薄壁塑料管用作冷却换热管及一种实现该用途的冷却塔

技术领域

本发明涉及气液换热元件领域，尤其涉及薄壁塑料管用作工业热水冷却工艺的换热管；本发明还涉及一种使用薄壁塑料管作为换热管的冷却塔。

背景技术

在电厂、钢厂以及化工工艺等生产工艺中，为保证工艺的顺利进行，通常要用水作为冷却介质对物料或者设备进行冷却，此时会产生大量工业热水，为节省成本，节省水资源，往往要对该工业热水进行冷却，以利于循环利用，现有技术中，主要采取各种冷却塔来完成该工序。常用的冷却塔为开放式冷却塔，在塔中水与空气直接接触进行热交换，如电厂的冷却塔就是一个例证。该冷却塔虽能够通过风冷达到冷却热水的目的，但是，由于热水直接暴露于空气，这会在塔口产生大量的雾气，影响环境美观；其次，冷却塔在冷却时冷却风会带走部分水分，造成大量水耗，再者，由于工业热水与外界直接接触，也会造成水的污染，水循环一定时间后要被动的排放部分循环水，从而造成水源浪费。

发明内容

为解决前述技术问题，本发明创造性的将导电系数小的薄壁塑料管作为换热管用作冷却工业热水的元件，本发明通过如下技术方案实现：

将厚度小于2毫米的薄壁塑料管用做冷却工业热水的换热管。

优选的，其中薄壁塑料管的厚度小于1毫米。

优选的，其中薄壁塑料管为伸缩管。

优选的，其中薄壁伸缩管为螺旋伸缩管。

优选的，其中薄壁塑料管为波纹管。

优选的，其中薄壁波纹管为螺旋波纹管。

一种实现权利要求1-6所述薄壁塑料管用途的冷却塔，其特征在于，冷却塔内由上及下依次布置布水器、换热管和集水器，布水器上开设进水口，进水口与热水进管相连，布水器还开设若干布水孔，布水孔各自分别连通换热管，换热管为薄壁塑料管，换热管的上端连接布水器，下端连接集水器，换热管环绕布置于冷却塔内，换热管的下行方向与竖直方向所成角度在40-85度之间，集水器与出水管相连，布水器腔、换热管腔与集水器腔组成冷却塔的管程，冷却塔下部开设冷却风进口，冷却塔顶部设有冷却风出口，自冷却风入口至冷却风出口以及换热管外的塔壁内腔组成冷却塔的壳程。

优选的，其中布水孔的孔径不大于换热管径的1/2。

优选的，其中换热管的下行方向与竖直方向的所成角度在55-75度之间。

本发明中，薄壁塑料管采用的材料可以是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸脂（PC）、聚氯乙烯（PVC）以及其他等现实生活中能够用到的塑料管材，对其性能要求为：较好的塑性和弹性以利于安装运输，较大的断裂强度以保证密闭性和承载能力。管子的内径可依据工艺条件确定。当水量较小或者冷却塔尺寸较小时，可取用较小直径（如小于20mm）的无刚度要求的塑料管，但考虑到经济性和使用目的，管子的直径最好不小于10mm；当水量较大时，应采用较大直径的塑料管,但考虑到安装问题、管子的强度、刚度和管内液体热量传递，管子的内径一般不超过200mm。另外，当管子直径较大（如超过20mm）时，因为管子的壁相对较薄，必须考虑对管子的刚度要求，以保证其使用时能够保持圆形的截面尺寸不变，因此，可将管子加工成一定形状的、能够增强刚度的管子，如波纹管、伸缩管等。伸缩管还具有的优势是占用空间小，安装方便。再者，相对于气体来说，热量在液体内传播速度慢，如果液体充满管内径，则管子中心的流体的热量不易传到管壁处，因而当管子直径较大（如超过20mm）时，瞬时通过管内的液体面积应小于管子的横截面积，如为横截面积的1/2，或者1/3等，这会使管中较大比例的流体能够接触到管内壁进行传热；当瞬时通过管子的流体的横截面积小于管子的横截面时，还会产生流体在管内搅动、翻动的效果，从而更有利于通过管壁与外界传热。

薄壁塑料管在使用中的长度可完全依据工艺要求。但考虑到换热量的要求，可以在冷却塔中尽量布置较长的塑料管，如大于3米。

本申请的薄壁塑料管作为换热元件，在冷却塔中的设置为：进水端设置在冷却塔的上方，出水端设置在冷却塔的下方。进水端的高度要高于出水端的高度，以保证管内热水能够依靠重力自行向下流动。最好不要反向设置，以免薄壁管在液体重力、压力的双重作用下破裂。

本发明的塑料管外为冷却介质空间，本发明中涉及的冷却介质为冷却风。当室温较低时，可以直接采用空气作为冷却风；当室温较高，或者为追求较好冷却效果时，冷却介质为经冷却装置（如制冷机、空调等）冷却后的空气。

薄壁塑料管作为换热元件布置在冷却塔内。在冷却塔内设置多条，进水口在上，出水口在下，热水在管内从上向下流动，冷却风在各管子之间的空隙由下及上流动（流动的动力可借助塔顶与塔底由压力差产生的吸力，也可借助外加动力，如在塔的下部装有向上吹的鼓风机），管内热水的热量通过管壁传到管外，冷却风则将热量带走。

需要重点指出的是，塑料管虽然进水口在上，出水口在下，但是不能垂直布置。而是应保证管子必须与竖直方向成不小于30度的夹角（倾斜度），原因在于，如果管子竖直向下，或者管子与竖直方向所成角度较小，这样管中的液体就会不接触管壁直接流下，或者只有很少量的液体与管壁接触，这样就无法传热，达不到传热效果。这是利用薄壁塑料管进行气液传热与气气传热的不同。

