（农业生物环境与能源工程专业论文）真空平板玻璃传热性能及支撑应力研究.pdf

中国农业大学博士论文 摘要 摘要 努力寻找优良的透光保温材料一直是设施农业科技_ 作者的重要课题。真空玻璃作为二十一 世纪新型透光保温材料以其优良的抗老化性能、保温性能、可见光透过和红外光反射性能而独占 鳌头。对真空平板玻璃开展系统的研究，是使其在未来的设施农业领域发挥巨大作用的关键。 本文对真空平板玻璃的传热性能作了系统的、详实的理论研究和实验研究，对真空平板玻璃 特有的支撑结构进行了支撑应力场研究，同时，成功地制造了实验研究所必须的真空玻璃试样， 为真空平板玻璃的设计、制造以及产业化打下了坚实的基础。 ( 1 ) 本文对真空玻璃的传热机理进行深入分析，根据自由分子状态的稀薄气体导热理论， l o w - e ( 低发射率) 膜发射传热理论和玻璃同体导热与辐射传热偶合理论，建立l o w ，e 膜真空玻 璃传热数学模型。 ( 2 ) 用非灰谱带模型确切地模拟l o w e 真空玻璃与外界热源在辐射换热中的物理过程。模 型充分考虑了l o w e 真空玻璃表面反射率以及透射率对辐射传热的影响作用。得出l o w e 膜对 真空玻璃的热阻贡献很大的结论。 ( 3 ) 利用吸收一发射介质的传热过程，得出了真空玻璃的玻璃层的非线性微分秘分传热控 制方程，利用指数核近拟法，将方程无因次化和线性化，把难以求解的传热方程简化成一个二阶 线性微分方程，采用中心差分法进一步简化线性方程组求解。 ( 4 ) 对镀膜真空玻璃这一特殊结构的传热途径作了详细分析，并建立了热平衡方程，通过 对热平衡方程的求解，得到了传热量和传热系数的计算方法，通过对传热途径和传热量组成因子 分析得出真空玻璃将l o w - e 膜镀在外部比镀在内部优越的结论。 ( 5 ) 通过在线真空热箱试验，得到普通真空玻璃、内面镀膜真空玻璃、外面镀膜真空玻璃 三个状态的真空度传热系数曲线，并且得出了从低真空度到高真空度传热系数逐步明显减少的 结果，当真空压强下降到3 1 3 1 0 1 p 口进入到自由分子导熟状态以后，其真空压强的下降对传 热系数的减少并不明显，这说明真空玻璃的真空腔只要保持在3 1 3 x 1 0 “只口以下即可达到预想 的绝热效果。 ( 6 ) 对真空玻璃实际工作环境进行了模拟得出了真空玻璃外部风速对传热系数的影响很 为明显的结论，这对于温室覆盖材料测试标准中环境参数的制定提供了依据。 ( 7 ) 成功制造了本文的真空玻璃样品，这一制造过程攻克了真空玻璃支撑工艺难关，这亦 是制造真空玻璃的关键工艺。对制造真空玻璃的整个工艺进行了探索和总结，并对其封头工艺和 支撑柱摆放工艺作了创造性地改进。 ( 8 ) 用结点法建立真空玻璃应力分布数学模型。 ( 9 ) 用有限元方法分析已建立的数学模型，得出整块真空玻璃的支撑应力分布。 ( 1 0 ) 用a n s y s 软件分析整块真空玻璃的应力应变场，得出了精确的应力分布彩图，直观 地表达了真空玻璃重要特征部位的应力分布。并得出理论计算与软件分析基本一致的结果。 关键词：真空，平板玻璃，传热，应力 中国农业大学博士论文摘要 a b s t r a c t d i l i g e n t l ys e e k i n gs u c ham a t e r i a l ，w h i c hi sg o o da tb o t ht r a n s p a r e n c ea n dt h e r m a li n s u l a t i o n ，i s a l w a y sa ni m p o i t a n tt a s kf o rs c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lw o r k e r si ng r e e n h o u s eh o r t i c u l t u r e v a c u u m p l a n eg l a s s ，a san e wm a t e r i a li n2 1 s tc e n t u r y , i st h ec h a m p i o nb yf o l l o w i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s ： a n t i a g e d ，h e a tp r e s e r v a t i o n ，t r a n s p a r e n c e ，a n di n f r a r e dr e f l e c t i o n r e s e a r c h i n gt h ev a c u u mp l a n eg l a s s t ou t i l i z ei t sh u g ef u n c t i o ni st h ec r u c i a ls e c t o rt ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f h o r t i c u l t u r e t h es y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht