三层IGP侧窗玻璃热带雨林气候防结雾分析与研究

胡桂明，刘厚林，杨国纪

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

双层IGP(Insulation Glass & Polycarbonate)侧窗玻璃是一种新型中空安全玻璃，在国外一些特殊的区域有一定范围的应用，如在美国、巴西、阿根廷、智利、马来西亚、菲律宾等国家都有不同程度的应用，其中美国、巴西、阿根廷等国家已广泛使用。但是在热带雨林气候环境中使用，出现了内部结雾的问题，如图1所示。经过详细的分析研究与实验验证，双层IGP侧窗玻璃无法满足热带雨林气候的使用环境。为了解决IPG侧窗玻璃在热带雨林气候的使用问题，提出了三层IGP侧窗玻璃的设计方案。

图1 双层IGP侧窗玻璃起雾现象

2 IGP侧窗玻璃结构及性能

双层IGP侧窗玻璃结构与普通中空玻璃结构基本一致，结构如图2所示。IGP侧窗玻璃外层为PC(polycarbonate)板，中间层为Ar或其他惰性气体，内层为安全钢化玻璃，周边为间隔条、分子筛和密封胶粘剂。

图2 双层IGP侧窗玻璃结构

三层IGP侧窗玻璃结构为PC加双层普通中空玻璃的形式，结构如图3所示。IGP侧窗玻璃外层为PC板，中间层为Ar或其他惰性气体，内层为普通双层中空玻璃，周边为间隔条、分子筛和密封粘胶剂。

图3 三层IGP侧窗玻璃结构

三层IGP侧窗玻璃比双层IGP玻璃有更优的隔声、隔热性能。而最为主要的特点为最外层PC与最内层玻璃之间的气体层被中间玻璃分隔为2个独立的空间，这样很大程度上减少了最外层PC内表面与其相邻玻璃表面的温差，从而减少或避免了结雾的可能性。

3 热带雨林气候特点分析及参数选择

3.1 热带雨林气候特点

热带雨林气候分布于赤道附近地区，主要分布在南美洲的亚马逊河流域，中美东部，非洲的刚果河流域、几内亚湾北岸、马达加斯加岛东部、马来半岛南部、马来群岛、菲律宾群岛南部、伊里安岛、印度尼西亚、大洋洲的苏门答腊岛至新几内亚岛一带、澳大利亚的东北部。

这些地方全年高温多雨，太阳辐射年变化小。一年内各月平均气温为24℃～28℃，年温差一般不超过5℃，尤其是大洋上通常不超过1℃。气温日变化比年变化大，日较差可达10℃～15℃。但日最高气温很少超过35℃，日最低气温很少低于20℃。全年湿度较高，相对湿度最高可达90%以上，晴朗的天气相对湿度一般在65%左右。

3.2 应用环境调研

为了得到比较准确的环境数据，我司在热带雨林气候运营的列车上进行了调研，对正在运营的列车和静止的列车侧窗玻璃温度和环境湿度进行了测量，如图4所示。调研中发现，侧窗玻璃起雾发生在晴朗的天气，下雨天气虽然相对湿度大，但环境温度较低，车内外温差小，侧窗玻璃反而不会出现起雾的现象，而且静止的车辆侧窗外表面温度明显高于运行的车辆。在晴朗无云的天气，环境温度一般不超过35℃，相对湿度不大于67%，车外窗户表面的温度不超过45℃，车内温度不低于23℃，车内玻璃表面温度不低于26℃。

图4 应用环境调研

3.3 环境参数的选择

根据调研数据，选取晴朗天气的环境数据进行研究，考虑测量偏差和安全余量，选取环境温度为40℃、环境相对湿度为70%、静止车辆侧窗外表面温度为50℃、车内温度23℃作为分析参数。

4 中空玻璃内部结雾原理与结雾条件

4.1 中空玻璃结雾原理

中空玻璃内部进入一定含量的水汽后，如果一侧的玻璃温度低于另一侧的温度，中空玻璃内部的气体在存在温度差的情况下，温度高的区域的气体密度小于温度低的区域气体的密度，在重力作用下，气体由温度高的玻璃表面循环流动到温度低的玻璃表面，当含有水汽的气体流动到温度低的玻璃表面时，水汽就可能凝结在温度低的玻璃表面，形成结雾。原理如图5所示。

图5 中空玻璃结雾原理

4.2 中空玻璃结雾条件

在一定的大气压下，导致中空玻璃内部结雾的因素有2个：一是中空玻璃内部气体的相对湿度，二是高低温玻璃的温度差。中空玻璃是否会结雾可以在获得气体温度分布的前提下由焓湿图或焓湿计算软件进行分析。由于PC具有水汽渗透特性，中空玻璃内部的气体的相对湿度与车辆外部环境接近，因此，在不改变PC材料水汽渗透性能的前提下，通过减少PC与相邻玻璃间的温度差的方式来解决IGP玻璃的结雾问题。

5 三层IGP玻璃内部温度场分析

根据前面选择的环境参数，利用ANSYS fluent软件对两种结构参数的三层IGP玻璃进行温度场分析，第一种结构参数如图6所示，第二种结构参数如图7所示；第一种结构参数的IGP玻璃温度场分布如图8所示，第二种结构参数的IGP玻璃温度场如图9所示。

图6 第一种结构参数IGP玻璃

图7 第二种结构参数IGP玻璃

图8 第一种结构参数IGP玻璃温度场

图9 第二种结构参数IGP玻璃温度场

从图8和图9中可以看出，第一种结构参数的IGP玻璃中PC侧气体温度为49.2℃，相邻玻璃侧的气体温度为43.91℃，第二种结构参数的IGP玻璃中PC的气体温度为49.24℃，相邻玻璃侧的气体温度为44.43℃。通过焓湿计算软件计算玻璃内气体露点温度为42℃。因此，两种结构参数的三层IGP均未达到结雾的条件，可以满足热带雨林气候的使用要求。

6 试验与验证

由于受到安装空间的限制，仅选取第一种结构参数进行三层IGP玻璃的样件制作及验证。整个验证分两个阶段进行，第一个阶段制作实验室样件在实验室里模拟车辆运营环境进行验证，第二个阶段制作实物样窗安装到运营的车辆上进行验证。目前两个阶段的验证已结束，均未出现起雾的现象。

7 结论与建议

通过对热带雨林气候特点研究与分析，与实际现场调研数据相结合，选取合理的分析参数，并通过ANSYS fluent辅助分析，再通过实验室样件验证和实物装车验证，三层IGP侧窗可通过对结构参数进行调整来满足热带雨林气候环境下防结雾性能使用要求。三层IGP结构参数可以根据实际车辆安装环境进行优化，确保实际产品结构参数的合理性。