龐世紅,陳 曦,楊學(xué)東,楊愛(ài)蓮,譚 磊,韓 磊

(1.中國(guó)國(guó)檢測(cè)試控股集團(tuán)股份有限公司,北京 100024;2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 266111)

0 引 言

隨著生活水平的不斷提高,人們對(duì)鐵路客運(yùn)條件的要求越來(lái)越高,動(dòng)車組列車不但要保證安全高速運(yùn)轉(zhuǎn),還要盡可能地為旅客和車上工作人員創(chuàng)造舒適的乘車環(huán)境。動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中,高速氣流對(duì)列車的氣密性、隔熱性能均產(chǎn)生重要影響,另外車體密封及隔熱性能對(duì)列車空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷影響較大。提高動(dòng)車組車體的隔熱性能,降低空調(diào)負(fù)荷,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗、降低列車運(yùn)行成本的目的是新一代動(dòng)車組技術(shù)開(kāi)發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)。

動(dòng)車組車廂內(nèi)能量損失的主要途徑包括門窗縫隙的泄漏、側(cè)窗玻璃的傳熱和車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱。側(cè)窗玻璃的面積約為車身側(cè)墻面積的30%,因此其隔熱性能對(duì)列車的空調(diào)負(fù)荷有很重要的影響。在進(jìn)行隔熱性能計(jì)算時(shí),側(cè)窗玻璃內(nèi)外表面換熱系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有重要影響[1]。王興龍等[2]對(duì)比分析了動(dòng)車組車體傳熱系數(shù)計(jì)算方法,常用的企業(yè)經(jīng)驗(yàn)公式算法與日本標(biāo)準(zhǔn)算法得到的某型號(hào)動(dòng)車組整車傳熱系數(shù)(K值)與實(shí)測(cè)值偏差為20.19%～23.08%;曹長(zhǎng)業(yè)等[3]研究了高寒動(dòng)車組隔熱結(jié)構(gòu),并對(duì)比4種不同防寒方案,優(yōu)選方案中側(cè)窗的適宜傳熱系數(shù)為1.2 W/(m2·K);歐陽(yáng)仲志[4]研究了隔熱性能對(duì)動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)的影響,通過(guò)采用透光率低的車窗玻璃、中空玻璃等防止過(guò)多的太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入車內(nèi),以減少空調(diào)機(jī)組夏季制冷的負(fù)荷。

目前的鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有給出側(cè)窗外側(cè)玻璃換熱系數(shù)的計(jì)算方法,設(shè)計(jì)人員通常采用列車靜止?fàn)顟B(tài)下的車外換熱系數(shù)[5-7]。在列車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,該計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有偏差,尤其在計(jì)算高速動(dòng)車組側(cè)窗玻璃的傳熱時(shí)偏差更大。

為進(jìn)一步確定玻璃隔熱性能的影響因素,文章研究了輻射率、車外換熱系數(shù)、側(cè)窗玻璃組成與隔熱性能的關(guān)系,為動(dòng)車組側(cè)窗玻璃設(shè)計(jì)選型提供了技術(shù)依據(jù)。

1 基本原理

確定中空玻璃的傳熱系數(shù)通常有兩種方法,一種是實(shí)測(cè)方法,將樣品固定在冷室和熱室之間,通過(guò)冷室和熱室達(dá)到穩(wěn)定傳熱時(shí)的功率計(jì)算側(cè)窗玻璃的傳熱系數(shù)[8-9],該方法簡(jiǎn)便直觀,得到的結(jié)果為列車靜止?fàn)顟B(tài)側(cè)窗玻璃的性能;另一種方法是用理論公式計(jì)算側(cè)窗玻璃的傳熱系數(shù)[10]。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到傳熱系數(shù)K。

(1)

式中:he為車外側(cè)玻璃表面換熱系數(shù),W/(m2·K);ht為側(cè)窗玻璃所有組成單元的傳熱系數(shù),W/(m2·K);hi為車內(nèi)側(cè)玻璃表面換熱系數(shù),W/(m2·K)。

由式(1)可以看出,列車在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下車外側(cè)玻璃的換熱系數(shù)對(duì)側(cè)窗玻璃的傳熱系數(shù)影響很大。