ot h eh e a t - t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fv a c u u m p l a n eg l a s sa n dt h eg l a s s ss t r e s sf i e l dw h i c hi sc a u s e db ys u p p o r t i n gi sm a d ei nt h i ss t u d y t h ev a c u u m g l a s ss p e c i m e nf o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sm a d es u c c e s s f u l l y t h er e s u l t sg o tf r o mt h er e s e a r c hw i l lb e g u o df o rt h e # a s sd e s i g n i n g m a n u f a c t u r i n ga sw e l l i t si n d u s t r i a l i z a t i o n ( 1 ) t h eh e a t t r a n s f e ro f v a c u u mg l a s sb a s e do n t h e t h e o r yo f t h i n - a i r t r a n s f e rh e a t i n t h e f r e e m o l e c u l e s t a t e ，t h et h e o r yo fl o w ec o a t i n g st r a n s f e rh e a ta n dt h et h e o r yo fc o u p l e dr a d i a t i o na n d c o n d u c t i o ni ng l a s sw a sd e e p l ya n a l y z e d a tl a s tt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fh e a tt r a n s f e ro fv a c u u n l g l a s sw i ml o w - ec o a t i n gw a se s t a b l i s h e d ( 2 ) u s i n gd i f f u s e - n o n - g r a y - s u r f a c em o d e l ，t h ep h y s i c a lp r o c e s so fr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rf l u x e sf r o m v a c u u mg l a s sw i t hl o w - ec o a t i n gw a sp r e c i s e l ys i m u l a t e d t h er e f l e e t i v i t ya n dt r a n s m i s s i v i t yo f l o w + ev a e a u u lg l a s sw e r ef u l l yc o n s i d e r e di nt h i sm o d e l t h ec o n c l u s i o nt h a tl o w - el a y e ro f v a c u u mg l a s sh a sag r e a tc o n t r i b u t i o nt oh e a tr e s i s t a n c ei sg a i n e di nt h ee n d ( 3 ) t h ec o n t r o l l i n ge q u a t i o no fh e a tt r a n s f e rt h r o u g hv a c u u l np l a n eg l a s sw a se s t a b l i s h e do i lt h eb a s i s o ft h et h e o r yo fc o u p l e dr a d i a t i o na n dc o n d u c t i o n t h eq u e s t i o ni sr e s o l v e db yt h em e t h o do f e x p o n e n t i a lk e r n e la p p r o x i m a t i o n ，d i m e n s i o n l e s s n e a sa n dl i n e a r i z a t i o n “) r h eh e a t - t r a n s f e ra p p r o a c ho fl o w - ev a c u u m # a s sw a sa n a l y z e da m p l yi nt h i st h e s i s ，m e a n w h i l e t