摘  要 目前水泥窯朝著大型化發(fā)展，同時提出了節(jié)能減排的新要求，對前后過渡帶用耐火材料不僅要求使用壽命的延長，同時更要求耐火材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)到節(jié)約能源的使用效果。因此，我公司進(jìn)行了低導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)品的研制工作。通過對產(chǎn)品宏觀及微觀的深入研究，所研制成功的低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚在全國數(shù)十家大型水泥窯進(jìn)行長達(dá)2年半的使用，收集到的數(shù)據(jù)表明該產(chǎn)品性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯。

  關(guān)鍵詞 水泥窯，節(jié)能，低導(dǎo)熱，多層復(fù)合，莫來石磚

  水泥行業(yè)屬于高能耗、高污染行業(yè)，是我國節(jié)能減排的重點領(lǐng)域，因此對耐火材料提出了新的使用要求。

  目前國內(nèi)大中型水泥回轉(zhuǎn)窯非燒成帶普遍采用硅莫紅磚及硅莫磚以作為首選耐火材料，硅莫磚耐磨性好，熱震穩(wěn)定性能優(yōu)異，取得了較好的使用效果。但由于硅莫磚添加了大量的碳化硅來提高其高溫力學(xué)指標(biāo)，其導(dǎo)熱系數(shù)也一直居高不下，造成較大的能源浪費，隨著目前節(jié)能減排強制政策的出臺，耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低勢在必行。

  因此我們將硅莫磚單一材質(zhì)、單一結(jié)構(gòu)改進(jìn)為由工作層、保溫層、隔熱層，每層由不同材質(zhì)材料進(jìn)行復(fù)合，組成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，本文通過對工作層、保溫層、隔熱層的材質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)了多層復(fù)合莫來石磚。

  1  試驗

  1.1 原料

試驗用原料為各牌號莫來石、均質(zhì)料、紅柱石及廣西白泥，其主要理化性能如表1所示。

  1.2 配方

  不同牌號莫來石對工作層性能的影響配比組成見表2、表3；碳化硅加入量對工作層性能的影響配比組成見表4；紅柱石加入量對工作層性能的影響配比組成見表5、表6；保溫層性能試驗配比組成見表7；

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  1.3 試樣制備

  按上表配比精確稱量各組分原料，先將顆粒料加入小型混碾機(jī)中干混2分鐘，加入質(zhì)量比3.5%的紙漿廢液，混合3分鐘后再加入預(yù)混合細(xì)粉混碾5分鐘，將混碾均勻的泥料用630T摩擦壓力機(jī)壓制成尺寸為65×114×230mm的標(biāo)磚，經(jīng)110°C ×24h干燥，在隧道窯中1490°C×5h燒成。

  1.4 性能測試

  按照GB/T2997-2000的規(guī)定檢測試樣的體積密度和顯氣孔率；按照GB/T5988-2007的規(guī)定檢測試樣加熱永久線變化；按照GB/T7320-2008的規(guī)定檢測試樣熱膨脹率；按照GB/T5072-2008的規(guī)定檢測試樣常溫耐壓強度 ；按照YB/T376.1-1995的規(guī)定檢測試樣的抗熱震性 （水急冷法）；按照YB/T370-1995的規(guī)定檢測試樣荷重軟化溫度；按照GB/T5072-2008的規(guī)定檢測試樣常溫耐壓強度 ；按照GB/T3001-2007的規(guī)定檢測試樣常溫抗折強度；按照GB/T3002-2004的規(guī)定檢測試樣高溫抗折強度；按照YB/T4130-2005的規(guī)定檢測試樣的導(dǎo)熱系數(shù) ；用掃描電鏡分析有關(guān)試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

  2  工作層的試驗結(jié)果及分析

  2.1 不同原料做骨料對試樣性能的影響

  M60莫來石對試樣性能的影響見表8。從表中可以看出，當(dāng)以M60莫來石為骨料時，隨著基質(zhì)中氧化鋁含量的增加，試樣燒后線變化率隨之增加，顯氣孔率增加，常溫耐壓強度、體積密度有下降趨勢，荷重軟化溫度略有提高。

