發酵罐用換熱型式及結構設計

摘要：發酵罐廣泛應用于化工、醫藥、發酵、食品、生物等行業，產生熱交換是發酵罐必不可少的要求，罐內換熱管的結構型式對發酵罐產生的熱效應有著舉足輕重的作用，現列舉幾種發酵罐常見的換熱管式換熱結構及固定型式，以供設計時參考選用。

關鍵詞：發酵罐 換熱管式結構 固定型式 應用場合

1 換熱管的結構形式

發酵罐常見的換熱管式換熱結構有彈簧管式、列管式、換熱器式換熱結構。

1.1 彈簧管式換熱結構

常見的彈簧管結構形式有：單組單列盤管、單組雙列盤管、多組盤管等，如圖1（a）所示：

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（a）多組盤管 （b）列管式多組盤管

圖1

盤管的各層之間的層間距h一般取h=（1.5-2）d（d為換熱管外徑），換熱管的外徑d、盤管的直徑D1、D2、高度H一般根據發酵罐的直徑、高度、工藝要求的換熱面積等具體情況來確定，但在設計工程中也要考慮攪拌空間、盤管與罐壁之間可施焊空間等要求，另外多組盤管情況下還要考慮換熱管的最小煨彎半徑等綜合因素。

1.2 列管式換熱結構

常見的列管式換熱結構有：多組列管型式，見圖1（b）所示，列管的各層之間的層間距h，亦可取h=（1.5-2）d（d為換熱管外徑），也可以不同的固定螺栓型式以放下固定螺栓為宜。其余與彈簧式盤管類似。

1.3 換熱器式換熱結構

換熱器式換熱結構的確定主要是筒體的直徑，高度，工藝要求的換熱面積，換熱器的結構型式與普通換熱器的結構類似，只是把發酵罐罐體作為殼程，且滿足換熱器的結構要求：如管板的最小厚度、換熱管與管板的連接方式要求、折流板的支撐跨距要求、換熱管間距滿足降低焊接應力、彈性變形范圍不相交、清洗方便等要求。

此換熱器又不完全同于普通換熱器，在符合國家規范的要求下又不完全拘泥于規范，根據滿足加工和生產工藝前提下可調整、確定換熱器結構及換熱器之間連接組合的型式等。

另外注意，由于此種結構可能存在較大的熱脹冷縮量，所以在連接管上盡量做一些補償，例如用波紋管等，以免長期工作下接管等拉斷。

2 換熱管的固定型式[1]

為了承受本身的重量和由攪拌引起的振動以及通入的冷熱介質引起的熱脹冷縮等，所以盤管或換熱器必須相對固定，選擇相對合適的固定型式也是非常重要的。

2.1 固定結構型式

換熱器式換熱結構由于體積、重量相對較大，故一般采用底座或筋板的固定型式，具體型式要由設計者根據不同換熱器結構來確定，在此就不再詳細介紹。

對于彈簧管或列管式換熱結構，當盤管的中心圓直徑較小或圈數不多、重量不大的情況下，可利用盤管的進出口管固定在罐體上，無需再設其他固定結構。相反，則需要安裝固定支架固定盤管，常用的固定結構型式如圖2（a-f）所示。

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圖2

2.2 應用場合及優缺點

（a）型所用彎鉤制造方便，但擰緊彎鉤螺栓時容易偏

斜，難以擰緊。一般用在盤管振動不大及管徑在DN45以下的場合。彎鉤螺栓的圓鋼直徑可采用φ8-10mm。

（b），（c）型用U型螺栓固定盤管，結構合理，能使盤管固定可靠，使用較普遍。U型螺栓的直徑在管徑為φ50以下時，可用φ8-10mm，在管徑為φ50-89mm時，可用φ10-12mm的圓鋼制成。對于采用不銹鋼制螺栓，便于冷彎應采用較小值，熱彎時應進行熱處理。

（d）型適用于振動很小，熱膨脹較大的場合。

（e）型適用于扁鋼支撐，常用于不銹鋼設備中，可不必彎制不銹鋼角鋼支架。

（f）型用于盤管密排在攪拌設備中，兼作導流筒的場合。

無論采用哪種形式，都要做到牢固可靠，便于拆裝與維修。（a），（b），（c）的固定點不必很多，一般每層上固定一處或隔層固定一處即可。角鋼支柱可根據擰緊螺母的方便及加工制造的要求放在盤管的內側或外側。至于固定螺栓的為角鋼還是扁鋼及固定型式可根據強度和工藝要求由設計者確定。

3 不同換熱結構的應用場合

每種換熱結構有著不同的特點，不同設備所采用的結構有所不同。

①彈簧管式的多組盤管具有結構緊湊，占用體積較小等優點，可以多組、多層地固定在設備內，產生較大的換熱面積，用在換熱量要求較多的場合。

單、雙列盤管換熱面積一般相對多組的盤管可以滿足的換熱面積較少，用于換熱面積要求不太大的場合，并且在攪拌設備中單、雙列盤管不能起到防渦流的作用，設備內需設置擋板以防止攪拌時形成渦流，多組盤管則一般可以不再加擋板。

②列管式換熱結構與彈簧管式換熱結構類似，但較彈簧式容易清洗，在占用相同空間的情況下換熱面積大小相差不大，亦可多排、多層排列產生較大的換熱面積，但排管式換熱結構可以比彈簧管式在攪拌過程中產生更好的防渦流作用，起到更好的攪拌擋板作用，所以根據生產工藝和設備內介質的需求用在不同場合，如用在菌絲較長的發酵設備中。

③換熱器式換熱型式產生的換熱面積最大，在占用相同空間的情況下產生的換熱面積為彈簧管、列管式的幾倍甚至十幾倍，一般應用在較大規格及換熱面積要求較大的設備上。此種換熱結構可有多種連接組合形式，如換熱器的長短，換熱器的串并聯、換熱器的進出口連接方式等由設計者根據不同的需求而確定。此種結構也可以與設備的攪拌相配合，如產生一定的折流與防渦流作用。

4 結論

上述三種換熱管結構彈簧管式是這三種結構中最容易加工，生產效率、利用率最高的，基本利用率可達100%。換熱管式相對加工工序復雜，生產效率較低，是這三種中加工制造最繁瑣的；列管式較彈簧管式從利用率、加工制作上稍差一些。

總之，以上介紹的是發酵罐常見的罐內換熱管結構及固定型式，總體上都具有加工制作不困難、利用率高、經濟實用等優點，廣泛應用在發酵行業中。但有時只靠內部換熱管還無法達到工藝要求的換熱面積時可采用增加外壁半管的型式以增加換熱面積，并且還可增加罐體的強度，外壁半管根據不同的設備也有多種型式，在此就不再列舉。

參考文獻：

[1]郭寧潮，王曉民，王泰升等.壓力容器設計知識[M].河北省特種設備學會，2007，184.

[2]GB151-1999，管殼式換熱器[S].

[3]GB150.1～GB150.4-2011壓力容器[S].

[4]秦叔徑，葉文綁.換熱器[M].化學工業出版社，2005.

作者簡介：

孫艷力（1982-），女，河北石家莊人，大學本科，助理工程師，從事壓力容器設計工作。