h eh e a tb a l a n c ee q u a t i o nw a s e s t a b l i s h e d b yt h es o l u t i o no f h e a tb a l a n c ee q u a t i o na n dt h ea n a l y s i s o f h e a t - t r a n s f e ra p p r o a c h ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h eh e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n tw a sg a i n e d a t l a s tt h ef a c tt h a tv a c u u l ug l a s sw i t hl o w - eo u t s i d ep r i o rt oi n s i d ew a sc o n c l u d e d ( 5 ) t h r o b g l lt h eh o t - b o xe x p e r i m e n t ，w h i c hc a l lt a k eo u ta i rf r o mt h eg l a s sm e a n w h i l e ，t h r e ek i n do f c u r v e so fh e a tt r a n s m i s s i o nc o e m c i e n tr e l a t e dw i t hv a c u u mp r e s s u r e t h ec u r v eo fc o m m o n v a c u u mg l a s s ，v a c u u ng l a s sw i t hi n s i d ec o a t i n ga n dv a c u l u l l 百mw i t ho u t s i d ec o a t i n gw e r ed r a w n t h er e s u l tt h a th e a tt r a n s m i s s i o nc o o f f i c i e n td e c r e a s e sa l o n gw i t hv a c u u mp r e s s u r e sd e c l i n ew a s g a i n e d a t i e rv a c u u md e s c e n d st o0 3 1 3d 8a n de r t t e r $ t h es t a t eo f f r e em o l e c u l eh e a tt r a n s f e r , i ti s n o to b v i o u st ot h ed e c r e a s eo fh e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n tc a u s e db yt h ed e c l i n eo fv a c u u m p r e s s u r e t h i si n d i c a t e st h a ta sl o n ga st h ep r e s s u r ei nv a c u u mc a v i t yk e e p sb e l o wo 3 1 3p a h e a t i n s u l a t i o ne f f e c tc a nb ea c h i e v e d ( 6 ) b yt h es i m u l a t i o n sf o rt h ea c t u a lw o r ke n v i r o n m e n to fg l a s sv a c u u m , t h ec o n c l u s i o nt h a te x t e r i o r w i n dv e l o c i t yc a ni n f l u e n c eh e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n to b v i o u s l yw a sg a i n e d t h i sp r o v i d e sa l i 中国农业大学博士论文摘要 b a s i sf o re s t a b l i s h i n gs t a n d a r do fe n v i r o n m e n tp a r a m e t e ri nt h eg r e e n h o u s eo v e r l a y i n gm a t e r i a l s t e s t ( 7 ) v a c u u mg l a s ss a m p l ei sm a n u f a c t u r e ds u c e e s s f i t l l yi nt h ee x p e r i m e n t t h ec r a f to fs u p p o r t i n g a g g l u t i n a t i n