数据分析可知，螺旋缠绕管式换热器性价比高，在原料药生产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，同时因螺旋缠绕管式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。

随着节能减排工作的深入，目前像科伦药业、齐鲁制药、石药集团、华药集团等企业都选用螺旋缠绕管式换热器，都在节能减排工作发挥了积极作用。

综上所述，螺旋缠绕管式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，在原料药生产车间的设计中合理选用高效换热器，不仅在平面布局的设计、管道的布置中具有相应的优势，而且在实际安装和生产中便捷、高效。