CC BY
138
УДК 621.3.002.5:64:658.382.3:006.354 А. В. Хомченко
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАЕМЫХ
СТЕКЛОПАКЕТОВ
UDC 621.3.002.5:64:658.382.3:006.354 A. V. Khomchenko
INVESTIGATION OF PROPERTIES OF ELECTRICALLY HEATED DOUBLE GLAZING WINDOWS
Аннотация
Представлены методика и результаты исследования свойств опытных образцов электрообогревае-мых стеклопакетов. Показано, что использование закаленных стекол с низкоэмиссионными покрытиями в качестве электрообогревателя позволяет обеспечить заданную температуру на внутренней поверхности стеклопакета. Выполнен анализ тепловых полей в плоскости стекла. Продемонстрирована возможность измерения характеристик термоупругих состояний, возникающих в процессе нагрева стеклопакета.
Ключевые слова:
электрообогреваемые стеклопакеты, метод измерения, ток утечки, сопротивление и мощность нагревателя, температурные поля, термонапряжения.
Abstract
The methods and the results of the investigation of properties of pilot samples of electrically heated double glazing windows are presented. It is shown that the use of tempered glass with a low-emissivity coating used as an electric heater allows having the target temperature on the inner surface of the glazing. The analysis of thermal fields in the plane of glass has been performed. The possibility of measuring the characteristics of ther-moelastic states occurring during heating of a double glazing window is shown.
Key words:
electrically heated double glazing windows, measurement method, leakage current, heater resistance and capacity, temperature fields, thermal stresses.
Введение
Обеспечение эффективной теплоизоляции элементов остекления зданий и салона транспортных средств является одной из актуальных задач. Для уменьшения тепловых потерь, обусловленных процессами теплопроводности и конвекции, обычно применяют двойное остекление, что в целом дает лишь незначительный эффект, т. к. основные потери тепла вызваны переносом энергии в результате теплового излучения. Определенное снижение потерь достигается путем использования так называ-
© Хомченко А. В., 2016
емых энергосберегающих стекол [1-4], особые свойства которых связаны с нанесением на их поверхность низкоэмиссионных оптических покрытий. Такие покрытия обеспечивают прохождение коротковолнового солнечного излучения внутрь помещения, но препятствуют выходу из него инфракрасного излучения, например, от отопительных приборов. Применение стеклопакетов на основе стекол с низкоэмиссионными покрытиями гарантирует определенный уровень теплозащиты [5]. Однако даже самые эффективные стеклопакеты пол-
ностью не решают проблему выравнивания температуры стекла и помещения и получения комфортных условий в зоне окна. В связи с этим созданы элек-трообогреваемые стеклопакеты на основе стекол с нанесенным электропроводящим покрытием, нагреваемым при пропускании по нему электрического тока [6]. Технология производства элек-трообогреваемых стеклопакетов имеет ряд особенностей, недостаточно изложена в специальной литературе и является ноу-хау их производителей. Поэтому разработка и изготовление необходимых технологического оборудования и средств контроля параметров электрообогреваемых стеклопакетов весьма актуальны. При этом для разработки конструкций на основе энергоэффективного поверхностно-распределенного способа обогрева с использованием тонкопленочных обогревателей требуется выполнение комплексных исследований их электро- и теплофизических характеристик с целью определения оптимальных параметров конструкции. Для проведения электрических испытаний обогреваемых стеклопакетов целесообразно разработать методы их испытания, т. к. стандартных методик не существует.
