三層IGP側(cè)窗玻璃熱帶雨林氣候防結(jié)霧分析與研究

胡桂明，劉厚林，楊國紀(jì)

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

雙層IGP(Insulation Glass & Polycarbonate)側(cè)窗玻璃是一種新型中空安全玻璃，在國外一些特殊的區(qū)域有一定范圍的應(yīng)用，如在美國、巴西、阿根廷、智利、馬來西亞、菲律賓等國家都有不同程度的應(yīng)用，其中美國、巴西、阿根廷等國家已廣泛使用。但是在熱帶雨林氣候環(huán)境中使用，出現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)霧的問題，如圖1所示。經(jīng)過詳細(xì)的分析研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，雙層IGP側(cè)窗玻璃無法滿足熱帶雨林氣候的使用環(huán)境。為了解決IPG側(cè)窗玻璃在熱帶雨林氣候的使用問題，提出了三層IGP側(cè)窗玻璃的設(shè)計(jì)方案。

圖1 雙層IGP側(cè)窗玻璃起霧現(xiàn)象

2 IGP側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)及性能

雙層IGP側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)與普通中空玻璃結(jié)構(gòu)基本一致，結(jié)構(gòu)如圖2所示。IGP側(cè)窗玻璃外層為PC(polycarbonate)板，中間層為Ar或其他惰性氣體，內(nèi)層為安全鋼化玻璃，周邊為間隔條、分子篩和密封膠粘劑。

圖2 雙層IGP側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)

三層IGP側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)為PC加雙層普通中空玻璃的形式，結(jié)構(gòu)如圖3所示。IGP側(cè)窗玻璃外層為PC板，中間層為Ar或其他惰性氣體，內(nèi)層為普通雙層中空玻璃，周邊為間隔條、分子篩和密封粘膠劑。

圖3 三層IGP側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)

三層IGP側(cè)窗玻璃比雙層IGP玻璃有更優(yōu)的隔聲、隔熱性能。而最為主要的特點(diǎn)為最外層PC與最內(nèi)層玻璃之間的氣體層被中間玻璃分隔為2個(gè)獨(dú)立的空間，這樣很大程度上減少了最外層PC內(nèi)表面與其相鄰玻璃表面的溫差，從而減少或避免了結(jié)霧的可能性。

3 熱帶雨林氣候特點(diǎn)分析及參數(shù)選擇

3.1 熱帶雨林氣候特點(diǎn)

熱帶雨林氣候分布于赤道附近地區(qū)，主要分布在南美洲的亞馬遜河流域，中美東部，非洲的剛果河流域、幾內(nèi)亞灣北岸、馬達(dá)加斯加島東部、馬來半島南部、馬來群島、菲律賓群島南部、伊里安島、印度尼西亞、大洋洲的蘇門答臘島至新幾內(nèi)亞島一帶、澳大利亞的東北部。

這些地方全年高溫多雨，太陽輻射年變化小。一年內(nèi)各月平均氣溫為24℃～28℃，年溫差一般不超過5℃，尤其是大洋上通常不超過1℃。氣溫日變化比年變化大，日較差可達(dá)10℃～15℃。但日最高氣溫很少超過35℃，日最低氣溫很少低于20℃。全年濕度較高，相對(duì)濕度最高可達(dá)90%以上，晴朗的天氣相對(duì)濕度一般在65%左右。

3.2 應(yīng)用環(huán)境調(diào)研

為了得到比較準(zhǔn)確的環(huán)境數(shù)據(jù)，我司在熱帶雨林氣候運(yùn)營的列車上進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)正在運(yùn)營的列車和靜止的列車側(cè)窗玻璃溫度和環(huán)境濕度進(jìn)行了測(cè)量，如圖4所示。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，側(cè)窗玻璃起霧發(fā)生在晴朗的天氣，下雨天氣雖然相對(duì)濕度大，但環(huán)境溫度較低，車內(nèi)外溫差小，側(cè)窗玻璃反而不會(huì)出現(xiàn)起霧的現(xiàn)象，而且靜止的車輛側(cè)窗外表面溫度明顯高于運(yùn)行的車輛。在晴朗無云的天氣，環(huán)境溫度一般不超過35℃，相對(duì)濕度不大于67%，車外窗戶表面的溫度不超過45℃，車內(nèi)溫度不低于23℃，車內(nèi)玻璃表面溫度不低于26℃。