g ，p u t t i n gs h o r ei sa l ld e v e l o p e dw e l l ( 8 ) am a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t r e s sd i s t r i b u t i o ni nv a c u u mg l a s sw a se s t a b l i s h e db yu s i n gc r u n o d e m e t h o d ( 9 ) a n a l y z i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，w h i c hh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e v a c h u l t ig l a s s ss t r u t - s t r e s sd i s t r i b u t i o nw a sg a i n e d ( 1 0 ) ，ap r e c i s es t r e s sd i s t r i b u t i o nc o l o rc h a r tw h i c hs h o w sm a n yi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i cp a r t sw a s d r a w nb yu s i n ga n s y ss o t ! t w a r et oa n a l y z ev a c u u mg l a s s ss t r e s sa n ds t r a i nf i e l d e v e n t u a l l ya b a s i c a l l yc o n s i s t e n tr e s u l tb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h es o f t w a r ea n a l y s i si so b t a i n e d ， k e yw o r d s ：v a c u u m ，p l a t eg l a s s ，h e a tt r a n s f e r , s t r e s s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 溅蝼轹乡镌 蝴：吖钙朗日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：峙j 袁晴 时间： jc ，年，。月土。臼 导师签名： ，弘儒 时间： 加弦 月勿日 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 近年来温室种植规模正在迅猛发展，它也是我国三高农j 眦的重要标志之一。我国加入w t o 以 厉由于机械化程度及人均种植面积远远比不上欧美国家，所以主要粮食作物难以与国外竞争。精 细农业、劳动密集型和科技密集型农业是我国加入w t o 以后农业可持续发展的重要途径。阁此， 温室种植业、温室养殖业还将高速发展，该产业也将成为我国支柱产业之一。 设施农业的发展首先是从良好的透光保温材料的应用起步的，所以，透光保温材料的发展是 设施农业科技进步的重要基石之一。努力寻找优良的透光保温材料一直是设施农业科技r 作者艰 苦求索的重要课题；研究优良透光保温材料的透光特性、传热机理、建立其数学模型优化其结构 是设旌农业科技工作者的主要任务之一。 1 1 温室保温节能的研究发展 在整个农业生产体系中，设施园艺是一项高耗能产业。据日本测算，每生产l o k g 黄瓜要消 耗5 l 石油，比生产粮食的耗能高5 0 6 0 倍【l 】。s h e a r d g f ”j 丰日出，联合国一年农业生产中的耗能 有3 5 用于温室加温。从温室系统的内部看，温室能源消耗的费用占温室生产总费用的1 5 - - 4 0 i ”，我国北京地区每年每公顷温室消耗煤8 0 0 吨1 4 j ，价值2 0 多万元。7 0 年代以前，国外温室 生产主要基于大量充足的低价燃料，如煤、石油及天然气等。自1 9 7 3 年“石油危机”以来，生 产者的生产效益受到燃料供应价格的影响，全世界设施园艺的发展受到很大的冲击。解决温室生 产中的能源问题，是目前设施园艺工作中面临的关键课趣之一f s l 。 温室生产中要能解决糍耗闯题必须开添与节流并行。不仅要开发和剩用新的能量资源代替矿 物燃料，更要注意温室自身的保温节能问题，尽量减少温室的散熟损失。 1 1 1 温室中太阳热的利用 太阳能辐射既是温室热量的基本来源，也是作物进行光合作用合成有机物的光的来源，因此， 在开发温室能源研究中，充分利用太阳能成为首要选择。 现代温室由于注重采用结构的设计和透光材料的改进开发，室内平均透光率可达7 0 8 0 t6 】【7 】。温室自天由于有较为强烈的太阳辐射，室内常常出现超出作物生长需要的高温，夜间 又会因为各种放热而使室温下降到作物生长温度以下。如何把白天温室和获得的太阳能在温室中 贮存起来( 不向外界散热太快) ，是保温节能的研究方向。 