Электрообогреваемые стеклопакеты
и анализ их характеристик
Нагреватель электрообогреваемых стекол представляет собой сетку проводящих электродов, которая наносится методом шелкографии с применением серебряной пасты и нередко используется в автомобилестроении [6], или прозрачное электропроводящее покрытие, наносимое на стекло [2, 7]. В качестве такого покрытия можно использовать уже упоминаемые низкоэмиссионные покрытия [6], которые наносят в процессе производства стекла, что позволяет резко повысить их качество. Выпускаемые стекла с серийными низкоэмиссионными покрытиями имеют значения удельного поверхностного сопротивле-
ния в диапазоне от 5 до 300 Ом/см2; стекла /-типа - 4.. .10 Ом/см2 и наилучшим образом подходят для изготовления электрообогреваемых изделий, однако их применение возможно лишь в ламинированных конструкциях из-за низкой механической и коррозионной стойкости материала покрытия [1]. Стекла с покрытиями K-типа имеют близкие значения поверхностного сопротивления в диапазоне от 90 до 100 Ом/см2, что также удовлетворяет требованиям, предъявляемым к элек-трообогреваемому стеклу. Для нанесения таких покрытий на практике широко используются аэрозольный и паро-фазный методы химического осаждения, а также вакуумный метод магне-тронного напыления покрытий на основе 1п20з (Sn) и ZnO (Al, In-легирующие добавки) или многослойных структур «диэлектрик - металл - диэлектрик» [5, 6]. Проводящее покрытие на стекле практически не снижает его коэффициент светопропускания.
Электрически нагреваемое стекло может использоваться как в стеклопаке-тах, так и в составе триплекса, выполняющего функцию защитного остекления. Технологический процесс производства стеклопакетов с электрообогревом практически не отличается от производства обычных стеклопакетов. Основное различие между ними заключается в наличии системы электропитания и, при необходимости, контроля температуры. Температурный датчик позволяет контролировать температуру обогреваемого стекла и исключить возможность перегрева изделия.
Электрообогреваемые стеклопа-кеты с удельной электрической мощностью от 500 до 2000 Вт/м2 способны разогреть стекло до температуры 150 °С, поэтому они выполнены из закаленного стекла [8], иначе температурные перепады, возникающие в процессе работы тонкопленочного обогревателя, могут разрушить стекло. Для отожженного стекла вероятность разрушения появляется уже при перепаде темпера-
тур, равном 50 °С. Закаленное стекло представляет собой стекло, подвергнутое специальной термической обработке -закалке, в результате которой в объеме стекла возникают закономерно распределенные внутренние напряжения, повышающие механическую прочность стекла и обеспечивающие особый (безопасный) характер его разрушения. При степени закалки, достигаемой в промышленных условиях, предел прочности стекла при изгибе составляет 250 МПа, т. е. более чем в 5 раз выше, чем у обычного листового стекла. При этом упругость закаленного стекла, характеризуемая стрелой прогиба, возрастает в 4...5 раз. При горизонтальном способе закалки стекла на твердых опорах листы стекла подаются на горизонтальный роликовый конвейер и направляются в печь, где они нагреваются ас-симетрично: сверху более интенсивно, чем снизу. Вследствие образующейся разницы температур по толщине стекла возникает его температурная деформация - стекло изгибается выпуклостью вверх, не касаясь своей поверхностью валков роликового конвейера. Охлаждение листов в обдувочном устройстве также ассиметрично: оно более интенсивно сверху. В результате этого листы стекла вновь приобретают плоскую форму. Температура закалки плоского стекла составляет 630.670 °С, продолжительность нагревания (на 1 мм толщины стекла) - 35. 40 с. Оптические свойства стекла (коэффициент направленного пропускания света, светостойкость), а также его теплофизические эксплуатационные свойства, такие как теплостойкость и морозостойкость, после закаливания практически не изменяются. Закаленное стекло характеризуется стабильностью свойств при длительной эксплуатации в обычных условиях (от минус 60 до плюс 150 °С).
Механические свойства и термостойкость закаленного стекла зависят от степени закалки. В связи с этим большое значение при его производстве приобретает правильный выбор условий
термической обработки (нагрева и охлаждения), параметрами которой являются скорость нагрева стекла, максимальная температура нагрева (температура закалки), интенсивность и равномерность охлаждения. Недостаточный нагрев стекла вызывает его разрушение при закалке, слишком длительный нагрев - деформацию изделия. Интенсивность охлаждения, зависящая от толщины стекла и коэффициента теплоотдачи, играет немаловажную роль в процессе закалки. Увеличения интенсивности теплоотдачи (охлаждения) стекла достигают выбором закалочных сред и способа охлаждения. Наиболее распространенной средой при производстве закаленных стекол является воздух: закалку стекла осуществляют с помощью обдувочных решеток, подающих сжатый воздух перпендикулярно к поверхности листа через многочисленные отверстия (сопла) круглого или щелевого типа. Наряду со скоростью охлаждения, большое значение при производстве закаленных стекол приобретает равномерность их охлаждения. Неравномерное охлаждение снижает качество стекла и выход годной продукции, вызывая деформацию и разрушение стекол, образование так называемых «закалочных пятен», оптические искажения, снижает стабильность механических свойств стекол и т. д. (рис. 1).