  M70莫來石對試樣性能的影響見表9。由表可知，當(dāng)以M70莫來石為骨料時，隨著基質(zhì)中氧化鋁含量的增加，試樣的常溫耐壓強度、體積密度有下降趨勢，顯氣孔率增加，荷重軟化溫度提高。

  試驗初步結(jié)果表明，采用M60和M70礬土基莫來石作骨料，使用80均質(zhì)料作基質(zhì)，添加97碳化硅、紅柱石、廣西白泥，可以配制出滿足預(yù)期性能指標(biāo)的研制品。綜合表7、表8數(shù)據(jù)分析，確定試樣以M70礬土基燒結(jié)莫來石為骨料，80%氧化鋁含量均質(zhì)料為基質(zhì)，骨料與基質(zhì)比例為：60:40。

  根據(jù)上述組成設(shè)計制作的復(fù)合莫來石磚工作層，經(jīng)高溫?zé)珊?，通過掃描電鏡分析，制品內(nèi)部形成了發(fā)育完好的莫來石晶體（深色柱狀），同時莫來石晶體周圍均勻分布碳化硅和玻璃相（白色亮點），如圖1所示。

圖1 試樣顯微結(jié)構(gòu)

  2.2 碳化硅加入量對試樣性能的影響

  圖3～圖6為碳化硅加入量對試樣性能的影響。從圖2、圖3中可以看出，隨著碳化硅加入量的增加，顯氣孔率有所下降，這是由于試樣表面碳化硅高溫狀態(tài)下氧化形成玻璃相，在制品表面形成釉面層，封堵氣孔造成；同時隨著碳化硅加入量的增加，試樣線變化率有所下降。

圖2：碳化硅加入量對體積密度和顯氣孔率的影響

圖3：碳化硅加入量對線變化率和強度的影響

圖4：碳化硅加入量對試樣熱震穩(wěn)定性的影響

圖5：碳化硅加入量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

  從圖4、圖5中可以看出，隨著碳化硅加入量的增加， 試樣的熱震穩(wěn)定性有升高的趨勢，這是由于適量的碳化硅氧化可以提高試樣的高溫力學(xué)性能，但過多的碳化硅高對試樣的熱震穩(wěn)定性沒有大的提高。且隨著碳化硅加入量的增加，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)有明顯的升高， 綜上述，最后確定碳化硅細(xì)粉加入量為12%為選擇方案。[Page]

  2.3 紅柱石加入量對試樣性能的影響

圖6：不同粒度對試樣高溫線變化的影響

圖7：不同粒度對試樣常溫耐壓強度的影響

  按表4、表5所示配比進(jìn)行了不同紅柱石加入量的試驗。從圖6、圖7中可以看出，加入紅柱石細(xì)粉時，高溫?zé)Y(jié)后試驗線變化很小。當(dāng)加入紅柱石顆粒時，試樣燒結(jié)后有線變化有明顯的升高。同時加入紅柱石顆粒，制品的常溫耐壓強度隨著紅柱石加入量的增加而降低。加入紅柱石細(xì)粉時，制品的常溫耐壓強度在一定范圍內(nèi)隨著紅柱石加入量的增加而增加，加入量為16%時強度也有所降低。這是因為紅柱石的一次莫來石化和二次莫來石化造成，過度的莫來石化使制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，質(zhì)點之間的結(jié)合力降低，致使常溫耐壓強度降低。對于加入紅柱石細(xì)粉的制品，1490℃燒后莫來石已經(jīng)完成，制品的燒結(jié)過程起主導(dǎo)作用，材料內(nèi)部形成了莫來石增強結(jié)構(gòu)，所以耐壓強度沒有降低，在一定范圍內(nèi)還有所提高。