既透光又保温的新材料研究在这里显得十分重要，它也是充分利用太阳能的关键所在。 1 ，1 2 温室中的新能源开发 新能源的开发方面，马承伟、黄之栋等【4 1 率先进行连栋温室地热交换系统贮热加温试验，并 申报了地热结构的专利。这是一项较为成功的开发，目前这一技术正得到大量的推广应用。这一 中国农业大学搏士学位论文第一章绪论 技术是：用风机将温室顶部范围的热空气输选到地下埋管，经由地下埋管将热量传给土壤并贮存 起来，夜间这部分热量再通过水循环释放到室内，这可使地温和室温提高3 - - 5 。ce 6 i 。 另外地热9 】i “、工业废热”垮在温室中也得到一定的应用。但它们的应用受到地理条件和位 置的限制。 1 ，1 3 温室的保温节能及其覆盖材料研究进展 保温节能是设施农业中的重要研究课题之一，f i 界各国的科技工作者在这方面做出大量研 究很多的保温节能材料新技术新成果不断得到推广和应用。 研究表明，普通建筑物中通过屋面的传热量约占建筑外围护表面总热量的6 0 i ” 。林真纪夫 ”“测得全光单层玻璃温室中，通过玻璃覆盖的散热量占温室总散热量的7 0 ，冷风渗透占2 0 ， j 二壤散热占1 0 ；塑料温室中，陈端生等l ”1 通过实验证明日光温室前屋面虽然加盖纸被和革苫 仍然是主要散热面。g a r z o l i 等【1 4 】对p e 薄膜温室的测试和计算表明，由于p e 对热辐射透过率高 ( 约为o 8 ) ，在晴朗无风的夜间，通过覆盖面向外界散热中辐射散热达6 0 7 0 。因此，温室 的保温措施主要针对温室采光面的保温措施，通过减少采光面向外界的对流和辐射散热量，有敞 地降低温室总散热量，从而达到节能的目的。 为了减少采光面的散热，往往采用双层覆盖，早在1 9 5 6 年，英国的研究人员就在单层玻 璃覆盖的温室中加附一层p e 膜，经过测试发现，可比不加p e 膜的相同温室节能4 0 ，但同时 减少光照1 4 ”。双层充气薄膜覆盏形式在国外塑料温室中得到广泛应用，美国约有6 0 的商业 温室都采用这种覆盖形式，它的优点是保温性能好，温室材料较少，建筑成本低，缺点是在增加 温室保温性能的同时，减少了光照。一般来说，双层覆盖比单层覆盏温室平均节能3 0 4 0 ， 光照损失8 1 5 t 6 1 。 由于作物的生长需要充裕的光合作用，所以设施农业节能研究的个逶则就是在减少热损的 基础上，尽量不减少光照。根据这一原理，常有活动式的内保温幕，泡粒式温室和液体泡沫式温 室在国外也受到关注。 泡粒保温式温室和液体泡沫式温室是两种新型的试验节能温室。温室透光面为双层塑料面 板。夜间，由输送装置把聚苯乙烯泡粒或液体泡沫填充到双层透光面之间的夹层内，形成一个绝 热层，白天将泡粒或泡沫输回贮存槽内，使阳光能顺利进入温室。液体泡沫由水和发泡剂混合而 成。据试验和理论计算，这两种温室与单层覆盖的普通温室相比，可节能8 0 9 0 。泡沫的干 燥及防静电处理、液体泡沫的稳定滞留时间和防冻处理是这两种温室所要解决的问题”。 活动式内保温幕在室内与透光面之间增加了两层静止空气层，有效地减少了温室向外界的对 流散热i l “，同时还减少了冷风渗透量和辐射热量( 尤其对聚乙烯膜温室) 。b a i l e yb j i ”趣过测试 得到，在风速为2 m s 的情况下，不同材料内保温幕的节能率可达3 5 5 8 ( 分别为黑色p e 膜 和镀铝膜) 。当风速加大时，节能效果更好，b a i l e y b l j ，【l 钾还利用辐射换热等效电路网络模型对带 保温幕的温室辐射换热进行了分析，结果表明：上表面发射率低( 反射率高) 、下表面发射率高 的材料是一种理想的内保温幕材料，可达到很高的节能率，同时还可以减少水汽凝结的问题。 b a i l e y 的结果与s i m p k i l l s i 刈的结论相吻合；不透明内保温幕应使反射率高的面朝上，外保温幕则 相反，反射率高的面应朝下。保温幕存在的问题是：机械操作可靠性不强，关闭后密实性不太好， 2 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 幕打开后温度突然下降对作物不利，以及幕下面的水汽凝结可能对作物造成危害等。另外，内保 温幕造价较高，在中国现有条件下，投入与产出效益不合算。 透光保温材料t i m 自1 9 6 1 年【2 j 1 以来受到广泛重视，它在透光保温的同时利用其内部静止空 气保温层，显著提高太阳能利用率，是一类新兴材料p 2 】和全新技术o ”。按结构t i m 可分为积( 多) 层、蜂窝和中空三类”。国内对蜂窝t i m 的透光保温原理的研究较为充分，因此许多情况下认 为透光保温材料就是指蜂窝t i m ，但这是一种误解。1 9 9 2 年葛新石等申请国家自然科学基金“太 阳能利用中空新型透光材料的研究”，对蜂窝t i m 进行分析。蜂窝t i m 的特点是外侧以透明平扳 封闭，内侧敞开，类似平展的蜂窝，用作平板太阳能集热器( 热水器、集热墙、太阳池等) 的透 明盖扳，其内侧与集热板相贴( “蜂窝集热器”) 或与集热板之间形成一层静止空气( “复合蜂窝 c o m p o u n d h o n e y c o m b 集热器”) 。