先进的设备使用不仅仅可以实现节能降耗，提高行业经济效益，更能保证工艺运行安全可靠，有效地保护工人的人身安全，本文主要介绍一种新型弹性管束螺纹缠绕冷却器，从结构上论述弹性管束有效补偿热应力破坏及螺旋缠绕湍流换热节能高效，成为制药行业深冷系统的新工艺、新设备。

深冷系统就是应用于-20℃以下的工艺操作条件；在制药工艺中利用一种制冷剂（液氮或氟利昂等）将溶媒（乙醇或乙二醇）冷却到-15℃到-60℃的低温状态，使料液低温状态下进行化学反应，管壳式冷却器作为通用设备在此工艺中得到广泛应用，随着科技水平的进步，换热设备的发展也得到不同程度的提高，每种冷却器的研究发展都是如何保证冷却器的运行安全可靠、节约能源是研究发展的重中之重。冷源为液氮。而空气中含有78%的氮气，因此，液氮的制取十分方便，可以说是取之不尽的一种环保能源。另外，由于采用液氮制冷，不再使用压缩机和水冷却器，所以，噪声低、运行可靠，无需心脏部件的维护保养，维修简单，同时耗电减少50%以上，这将会给企业带来长远的经济效益。

冷却器在深冷系统中的应用

冷却器的作用就是完成热量传递的过程，在该过程有热传递就有热胀冷缩的现象，所以在换热过程产生中换热设备的温度应力是设备设计的一个重要环节；另外用于深冷系统对于设备的选用材料及制造工艺也有严格的要求。

换热系数的提高，可以有效地减少设备的体积，减少占地面积方便维修。如何提高冷却器换热系数是根据流体力学、及传热学技术的综合研究利用，也是节能降耗的具体措施。

一、目前深冷系统换热设备的应用状况  

现有的深冷反应冷媒的冷却主要采用的是传统管壳冷却器，换热管采用不锈钢、管板为低温碳钢，管程采用U形管或在壳程设置膨胀节；设备性能差、换热系数小、壳程与管程容积大、冷却器体积庞大。

以制药低温溶媒反应为例：物料化学反应须在-60℃的条件下进行，反应性质/批量等描述

（1）反应釜：总容积500L；冷媒循环罐：100L；冷媒种类：乙醇；

（2）冷凝器：换热面积：64㎡；安装尺寸：800*2620mm；接口尺寸：DN125；

（3）循环泵：流量12.5t/h；

1.由上述工艺条件可知，完成该反应冷却剂的循环利用量是实际需求量的3～5倍，即本来500L的反应釜夹套容积只有100L，需要填充冷却剂理论需要100L，加上管道循环及循环冷却槽100L总计需要300L-350L就可以满足要求；由于传统管壳式冷却器为保证工艺需要，选用的冷却器壳程容积为700L，为了保证制冷系统的正常循环，需要填充至少900L的冷却剂，为保证反应釜内的反应温度，就需要将900L的冷却剂降低到-70℃，这样就会消耗3倍的制冷剂，造成能源的极大浪费，再加上内外温差达到90℃，通过冷却器表面积向空气散失的冷量也很多，再次造成浪费。导致目前制冷系统制冷剂的冷量利用率不到40%，可以说浪费严重。

2. 由于使用环境的因素，用于-20℃以下的设备材质必须选用奥氏体不锈钢、或含P≤0.025%/S≤0.015%的低温用碳钢，而且焊接的要求也极为严格，原来使用的管壳式冷却器换热面积64㎡，液氮走管程，冷却剂走壳程，换热管与壳程膨胀节采用304L不锈钢，壳程及管板采用16MnDR材质，在材料选择上虽符合技术要求，但在焊接材料及焊接技术方面却掌握不好，壳程膨胀节与壳程筒体的焊缝材料为H1Cr18Ni10，且焊接采用了手工电弧焊，而没有采用氩气保护焊，致使膨胀节的焊缝在使用中多次发生低温脆化而开裂，不得不停车复焊检修；在管子与管板的连接上采用了强度胀接加强度焊的方式，由于胀管操作不均匀使得有的管子胀接过度，再加上由于304L的膨胀系数比碳钢的膨胀系数大，使用中过度胀接的管子在管板处出现切口应力而断裂，该冷却器从投用一年来，发生断管事件已有3次，只好在现场把断管的管口堵死后继续使用。