Высокая мощность, потребляемая электрообогреваемыми конструкциями остекления, определяет соответствующие требования к качеству нанесения токопроводящих шин. Контактные шины (электроды) находятся внутри пакета, доступ к ним невозможен без разрушения изделия, т. к. обогреваемый стек-лопакет содержит не менее двух пластин стекла, расположенных на расстоянии друг от друга и соединенных по периметру швом герметизации, а прозрачное токопроводящее покрытие нанесено на внутреннюю поверхность по крайней мере одного стекла.
Рис. 1. Иллюстрация напряженных состояний, возникающих в стеклопакетах
На токопроводящем покрытии на двух противоположных сторонах стекла в зоне шва герметизации или около него расположено по одному проводнику с выводами для подсоединения электрического питания. При этом сопротивление проводников Япр выбирается в соответствии с условием [9]
Япр < Япокр / 100
покр I
(1)
где Я
покр
сопротивление токопрово-дящего покрытия между проводниками.
При прохождении электрического тока через прозрачный электропроводящий слой выделяется тепловая энергия в инфракрасном диапазоне спектра излучения, на который приходится до 95 % выделяемой тепловой энергии во всем электрообогревателе. При этом существенен учет напряженно-деформированного состояния нагреваемого стекла с токопроводящим слоем. Пример расчета напряженно-деформированного состояния нагреваемых стекол приведен в [10]. Анализ [11] показывает, что уровень растягивающих напряжений в реальном диапазоне перепада температур значительно ниже прочности стекла, а следовательно, напряжения, обусловленные неравномерностью температуры по толщине стекла, не могут служить основной причиной его
разрушения. В то же время этот уровень напряжений нужно учитывать при их суммировании с напряжениями от неравномерности температурного поля по площади стекла. Выполненные оценки показывают, что максимальные растягивающие напряжения возникают на свободных кромках стекла и достигают значений, сравнимых с прочностью стекла, что может привести к разрушению нагреваемого стекла. Анализ напряженно-деформированного состояния нагреваемого стекла с токопроводящим покрытием позволяет определить максимальную температуру нагрева стекла и соответствующий ей предельно допустимый перепад температур между центральной зоной и опорной кромкой стекла, при котором уровень действующих напряжений является безопасным и не вызывает разрушения стекла.
При проведении исследований электро- и теплофизических характеристик стеклопакетов были выполнены измерения токов утечки, мощности стекло-пакетов при рабочей температуре и сопротивления токопроводящих дорожек.
Токи утечки измерялись с помощью схемы, изображенной на рис. 2, между любым полюсом источника питания, соединенным с доступной металлической частью, и металлическим
электродом 3 площадью не более 20 х 10 см, накладываемым на стекло-
пакет и соединенным с другим полюсом источника питания.
Рис. 2. Принципиальная схема установки для измерения токов утечки
Измерение токов утечки проводилось в соответствии с [12, п. 16], измерение токов утечки при рабочей температуре - [12, п. 13]. При этом ток утечки при рабочей температуре между любым полюсом источника питания и доступными металлическими частями элек-трообогреваемого стеклопакета не должен превышать 5 мА.
