支撐物對鋼化真空玻璃傳熱影響的研究

管長征，胡東方

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著節(jié)能降耗的呼聲不斷高漲，鋼化真空玻璃一經(jīng)問世，其結(jié)構(gòu)和性能就受到了廣泛的關(guān)注[1-2]。鋼化真空玻璃作為新生的節(jié)能玻璃產(chǎn)品，具備隔聲降噪、節(jié)能降耗、保溫隔熱等特質(zhì)，更兼?zhèn)涓邚?qiáng)度、抗沖擊等安全性能優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、交通以及光伏建筑一體化等領(lǐng)域[3-4]。

鋼化真空玻璃由兩塊鋼化玻璃構(gòu)成，玻璃間用微小支撐物隔開，周邊用封接材料封接[5-6]。支撐物作為鋼化真空玻璃的重要組成部件之一，它的設(shè)計(jì)對鋼化真空玻璃的傳熱性能有著重要的影響[7-10]。在鋼化真空玻璃的研究中，許威[11]研究了影響真空玻璃傳熱系數(shù)的主要因素，得出了Low-E玻璃輻射熱導(dǎo)和支撐物熱導(dǎo)為影響真空玻璃傳熱系數(shù)的主要因素； 張亮等[12]研究了真空玻璃的保溫性能；張凡等[13]得出了適當(dāng)調(diào)整支撐物的尺寸和間距，可以在保證力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，使得玻璃同時具有低的熱導(dǎo)；趙洪凱等[14]分析了支撐物截面形狀和固定裝置與支撐物性能間的關(guān)系，改善了真空玻璃的傳熱問題；趙偉同[15]利用灰色系統(tǒng)理論得到了支撐物參數(shù)與玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的灰關(guān)聯(lián)值；趙驍真[16]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論研究了鋼化真空玻璃各個指標(biāo)對其傳熱系數(shù)的影響;1913年卓勒在其專利首次提出了真空玻璃的概念之后，從20世紀(jì)80年代起，世界對真空玻璃的研發(fā)逐漸活躍起來[17];美國Guardian公司為代表的研發(fā)企業(yè)圍繞局部加熱、激光加熱、紅外特征吸收封接等方式申請了多項(xiàng)專利，并制備出實(shí)驗(yàn)室樣塊[18]。然而，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者對鋼化真空玻璃強(qiáng)度的研究很多，大多關(guān)注鋼化真空玻璃安全性的研究，卻很少有學(xué)者對鋼化真空玻璃傳熱進(jìn)行分析，忽略了鋼化真空玻璃對于建筑能耗的影響。

本文針對鋼化真空玻璃的傳熱機(jī)理，主要分析支撐物對玻璃的傳熱影響，通過建立鋼化真空玻璃的傳熱模型，進(jìn)行有限元仿真，對不同的支撐物參數(shù)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了鋼化真空玻璃傳熱中心區(qū)域的最大熱通量。

1 鋼化真空玻璃的傳熱機(jī)理分析

1.1 鋼化真空玻璃的結(jié)構(gòu)組成

鋼化真空玻璃的結(jié)構(gòu)由兩片鋼化玻璃、封接材料、微型支撐物、鋼化玻璃內(nèi)側(cè)阻擋紫外線的Low-E薄膜以及吸氣劑組成，微型支撐物將兩片玻璃隔開，微型支撐物的作用避免兩片鋼化玻璃在大氣壓的作用下造成擠壓變形，導(dǎo)致鋼化真空玻璃的性能受損，其中一片鋼化玻璃內(nèi)側(cè)制備一吸氣劑槽，放置吸氣劑，保證鋼化真空玻璃內(nèi)部有良好的真空度，另一片鋼化玻璃上面制備一抽氣孔，兩片鋼化玻璃四周用封接材料進(jìn)行氣密封接。鋼化真空玻璃的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 鋼化真空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鋼化真空玻璃的傳熱機(jī)理

當(dāng)鋼化真空玻璃的兩側(cè)存在溫度差異時，熱量會從溫度較高的一側(cè)傳遞到溫度較低的一側(cè)，在熱量傳遞的過程中，有兩片玻璃板內(nèi)表面的熱輻射，封接材料區(qū)域也在進(jìn)行熱量的傳遞，還有支撐物以及殘余氣體都可以進(jìn)行熱傳導(dǎo)，這些熱量傳遞的物理過程是同步進(jìn)行的。因此，鋼化真空玻璃中心區(qū)域的傳熱方式主要有輻射傳熱、殘余氣體傳熱和支撐物傳熱。鋼化真空玻璃中心區(qū)域的傳熱機(jī)理示意圖如圖2所示。

