一种内循环换热工艺的制作方法

本技术涉及生物制药、制药配液及制药领域，具体涉及生物制药、制药配液及制药工艺的制水工艺，提供一种内循环换热工艺，该以内循环换热器为热交换设备的换热工艺，具有换热工艺合理、换热效率高的优点，内循环换热器较之于传统的换热器具有结构紧凑、换热管程长的特点。

背景技术：

换热器是制药行业中用于制水工艺的辅助设备。现行制药行业普遍使用的换热器主要有列管式、双管板式和板式等。使用较多的换热器的结构为多排列管或单排列管垂直设置在管壳中，介质（即注射用水或洁净介质）采用上进下出方式通过列管，而冷媒（即冷冻液或冷却水）由管壳下部进入，这类换热器的缺点是换热管程短，基本只相当于管壳的高度，导致换热效率不高。现有的双管板换热器，虽能防止管壳、程间的介质混串，但双管板的结构决定了要求增加换热管长度，并且管壳程间介质压差较大，通常要求在内外管板间的空腔中加入一种介质，以减少管壳程间介质压差。另一较为突出的问题是现有的卫生级换热器随着换热面积的增加而体积也随之增大。对于制药生产车间来说安装、检修和维修是一大难题。

本案中，将换热器用作对于介质的降温换热器时使用的冷媒和换热器用作对于介质的升温换热器时使用的热媒（即水蒸气等）统称为媒质。

现有技术的换热器，由于换热管排列密度较大，换热器内易出现媒质的短路或（和）断路现象，严重影响介质与媒质间的热交换效率。媒质的短路现象为连续流动的媒质未能充盈媒质流道，媒质的断路现象为在媒质流道内因包括但不限于空气的阻断造成的媒质流动不连续。

一般地说，换热器的换热面积约等于管壳内所有换热管的侧面面积之和，取决于换热管的规格与管程长度。

技术实现要素：

本技术的目的是提供一种内循环换热工艺，该以内循环换热器为热交换设备的换热工艺，具有换热工艺合理、换热效率高的优点，内循环换热器较之于传统的换热器具有结构紧凑、换热管程长的特点。

本技术的目的是通过以下技术方案实现：

一种内循环换热工艺，使用内含有至少包括换热腔的媒质流道和至少包括设置在媒质流道内的换热管的介质流道的换热器，主要在换热腔内，以流通在媒质流道内的媒质为媒介，与流通在介质流道内的介质通过换热管进行热交换以改变介质温度，它使用的换热器为内循环换热器，其换热腔分割为媒质上行腔和仅在上部通过联通槽与媒质上行腔联通的媒质下行腔，设置在媒质上行腔内的下行换热管与设置在媒质下行腔内的上行换热管相通。

内循环换热器包括壳程筒体，密封设置在壳程筒体下端、内含位于媒质下行腔下面的介质分流腔和位于媒质上行腔下面且与介质分流腔物理隔离的介质汇流腔的底部装置，密封设置在壳程筒体上端、内含介质换向腔的顶部装置，固联在壳程筒体的内侧面和底部装置上将壳程筒体的内腔分割为媒质上行腔、媒质下行腔的纵向隔板，两端分别密封设置在底部装置和顶部装置上、联通介质分流腔和介质换向腔的若干上行换热管，两端分别密封设置在顶部装置和底部装置上、联通介质换向腔和介质汇流腔的若干下行换热管；纵向隔板与顶部装置间的间隙为联通槽，上行换热管和下行换热管皆为换热管。

当内循环换热器为对于介质的降温换热器时，纵向隔板密封设置在壳程筒体的内侧面和底部装置之间，媒质上行腔仅通过联通槽与媒质下行腔联通，冷媒由壳程筒体侧面的下部导入媒质上行腔内上行、经联通槽导入媒质下行腔内下行、由壳程筒体侧面的下部导出。

当内循环换热器为对于介质的升温换热器时，上面均布有若干连通孔的纵向隔板固联在壳程筒体的内侧面和底部装置之间，热媒由壳程筒体侧面的上部导入媒质上行腔内、经联通槽和连通孔充盈媒质上行腔和媒质下行腔下行、由壳程筒体侧面的下部导出。