Мощность стеклопакетов при рабочей температуре измерялась методом сопротивления с помощью ваттметра или вольтметра и амперметра. Испытания проводились на специальном стенде, обеспечивающем температуру, соответствующую реальным условиям эксплуатации, в соответствии с [13, п. 10]. Мощность Р, потребляемая электрообо-греваемым стеклопакетом при номинальном напряжении и номинальной рабочей температуре, может отличаться от номинальной потребляемой мощности Р ном не более чем
0,9 Р ном < Р < 1,05 Р ном
Для визуализации тепловых полей, а следовательно, распределения линий тока в нагревателе использовалась теп-
ловизионная камера Еа8ГО™-4, которая позволяла оценить распределение температуры вдоль поверхности стеклопа-кета. Температура стекла контролировалась также с помощью термопары 1, закрепленной на поверхности стекла (см. рис. 1).
Сопротивление токопроводящих дорожек постоянному току измерено методом вольтметра-амперметра
(допустимо сравнение с падением напряжения на резисторе, сопротивление которого известно) или при помощи моста [13]. Измерения длительностью до 60 с допускается проводить при значениях постоянного тока до I = 0,1 /ном, где /ном - номинальный ток нагрузки. При этом сопротивление токопроводя-щих дорожек в соответствии с выражением (1) не должно превышать величину 0,01 ^покр.
Результаты исследований показали, что использование низкоэмиссионного покрытия на стекле в качестве электрообогревателя позволяет поддерживать заданную температуру внутри стеклопакета (рис. 3).
а)
б)
Рис. 3. Распределение температуры вдоль поверхности стеклопакета, иллюстрирующее распределение линий тока (а) и тепловые поля вблизи площадки электрического контакта (б)
Оценки электрического сопротивления прозрачного резистора составляли для различных образцов стеклопакета от 3.. .5 до 0,4.. .0,5 Ом на сантиметр его длины. Сопротивление 0,5 Ом/см для образца стеклопакета размером 30 х 30 см обеспечивает рассеиваемую мощность порядка 5 Вт/дм2. Ток утечки при рабочей температуре электрообогреваемого стек-лопакета не превышал 1 мкА.
С целью эффективного проектирования необходимо установить в явном виде зависимость электрической проводимости от геометрических и эксплуатационных параметров электрообогре-
вателей. Для этого был применен метод непосредственного определения проводимости нанесенного покрытия с помощью мегаомметра 3 (вставка на рис. 4), где на стекло 1 с нанесенным проводящим покрытием устанавливались измерительные зонды 2, один из которых неподвижен, а второй перемещается в Х-направлении, что позволило получить зависимости значений электрической проводимости в широком диапазоне изменения геометрических параметров системы.
а)
б)
60 Ом
I
я 50
Рис. 4. Схема измерения сопротивления Я проводящего покрытия (а) и его распределение вдоль направления Х (б)
40
Наблюдаемое неоднородное распределение сопротивления слоя вдоль поверхности низкоэмиссионного покрытия (см. рис. 4) обуславливает некоторую неоднородность тепловых полей (см. рис. 3), что устраняется подбором сопротивления токопроводящей шины Яш = 0,12 Ом (Яш < 0,01 Япокр). При прохождении электрического тока через проводящий слой выделяется тепловая энергия, что приводит к возникновению термонапряженного состояния нагреваемого стеклопакета (рис. 5).
Из анализа результатов следует, что максимальные дополнительные напряжения, возникающие при нагреве поверхности стеклопакета, не превышали 20 МПа, т. е. не достигали значений, сравнимых с прочностью стекла (см. рис. 5). Таким образом, анализ свойств нагреваемого стекла с токопроводящим слоем позволяет определить максимальную температуру нагрева стекла, при которой действующие напряжения не могут привести к разрушению электрообогреваемо-го стекла.
150 МПа 125
I
100
Да 75
50
25
'1 1
1 1 1 11 И1 |\ Р\1 «у 1 I 1 / 1 г м !е V ' V 1 1 1 у \ и (\ л
Л ¡V V '1 / 2 1 ||| м
ч
0 5 10 15 см 20
.X -
Рис. 5. Распределение механических напряжений вдоль поверхности стеклопакета при различной его температуре: кривая 1 - 25 °С; кривая 2 - 50 °С
Заключение
Результаты исследования свойств электрообогреваемых автомобильных стеклопакетов показали, что использование закаленных стекол с низкоэмиссионными покрытиями в качестве электрообогревателя позволяет обеспечить заданную температуру на внутренней поверхности стеклопакета и, соответственно, условия для наблюдения за дорогой при плохой метеообстановке. Низкотемпературный поверхностно-
распределенный локальный электрообогрев является энергоэффективным и экономичным видом обогрева. Кроме того, такие обогреватели отвечают требованиям электробезопасности, надежности и обладают необходимыми физико-механическими и электрофизическими свойствами.