圖2 鋼化真空玻璃中心區(qū)域的傳熱機(jī)理示意圖

2 支撐物對鋼化真空玻璃傳熱系數(shù)的影響

在鋼化真空玻璃中心區(qū)域的傳熱方式中，由于Low-E薄膜的作用，有效地阻擋了熱輻射，減少了熱量的傳遞，故輻射傳熱對鋼化真空玻璃中心區(qū)域的傳熱影響很小。當(dāng)鋼化真空玻璃真空層內(nèi)的壓強(qiáng)小于10-2Pa時，殘余氣體的傳熱可以忽略不計(jì)。因此，支撐物的熱傳導(dǎo)是鋼化真空玻璃中心區(qū)域傳熱的主要影響因素。

為了增加整體玻璃的美感，必須保證鋼化真空玻璃內(nèi)的支撐物足夠小，在支撐物足夠小的情況下，也要滿足其使用性能，當(dāng)鋼化真空玻璃在明視距離0.25 m外，對于人眼張角的角度小于0.1度時，此時，人眼是無法分辨出來的。由于支撐物與兩片鋼化玻璃直接接觸，當(dāng)支撐物的尺寸越小時，其與鋼化玻璃的接觸面積就越小，鋼化真空玻璃的熱導(dǎo)也就越小，式(1)[19]為支撐物的熱導(dǎo)率計(jì)算公式

(1)

式中U?！ＡУ膶?dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1，約為1 W/(m·K)；

r——支撐物與玻璃接觸區(qū)域半徑/m；

d——支撐物布放間距/m；

h——支撐物的高度/m；

U支撐物——支撐物材料導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1。

支撐物的形狀常見的有球形、圓柱形以及圓環(huán)形等，由于支撐物的形狀不同，支撐物對玻璃的傳熱影響也不同，球形支撐物與鋼化玻璃的接觸為點(diǎn)，大大減小了接觸面積，但球形支撐物使得玻璃受力更集中，易造成玻璃產(chǎn)生裂紋，圓柱形和圓環(huán)形為面接觸，相對來說，不易產(chǎn)生裂紋，但會使得傳熱量更多。支撐物的材料選擇有很多，如有機(jī)非金屬、玻璃、金屬、陶瓷等，材料的熱導(dǎo)率越低，支撐物的熱導(dǎo)越低，同時，支撐物材料也要滿足一定抗壓能力，支撐物在鋼化真空玻璃中起支撐作用，承受一定的壓力，所以，支撐物材料也要滿足強(qiáng)度要求。

在鋼化玻璃上布放支撐物時，需要設(shè)計(jì)相鄰支撐物的間距，同時支撐物的布放還要遵循一定的規(guī)律，可以避免鋼化真空玻璃受力不均產(chǎn)生變形。支撐物的布放間距越大，支撐物在鋼化真空玻璃中的布放數(shù)量就越少，傳熱能力也就越低，但在考慮傳熱問題的同時，也要注意支撐物的受力問題，支撐物的數(shù)量能夠影響傳熱，也要考慮受力問題。同樣，支撐物的排布方式也會影響支撐物的數(shù)量，常見的支撐物的排布方式有正方形排布、正三角形排布和正六邊形排布，支撐物的三種排布方式示意圖如圖3所示。

圖3 支撐物的三種排布方式示意圖

3 支撐物對鋼化真空玻璃傳熱的數(shù)值模擬分析

有限元分析是一種數(shù)學(xué)模擬方法，利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，把復(fù)雜問題簡單化，它可以用來求解物體的傳熱問題。根據(jù)JC/T 1079-2008《真空玻璃》標(biāo)準(zhǔn)，鋼化真空玻璃的中心區(qū)域作為傳熱測量的有效部分。因此，為了提高鋼化真空玻璃的保溫隔熱性能，針對支撐物的尺寸、形狀、材料、布放間以及排布方式進(jìn)行分析，通過上面的理論分析以及部分學(xué)者的研究得出，支撐物的形狀、尺寸以及材料對鋼化真空玻璃的傳熱影響較小，而支撐物的布放間距和排列方式對玻璃的影響較大，下面通過有限元數(shù)值模擬軟件主要對支撐物的布放間距和排列方式進(jìn)行傳熱分析。

3.1 參數(shù)的設(shè)定

鋼化真空玻璃的實(shí)體模型較大，在進(jìn)行仿真時，計(jì)算量過大，求解效率低，由于鋼化真空玻璃本身結(jié)構(gòu)對稱性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，因此，為了提高數(shù)值仿真效率，對模型進(jìn)行簡化，鋼化真空玻璃的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 鋼化真空玻璃各參數(shù)

