換熱器保溫外殼材料及結構對保溫性能影響研究

李堃，趙青玲

(華北水利水電大學環境與市政工程學院，鄭州 450046)

近年來，隨著社會的高速發展，對于能源利用的話題逐漸成為人們關注的話題之一。《中國建筑能耗研究報告2020》[1]顯示：2018年，建筑運行階段能耗占全國消費總量的21.7%。毛廣志[2]指出在建筑能耗中，采暖及空調設備所消耗的能源約占65%。提高板式換熱器能源利用率的途徑主要是強化傳熱和削弱傳熱[3]。保溫是通過削弱傳熱的方式起到節能的目的。

謝文丁[4]給出了一組數據，2020年時，建筑能耗已達到10.89 Gtce，當采取保溫節能措施時，可減少近31%的能耗，其中暖通空調系統將減少8 000億kW·h，考慮到換熱器在采暖以及空調系統中的地位，對換熱器進行保溫節能措施可以節省大量能源。而在石油行業中，某油田熱電公司[5]對近百臺換熱器以及眾多站內閥門添加了保溫措施，降低了2%的能耗，預計可為該公司每年能節省近百萬的運行成本。制作保溫外殼不僅能起到節能的作用，而且還可以起到保護換熱器及起到裝飾的作用。

本文對板式換熱器保溫外殼采取不同的保溫材料以及結構對保溫性能的影響進行了試驗研究。

1 試驗設備、材料和方法

1.1 試驗設備

(1)換熱器。魯本斯換熱器，規格50片，設計溫度-195 ℃～220 ℃。

(2)恒溫水浴箱。控溫范圍：室溫～100 ℃；控溫精度：±1 ℃。

(3)熱水泵。產品型號為YL-135，使用電源：220 V/50 Hz。

(4)潛水泵。產品型號為AQ902，使用電源：220 V/50 Hz。

(5)熱電偶測溫儀。型號為HT9815，測溫范圍-200 ℃～1 372 ℃(僅主機)。

(6)熱電偶。K型，測溫范圍0 ℃～250 ℃。

(7)閥門、管件及管道若干。

1.2 試驗材料

本文將針對玻璃纖維、硅酸鋁針刺毯、納米氣凝膠、擠塑板(擠塑聚苯乙烯泡沫塑料)以及硬質聚氨酯板[6-12]等5種保溫材料的保溫性能進行研究及分析。

委托相關測試單位對5種保溫材料的性能進行測定，5種保溫材料的物理性能比較測試結果見表1。

表1 5種保溫材料的物理性能比較

1.3 試驗裝置

設備按照順序鏈接，試驗系統圖如圖1所示。

圖1 試驗系統圖

2 不同結構保溫外殼對保溫性能的影響

2.1 試驗過程及測點布置

(1)試驗過程。試驗中，利用恒溫水浴箱把水溫加熱到100 ℃來提供高溫熱水，通過高溫熱水泵和潛水泵使熱水與涼水采用逆流的方式流經板式換熱器，把熱電偶安置在各個測點，利用數據接收裝置對測點溫度進行數據收集，對采用不同保溫材料種類、保溫層厚度以及軟質保溫材料是否使用鋁箔紙反輻射層組成的保溫結構的性能進行測試。

(2)保溫結構及測點布置。試驗采取軟質+硬質的保溫結構，保溫結構由內向外共分三層，第一層為軟質保溫材料玻璃纖維、硅酸鋁針刺毯、納米氣凝膠三者之一，第二層為擠塑板，第三層為聚氨酯板，測點布置如圖2所示。

圖2 測點布置圖

2.2 不同保溫結構對保溫性能的影響

暖通空調中的板式換熱器工作環境溫度最高為150 ℃，此試驗中熱源最高溫度為100 ℃，在此溫度下，三種軟質保溫材料常被用作內層保溫材料，使用厚度為10 mm較為合適，下面將通過對比各個測點的溫度研究分析不同保溫結構的保溫性能。對不同保溫結構進行標號，保溫結構見表2。

表2 保溫結構

各個保溫結構各測點溫度測量結果如下：

(1)玻璃纖維+擠塑板+聚氨酯板。保溫結構各測點溫度結果匯總見表3。

表3 保溫結構各測點溫度 ℃

(2)硅酸鋁針刺毯+擠塑板+聚氨酯板。保溫結構各測點溫度結果匯總如表4。

表4 保溫結構各測點溫度 ℃

(3)納米氣凝膠+擠塑板+聚氨酯板。保溫結構各測點溫度見表5。

表5 保溫結構各測點溫度 ℃

經過對比各個測點的溫度變化以及保溫溫差的大小，針對3種不同軟質保溫材料的保溫結構各選取2種用材較少且保溫效果較優的保溫結構，并重新編號，最優保溫結構見表6。

表6 最優保溫結構

3 保溫結構經濟性分析

以表面積為50 m2的板式換熱器為例，對以上6種保溫結構進行成本計算和經濟性評價。結合實際工程經驗，保溫材料在施工過程中會產生廢料，在計算用料時應乘以1.4，以下成本計算只含材料的費用，不包含施工過程中的其它費用。

3.1 玻璃纖維+擠塑板+聚氨酯板

玻璃纖維最優保溫結構成本見表7。

表7 玻璃纖維最優保溫結構成本

3.2 硅酸鋁針刺毯+擠塑板+聚氨酯板

硅酸鋁針刺毯最優保溫結構成本見表8。

表8 硅酸鋁針刺毯最優保溫結構成本

3.3 納米氣凝膠+擠塑板+聚氨酯板

納米氣凝膠最優保溫結構成本見表9。

表9 納米氣凝膠最優保溫結構成本

保溫結構成本匯總見表10。

表10 保溫結構成本匯總

比較6種保溫結構的成本可知第4種保溫結構，即10 mm硅酸鋁針刺毯(帶鋁箔層)+50 mm擠塑板+20 mm聚氨酯板是最為經濟的。

4 結語

本文針對100 ℃的熱源進行了試驗測試，研究了板式換熱器保溫外殼的保溫性能，得到如下結論：

(1)在使用不同的軟質保溫材料時，10 mm玻璃纖維(帶鋁箔)+50 mm擠塑板+20 mm聚氨酯板、10 mm硅酸鋁針刺毯(帶鋁箔)+50 mm擠塑板+20 mm聚氨酯板、10 mm納米氣凝膠(帶鋁箔)+40 mm擠塑板+10 mm聚氨酯板是性價比較高的幾種保溫結構。

(2)在這6種不同軟質保溫材料的性價比較高的保溫結構中，10 mm硅酸鋁針刺毯(帶鋁箔)+50 mm擠塑板+20 mm聚氨酯板是最為經濟的。

在工程應用中，應根據熱源溫度的實際情況對各層保溫材料進行適當調整，保證保溫結構能夠正常使用。