由于上述事故已严重影响到工艺操作，造成巨大损失。

二、新型弹性管束螺纹缠绕冷却器

    如图所示，弹性管束螺纹缠绕冷却器是由多组、多层缠绕结构的换热管组成，在相同容积的壳体内部能够布的换热管更多，单位容积的换热面积更大；由于缠绕结构的换热管，换热管束的轴向膨胀与收缩呈自由状态，冷却器管程与壳程不存在温度与温差应力；弹性管束螺纹缠绕冷却器材质及焊接材料全部采用奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢的使用温度最低可达到-196℃。

这种弹性管束螺纹缠绕冷却器与传统列管式冷却器具有以下优点：

1、换热系数高，热效率高

冷却器独特的螺旋缠绕结构，流体湍流状态非常明显，雷诺数大大提高了2-3倍，换热系数高达1000w/m2·℃，使换热过程中的制冷剂能够充分的释放冷量，同样被冷却剂也能够充分的吸收冷量，减少了热量的损失。

 2、体积小，热损失小

冷却器换热系数高，提高了换热过程中单位面积的换热效率，使用很小的换热面积就能够满足需求。体积小使比表面积大大减少，热损失有效降低。上述企业的冷凝器，换热面积：64㎡；安装尺寸：800*2620mm；经改造替换为弹性螺旋缠绕管束冷却器体积仅如右图所示，表面积缩小了8倍多，使冷量损失减少了87.5%。

从上图还可以明显的看出弹性螺旋缠绕管束冷却器体积小安装方便，减少占地，节约安装费用，缩短安装工期的优势。

3弹性管束设计，弹性强，应力补偿能力强，更安全

弹性螺旋缠绕管束冷却器使用全不锈钢材质，耐腐蚀性强

从安全角度看，弹性管束设计有效地对各种热应力进行补偿，避免了因热胀冷缩对冷却器的损坏，保证换热设备的运行安全可靠。结构如图所示。

通过以上分析，可以看出弹性螺旋缠绕管束冷却器在深冷系统应用优势非常明显，能够安全、及时、高效、节能的为生产服务，可以作为制药行业深冷系统的新工艺、新设备进行推广使用。

三、应用业绩：螺旋缠绕冷却器在液氮制冷项目中的成功应用

1、大连某化工企业液氮蒸发器使用情况：

现在利用（5.3㎡），原列管冷却器25㎡，选型冷却器5.3㎡。目前使用效果很好。

管程：酒精，出口温度-70℃～ -80℃。

壳程：液氮，进口温度-196℃。

2、济南某精细化工有限公司使用情况：

管程：60%乙二醇，进出口温度-25/-40℃，流量4.83t/h；

壳程：液氮，进出口温度-196/-40℃，流量179kg/h，氮气出口-40℃。

    氮气体积流量：124m3/h，蒸发后流速10.4m/s

四、结语：通过冷凝器多次实验可以证明，应用在液氮蒸发制冷的工艺具有以下几点优势：

（1）冷凝器体积小巧、方便安装，可以较为灵活的在所需低温环境的反应釜之间进行移动，减少了低温专用管线的安装，降低了企业投资，节能高效。

（2）有效建立灵活的深冷移动系统，避免传统制冷系统中对大型乙醇槽的制冷，有效减少液氮的消耗量

（3）可根据贵方企业生产工艺的变化，随时进行温度的调整，提高企业的生产效率

（4）有效降低了高耗能制冷机组的使用频率，降低了电能的消耗，有效降低了产品的运行成本，提升企业综合竞争实力

（5）通过乙醇间接对物料进行降温，有效避免了传统直接通液氮的方式，彻底避免了液氮因气化而带出的少量物料，既减少了对环境的污染又为企业降低了损失

（6）冷凝器独特的缠绕结构可以有效提升换热效率，相对传统冷却器能够减少液氮消耗量

……在近二年的使用情况中，从未发生设备焊缝、管子开裂等损坏事故，循环冷却剂使用量比原来减少60%以上，而且基本上不需要补充，液氮消耗量也有大幅减少，节能明显；

      弹性螺旋缠绕管束冷却器在深冷行业的应用业绩表明，该类型冷却器比传统列管式冷却器有无可比拟的优势，深冷系统运行可靠性完全达到整个装置同步的要求，而运行费用也大幅降低。弹性螺旋缠绕管束换热设备在深冷行业推广有非常积极的意义。
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