介质由底部装置的底部导入介质分流腔，经介质分流腔分流至均布于下行腔内的上行换热管上行至介质换向腔汇流，在介质换向腔内分流换向经下行换热管下行至介质汇流腔汇流，由底部装置的底部导出。

在媒质上行腔和媒质下行腔内，连续流动的介质与连续流动的媒质之间通过换热管持续进行热交换，介质的温度得以改变。

本技术的有益效果是：

该以内循环换热器为热交换设备的换热工艺，具有换热工艺合理、换热效率高的优点，内循环换热器较之于传统的换热器具有结构紧凑、换热管程长的特点。

上述的内循环换热工艺，还包括设置在壳程筒体上部的排气阀，密封设置在媒质上行腔上部、仅用于联通媒质上行腔和热媒管道的热媒进口，密封设置在媒质上行腔下部、仅用于联通媒质上行腔和冷媒管道的冷媒进口，密封设置在媒质下行腔下部、用于联通媒质下行腔和排废管道的媒质出口，包敷在壳程筒体上的保温层，横向固联在媒质上行腔和媒质下行腔内、上面开设有通液口的若干支撑折流板，媒质上行腔和媒质下行腔内的支撑折流板交错布置；排气阀为单向阀，保温层采用憎水型复合硅酸盐毡制作，支撑折流板采用sus304材料制作。

上述的内循环换热工艺，底部装置和顶部装置包括分别密封连接在壳程筒体上下两端的壳程法兰，固联在壳程法兰上的压板，在壳程法兰和压板上开设有若干用于安装换热管的安装孔，在壳程法兰上凹设壳程法兰凹腔，在壳程法兰凹腔底部、安装孔孔口凹设环形槽，在环形槽内嵌设换热管密封圈，使用螺钉、利用压板将换热管密封圈紧固在换热管和安装孔之间；压板的厚度与壳程法兰凹腔的深度相配合；换热管采用sus316l电解抛光无缝钢管材料制作，换热管规格φ6×1～φ32×3，壳程法兰、压板采用sus304材料制作，换热管密封圈采用fpm制作。

上述的内循环换热工艺，顶部装置还包括固联在换热管顶端的上管板，固联在上管板上面、凹设有上盲板凹腔的上盲板，嵌设在上管板和上盲板之间的上盲板密封垫，固联在上盲板上面、与上盲板凹腔相通用于完成121℃内部sip工作的快装蒸汽接管；上管板和上盲板之间与换热管相通的空腔为介质换向腔。

上述的内循环换热工艺，底部装置还包括固联在换热管底端的下管板，固联在下管板下面、凹设有下盲板分流凹腔和与下盲板分流凹腔物理隔离的下盲板汇流凹腔的下盲板，嵌设在下管板和下盲板之间的下盲板密封垫，固联在下盲板下面，分别与下盲板分流凹腔、下盲板汇流凹腔相通的介质进口、介质出口；下管板、下盲板之间与上行换热管相通的空腔为介质分流腔、与下行换热管相通的空腔为介质汇流腔。

上述的内循环换热工艺，上管板、上盲板、下管板、下盲板采用sus316l材料制作，上盲板密封垫、下盲板密封垫采用ptfe或硅胶材料制作；在上下管板上开设有若干用于安装换热管的安装孔，换热管的端部低于安装孔的里口1.0mm~2.0mm，采用激光焊接将换热管的端部与上下管板密封连接。

上述的内循环换热工艺，联通槽的宽度为15mm~25mm。

附图说明

图1是内循环换热器的结构示意图；

图2是内循环换热器的结构示意图；

图3是图1、图2的k向视图；

图4是壳程法兰的示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是上盲板的示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是下盲板的示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是下盲板密封垫的示意图；

图11是图10的俯视图；

图12是支撑折流板的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本技术作进一步说明：

参见图1、图2、图3所示，一种内循环换热工艺，使用内含有至少包括换热腔01的媒质流道02和至少包括设置在媒质流道02内的换热管10的介质流道03的换热器，主要在换热腔01内，以流通在媒质流道02内的媒质为媒介，与流通在介质流道03内的介质通过换热管10进行热交换以改变介质温度，它使用的换热器为内循环换热器，其换热腔01分割为媒质上行腔011和在上部通过联通槽013与媒质上行腔011联通的媒质下行腔012，设置在媒质上行腔011内的下行换热管102与设置在媒质下行腔012内的上行换热管101相通。

