Характеристика солнечного излучения

Попадающая на Землю так называемая «оптическая» часть солнечного излучения имеет диапазон длин волн 200–2600 нм. Она делится на 3 области (рис. 11.1) – ультрафиолетовую (УФ-область), видимую и инфракрасную (ИК-область). УФ лучиимеют длину l менее 380 нм. В свою очередь, УФ-область делится на дальнюю (l = 200–290 нм) и ближнюю (l = 290–380 нм). Важное значение имеют УФ-лучи с l = 280–320 нм, оказывающие благоприятное влияние на все живые организмы и называемые лучами жизни. Тепловое воздействие УФ-лучей незначительно. На их долю приходится от 2 до 4% от общего количества тепловой энергии, поступающей с солнечным излучением. Обычное силикатное стекло, типа листового или тарного, не пропускает лучи дальней УФ-области (рис. 11.2).

Рис. 11.1. Распределение тепловой нагрузки в оптической части спектра

 

Область видимого излучения соответствует диапазону 380–760 нм. В видимой зоне излучения с различными длинами волн воспринимаются глазом как разные цветовые ощущения (табл. 11.1).

 

Таблица 11.1 Зависимость цвета излучения от длины волны

Излучение	Диапазон длины волны, нм
Фиолетовое Синее Зеленое Желтое Оранжевое Красное	380–440 440–500 500–560 560–590 590–620 620–760

 

Рис. 11.2. Спектральное пропускание стекол: 1 – бесцветное стекло; 2 – теплопоглощающее стекло

 

 

 

 

Излучения разной цветовой окраски воздействуют на глаз с разной интенсивностью. Максимальная чувствительность глаза приходится на зеленые лучи (555 нм), и они представляются глазу как наиболее яркие. К обоим концам спектра чувствительность глаза падает, и излучения с длинами волн 380 и 760 нм глазом уже не воспринимаются.

Тепловое воздействие видимых лучей значительно и составляет 44–46% от общего количества cолнечной радиации. Обычное силикатное стекло хорошо пропускает видимые лучи (87– 90% от падающего потока).

Наконец, инфракрасная область оптической части солнечного спектра лежит в диапазоне 760–2600 нм. ИК-лучи, как и УФ- излучение, невидимы для глаза и обладают только тепловым воздействием. Они несут около 50–52% тепловой энергии солнца. Бесцветное силикатное стекло практически полностью их пропускает (почти 80% от падающего потока).

Можно легко доказать, что общее пропускание тепла стеклом 1 _общ определяется формулой

I _общ = K ₁ × I _УФ + K ₂ × I _В + K ₃ × I _ИК,

где K ₁, K ₂, K ₃ – доли соответствующих излучений (УФ, видимого, ИК) в общем потоке; I _УФ, I _В, I _ИК – пропускание солнечного излучения в каждой области спектра.

Поскольку значения K ₁ = 0,02–0,04 и величина I _УФ мала (см.
рис. 11.1), с достаточным приближением для определения I _общ можно пользоваться формулой

I _общ = 0,46 × I _В + 0,52 × I _ИК.

Таким образом, бесцветное листовое стекло почти полностью пропускает видимые и ИК-лучи. В итоге солнечная радиация, проникающая внутрь помещений, вызывает нагрев находящихся в них объектов, которые сами становятся источниками длинноволнового ИК-излучения в диапазоне длин волн 5000–15 000 нм, в результате чего в помещении создается так называемый «парниковый эффект».

Перегрев помещений за счет проникновения солнечной энергии отрицательно сказывается на жизнедеятельности людей.

Солнцезащитные стекла призваны уменьшать пропускание солнечной радиации по всему оптическому спектру либо в отдельной его области (селективное действие).

Солнцезащитные стекла, уменьшающие пропускание солнечной радиации преимущественно в ИК-области спектра, называются теплозащитнымии разделяются на три группы: теплопоглощающие, теплоотражающие и комбинированные.

 

Теплопоглощающие стекла

 

Это окрашенные в массе оксидами металлов (железа, кобальта, никеля, металлического селена и др.) стекла, поглощающие солнечную радиацию преимущественно в ИК-области спектра (рис. 11.3).

