换热器保温外壳材料及结构对保温性能影响研究

李堃，赵青玲

(华北水利水电大学环境与市政工程学院，郑州 450046)

近年来，随着社会的高速发展，对于能源利用的话题逐渐成为人们关注的话题之一。《中国建筑能耗研究报告2020》[1]显示：2018年，建筑运行阶段能耗占全国消费总量的21.7%。毛广志[2]指出在建筑能耗中，采暖及空调设备所消耗的能源约占65%。提高板式换热器能源利用率的途径主要是强化传热和削弱传热[3]。保温是通过削弱传热的方式起到节能的目的。

谢文丁[4]给出了一组数据，2020年时，建筑能耗已达到10.89 Gtce，当采取保温节能措施时，可减少近31%的能耗，其中暖通空调系统将减少8 000亿kW·h，考虑到换热器在采暖以及空调系统中的地位，对换热器进行保温节能措施可以节省大量能源。而在石油行业中，某油田热电公司[5]对近百台换热器以及众多站内阀门添加了保温措施，降低了2%的能耗，预计可为该公司每年能节省近百万的运行成本。制作保温外壳不仅能起到节能的作用，而且还可以起到保护换热器及起到装饰的作用。

本文对板式换热器保温外壳采取不同的保温材料以及结构对保温性能的影响进行了试验研究。

1 试验设备、材料和方法

1.1 试验设备

(1)换热器。鲁本斯换热器，规格50片，设计温度-195 ℃～220 ℃。

(2)恒温水浴箱。控温范围：室温～100 ℃；控温精度：±1 ℃。

(3)热水泵。产品型号为YL-135，使用电源：220 V/50 Hz。

(4)潜水泵。产品型号为AQ902，使用电源：220 V/50 Hz。

(5)热电偶测温仪。型号为HT9815，测温范围-200 ℃～1 372 ℃(仅主机)。

(6)热电偶。K型，测温范围0 ℃～250 ℃。

(7)阀门、管件及管道若干。

1.2 试验材料

本文将针对玻璃纤维、硅酸铝针刺毯、纳米气凝胶、挤塑板(挤塑聚苯乙烯泡沫塑料)以及硬质聚氨酯板[6-12]等5种保温材料的保温性能进行研究及分析。

委托相关测试单位对5种保温材料的性能进行测定，5种保温材料的物理性能比较测试结果见表1。

表1 5种保温材料的物理性能比较

1.3 试验装置

设备按照顺序链接，试验系统图如图1所示。

图1 试验系统图

2 不同结构保温外壳对保温性能的影响

2.1 试验过程及测点布置

(1)试验过程。试验中，利用恒温水浴箱把水温加热到100 ℃来提供高温热水，通过高温热水泵和潜水泵使热水与凉水采用逆流的方式流经板式换热器，把热电偶安置在各个测点，利用数据接收装置对测点温度进行数据收集，对采用不同保温材料种类、保温层厚度以及软质保温材料是否使用铝箔纸反辐射层组成的保温结构的性能进行测试。

(2)保温结构及测点布置。试验采取软质+硬质的保温结构，保温结构由内向外共分三层，第一层为软质保温材料玻璃纤维、硅酸铝针刺毯、纳米气凝胶三者之一，第二层为挤塑板，第三层为聚氨酯板，测点布置如图2所示。

图2 测点布置图

2.2 不同保温结构对保温性能的影响

暖通空调中的板式换热器工作环境温度最高为150 ℃，此试验中热源最高温度为100 ℃，在此温度下，三种软质保温材料常被用作内层保温材料，使用厚度为10 mm较为合适，下面将通过对比各个测点的温度研究分析不同保温结构的保温性能。对不同保温结构进行标号，保温结构见表2。

表2 保温结构

各个保温结构各测点温度测量结果如下：

(1)玻璃纤维+挤塑板+聚氨酯板。保温结构各测点温度结果汇总见表3。

表3 保温结构各测点温度 ℃

(2)硅酸铝针刺毯+挤塑板+聚氨酯板。保温结构各测点温度结果汇总如表4。

表4 保温结构各测点温度 ℃

(3)纳米气凝胶+挤塑板+聚氨酯板。保温结构各测点温度见表5。

表5 保温结构各测点温度 ℃

经过对比各个测点的温度变化以及保温温差的大小，针对3种不同软质保温材料的保温结构各选取2种用材较少且保温效果较优的保温结构，并重新编号，最优保温结构见表6。

表6 最优保温结构

3 保温结构经济性分析

以表面积为50 m2的板式换热器为例，对以上6种保温结构进行成本计算和经济性评价。结合实际工程经验，保温材料在施工过程中会产生废料，在计算用料时应乘以1.4，以下成本计算只含材料的费用，不包含施工过程中的其它费用。

3.1 玻璃纤维+挤塑板+聚氨酯板

玻璃纤维最优保温结构成本见表7。

表7 玻璃纤维最优保温结构成本

3.2 硅酸铝针刺毯+挤塑板+聚氨酯板

硅酸铝针刺毯最优保温结构成本见表8。

表8 硅酸铝针刺毯最优保温结构成本

3.3 纳米气凝胶+挤塑板+聚氨酯板

纳米气凝胶最优保温结构成本见表9。

表9 纳米气凝胶最优保温结构成本

保温结构成本汇总见表10。

表10 保温结构成本汇总

比较6种保温结构的成本可知第4种保温结构，即10 mm硅酸铝针刺毯(带铝箔层)+50 mm挤塑板+20 mm聚氨酯板是最为经济的。

4 结语

本文针对100 ℃的热源进行了试验测试，研究了板式换热器保温外壳的保温性能，得到如下结论：

(1)在使用不同的软质保温材料时，10 mm玻璃纤维(带铝箔)+50 mm挤塑板+20 mm聚氨酯板、10 mm硅酸铝针刺毯(带铝箔)+50 mm挤塑板+20 mm聚氨酯板、10 mm纳米气凝胶(带铝箔)+40 mm挤塑板+10 mm聚氨酯板是性价比较高的几种保温结构。

(2)在这6种不同软质保温材料的性价比较高的保温结构中，10 mm硅酸铝针刺毯(带铝箔)+50 mm挤塑板+20 mm聚氨酯板是最为经济的。

在工程应用中，应根据热源温度的实际情况对各层保温材料进行适当调整，保证保温结构能够正常使用。