内循环换热器包括壳程筒体8，密封设置在壳程筒体8下端、内含位于媒质下行腔012下面的介质分流腔103和位于媒质上行腔011下面且与介质分流腔103物理隔离的介质汇流腔104的底部装置105，密封设置在壳程筒体8上端、内含介质换向腔106的顶部装置107，固联在壳程筒体8的内侧面和底部装置105上将壳程筒体8的内腔（换热腔01）分割为媒质上行腔011、媒质下行腔012的纵向隔板11，两端分别密封设置在底部装置105和顶部装置107上、联通介质分流腔103和介质换向腔106的若干上行换热管101，两端分别密封设置在顶部装置107和底部装置105上、联通介质换向腔106和介质汇流腔104的若干下行换热管102；纵向隔板11与顶部装置107间的间隙为联通槽013，上行换热管101和下行换热管102皆为换热管10。

当内循环换热器为对于介质的降温换热器时，纵向隔板11密封设置在壳程筒体8的内侧面和底部装置105之间，媒质上行腔011仅通过联通槽013与媒质下行腔012联通，冷媒由壳程筒体8侧面的下部导入媒质上行腔011内上行、经联通槽013导入媒质下行腔012内下行、由壳程筒体8侧面的下部导出。

当内循环换热器为对于介质的升温换热器时，上面均布有若干连通孔（图中未示出）的纵向隔板11固联在壳程筒体8的内侧面和底部装置105之间，热媒由壳程筒体8侧面的上部导入媒质上行腔011内、经联通槽013和连通孔充盈媒质上行腔011和媒质下行腔012下行、由壳程筒体8侧面的下部导出。

介质由底部装置105的底部导入介质分流腔103，经介质分流腔103分流至均布于媒质下行腔012内的上行换热管101上行至介质换向腔106汇流，在介质换向腔106内分流换向经下行换热管102下行至介质汇流腔104汇流，由底部装置105的底部导出。

在媒质上行腔011和媒质下行腔012内，连续流动的介质与连续流动的媒质之间通过换热管10持续进行热交换，介质的温度得以改变。

总体上说，内循环换热器是关于纵向隔板11对称的圆柱形结构。

圆管状的壳程筒体8，采用sus304材质的无缝钢管制作。

在壳程筒体8的上部设置有排气阀7与换热腔01相通，排气阀7采用sus304材料制作，为现有技术的单向阀，用于仅在换热腔01排气时阀门打开，当换热腔01内气体排空后阀门自行关闭，不再赘述。

在壳程筒体8上包覆有保温层9，保温层9采用憎水型复合硅酸盐毡制作，憎水型复合硅酸盐毡为天然、环保材料，导热性差，隔热、隔冷作用明显。

换热管10采用sus316l电解抛光无缝钢管材料制作，换热管10规格φ6×1～φ32×3皆可选用。本案中，换热管10规格φ6×1。

底部装置105和顶部装置107包括分别密封连接在壳程筒体8上下两端、相对布设的壳程法兰6，固联在壳程法兰6上的压板4，在壳程法兰6和压板4上开设有若干用于安装换热管10的安装孔61，在壳程法兰6上凹设壳程法兰凹腔62，在壳程法兰凹腔62底部、安装孔61孔口凹设环形槽63，在环形槽63内嵌设换热管密封圈5，使用螺钉、利用压板4将换热管密封圈5紧固在换热管10和安装孔61之间；壳程法兰6、压板4采用sus304材料制作，换热管密封圈5采用fpm制作，使用温度-20℃~200℃，满足较大使用温度范围的密封要求。