根據(jù)式(2)、(3)[11]計(jì)算車外側(cè)玻璃表面的換熱系數(shù),v為列車運(yùn)行速度。

he=5.57+3.94×v(v<5 m/s)

(2)

he=7.1×v0.78(v≥5 m/s)

(3)

列車靜止?fàn)顟B(tài)下車外側(cè)和內(nèi)側(cè)玻璃表面的換熱條件與實(shí)測(cè)時(shí)兩表面的換熱條件接近,因此計(jì)算值與實(shí)測(cè)方法得到的側(cè)窗玻璃傳熱系數(shù)比較接近。

2 樣品及計(jì)算條件

2.1 試驗(yàn)樣品

選取2種典型的動(dòng)車組側(cè)窗玻璃組成,組成1為夾層中空玻璃,具體配置是6 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm coating玻璃(外)+14 mm氬氣+4 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm無(wú)色玻璃(內(nèi)),內(nèi)外側(cè)均是夾層玻璃,中空腔充氬氣厚度為14 mm,總厚度為35.04 mm;組成2為夾層-中空真空復(fù)合玻璃,具體配置是6 mm灰玻璃+1.52 mm PVB+4 mm無(wú)色玻璃(外)+14 mm氬氣+(3 mm coating+0.3 mm真空層+3 mm灰玻璃)(真空玻璃)+0.76 mm PVB+2 mm無(wú)色玻璃(內(nèi)),內(nèi)外側(cè)均是夾層玻璃,中空腔充氬氣厚度為14 mm,內(nèi)側(cè)夾層玻璃包含1片真空玻璃,總厚度為34.58 mm。通過(guò)改變4 mm coating和3 mm coating玻璃的輻射率(見(jiàn)表1),研究2種側(cè)窗組成傳熱系數(shù)的變化。

表1 玻璃輻射率

上述內(nèi)和外是指車內(nèi)側(cè)和車外側(cè),4 mm coating和3 mm coating是在普通無(wú)色玻璃表面鍍低輻射率膜層,通過(guò)控制膜層厚度來(lái)調(diào)節(jié)膜層的輻射率。分別制備了4塊輻射率不同的4 mm coating和3 mm coating共8塊玻璃,用8塊玻璃分別制備了4塊組成1結(jié)構(gòu)的夾層中空玻璃樣品(表1中樣品1～4)和4塊組成2結(jié)構(gòu)的夾層-中空真空復(fù)合玻璃樣品(表1中樣品5～8)。用理論公式計(jì)算8個(gè)樣品在列車靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的傳熱系數(shù),對(duì)比2種典型結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。0.070的輻射率一般為雙銀或三銀鍍膜玻璃,0.150的輻射率一般為單銀、SnO∶F或InSnO鍍膜玻璃,0.350的輻射率是通過(guò)改變銀、SnO∶F或InSnO膜層厚度得到的,0.837的輻射率是普通玻璃的輻射率(即無(wú)需鍍膜)。

2.2 計(jì)算條件

車內(nèi)側(cè)玻璃表面換熱系數(shù)取8 W/(m2·K)。計(jì)算車外側(cè)玻璃表面換熱系數(shù)時(shí)選取2種典型條件,分別為列車靜止和列車高速運(yùn)行。列車靜止時(shí)用式(2)按運(yùn)動(dòng)速度v=3 m/s計(jì)算得到車外側(cè)玻璃表面換熱系數(shù)為17.39 W/(m2·K);列車運(yùn)行時(shí)選用復(fù)興號(hào)列車最高運(yùn)行速度,用式(3)按v=100 m/s計(jì)算得到車外側(cè)玻璃表面換熱系數(shù)為257.80 W/(m2·K)。

車內(nèi)外溫差ΔT=25 K,中空腔內(nèi)氬氣按90%(體積分?jǐn)?shù))計(jì)算,真空玻璃內(nèi)壓強(qiáng)P=0.1 Pa,玻璃導(dǎo)熱系數(shù)為1.0 W/(m·K),膠片導(dǎo)熱系數(shù)為0.212 W/(m·K),玻璃輻射率見(jiàn)表1。

3 結(jié)果與討論

表2為8個(gè)樣品傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果,偏差值為列車靜止和運(yùn)動(dòng)條件下樣品傳熱系數(shù)的差值的百分比。

