车窗传热系数计算及优化建议

发表时间:2021/3/2   来源:《当代电力文化》2020年第26期   作者:刘天天
[导读] 介绍了一种基于多层平壁稳态和GB/T 22476-2008的车窗传热系数计算方法
        刘天天
        (中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000)
        摘要:介绍了一种基于多层平壁稳态和GB/T 22476-2008的车窗传热系数计算方法,经与试验值对比,误差均在5%以下,可以用于车窗传热系数预估及设计期优化,并根据计算公式提供了车窗隔热性能优化方向。
        关键词:车窗、传热系数、中空玻璃
1 引言
        随着铁路技术应用领域的扩展,应用在高寒地区的车辆对隔热性能提出了更高的要求。铁路客车车窗面积约占整车面积的10%,车窗传热系数直接影响整车传热系数,进而影响空调能耗和整车舒适性。因此快速、准确地计算传热系数,进行隔热性能分析对车窗设计和优化是很有必要的。
2 传热系数计算
 2.1.整窗传热系数计算
        车窗隔热性能用其传热系数K来定义,K值指在稳定传热条件下,车窗两侧空气温差为1度(℃,K),1秒内通过1平方米面积传递的热量,单位是瓦/(平方米·度)。
        车窗由窗框结构与玻璃结构组成,假定玻璃与窗框是严格的并联关系,分别求出车窗窗框和中空玻璃的传热系数,再根据面积加权平均的方法求出车窗的传热系数U值,具体公式见式(1):
                                  
        式(1)中:Ug为玻璃部分传热系数;Ag为玻璃部分面积;Uf为窗框部分传热系数;
Af为窗框部分面积;
 2.2.窗框传热系数计算
        窗框部分多为铝型材窗框与非金属胶层分层布置,传热过程符合平壁一维稳态导热,可利用热力学公式进行计算。
                               
 2.3.中空玻璃传热系数计算
        中空玻璃传热系数常用计算方式包括经验公式和有限元计算方法,传统公式只考虑中空层气体和玻璃的热阻系数及厚度,计算误差较大,有限元方法计算准确率较高,但划分网格、建模、计算,耗时耗力,不适于设计前期指导及优化。本文根据GB/T 22476-2008 《中空玻璃稳态U值(传热系数)的计算及测定》计算中空玻璃传热系数:
                               
        式中:ht为多层玻璃系统内部热传导系数,与中空层气体厚度及种类,是否采用镀膜玻璃及玻璃厚度与材质有关。
 2.3.计算方法验证
        计算现有典型车窗传热系数并与试验值对比,结果如表1所示。
        结构A为粘接车窗,外侧为6mm玻璃+0.76mmPVB+4mm玻璃夹层玻璃结构,内侧为4mm厚镀Low-E膜钢化玻璃,中间层为14mm厚氩气中空层。结构B为粘接车窗,内外侧均为5mm厚钢化玻璃,中间为12mm厚氩气中空层。结构C为拉紧滑块固定车窗,外侧为8mm厚钢化玻璃,内侧为5mm厚钢化玻璃,中间为6mm厚空气中空层。
       
        由表1可以看出,计算误差均在5%以下,可以作为工程计算与优化使用。
3. 车窗隔热性能优化方向
        由2章式(2)知,平壁一维稳态导热传热系数只与材料热阻系数与厚度有关,由于金属材料良好的导热性能,往往在窗框中增加非金属隔热层形成隔断热桥以降低传热系数,常用的非金属材料有尼龙、模压玻璃钢、结构胶等。
        GB/T 22476-2008 中将中空玻璃系统内部传热系数分别三部分,包括玻璃的热传导、中空侧玻璃表面的辐射换热以及中空层气体传热。中空层气体传热方式与中空层厚度、气体种类、温度等参数有关,有热传导和对流换热两种形式。具体界定依靠格拉晓夫准数与普朗特准数的乘积界定,当二者乘积小于6800时,热传递只有热传导形式,当二者乘积大于6800时,热传导与对流换热共同存在。
        玻璃的热传导与玻璃材质热阻系数和玻璃厚度有关,热阻越大、厚度越厚,传热系数越小,隔热性能越好,由于增加玻璃厚度势必会增加车窗重量,不利于车辆轻量化设计,因此工程中并不常用这种方法提升隔热性能,而是采用PC板车窗,提升隔热性能的同时也更好地满足轻量化要求。中空侧玻璃辐射换热与玻璃表面校正辐射率有关,辐射率越小传热系数越低,工程应用中常采用镀Low-E膜玻璃降低传热系数。同种气体,中空气体层传热系数随中空层厚度先减小后增大,换热形式的临界值即为传热系数的最优值,采用换热系数低的惰性气体可有效降低传热系数,如氩气和氪气,实际应用中,氩气应用更广泛,氪气因为提取困难,价格昂贵并不常用。
4.结论
        研究车窗隔热性能对于拓宽轨道车辆应用范围,提高车辆舒适性及环保建设具有重要意义。推荐采用新型隔热材料、优化车窗安装结构和玻璃结构以提高车窗隔热性能。
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