壳程筒体8和密封连接在壳程筒体8上下两端的一对法兰结构的壳程法兰6之间形成的内腔为换热腔01，是媒质流道02的重要组成部分。

又参见图4、图5所示，在壳程法兰6和压板4上均布用于安装换热管的安装孔61（压板4具体结构图中未示出），壳程法兰6上的安装孔61皆位于圆形的壳程法兰凹腔62内。在压板4上、安装孔的外周均布若干（本案中为6个）阶梯光孔，在壳程法兰6上开设与阶梯光孔相对应的螺纹盲孔64，使用内六角螺钉65、通过阶梯光孔与螺纹盲孔64将压板4嵌设在壳程法兰凹腔62内，将换热管密封圈5紧固在换热管10和安装孔61之间。所有换热管10垂直穿过壳程法兰6上的安装孔61，并延伸至上、下管板3、13上。在壳程法兰6的外周均布若干（本案中为6个）螺纹盲孔66用于使用内六角螺栓67实现上、下管板3、13与壳程法兰6的连接。为提高壳程法兰6和压板4的制作精度与刚性、壳程筒体和压板的安装精度，壳程法兰6和压板4皆采用数控加工而成，壳程法兰凹腔62深度10mm，压板4厚度10mm。

又参见图6、图7所示，顶部装置107还包括固联在换热管10顶端的上管板1，固联在上管板1上面、凹设有圆形的上盲板凹腔1001的上盲板1，嵌设在上管板3和上盲板1之间的上盲板密封垫2，固联在上盲板1上面、与上盲板凹腔1001相通用于完成121℃内部sip工作的快装蒸汽接管n5；上管板3和上盲板1之间与换热管10相通的空腔为介质换向腔106。

上管板3，采用sus316l材料制作。在上管板3上凹设上管板的圆形凹腔3001，在上管板1上均布用于安装换热管10的安装孔3002，安装孔3002位于圆形凹腔1001内、与换热管10选取小间隙配合，换热管10的端部缩进安装孔3002内1.0mm~2.0mm（本案中取换热管的端部缩进安装孔内1.5mm），便于采取激光焊接将换热管10密封设置在安装孔3002内。在上管板3的外周均布若干（本案中为6个）螺纹孔3003用于使用螺钉3004实现将上盲板1与上管板3固联、与螺纹孔3003在同一圆周位置上均布若干（本案中为6个）阶梯光孔3005用于使用内六角螺栓67实现上管板3与程壳法兰6的连接。

上盲板1采用sus316l材料制作。在上盲板1下端面上凹设环形的上盲板密封垫嵌槽1002用于嵌设上盲板密封垫2。

上盲板密封垫2选用卫生级、耐高温、耐腐蚀的ptfe或硅胶材质（本案中选用的材质为ptfe）。

在上盲板1的中心开设通孔1003用于联通上盲板凹腔1001和快装蒸汽接管n5。在上盲板1的外周开设通孔1004用于设置螺钉3004。

上管板3的圆形凹腔3001和上盲板1的上盲板凹腔1001形成的空腔为介质换向腔106。

又参见图8-图11所示，底部装置105还包括固联在换热管10底端的下管板13，固联在下管板13下面、凹设有下盲板分流凹腔151和与下盲板分流凹腔151物理隔离的下盲板汇流凹腔152的下盲板15，嵌设在下管板13和下盲板15之间的下盲板密封垫14，固联在下盲板15下面，分别与下盲板分流凹腔151、下盲板汇流凹腔152相通的介质进口n2、介质出口n1；下管板13、下盲板15之间与上行换热管101相通的空腔为介质分流腔103、与下行换热管102相通的空腔为介质汇流腔104。

下管板13，与上管板3的区别在于：在下管板13的中部有下管板隔离筋131将凹设在下管板上圆形的下管板凹腔物理隔离为两个半圆形凹腔，一为下管板分流凹腔132，另一为下管板汇流凹腔133。

下盲板15，与上盲板1的区别在于：在下盲板15的中部有下盲板隔离筋153将凹设在下盲板15上圆形的下盲板凹腔物理隔离为半圆形的下盲板分流凹腔151和半圆形的下盲板汇流凹腔152；在下盲板15的端面（包括隔离筋的端面）凹设“8”字环形的下盲板密封垫嵌槽154用于嵌设下盲板密封垫14。在下盲板15的底部开设两个通孔用于设置介质进口n2和介质出口n1分别与下盲板分流凹腔151和下盲板汇流凹腔152相通。

