新型真空玻璃的设计与制备

1、第 32 卷 第 22 期武 汉 理 工 大 学 学 报Vo l. 32 N o. 222010 年 11 月JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYNov. 2010DOI: 10. 3963/ j. issn. 1671 4431. 2010. 22. 030新型真空玻璃的设计与制备成惠峰1, 邢涛2, 纪毅璞1, 蒋 洋3, 彭佳良1( 1. 中国建筑材料科学研究总院, 北京 100024; 2. 北京城市系统工程研究中心, 北京 100089;3. 中国建筑材料集团, 北京 100044)摘 要: 真空玻璃是一种新型节能玻璃, 在提倡控制建筑能

2、耗、低碳环保、节能减排的城市建设中有广泛的应用。研究了一种制备真空玻璃的新方法, 与传统制备工艺不同, 采用 夹丝 的方法用金属丝线取代传统的点状支撑物。在真空室中, 利用自动控制设备在 420 ! 完成排气、封边等操作, 从而避免因抽气口的存在带来的漏气隐患。通过采用四边固定均布荷载矩形薄板的挠度计算方法和有限元分析等来确定金属丝线的数量和排布方式, 确定采用直径为 0. 1 mm 不锈钢细丝, 排列间隔为 60 mm。利用此方法制备的普通白玻真空玻璃传热系数( K 值) 达到 2. 58 W / m2K , 接近市场上普通白玻真空玻璃的传热系数, 达到很好的保温隔热的效果, 符合低碳环保、

3、节能减排的城市建设理念。关键词: 真空玻璃; 挠度; 传热系数; 城市节能中图分类号:T Q 171文献标识码: A文章编号: 1671 4431( 2010) 22 0114 05Design and Preparation of New Type Vacuum GlazingCH EN G Hui f eng1, XING Tao 2, JI Yi p u1, JIAN G Yang3, PENG Jia liang 1( 1. China Building M aterial Academy, Beijing 100024, China, 2. Beijing Resear ch Cen

4、ter of U rban System Eng ineering, Beijing 100089, China; 3. China National Building M aterial Group Corporation, Beijing 100044, China)Abstract: V acuum glazing is a new product of saving energ y glass, has an important r ole in urban construct ion w hich pro mo te lo w carbon, environment protecti

5、on, energy conser vation, reducing building energy consumption. I n this paper, as a new method of preparation of the v acuum glazing, use a w ired approach instead of metal pillar appr oach. In a v acuum chamber, at 420 ! , the use of automatic control equipment to complete ex hausting, sealing and

6、 other operations to avo id exhaust gas leak ag e caused by the presence of exhaust port. T hrough the use of rectang ular plate deflection w ith large ratio of length to w idt h and fixed boundary calculation method and the finite element analysis to determine t he number and arr angement of metal

7、fila ment, identify ing with a diameter of 0. 1 mm stainless steel filaments arranged in intervals of 60 mm. T he heat transfer coefficient ( K value) of vacuum glazing is 2. 58 W/ m2 K, achieve a good thermal insulat ion effect, consistent w ith the idea of latest urban construction.Key words:vacuu

8、m glazing;flex ibility;heat transfer coefficient;urban energ y saving低碳环保, 节能减排是目前我国城市建设的发展方向, 是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。收稿日期: 2010 08 11.基金项目: 科研院所技术开发项目( 2009EG232255) .作者简介: 成惠峰( 1983 ) , 男, 助理工程师. E mail: skychf 126. com第 32 卷第 22 期成惠峰, 邢 涛, 纪毅璞, 等: 新型真空玻璃的设计与制备115建筑能耗在整个城市能源消耗中占到 30% 以上 1 , 而对于建筑能耗

9、来说, 玻璃窗的是建筑物整体的能耗 漏洞 , 因此减小玻璃窗的传热系数( K 值) 是减低建筑物能耗的关键, 对于城市建设发展有着重要意义。人们对于降低玻璃传热系数、玻璃节能的研究从未停止过, 夹胶玻璃, 中空玻璃, 双中空玻璃等都是节能玻璃的产品, 而其中真空玻璃是一种保温、隔声性能非常突出的高科技产品, 是节能玻璃中的新产品。从原理上真空玻璃可比喻成平板形保温瓶, 两层玻璃之间的夹层气压低于 0. 1 Pa, 使气体传热可忽略不计; 单层或双层玻璃内壁可镀低辐射膜, 使辐射传热尽可能小, 使玻璃整体的传热系数( K 值) 降低。必须在两层玻璃之间设置 支撑物 来承受每平方米 10 t 的大