圖8：不同粒度對試樣荷軟指標(biāo)的影響

圖9：不同紅柱石細(xì)粉加入量對試樣熱震的影響

  從圖8可以看出，加入紅柱石顆粒，隨著其加入量的增大，荷重軟化溫度逐漸升高，這是由于紅柱石在制品中由于莫來石化過程中的膨脹作用引起，實際使用過程中，由于顆粒狀的紅柱石依然不斷進(jìn)行莫來石化過程，引起制品的體積變化，造成結(jié)構(gòu)疏松、強度下降，對使用造成不利影響。加入紅柱石細(xì)粉，在一定范圍內(nèi)，荷重軟化溫度隨加入量加大而提高，這是因為在制品中已經(jīng)形成穩(wěn)定的莫來石結(jié)構(gòu)，當(dāng)紅柱石粉過大，制品中過多的SiO2玻璃相不能完全二次莫來石化，使得荷重軟化溫度下降。

  從圖9可以看出，隨著紅柱石細(xì)粉加入量的增加，試樣抗熱震性能逐漸提高，這是因為加入紅柱石粉經(jīng)過1490℃高溫?zé)笠淮文獊硎投文獊硎呀?jīng)完成，制品形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，多余的SiO2玻璃相在制品中起到緩沖和填充氣孔的作用，所以抗熱震性隨紅柱石粉加入量的增加而提高。綜合試驗測試數(shù)據(jù)，紅柱石細(xì)粉加入量為10-12%比較適宜。

  從以上試驗和數(shù)據(jù)分析可以看出，以M70莫來石為骨料，以80均質(zhì)料為細(xì)粉，加入12-15%的碳化硅，10-12%的紅柱石細(xì)粉，試樣具有較高的常溫耐壓強度、較高的荷重軟化溫度、良好抗熱震性。[Page]

  3  保溫層的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

  3.1 工作層與保溫層的熱匹配性試驗

  由于工作層主原料為M70莫來石，并添加了部分碳化硅，與保溫層材質(zhì)存在較大差異，其熱膨脹率不匹配將導(dǎo)致結(jié)合部位開裂或產(chǎn)生微裂紋，影響使用安全。

  為了降低試樣整體的導(dǎo)熱系數(shù)，其保溫層應(yīng)具備比工作層更低的導(dǎo)熱系數(shù)、且與工作層具有良好的結(jié)合性、較高的強度及耐磨性。保溫層設(shè)計采用M60或M70莫來石為主原料，適宜的氧化鋁含量使其具備更高的莫來石相含量，幾乎不含剛玉相。由于其含有較高的莫來石相使保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)明顯下降，比工作層的導(dǎo)熱系數(shù)成倍的降低。

  按照表7配比進(jìn)行了保溫層與工作層熱膨脹率對比試驗。

圖10：T1配比與工作層熱膨脹率對比

圖11：T2配比與工作層熱膨脹率對比

圖12：T1配比與工作層熱膨脹率對比

圖13：T2配比與工作層熱膨脹率對比

  從上組圖片可以看出，以M60莫來石為顆粒，隨著基質(zhì)中氧化鋁含量的增加，保溫層熱膨脹率有所增加，T2試樣與工作層主礦相接近，其結(jié)合部位完整，未有裂紋出現(xiàn)，T1、T3、T4試樣由于主礦相與工作層差別較大，結(jié)合部位都產(chǎn)生了寬度為0.5mm、長度不等的裂紋。

  3.2 工作層與保溫層結(jié)合強度試驗

  耐火材料在水泥窯內(nèi)使用時，要經(jīng)受各種膨脹應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，工作層與保溫層的結(jié)合強度決定了產(chǎn)品使用的安全性及壽命，在確定了保溫層配比后，對結(jié)合部位形狀及尺寸對結(jié)合強度的影響進(jìn)行了試驗。