而温室与太阳能集热器不同，其集热“面”复杂( 作物、地 面等) ，盖层内侧存在结露和蒸发，室内存在自然对流，这将破坏蜂窝中的静止空气层，决定了 蜂窝t i m 不适合于温室。 中空t i m 的特点是其两侧都以透光面封闭，中空腔体的静止空气不受两侧环境的影响，因而 适合作为温室透光保温盖层。国外至今无中空1 1 m 理论研究的报道。l e x a n 公司提供了中空硬质 板材的透光保温实验和计算数据，但没有考虑结露对传热和透光的影响，而且价格太高。以普通 塑料为原料的软质中空盖层同样可以实现透光保温的双重目的口。 1 9 9 0 年北京农业工程大学首次提出了“温室透光保温盏层”的概念，在内蒙古自治区教育厅 进行研究，将半中空软质塑料盖层定名为“蜂窝塑膜”( p h f , p l a s t i ch o n e y c o m bf i l m ) ”( 与当前通用 的“蜂窝( h o n e y c o m b ) q 氍念不同) 并申请了国家专利i i 。j ，其特点是在塑料薄膜的一侧生成排列 规则的独立( 不连续) 中空腔体，保温能力比普通单层薄膜温室提高2 0 ，体现了这种半中空盖 层的优越性。他们利用复合网络法分析了p h f 的热辐射、导热和对流口。但没有研究潜热的影 响，这是p h f 研究中的一大缺陷；另外还利用m o n t e - c a r l o 法研究了p h f 的透光率和热辐射透过 率，对研究结果进行了报道p 。 然而p h f 仍无法真正成为温室盏层，因为每个独立中空腔体外表集嚣和滴露，不但对作物造 成危害，还降低盖层夜间的保温能力。经过连续几年的研究、探索、筛选，他们于1 9 9 6 年对软 质中空塑料盖层进行了初步试验，取得了可喜结果，他们还在考虑温室结构方式、不同天气条件 内和室内集露的实际条件下研究了温室的整体光热环境2 ”针，9 7 年立项的国家自然科学基金项目 温室用软质中空塑料盖层透光保温机理和结构优化开辟了温室透光保温机理的研究的先河， 该项目已于2 0 0 1 年结题，在农业工程学报上发表多篇论文，还撰写了博士论文一篇，但其中空 软质塑料盖层的传热系数仍达到3 - - 4 w m 2 - k t 3 0 - 3 1 ，仍不是理想的温室透光保温材料，且有老化闯 题存在。 国内外近十几年来开辟了多层复合有机盖层，硬质矩形中空塑料板、半中空硬质覆盖材料等 温室透光保温盖层，这些有机材料一般为聚氯乙烯、聚乙烯、醋酸乙烯、p o 、f r a 、p c 、p e 等 3 2 1 ，这些均在一定程度上改善了温室的保温性能，但这些材料的总传热系数仍达3w m 2 - k 以上 1 3 3 。同时，这些有机材料易于老化，易产生静电吸附尘埃1 3 ”，随着这些有机材料老化和积垢纳污 进程，透光性随时间的推移越来越差，透光性能下降，温室光合作用受制，温室农产品的味道变 溃，品质下降。 由于温室夜间红外线辐射传热对整个传热的贡献达2 0 3 0 i ，所以近年来国外大量的具有 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 红外线反射功能的温室覆盖材料正在研究当中，日本1 9 9 4 年研制出一种“热镜”的的覆盖材料p ”， 这种材料是在聚酯膜上蒸镀红外线反射物质s 。0 2 和z i l 2 0 3 等金属氧化物或金属金、银等，然后与 玻璃相叠合，使之夹在双层玻璃之闯，图1 一l 为“热镜”的型材构造图，图l 一2 为分光透过率 和反射特性。这种热镜的传热系数小可达到1 6 w m 2 - ，但透光率降至4 8 p ”，这是因为蒸发镀 膜i ：艺在有机材料上形成的氧化物镀层往往不能做得极薄而均匀。 圉1 - 1 。热镜4 捕造田 f i g i - 1s t r u c t u r eo f “b a tm l r r o r 1 前节4 、丽豇若 跨痨f _ f _ 叠疆舀f 一迪量沁 卜_ 一，e 进地的采用且1 圈i - 2 “热镜”的选择性透党特性与反射特性 f i g 1 - 2 t r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e “h o tm i r r o r 表1 1 是红外线反射膜与玻璃组合材料的热特性”】表l 一2 是和表1 3 列出儿种不同覆 盖形式的全光温室的燃油消耗量嘲和总传热系数。 4 中国农业大学博士学位论文第一章绪沦 表卜1红外线反射膜与玻璃组台材料的热特性i ”i t a b l e l 1h e a tc h a r a c t e r i s t i c so f m a t e r i a lc o m p o s e d o f g l a s sa n d l o w e f i l m 类别传热系数( 冬季) 透光率( )遮蔽系数 k c j 1 m z h o c 可见光日光 s c 参单层玻璃( f l 3 m m ) 5l9 08 410 0 考 双层玻璃( f l 3 - 1 2 - f l 3 ) 2 68 l7 008 9 热f l 3 6 一h m 8 8 6 f l 3l67 l4 806 6 f l 3 - 9 