Принятые технические решения при разработке макета электрообогреваемых автомобильных стеклопакетов показали достаточную функциональность
их элементов и эффективность электрообогрева. Дальнейшие исследования должны быть направлены на совершен-
ствование конструкции системы питания, нагревательного элемента и системы электропроводящих шин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Glaser, H. J. Geschichte der Entwicklung und industriellen Produktion von Warmedammschichten auf Flachglas / H. J. Glaser // Galvanotechnik. - 2007. - Vol. 98, № 6. - P. 1490-1500.
2. Свойства низкоэмиссионных покрытий на основе Ag и С^ нанесенных на полимерную пленку методом магнетронного распыления / Н. Захаров [и др.] // Перспективные материалы - 2012. - № 2. -С. 62-70.
3. Glaser H. J. Low-emissive coatings on the outer surface of heat-insulating glasses - a challenge to the flat glass industry / H. J. Glaser // Glass Sci. and Technol. - 2002. - Vol. 75, №1. - Р. 12-19.
4. Смирнов, М. И. Стекло и энергосбережение: тенденции в международном техническом регулировании / М. И. Смирнов // Энергосбережение. - 2012. - № 1. - С. 72-75.
5. Полимерная пленка с низкоэмиссионным покрытием для снижения тепловых потерь через све-топрозрачные конструкции / С. В. Работкин [и др.] // Изв. вузов. Физика. - 2011. - Т. 54, № 11. - Ч. 2. -С. 169-175.
6. Геранчева, О. Е. Возможности использования рефлектных и низкоэмиссионных стекол в качестве токообогреваемых / О. Е. Геранчева, А. А. Чистяков, Р. Р. Суркин // Стекло мира. - 2007. - № 1. -С. 95-98.
7. Махин, А. В. Остекление салона автомобиля / А. В. Махин, О. Э. Еремеева // Стекло мира. -2011. - № 8. - С. 77-80.
8. Schneider, F. New developments in multifunctional IGUs / F. Schneider, O. M. Hubler // 10 International Conference on Architectural and Automotive Glass, Tampere, 15-17 June, 2007 : Conference Proceedings. - Tampere : Tamglass. 2007. - Р. 528-531.
9. Пат. 2165513 РФ, МКИ E 06, B 3/66. Стеклоблок для окон / А. Н. Ивлюшкин, В. А. Могутов,
B. Г. Самородов, А. В. Спиридонов. - № 99121421/03 ; заявл.12.10.99 ; опубл. 20.04.01. - 6 с.
10. Анализ напряженно-деформированного состояния нагреваемого стекла с токопроводящим слоем / В. Д. Вешуткин [и др.] // Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве : материалы Всероссийской науч.-техн. конф. - Н. Новгород, 2006. -
C. 470-471.
11. Хомченко, А.В. Исследование характеристик электрообогреваемых стеклопакетов / А. В. Хомченко, А. Н. Василенко, С. О. Парашков // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев, 2016. - С. 284-285.
12. ГОСТ Р 52161.1-2004. Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. - М. : Изд-во стандартов, 2004. - 103 с.
13. ГОСТ 21342.20-78. Резисторы. Метод измерения сопротивления. - М. : Изд-во стандартов, 1999. - 10 с.
Статья сдана в редакцию 22 июня 2016 года
Александр Васильевич Хомченко, д-р физ.-мат. наук, Белорусско-Российский университет. E-mail: avkh@mogilev.by.
Alexander Vasilyevich Khomchenko, DSc (Physics & Mathematics), Belarusian-Russian University. E-mail: avkh@mogilev.by.