介质进口n2和介质出口n1关于纵向隔板11对称布置。介质进口n2和介质出口n1设置在下端，方便操作人员操作，提高使用安全性。

下盲板密封垫14，采用卫生级、耐高温、耐低温、耐腐蚀的ptfe材质一次整体冲模成型制作，形状为“8”字环形，其内圈中心连接部位采用圆角r过渡，与下盲板密封垫嵌槽154配合。

下盲板分流凹腔151和下管板分流凹腔132构成的空腔为介质分流腔103，下盲板汇流凹152腔和下管板汇流凹腔133构成的空腔为介质汇流腔104。

板式结构的纵向隔板11，采用sus304板材制作。联通槽013为纵向隔板11的顶端与上管板3间的间隙，其宽度为15mm~25mm（本案中取联通槽的宽度为20mm）。当内循环换热用作对于介质的降温换热器时，纵向隔板11为实体板，当内循环换热用作对于介质的升温换热器时，在纵向隔板11的全面积上均布若干φ4～φ8的连通孔（图中未示出），本案中选用φ6的连通孔。

又参见图12所示，当换热腔01内出现媒质的断路现象或短路现象（短路宽度超过16mm）时，在媒质上行腔011和媒质下行腔012内设置若干支撑折流板12，支撑折流板12横向固联在媒质上行腔011和媒质下行腔012内，媒质上行腔011和媒质下行腔012内的支撑折流板12交错布置。本案中，媒质上行腔011和媒质下行腔012内的支撑折流板12各有两片。

支撑折流板12，采用sus304材料制作，为圆缺形，在支撑折流板板缘上凹设有v型缺口作为通液口121。

热媒进口（图中未示出），设置在壳程筒体8的上部，直接与媒质上行腔011相通。

介质进口n2、介质分流腔103、上行换热管101、介质换向腔106、下行换热管102、介质汇流腔104、介质出口n1构成内循环换热器内由始至终的介质流道03。

冷媒进口n3、媒质上行腔011（途径支撑折流板的通液口121）、联通槽013、媒质下行腔012（途径支撑折流板的通液口121）、媒质出口n4构成内循环换热器内由始至终的冷媒流道。

热媒进口、换热腔01（媒质上行腔011和媒质下行腔012）、媒质出口n1构成内循环换热器内由始至终的热媒流道。

对于壳程筒体的内径、管程长度、换热管的规格与数量间的优化设计，可满足换热面积在0.5m²～10m²较大范围内的需求。

上述的内循环换热器内的介质流道中，介质分流腔103、介质换向腔106、介质汇流腔104内各相邻交合面皆采用圆角r过渡，以消除介质流通死角。

下面详细介绍使用内循环换热器实现的内循环换热工艺。

1、121℃内部sip作业

启用快装蒸汽接管，通过快装蒸汽接管通入水蒸气，对换热管内进行121℃内部sip作业。

2、媒质循环

1）、冷媒循环

冷媒由冷媒进口导入媒质上行腔；

途径支撑折流板的通液口消除可能出现的短路现象继续上行；

冷媒压缩换热腔内气体促使排气阀开启，气体排空后关闭；

冷媒经联通槽由媒质上行腔至媒质下行腔；

途径支撑折流板的通液口消除可能出现的短路现象继续下行；

冷媒由媒质出口导出；

完成冷媒在壳程筒体内两倍于壳程筒体长度的循环行程。

2）、热媒循环

热媒（水蒸气）由热媒进口导入媒质上行腔；

热媒经联通槽、穿透连通孔，迅速充盈换热腔；

废气由媒质出口导出；

3、介质循环

介质由介质进口导入介质分流腔；

介质在介质分流腔内分流至各上行换热管上行；

介质导入介质换向腔汇流；

介质在介质换向腔内分流至各下行换热管下行；

介质导入介质汇流腔内汇流；

介质由介质出口导出；

完成介质在壳程筒体内两倍于管程长度的循环行程。

4、热交换

在媒质上行腔和媒质下行腔内，温差较大的介质和媒质之间通过换热管持续进行热交换，介质和媒质的温度皆得到改变。

本技术的有益效果是：

该以内循环换热器为热交换设备的换热工艺，具有换热工艺合理、换热效率高的优点，内循环换热器较之于传统的换热器具有结构紧凑、换热管程长的特点。