10、气压力, 使玻璃之间保持间隔, 形成中空层 2 。真空玻璃具有良好的透明、隔热、隔音特性, 因而可以应用于平板式太阳能集热器的透明盖板, 以及作为高等级建筑的采光隔热、隔音窗口玻璃等 3 。而目前市场上的真空玻璃产品价格较高, 存在抽气口等一系列问题, 影响其进一步的推广使用, 真空玻璃要做到成熟广泛应用, 还需要进行大量的研究。该文讨论一种制备真空玻璃的新工艺,通过理论计算验证此工艺制备真空玻璃的可行性, 其制备过程简便可行, 可以避免传统真空玻璃生产中的存在抽气口问题, 对生产小面积真空玻璃有一定的指导意义。1 真空玻璃的设计该试验设计的真空玻璃见图 1, 它由2 块 4 mm 厚普通钠钙

11、浮法玻璃制成, 其设计要求如下: 1) 要大大降低真空玻璃窄缝之间的气体对流和热传导, 必须使气体压力降低到很低的程度, 一般要到达 10- 2 Pa 以下 3, 4 。2) 为了支撑大气压力, 真空玻璃中必须添加支撑物, 大气压力下支撑物发生形变, 形变量必须小于玻璃间距, 该试验采用 0. 1 mm 的不锈钢细丝作为支撑物。3) 玻璃在外界大气压力的作用下, 将产生一定的形变和应力, 当玻璃形变挠度超过玻璃间距, 两块玻璃贴合, 真空玻璃将失去效果。设计支撑物排布方式以满足玻璃挠度小于玻璃间距, 该试验设计支撑线间距为 60 m m。新型真空玻璃的具体试验步骤如下: 1) 首先将底层玻璃放

12、置于平板加热器上, 同时在玻璃上布置支撑不锈钢细丝, 在玻璃四周靠近边缘处布置低温玻璃粉; 2) 将上层玻璃用楔子支撑悬空于底层玻璃上方; 3) 然后将加热器放入真空室中, 同时加热和抽真空, 最后玻璃粉融化, 真空度达到要求时, 将楔子撤去, 上下层玻璃粘合, 制成真空玻璃。2 真空玻璃参数的理论计算2. 1玻璃挠度和支撑线应力、形变量的计算真空玻璃在外界大气压力的作用下, 将产生一定的形变和应力。为了建立一定理论模型来计算玻璃的挠度, 以确定支撑线之间的距离, 做如下的简化: 在支撑线和玻璃边界处取出一个矩形单元, 由于单元边长远大于玻璃厚度, 因此可按矩形薄板处理计算。抽取的玻璃单元见图

13、 2, 其可看成是四边固定矩形薄板的情况, 故采用周边固定大长宽比受均布荷载的矩形薄板挠度计算公式( 1) 5, 6 来计算抽取单元的挠度最大值。=Pa4( 1)Et 3式中, 为矩形薄板的挠度( mm) ; 为挠度系数, 对于长宽比大于 3 的矩形薄板, = 0. 028; a 为矩形薄板的短边长度( mm) ; E 为材料的杨氏模量( MPa) ; P 为均布荷载( MPa) ; t 为矩形薄板的厚度( mm ) 。116武汉 理 工 大 学 学 报2010 年 11 月2. 2支撑物轴向应力和形变计算支撑不锈钢丝轴向的应力公式( 2) 7 为=AF式中, 为支撑物轴向应力( MPa) ;