h m 8 8 3 一f l 315 7 l 4 8 06 6 f l 3 - 6 h m 6 6 6 f l 3l65 63 l04 5 f l 3 9 一h m 6 6 3 f l 3145 63 l0 4 5 f l 3 6 - h m 4 4 - 3 f l 31 53 81 90 3 3 镜 f l 3 9 h m 4 4 6 f l 31 43 81 90 3 3 寰1 _ 2 依里诺州疆寓的燃油消耗量 ”i t a b l e l - 2f u e le o n s n m p t i o no f t h eg r e e n h o u s ei ni l l i n o i s 保温形式燃油量( l 年+ h m 2 )相对燃油比( ) 摹本型( 人字屋顶，单层玻璃) 1 1 4 ，8 6 81 0 0 基本型+ 单层塑膜1 0 2 ，2 0 68 9 基本型+ 内保温幕7 6 9 5 76 7 基本型+ 双层充气膜 6 0 8 6 95 3 袭1 - 3 几种不同覆董静式漪瀛蛊的总传播系数u l s l t a b l e l - 3h e a t t r a n s f e rc o e m c l e n t u o f s e v e r a l d i f f e r e n t k i n d s o f o v e r l a y s u p o n g r e e n h o u s e 覆盖形式u ( w m 2o c )覆盖形式 u ( w m 2 o c ) 单层玻璃 6 3 单层塑科 6 8 单层玻璃钢6 8 双层p e 膜 4 0 取层玻璃3 o 双层p e 膜+ 保温幕 2 5 1 2 平板形透明真空保温技术研究进展 有机材料易老化、易于静电吸附尘埃，尘埃中的酸碱又进一步加速了材料的老化，这导致p e 、 p v c 、p e t p 这类材料的使用寿命一般为5 l o 年，超过其寿命以后，其透光率大幅度下降，大 大影响了温室农产品的品质，所以研制更长使用期限( 1 0 1 5 年) 的盖层一直是这个领域的重要 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 课题【3 2 1 。 由】i 二上述原因，人们近年来又不得不把研究视线放到玻璃盖层上，因为玻璃是透明物中不老 化的材料。在建筑行业，双层玻璃、中空充氩玻璃、l o w - e 玻璃、l o w - e 中空充氩玻璃相继在上 世纪8 0 年代和9 0 年代研制成功，目前正在推广应用之中9 ”，它们的传热系数如表1 4 所列。 日前已有l o w e 中空玻璃应用于花卉温室的实例，并且还有进一步发展的趋势。但是中空 玻璃由于夹层中仍有传热介质( 空气) ，传热系数仍然居高不下，晟理想的应该是将夹层中的空 气抽去i 耐眵成真空玻璃，这样将会大大减少其传热系数。 实际上早在t 9 1 3 年z o l | e r 就育专利文献提出将杜瓦瓶的真空保温原理应用于平板玻璃之中 3 8 1 。随后的8 0 年便出现了很多的平板型真空保温方面的专利p 8 】，但是平板真空不象杜瓦瓶那样 d | 于真空所产生的大气压相互平衡，它必须要承受每平方1 0 吨的大气压力而不致于使真空腔消 必，甲板真空保温技术与杜瓦瓶的另一个不同点就是它不可能只在一侧让两块玻璃密封起来，它 必顺在平板的四边大面积地封焊，且不能漏气，这在生产工艺上耍解决这些问题并非易事。 透明真空保温技术：1 9 2 1 年k i d i n 提出种设计，两块玻璃板由一摊“凸块”支承，在一块 平板玻璃的边缘附近没有压条，也没有弯曲区，以吸收窗户一侧的热膨胀引起的相对于另一侧的 移动。 w h a t t a n 和m y e r1 9 4 7 年有专利详细介绍了一种真空玻璃结构的生产工艺。缝隙中放有熔点 低于玻璃的条子，熔融操作在真空中进行。提出了内表面施以涂屡，减少辐射击热流的可能性p 。 c h a l o n s1 9 7 6 年提出一种设计。它有一根抽成真空后加以密封的宾空管，并且提出两块玻璃 之间的接触面积应很小，支承物用“大理石”制成娜j 。 f a l b e l1 9 7 6 年的专利也提出了有真空管保温技术，支承物间相距2 5 m m ，内表面镀银。他承 认有内爆的危险，提出玻璃之间应留有小缝隙。隔层可以用云母制成，高o 7 5 m m ，丽积为o 5 o 5 n w n z 。他分析了应力状况，预言隔层内压缩应力为2 0 0 m p a ，3 m m 厚玻璃板内压缩应力o 7 m p a ， 声称热性能是0 3 w ( m 2 k ) 例。 h e r m a n n 和h o r s t e r1 9 7 7 年描述了一种新的保温结构，由一排密封的真空玻璃管构成，玻璃 管相互靠近，内表面上有低发射率涂层。这种结构的透光性很好，但视觉畸变厉害。 c o p p l a 、k e n n y 等人1 9 8 0 年的专利提出一种类似的概念，是一种太阳能集热器真空保温法， 也存在着视觉畸变问题l j q 。 a s s a r s s o n1 9 8 1 年登记一份欧洲专利，涉及真空玻璃窗的生产方法，这种窗户有许多支承物， 生产时平板窗格玻璃的内表面是弄湿了的，从而形成水漏形结构。