圖14：不同結(jié)合形式高度對常溫抗折的影響

圖15：不同結(jié)合形式高度對高溫抗折的影響

  從圖14、圖15可以看出，隨著結(jié)合部位形狀高度的增加，結(jié)合部位的常溫耐壓強度及高溫耐壓強度都呈明顯增加趨勢。當(dāng)高度超過50mm時，結(jié)合部位強度呈下降趨勢。隨著高度的增加工作層與保溫層的接觸面積增加，結(jié)合強度增高，當(dāng)超過50mm的高度時，其寬度將減小，影響接觸面積，從而導(dǎo)致結(jié)合強度下降，最后選擇了高度為40mm弧形為結(jié)合形狀。

  3.3 保溫層的形狀及結(jié)構(gòu)設(shè)計

  隔熱層的效果由材質(zhì)及面積決定，本組試驗重點對保溫層開口面積進(jìn)行試驗。

圖16：不同試樣的開口形狀

圖17：受力分析

  通過計算機(jī)模擬計算，當(dāng)開口形狀被梯形時，且梯形斜邊夾角為45°，試樣受到直應(yīng)力加壓時，中間懸空部位所受部分力值會沿45°夾角向邊緣部位分散，避免中間懸空部位過早被被破壞；當(dāng)實樣受到側(cè)向應(yīng)力加壓時，底部懸空部位所受部分力值會從兩端45°夾角向中間傳遞，避免底部懸空部位因應(yīng)力增加而過早被破壞（圖17）。[Page]

  4.隔熱層材質(zhì)選擇

  隔熱層作為熱傳導(dǎo)的最后一道屏障，首先需要有低的導(dǎo)熱系數(shù)，其次在高溫下體積穩(wěn)定好，不能有大的收縮，否則收縮脫落后將降低整體的隔熱效果，本組試驗分別對硅酸鈣板、高鋁纖維板及含鋯纖維板分別進(jìn)行了不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)及不同溫度下收縮率的試驗。

圖18：不同溫度下隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)

圖19：不同溫度下隔熱材料收縮率

  從圖18、圖19可以看出，含鋯纖維板在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)都處于較低位置，同時在高溫下的收縮率也是最低，硅酸鈣板在1000℃的收縮率超過了13%，最終選擇含鋯纖維板作為隔熱層的材料。

圖20：低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚實物圖

  5  低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚導(dǎo)熱系數(shù)的計算

  導(dǎo)熱系數(shù)是衡量物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個指標(biāo)。不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大。通過在非工作層復(fù)合多層導(dǎo)熱系數(shù)較低的物質(zhì)，可以明顯的降低綜合導(dǎo)熱系數(shù)。[Page]

  傳熱計算公式為：

（1）

  在多層復(fù)合導(dǎo)熱的情況下：

（2）

其中為復(fù)合磚各層的厚度，為各層的導(dǎo)熱系數(shù)。

  兩公式聯(lián)立，可以推出多層復(fù)合的情況下，復(fù)合磚的導(dǎo)熱系數(shù)可以表示為：

（3）

  對于三層復(fù)合的復(fù)合磚而言，其綜合導(dǎo)熱系數(shù)：

（4）

  本產(chǎn)品第一層厚度0.14m，導(dǎo)熱系數(shù)2.74 w/（m·K）；第二層厚度0.055m，導(dǎo)熱系數(shù)1.58 w/（m·K）；第三層厚度0.005m，導(dǎo)熱系數(shù)0.113 w/（m·K）。代入公式可計算出產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)為1.54w/（m·K）。

  本產(chǎn)品應(yīng)用于水泥窯系統(tǒng)的時候，可視為為多層圓筒散熱。

  不妨設(shè)回轉(zhuǎn)窯的窯半徑為d1=2.4m， 則第一層復(fù)合半徑d2=2.54m，第二層復(fù)合為d3=2.595m，第三層復(fù)合半徑為d4=2.6m。假如窯內(nèi)溫度為T內(nèi)=1300℃，空氣溫度為T外=25℃設(shè)窯殼溫度為T殼，則窯內(nèi)向外散熱為：