14、 F 为压力( N) ; A 为不锈钢丝与玻璃接触面积( mm2) 。支撑不锈钢丝的轴向形变的公式( 3) 7 为! = EAFh式中, ! 为轴向形变量( mm) ; F 为压力( N) ; h 为轴向距离( mm ) ; E 为材料的杨氏模量( MPa) ; A 丝与玻璃接触面积( mm2) 。2. 3计算结果( 2)( 3)为不锈钢试样采用普通钠钙浮法玻璃, 可查得:玻璃的杨氏模量 E = 72 GPa, 玻璃的厚度 t = 4 mm , 大气压强 P = 0. 1 MPa, 设计支撑线间距离即玻璃单元短边长度 a= 60 mm, 长边长度为玻璃片边长 b = 300 m m, 单元面积

15、上的压力 F= Pab= 1 800 N, 真空玻璃两玻璃之间距离 h= 0. 1 mm, 不锈钢的杨氏模量 E= 200 GPa, 不锈钢细丝在真空玻璃中作为支撑物在大气压力的作用下微小的形变, 因此不锈钢细丝与玻璃接触面积采取近似计算 A = bh/ 2= 15 mm2。按公式( 1) 计算, 在大气压强下, 玻璃挠度最大值= 7. 875 # 10- 3 mm。采用 CATIA 软件中分析与模拟功能对抽取的单元玻璃进行有限元分析, 将单元四周夹持, 表面采用均布力荷载, 其分析结果见图 3。由图 3 可见, CAT IA 软件分析得出, 玻璃形变的最大挠度= 1. 23 # 10- 3

16、mm。有限元分析得到的玻璃形变最大挠度值小于公式( 1) 计算的结果, 这是因为有限元分析充分考虑了四周约束的作用, 结果更接近真实情况。由以上计算结果可见, 在正常的大气压力下, 玻璃形变最大挠度值 比玻璃间距 h 要小很多, 支撑线设计距离 60 m m 可以满足真空玻璃的制造要求。不锈钢细丝的应力和形变量计算结果如下:应力=AF = 120 MPa, 形变量 != EAFh = 6 # 10- 5 mm。由计算结果可知, 应力远小于不锈钢的压缩屈服强度, 不锈钢细丝的形变量远小于玻璃间距, 由此可见排布间距为 60 mm 的不锈钢细丝可以作为真空玻璃的支撑物。2. 4真空玻璃 K 值的计

17、算K 值, 美国称为 U 值, 是建筑物围护结构热工作性能的重要指标。其含义是当室内外温差为 1 ! 时,单位时间内通过单位面积的玻璃窗室内外空气间传递的热量, 我国法定单位为 W/ m2K。K 值的计算见公式( 4) 8K =1=1( 4)R 传R 内+ R +R 外式中, K 为传热系数( W/ m2K) ; R 传为传热阻( m2K/ W) ; R 为玻璃热阻( m2K/ W) ; R 内、R 外为内外表面换热阻( m2K/ W) 。第 32 卷第 22 期成惠峰, 邢 涛, 纪毅璞, 等: 新型真空玻璃的设计与制备117其中国标规定 R 内+ R 外= 1/ 8. 7+ 1/ 23=

18、0. 158 4 m2K/ W。要计算真空玻璃的传热系数 K 值, 必须要先计算真空玻璃整体的热阻如图 4 所示。由此可得, 真空玻璃热阻计算公式( 5) 8R 辐射R 支撑物( 5)R 真空 =R 1 + R 辐射 + R 支撑物 + R 2式中, R 1、R 2 为内外玻璃板热阻( m2 K/ W ) ; R 辐射 为辐射热阻( m2K/ W) ; R 支撑物为支撑物热阻( m2K/ W) 。 2. 4. 1 辐射热阻的计算根据相关文献 8 10 , 查得 R辐射可根据两平行表面辐射热导的公式( 6) 计算 ( T 4 - T 4) C辐射 = 有效T 1 - 1 T 2 2R , 其中中

19、空玻璃热阻 R 真空构成( 6)式中, T 1, T 2为两表面的绝对温度, 单位为 K; 有效为表面有效的辐射率;为 Stefan Blotzman 常数, 其数值为 5. 67 # 10- 8 W/ m2K。按我国的测试标准, 室内侧温度: T 1= 291 K; 室外侧温度: T 2= 253 K。当两平行平面温差不大的条件下, 公式( 6) 可简化为 C 辐射= 4. 564有效, 由此可得公式( 7) 81- 1- 1R 辐射 =C辐射=0. 219( 1+ 2- 1)( 7)式中, 1, 2为表面 1 和表面 2 的半球辐射率。查表可知, 普通钠钙玻璃的内表面辐射率一般为 0. 8