只需要大约o 3 3 r a m 小的缝隙， 桥接支承物也很小，只占用玻璃板表面积的很小部份，因此只损失很少的一点儿透明度。文献中 没有谈如何抽成真空和怎样进行密封【3 8 】。 1 9 8 8 年b e u t h e r 提出一种支承物新的固定方法，即用水与玻璃球或聚苯乙烯球的混合物首先 浸渍一块平板玻璃板，把玻璃球或聚苯乙烯球随机固定在平扳玻璃之间。让水蒸发，留下玻璃球 或聚苯乙烯球。另外玻璃板固定在顶部之前把边缘的密封固定，边缘用铅条玻璃丝密封。通过加 热把窗户熔化，并用抽气管抽成真空p ”。 b a c h l i 在1 9 8 7 年的一份研究报告中对真空保温窗进行了全面的研究，为热膨胀、真空的产 生、边缘密封这样一些重要问是题提出了解决办法，认为必须采取柔性边缘密封p ”。 美国专利4 6 8 3 1 5 4 ( 1 9 8 7 ) 提出了一种真空保温窗户，有玻璃球支承物、边缘激光焊接、低 6 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 发射击率涂层和吸气剂( 能使真空保持多年) 。1 9 8 4 年b e n s o n 等人提出，利用集成球状支承物和 低发射涂层，并将玻璃边缘全部密封，可以构成高效真空保温窗户。他们于1 9 8 5 年又研究了j _ l j c o ，气体激光器密封边缘的可能性，并发现在进行高温熔融的过程中只有极个别的低发射率滁层 能够保持其所要求的性质。b e n s o n 等人1 9 8 6 年详细讨论过玻璃珠与平扳玻璃间的接触、应力、 风负载和热传导率、窗框高度保温的重要性。1 9 8 7 年建成一种真空炉，使用了1 具4 0 0 w c 0 2 激 光器，还有激光束控制机构。在真空j 卜对边缘进行激光焊封，实践起来有很多斟难，是摄终锖8 成 高度保温真空窗户的障碍”。 表1 - 4不同类型玻璃的热阻厦传热系数值 t a b l e l - 4 t h e h e a tr e s i s t a n c e a n dh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t so f t h ed i f f e r e n tg l a s s e s 名称规格热阻r ( 舒k w )传热系数k ( 井k a y )发射率 浮法玻璃 3 6 6 4 0 热发射玻璃 652 0 低辐射玻璃 44 0 2 夹层玻璃6 + 6 + 胶片 5 6 0 低辐射夹层玻璃 3 + 2 5 7 0 中空玻璃 5 c + 1 2 a + 5 c0 1 6 43 0 6 低辐射中空玻璃 5 ( 1 + 1 2 a + 5 c0 3 9 4 1 9 6 低辐射中空玻璃8 c 十9 a + 8 l 0 2 9 52 1 8 低辐射中空玻璃( 充 8 c + 9 a 斗8 l0 3 7 6l _ 8 5 特殊气体) 低辐射中空玻璃 6 c + 1 2 a + 6 l0 4 2 91 6 90 1 0 2 低辐射中空玻璃6 c 2 a + 6 l 03 2 22 0 602 2 9 注：( 1 ) 浮法玻璃的传热系数按规范计算获得。 ( 2 ) 检测标准为g b l 0 2 9 4 和j i s r 3 1 0 6 。 美国太阳能研究所1 9 9 0 年全面研究院了真空保温窗对建筑物用能的影响，重点是西北太平 洋地区的节能，预言，每平方米这种窗户一年可节能7 0 0 m j 。指出，产业界是否接受这种窗户， 主要取决于生产成本，设计和生产过程中的每个部分在技术上都是可行的，但对真空中玻璃的檄 光焊接还要做进一步的研究。 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 圈1 - 3 日本板硝子真空玻璃结构田 f j g 1 3s t m c t u r e o f j a p a n 雠v 湘u mp l 蛐e g l a s s 1 9 9 2 年澳大利亚悉尼大学在“s 0 1 a re n c i g y ”土发表了研究论文，从理论和实践上介绍了真 空玻璃的原理和制造方法”】。 日本板硝子玻璃公司擐先引进该技术并于1 9 9 6 年在其京都工厂内建成真空玻璃生产线，当 时的年产量为6 万平方米，1 9 9 8 年4 月产量提高到2 4 万平方米，同年在茨城县建材中心投资2 0 亿元，建设年产量2 4 万平方米的真空玻璃工厂，使该公司真空玻璃的年产量接近5 0 万平方米， 销额近1 0 0 亿日元j 。 日本板硝子玻璃公司的产品为两层单真空腔玻璃，采用的玻璃表面封焊工艺( 面封) ，产品 结构如图1 3 【4 1 】，其产品的性能指标如表1 5 。 目前为止尚未检索出世界上其他规模生产真空平板玻璃的企业。日本板梢子公司是世界上唯 一一家将真空平板玻璃产业化的公司。 由于真空平板玻璃在世界上仍属于刚刚起步，所以对于真空平板玻璃的论文也大多局限于发 展趋势、应用前景等综述性的，对于工艺上也只是控索性的，尚没有系统的理论研究和工艺研究 的论文。 表1 - 5日本板硝子产晶性能 品种透明3透明4透明5不透明3不透明5 总厚度n w 68