表2 樣品傳熱系數(shù)

圖1為列車靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下樣品的傳熱系數(shù)變化,由圖1可以看出,輻射率對(duì)樣品傳熱系數(shù)K值有重要影響,樣品的傳熱系數(shù)K值隨著玻璃輻射率的增加而顯著增加。

圖1 樣品傳熱系數(shù)

由式(1)可以看出,在內(nèi)外條件相同的條件下,側(cè)窗玻璃的傳熱系數(shù)K取決于玻璃組成的傳熱系數(shù)ht。材料的傳熱形式有3種:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射,對(duì)于組成1和組成2中空玻璃樣品,通過(guò)樣品制備的中空腔降低了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,通過(guò)在樣品表面制備低輻射率膜層,降低了樣品的熱輻射。由表2中數(shù)據(jù)可以看出,在相同結(jié)構(gòu)下(組成1或組成2),僅僅通過(guò)降低鍍膜玻璃的輻射率就能大大降低樣品的傳熱能力。

對(duì)于組成1,在列車靜止(v=3 m/s)時(shí),隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數(shù)從1.167 2 W/(m2·K)增加到2.387 6 W/(m2·K),傳熱系數(shù)增加了104%;在列車運(yùn)動(dòng)(v=100 m/s)時(shí),隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數(shù)從1.245 1 W/(m2·K)增加到2.738 2 W/(m2·K),傳熱系數(shù)增加了120%;樣品1、2、3、4在列車運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)比靜止時(shí)分別增加了6.7%、8.0%、10.6%、14.7%,表明隨著玻璃輻射率的增加,樣品在列車靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)偏差變大。

對(duì)于組成2,在列車靜止(v=3 m/s)時(shí),隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數(shù)從0.487 7 W/(m2·K)增加到1.509 3 W/(m2·K),傳熱系數(shù)增加了209%;在列車運(yùn)動(dòng)(v=100 m/s)時(shí),隨著玻璃的輻射率從0.070增加到0.837,樣品的傳熱系數(shù)從0.500 8 W/(m2·K)增加到1.642 2 W/(m2·K),傳熱系數(shù)增加了228%;樣品5、6、7、8在列車運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)比靜止時(shí)分別增加了2.7%、4.0%、6.0%、8.8%,表明隨著玻璃輻射率的增加,樣品在列車靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)偏差變大,但偏差值比組成1小。

組成1和組成2的一個(gè)重要區(qū)別是組成2采用了一塊真空玻璃,真空玻璃能夠很好地降低結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo),因此能夠進(jìn)一步降低組成的傳熱系數(shù)。表2中數(shù)據(jù)表明,列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,輻射率相同的夾層-真空中空復(fù)合玻璃(組成2)和夾層中空玻璃(組成1)相比,傳熱系數(shù)分別降低了149%(玻璃輻射率0.070)、101%(玻璃輻射率0.150)、72%(玻璃輻射率0.350)、66%(玻璃輻射率0.837);列車靜止?fàn)顟B(tài)下,組成2比組成1傳熱系數(shù)分別降低了140%(玻璃輻射率0.070)、93%(玻璃輻射率0.150)、65%(玻璃輻射率0.350)、58%(玻璃輻射率0.837)。

4 結(jié) 論

1)玻璃低輻射性能優(yōu)異(輻射率為0.070)時(shí),列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下側(cè)窗玻璃的傳熱系數(shù)比靜止?fàn)顟B(tài)下的傳熱系數(shù)增加了6.7%,隨著玻璃輻射率增加到0.837,傳熱系數(shù)增加了14.7%。

2)玻璃低輻射性能優(yōu)異(輻射率為0.070)時(shí),列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下夾層-中空真空復(fù)合玻璃的傳熱系數(shù)比總厚度接近的夾層中空玻璃傳熱系數(shù)降低了149%。

3)玻璃輻射率對(duì)夾層中空玻璃和夾層-中空真空復(fù)合玻璃的傳熱系數(shù)均有重要影響,且對(duì)夾層-中空真空復(fù)合玻璃的影響更大。

4)基于動(dòng)車組動(dòng)態(tài)隔熱性能的考慮,動(dòng)車組車窗玻璃應(yīng)選用低輻射率玻璃。