（5）

  窯殼的對外散熱為

（6）

  當(dāng)內(nèi)散熱和外散熱達(dá)到平衡時，即q內(nèi)=q外時，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。采用excel計算，當(dāng)窯殼的溫度T殼=  390℃的時候，內(nèi)外的散熱基本相等（對流輻射換熱系數(shù)a取38W（m·K））。即通過理論計算，采用本產(chǎn)品后， 窯殼的理論溫度為390℃。

  當(dāng)回轉(zhuǎn)窯的窯半徑為d1=2.4m， 砌筑單層硅莫磚后d2=2.6m。假如窯內(nèi)溫度為T內(nèi)=1300℃，空氣溫度為T外=25℃設(shè)窯殼溫度為T殼，則窯內(nèi)向外散熱為：

（1）

  窯殼的對外散熱為

（6）

  當(dāng)內(nèi)散熱和外散熱達(dá)到平衡時，即q內(nèi)=q外時，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。采用excel計算，當(dāng)窯殼的溫度T殼= 460℃的時候，內(nèi)外的散熱基本相等（對流輻射換熱系數(shù)a取38W（m·K））。即通過理論計算，采用硅莫磚砌筑， 窯殼的理論溫度為460℃。由此可見，通過理論數(shù)據(jù)計算，本產(chǎn)品相同使用環(huán)境下可以比普通硅莫磚降低筒體外壁溫度70℃。[Page]

  6  低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚的應(yīng)用

  6.1低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚的使用情況

  研制產(chǎn)品低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚在吉林德全水泥集團(tuán)汪清有限責(zé)任公司從2013年7月使用至今，該公司水泥窯規(guī)格為4.8m×72m，使用在35米至45米位置，該批產(chǎn)品使用長度為10米，共70噸磚，發(fā)貨前對該批產(chǎn)品進(jìn)行了性能檢測，具體性能見下表。

圖 26：未使用低導(dǎo)熱產(chǎn)品前掃描情況

圖27：使用低導(dǎo)熱產(chǎn)品2個月后掃描情況

圖 28：使用低導(dǎo)熱產(chǎn)品6個月后掃描情況

圖29：使用低導(dǎo)熱產(chǎn)品14個月后掃描情況

  該批產(chǎn)品使用長度為10米，共70噸磚，發(fā)貨前對該批產(chǎn)品進(jìn)行了性能檢測，具體性能見下表。

  由以上圖片數(shù)據(jù)可以看出，在使用低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚后，在2個月、6個月、13個月時，預(yù)熱帶筒體溫度均比周圍普通硅莫磚低50~80℃左右，節(jié)能效果明顯，到達(dá)了預(yù)期目標(biāo)。

  研制產(chǎn)品低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚已先后雞西市城海水泥有限責(zé)任公司、建德南方水泥有限公司、華新水泥（宜昌）有限公司等數(shù)十家家水泥廠進(jìn)行長達(dá)2年的使用，下表為不同區(qū)域使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

  由以表15數(shù)據(jù)可以看出，不同區(qū)域客戶在相同使用環(huán)境下，同期比使用前的硅莫磚降低筒體溫度50~80℃左右，到達(dá)了預(yù)期目標(biāo)。

  6.2低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚的節(jié)能效果分析

  低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚由于具有高強度、高耐磨、高抗蝕、高荷重軟化溫度以及優(yōu)良的抗熱震性能，完全滿足了大中型水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝要求，同時由于其具有低導(dǎo)熱的特性，使得筒體外表溫度降低，減少了噸熟料燃料消耗，同時延長了筒體使用壽命，從而為水泥企業(yè)帶來教大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

  吉林德全水泥有限公司當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?攝氏度，平均風(fēng)速2m/s，水泥窯徑位4.8m,目前使用該產(chǎn)品40米長度，使用前砌筑普通硅莫磚時，該區(qū)域筒體外壁平均溫度為350℃，使用該產(chǎn)品后筒體溫度平均降低70℃。