20、4。由此计算可得由两片普通钠钙玻璃组成的真空玻璃系统中 R 辐射= 0. 30 m2K/ W。2. 4. 2 支撑物热阻的计算真空玻璃中支撑物传热主要通过表面接触传热方式, 当其他参数确定时, R 支撑物和支撑物 玻璃接触总面积有关。文中制备的真空玻璃采用不锈钢丝作为支撑物, 为了对比采用圆柱形支撑物的真空玻璃 K 值,该文采用计算不锈钢丝与玻璃接触总面积, 以此模拟等面积情况下圆柱形支撑物排布方式, 采用圆柱形支撑物热阻的方法来计算 R支撑物。根据相关文献 8, 11 13 查得真空玻璃的圆柱形支撑物热阻可由公式( 8) 计算R 支撑物 =1=b2( 8)C 支撑物2#玻 r式中, #玻为玻

21、璃的导热系数, 约为 0. 76 W/ mK; r为支撑物半径( mm) ; b 为支撑物方阵间距( mm) 。采用文献 2 中提出的圆柱形支撑物 r = 0. 25 m m, b =25 mm, 在 300 mm # 300mm 的真空玻璃试样中, 圆柱形支撑物的个数约为 150 个, 其总面积为 29. 45 mm2。而试验中采用的不锈钢细丝与玻璃接触面积很小, 可近似估算两者接触的总面积为 60 mm2, 相当于 300 个圆柱形支撑物的面积, 换算可得相当于圆柱形支撑物的方阵间距约为 b = 17. 5 m m。根据公式( 8) 计算, 可得 R 支撑物= 0. 806 m2 K/ W

22、。根据公式( 5) 可算出真空玻璃的热阻 R = 0. 229 m2K/ W; 根据公式( 4) 可算出该试验制备 4+ V + 4 的真空玻璃整体的传热系数 K = 2. 58 m2K/ W。而由文献 2 可知, 普通 5 + 12A + 5 中空玻璃的 K 值为 2. 87 m2 K/ W, 普通 4+ V + 4 的真空玻璃 K 值为2. 30 m2K/ W。由此可见该文试验方法制备的真空玻璃完全可以满足节能玻璃的要求和应用, 同时其制造方法简便可行, 无漏气的隐患。3结 论a. 此制备真空玻璃的试验方法, 简单可行, 制备的真空玻璃不存在抽气口, 解决了传统真空玻璃使用中因抽气口损坏导

23、致真空玻璃失效的问题。b. 通过均布荷载的矩形薄板挠度计算方法、CAT IA 有限元分析和支撑物轴向应力和形变量计算, 对于118武汉 理 工 大 学 学 报2010 年 11 月300 mm # 300 mm 大小普通玻璃, 选用直径 0. 1 mm 不锈钢细丝作为支撑线, 排布间距为 60 mm 的初始设计满足真空玻璃的设计要求。c. 通过理论计算可得, 采用该文方法制备的新型普通白玻真空玻璃的 K 值为 2. 58 W/ m2K, 小于普通中空玻璃的 K 值, 满足节能玻璃的要求和应用。参考文献 1 唐健正, 盛建中. 推广 节能窗 的经济效益和社会效益 J . 建设科技, 2007(

24、2) : 61 63. 2 唐健正. 玻璃窗与节能玻璃 J . 门窗与幕墙, 2007( 6) : 10 13. 3 郑宏飞, 吴裕远, 郑德修, 等. 窄缝高真空平面玻璃的研制 J . 西安交通大学学报, 2001, 35( 1) : 99 101. 4Collins R E, Simko T M . Current Status of the Science and T echnolog y of Vacuum G lazing J . Solar Energ y, 1998, 62( 2) :189 213. 5 铁摩辛柯S. 材料力学( 高等理论及问题) M . 北京: 科学出版社,

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