圖4 應(yīng)用環(huán)境調(diào)研

3.3 環(huán)境參數(shù)的選擇

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，選取晴朗天氣的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，考慮測(cè)量偏差和安全余量，選取環(huán)境溫度為40℃、環(huán)境相對(duì)濕度為70%、靜止車輛側(cè)窗外表面溫度為50℃、車內(nèi)溫度23℃作為分析參數(shù)。

4 中空玻璃內(nèi)部結(jié)霧原理與結(jié)霧條件

4.1 中空玻璃結(jié)霧原理

中空玻璃內(nèi)部進(jìn)入一定含量的水汽后，如果一側(cè)的玻璃溫度低于另一側(cè)的溫度，中空玻璃內(nèi)部的氣體在存在溫度差的情況下，溫度高的區(qū)域的氣體密度小于溫度低的區(qū)域氣體的密度，在重力作用下，氣體由溫度高的玻璃表面循環(huán)流動(dòng)到溫度低的玻璃表面，當(dāng)含有水汽的氣體流動(dòng)到溫度低的玻璃表面時(shí)，水汽就可能凝結(jié)在溫度低的玻璃表面，形成結(jié)霧。原理如圖5所示。

圖5 中空玻璃結(jié)霧原理

4.2 中空玻璃結(jié)霧條件

在一定的大氣壓下，導(dǎo)致中空玻璃內(nèi)部結(jié)霧的因素有2個(gè)：一是中空玻璃內(nèi)部氣體的相對(duì)濕度，二是高低溫玻璃的溫度差。中空玻璃是否會(huì)結(jié)霧可以在獲得氣體溫度分布的前提下由焓濕圖或焓濕計(jì)算軟件進(jìn)行分析。由于PC具有水汽滲透特性，中空玻璃內(nèi)部的氣體的相對(duì)濕度與車輛外部環(huán)境接近，因此，在不改變PC材料水汽滲透性能的前提下，通過減少PC與相鄰玻璃間的溫度差的方式來解決IGP玻璃的結(jié)霧問題。

5 三層IGP玻璃內(nèi)部溫度場(chǎng)分析

根據(jù)前面選擇的環(huán)境參數(shù)，利用ANSYS fluent軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)的三層IGP玻璃進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，第一種結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示，第二種結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示；第一種結(jié)構(gòu)參數(shù)的IGP玻璃溫度場(chǎng)分布如圖8所示，第二種結(jié)構(gòu)參數(shù)的IGP玻璃溫度場(chǎng)如圖9所示。

圖6 第一種結(jié)構(gòu)參數(shù)IGP玻璃

圖7 第二種結(jié)構(gòu)參數(shù)IGP玻璃

圖8 第一種結(jié)構(gòu)參數(shù)IGP玻璃溫度場(chǎng)

圖9 第二種結(jié)構(gòu)參數(shù)IGP玻璃溫度場(chǎng)

從圖8和圖9中可以看出，第一種結(jié)構(gòu)參數(shù)的IGP玻璃中PC側(cè)氣體溫度為49.2℃，相鄰玻璃側(cè)的氣體溫度為43.91℃，第二種結(jié)構(gòu)參數(shù)的IGP玻璃中PC的氣體溫度為49.24℃，相鄰玻璃側(cè)的氣體溫度為44.43℃。通過焓濕計(jì)算軟件計(jì)算玻璃內(nèi)氣體露點(diǎn)溫度為42℃。因此，兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)的三層IGP均未達(dá)到結(jié)霧的條件，可以滿足熱帶雨林氣候的使用要求。

6 試驗(yàn)與驗(yàn)證

由于受到安裝空間的限制，僅選取第一種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行三層IGP玻璃的樣件制作及驗(yàn)證。整個(gè)驗(yàn)證分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一個(gè)階段制作實(shí)驗(yàn)室樣件在實(shí)驗(yàn)室里模擬車輛運(yùn)營環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，第二個(gè)階段制作實(shí)物樣窗安裝到運(yùn)營的車輛上進(jìn)行驗(yàn)證。目前兩個(gè)階段的驗(yàn)證已結(jié)束，均未出現(xiàn)起霧的現(xiàn)象。

7 結(jié)論與建議

通過對(duì)熱帶雨林氣候特點(diǎn)研究與分析，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)相結(jié)合，選取合理的分析參數(shù)，并通過ANSYS fluent輔助分析，再通過實(shí)驗(yàn)室樣件驗(yàn)證和實(shí)物裝車驗(yàn)證，三層IGP側(cè)窗可通過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來滿足熱帶雨林氣候環(huán)境下防結(jié)霧性能使用要求。三層IGP結(jié)構(gòu)參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際車輛安裝環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，確保實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。