  依據(jù)JC/T733—2007 行業(yè)水泥窯熱平衡測定方法標(biāo)準(zhǔn)，水泥窯表面散熱量測定公式為：

  QB＝abi（tbi－tk）×Fbi

  QB為：設(shè)備表面散熱量，單位為千焦每小時（KJ/h）；

  abi為：表面散熱系數(shù)，單位為千焦每平方米小時攝氏度（KJ/（m2·h·℃）），它與溫差（tbi－tk）、風(fēng)速及沖擊角有關(guān)（見附錄C）；

  Tbi為：被測區(qū)域內(nèi)的溫度平均值，單位為攝氏度（℃）；

  Tk為：環(huán)境空氣溫度，單位為攝氏度（℃）；

  Fbi為：被測區(qū)域的表面積，單位為平方米（m2）。

  當(dāng)使用硅莫磚時被測區(qū)域平均溫度與環(huán)境平均溫差為344℃。根據(jù)查JC/T733—2007附表C.1推算得出，散熱系數(shù)為134合適；該水泥窯安裝風(fēng)向沖擊角大于55°，依據(jù)查表C.3得出，沖擊角校正系數(shù)為1，其每小時散熱量為：

  134×1×（350－6）×3.14×4.8×40＝27790356.48KJ/h

  當(dāng)使用低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚時，被測區(qū)域平均溫度與環(huán)境平均溫差為274℃。根據(jù)查JC / T 733 — 2007附表C.1推算得出，散熱系數(shù)為134合適；該水泥窯安裝風(fēng)向沖擊角大于55°，依據(jù)查表C.3得出，沖擊角校正系數(shù)為1，其每小時散熱量為：

  130×1×（280－4）×3.14×4.8×40＝21474585.6KJ/h

  每小時節(jié)約散熱量為：

  27790356.48KJ－21474585.6KJ＝6315770.88KJ

  一公斤標(biāo)煤熱量為29271 KJ，因此每小時將節(jié)約標(biāo)煤215.8公斤

  年節(jié)約： 215.8×24×330≈1710噸標(biāo)煤。

  考慮目前實際使用普通煤炭熱值僅為標(biāo)煤熱值的78.5%（普通煤5500大卡/標(biāo)煤7000大卡），因此每年將節(jié)約 2180噸普通煤炭，按目前普通煤炭到廠平均價格600元/噸計算，年可節(jié)約資金（新增利潤）130萬元，減少排放二氧化碳5500T，二氧化硫180T，氮氧化物130T，PM2.5 150T。

  據(jù)統(tǒng)計截止2014年底全國新型干法水泥生產(chǎn)線達(dá)1709條，由此推算，采用低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚節(jié)能、環(huán)保、降耗效果是驚人的。

  該新產(chǎn)品的廣泛利用將為水泥行業(yè)年節(jié)約0.24億噸標(biāo)煤，減少0.63億噸二氧化碳排放，0.16億噸碳粉塵排放及大量其他有害氣體，節(jié)約能源減少污染物排的效果十分明顯，為國家節(jié)能減排建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會做出巨大的貢獻(xiàn)。

  7 結(jié)論

  本文通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、研究了工作層的材質(zhì)與組成、保溫層與工作層的熱匹配性及保溫層的開口形狀，得出以下結(jié)論：

  1）以M70莫來石為骨料，以80均質(zhì)料為細(xì)粉，加入12-15%的碳化硅，10-12%的紅柱石細(xì)粉，能夠制作出性能優(yōu)異、導(dǎo)熱系數(shù)低的產(chǎn)品。

  2）使用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)可以獲得更低的導(dǎo)熱系數(shù)，且使用安全可靠。

  3） 研制出的低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚在國內(nèi)近百家大中型水泥回轉(zhuǎn)窯上使用，筒體降溫50～80℃，取得滿意的使用效果，節(jié)能效果明顯。