由于鋼化真空玻璃的中心區(qū)域作為傳熱測量的有效部分，在進(jìn)行數(shù)值模擬時，取鋼化真空玻璃傳熱模型的一部分，以鋼化真空玻璃中心區(qū)域的一個支撐物為單元，支撐物三種排列方式的中心單元幾何模型如圖4所示。

圖4 支撐物三種排列方式的中心單元幾何模型

鋼化玻璃基片是由白玻璃經(jīng)過熱處理得到，封接材料由Cerasolser CS186合金制成，支撐物的材料選擇304不銹鋼，查詢相關(guān)資料，得到鋼化真空玻璃各個組成部分的熱導(dǎo)率如表2所示。

表2 鋼化真空玻璃各材料的熱導(dǎo)率

鋼化真空玻璃在進(jìn)行有限元模擬仿真時，需要對鋼化真空玻璃模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，鋼化真空玻璃在實(shí)際應(yīng)用過程中，其四周側(cè)面是嵌入玻璃邊框中，結(jié)構(gòu)對稱，設(shè)置鋼化真空玻璃四周側(cè)面為絕熱邊界條件，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8484-2008建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法標(biāo)準(zhǔn)和JGJ_T 151-2008建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程進(jìn)行設(shè)定。以冬季為例，假設(shè)室內(nèi)溫度為18 ℃，室外溫度為-20 ℃，邊界條件的設(shè)定如表3所示。

表3 鋼化真空玻璃數(shù)值模擬邊界條件

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

數(shù)值模擬時，分別對支撐物的布放間距和排列方式進(jìn)行仿真分析。在支撐物的布放間距仿真時，支撐物選擇球形，直徑為0.3 mm，排列方式正方形排布，布放間距分別為40 mm、50 mm、60 mm，分別對不同布放間距的鋼化真空玻璃設(shè)定邊界條件，施加熱源，得到鋼化真空玻璃中心區(qū)域的最大熱通量云圖，鋼化真空玻璃的其他結(jié)構(gòu)被隱藏，支撐物云圖如圖5所示。

圖5 支撐物不同布放間距下鋼化真空玻璃中心區(qū)域的熱通量

由圖4可知，布放間距為40 mm、50 mm、60 mm鋼化真空玻璃中心區(qū)域的最大熱通量分別1.423 4 W/mm2、1.402 4 W/mm2、1.382 6 W/mm2。從得到的結(jié)果可以看出：布放間距從40 mm到60 mm，最大熱通量降低了約3%，故支撐物的布放間距對鋼化真空玻璃的影響較大。

同樣，對三種支撐物的排列方式進(jìn)行仿真分析，支撐物選取球形，直徑為0.3 mm，布放間距為60 mm。分別對不同支撐物排列方式的鋼化真空玻璃設(shè)定邊界條件，施加熱源，得到鋼化真空玻璃中心區(qū)域的最大熱通量云圖，鋼化真空玻璃的其他結(jié)構(gòu)被隱藏，支撐物云圖如圖6所示。

圖6 支撐物不同排列方式鋼化真空玻璃中心區(qū)域的熱通量

由圖5可知，排列方式為正三角形、正方形、正六邊形鋼化真空玻璃中心區(qū)域的最大熱通量分別為2.095 7 W/m2、1.382 6 W/m2、1.591 4 W/m2。從得到的結(jié)果可以看出：從正三角形到正方形，最大熱通量降低了約34%，支撐物的排布方式對鋼化真空玻璃的影響較大，所以采用支撐物正方形排布的鋼化真空玻璃隔熱保溫性能更好。

在鋼化真空玻璃的實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，上述仿真結(jié)果對選擇優(yōu)化鋼化真空玻璃傳熱模型具有實(shí)用性，能夠有效降低玻璃能源的消耗，對國家呼吁的綠色節(jié)能理念具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

(1)通過理論分析鋼化真空玻璃的傳熱機(jī)理，得到了支撐物對鋼化真空玻璃傳熱的影響最大，因此，分析支撐物各參數(shù)對鋼化真空玻璃的傳熱影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2)針對支撐物各參數(shù)對鋼化真空玻璃的傳熱影響進(jìn)行理論分析，支撐物的尺寸、形狀和材料對鋼化真空玻璃的傳熱影響較小，得出支撐物的布放間距和排列方式對鋼化真空玻璃的傳熱影響較大。

(3)對支撐物的布放間距進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了鋼化真空玻璃中心區(qū)域的最大熱通量，結(jié)果表明，在其他參數(shù)一定的情況下，支撐物的布放間距越大，熱通量越小，鋼化真空玻璃的保溫隔熱性能更好，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

(4)對支撐物的排列方式進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了鋼化真空玻璃中心區(qū)域的最大熱通量，結(jié)果表明，正方形排列的熱通量最小。