管子较好的倾斜度为45-85度之间，更好地在55-75度之间，这样可使管内液体既具备一定的流速，又不至于流速过快，影响传热。管子布置的最佳方式是在塔内环绕向下，或者成螺旋状，缠绕向下。

热水在冷却塔的上部通过布水器均匀的将热水布置到每根塑料管中，在冷却塔的下部各塑料管又连接到集水器上，集水器收集管子流出的冷却水并输出塔外。

布水器是将热水通过布水孔均匀的将水分配给各塑料管的装置。相对于冷却风密闭，但留有供冷却风穿过的空腔。布水孔与薄壁塑料管的进水端以常规技术手段连接，如螺纹连接、胀接等，热水进入布水器后，通过布水孔流入薄壁塑料管。附图5表示了一种布水器的形式。

集水器为冷却的热水的收集装置，设置塔下部，通过集水孔与管子的出水口连接，用于收集管内流下的冷却水，并输出塔外。集水器可以用冷却塔底部的槽来替代，即利用塔底部形成的封闭空腔来收集冷却水，此时需要将管子出水端固定，让水直接从出水口流入塔槽，然后再导出到塔外。

薄壁塑料管之所以能够在当做工业热水的换热管使用，其原理在于：其一，根据现有常识，塑料导热系数要远远小于金属按照思维惯性，塑料应当不适合于当做传热元件，但是本发明中所采用的是薄壁塑料管。因为塑料管的壁很薄，如小于2毫米，这会极大抵消导热系数对换热量的影响。并且实际应用中，管的厚度可以小于1mm，并且厚度越小传热效果越好，但考虑强度原因，塑料管的厚度最好为10um以上，如20um、50um、100um等；其二、薄壁塑料管可以在冷却塔内布置较大长度，这样可以延长热水在换热区的停留时间，从而增大了换热量；其三，在有实施例中，塑料管的冷却介质为冷却风，冷却风的流速较大，可以较快的携带走换热管外壁的热量，从而改善换热管的传热效果；其四，在有具体实施例中，流入塑料管内的、需要冷却的热水量小于塑料管的允许通过量，如允许进入管内的流量小于管径实际允许量的1/2、1/3等，这样可保证热水在管内可以较大面积的与管壁接触，增大传热面积，达到传热效果；其五，在有实施例中，塑料管在塔内环绕布置，促使热水由上向下流动的过程中不断被搅动，增强传热效果。

本发明的主要创造性在于克服了技术偏见。因为塑料的传热系数相对较低，如PE塑料为 0.4W/k.m，硬质PVC为0.14；软质PVC为0.17; , ABS 为0.25; PP为 0.21-0.26，远小于金属的传热系数，如纯铜的是401，铝为237；钢的要小一点，也为36-54。迄今为止，尚未有工艺将塑料管用于冷却热水工艺的换热管。

本发明的有益效果为：

1、克服了技术偏见，将导热系数极低的薄壁塑料管用作了换热管；

2、工业热水在密闭的换热管中冷却，不与空气接触，消除了工业热水在冷却过程中形成的“白烟”现象；

3、工业热水密闭冷却，减少蒸发和气体携带，减少了水耗，保障了水质；

4、薄壁塑料管成本低，安装方便，与其相对于的冷却塔制造工艺简单，安装方便，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为伸缩管的示意图；

图2为波纹管的示意图；

图3为冷却塔的结构图；

图4为冷却塔的A-A剖面图；

图5为布水器的结构图。

具体实施方式

结合附图1、附图3、4和附图5，对本发明说明如下：

本实施例为某电厂用于冷却冷凝器出来的冷凝水的一个冷却塔。该冷却塔的换热管2为薄壁塑料管，塑料管材料选低密度聚乙烯。将上述材料做成若干直径为50毫米、厚度为0.6毫米和长度为15米的螺旋管。以下简称换热管2。

冷却塔由塔壳1、布水器5、换热管2和集水器8组成，冷却塔内部由上及下依次布置布水器5、换热管2和集水器8。布水器5为一开有若干布水孔7的箱体，布水孔7直径为15毫米。布水器5的外形为一环形体，固定在塔壳1上。布水器5上设进水口4，进水口4为1个（根据需要，也可以为2个以上）。换热管2（以一条为例，其他相同）的进水端与布水器5的布水孔7螺纹连接，然后在冷却塔内绕着一竖筒3缠绕缠绕向下，换热管2的下行倾斜角为60-70度。换热管2绕行到冷却塔底部后，换热管2的下端螺纹连接到集水器8，集水器8与出水管相连。进入布水器5的热水通过布水孔7进入换热管2后，依靠重力作用沿管向下流动，在流动中，热水接触换热管内壁，通过换热管壁释放热量，被冷却；冷却后的热水最终进入集水器8，由集水器8收集各换热管2流下的冷却水，最后经过连接集水器8的出水管排出冷却塔。布水器腔、换热管腔与集水器腔组成冷却塔的管程。

冷却塔的冷却介质为冷却风。冷却塔的下部开设冷却风进口，冷却塔顶部开设冷却风出口。布水器5的结构设有供冷却风通过的通道。冷却风自冷却风进口进入冷却塔，在鼓风机6（鼓风机6的个数和功率可视需要进行调节）的助力下，沿塔内换热管2间的空隙上升，在上升的同时吸收换热管壁传出的热量并带走，继续上升，通过布水器5留设的气体通道最后由冷却风出口进入大气。自冷却风入口至冷却风出口、以及换热管2间的塔壳内腔组成冷却塔的壳程。