Идеальное ТПГ-стекло должно полностью поглощать излучение в области 760–2600 нм при полном пропускании видимого излучения. Реальные ТПГ-стекла наряду с ИК-излучением поглощают и некоторую долю видимого света (в зависимости от состава).

Требования стандартов к отечественным ТПГ-стеклам регламентируют пропускание не менее 70% видимого излучения и не более 65% ИК-лучей.

Механизм солнцезащитного действия ТПГ-стекол иллюстрируется рис. 11.3.

 

Рис. 11.3. Схема распределения солнечной энергии: а – обычным стеклом; б – теплопоглощающим стеклом

 

 

                а                                                       б

 

                    

 

В случае использования бесцветного стекла в помещение напрямую проникает около 84% тепловой солнечной энергии, 7% отражается и 9% поглощается стеклом (рис. 11.3, а). ТПГ-стекло поглощает до 50%этой энергии, что приводит к значительному повышению его температуры. Стекло становится источником вторичного излучения. В соответствии с правилами теплотехники принято следующее распределение поглощенной энергии: 1/3 ее общего количества поступает во внутреннюю среду и 2/3 выделяется наружу (болee низкая наружная температура, движения воздуха из-за ветра и др.). В итоге усредненные показатели для ТПГ стекла следующие (рис. 11.3, б): отражение – 7%, пропускание – 50% и поглощение – 43%; из поглощенной энергии 28% излучается во внешнюю среду и 14% внутрь помещения. Общее количество пропущенной ТПГ-стеклом солнечной энергии составляет (50 + 14) = 64%. В итоге теплопоступление внутрь помещения через ТПГ остекление снижается в 1,4 раза, по сравнению с обычным.

 

11. 2.1. Характеристика промышленных
теплопоглощающих стекол

Теплопоглощающие листовые стекла выпускаются рядом ведущих зарубежных фирм (Пилкинтон, Glaverbel) ввиду их очевидных преимуществ перед рядовым стеклом. Различные сочетания, введенных в их состав красящих добавок (Fe₂O₃, FeO, CoO, NiO, Se и др.) позволяют не только обеспечить требуемые теплофизические свойства, но и придать стеклу различную окраску. Окрашенные в массе теплопоглощающие стекла могут иметь следующие тона: голубой, зелено-голубой, голубовато-зеленый, зеленый, бронзовый светлый и темный, серый и др. Стекла с зелено-голубой гаммой используются преимущественно для остекления транспортных средств, а серые и бронзовые используются в архитектуре и строительстве, а также в мебельной промышленности.

Голубые и зеленые стекла имеют достаточно высокое пропускание в видимой области спектра (до 75%) при пониженном пропускании солнечной энергии (43–55%). Серые и бронзовые стекла при том же уровне теплозащитных свойств имеют и пониженное пропускание в видимой области спектра (40–60%), не имея выраженного поглощения в какой-либо области. Такие стекла практически не искажают истинные цвета просматриваемых через них предметов. Стекла различной тональности вырабатываются, как правило, флоат-способом на линии с относительно небольшой производительностью.

 

 

Основные составы ТПГ-стекол близки к промышленным составам бесцветного листового стекла, характеризуются несколько увеличенным содержанием щелочных оксидов (до 14–15%).

Для получения теплопоглощающего стекла в состав бесцветного стекла вводят химические соединения, способные частично поглощать тепловую энергию в инфракрасной и, частично, в видимой области. Из перечисленных выше добавок выделяются по эффективности оксиды железа. Установлено, что наибольшей способностью поглощать инфракрасные лучи обладают стекла, в которых доминирует FeO. Поскольку в стекле всегда существует равновесие между обеими формами железа в соответствии с реакцией 2FeO + ¹/₂О₂ Û Fe₂O₃, необходимо воздействовать на него, смещая влево, например, путем создания восстановительной среды.

Традиционная технология получения ТПГ-стекол базируется на составах, содержащих 0,5–0,6% оксидов железа. Однако у подобных стекол понижена величина пропускания в видимой области спектра, что является их недостатком.

В связи с этим, чтобы получить максимальное поглощение стекол в ИК-области без снижения светопропускания, необходимо снижать в стекле общее содержание оксидов железа, обеспечивая доминацию двухвалентной формы железа над трехвалентной.

При этом возможны следующие технологические решения:

– создание восстановительной среды в ванной печи. В настоящее время по этому пути не идут, поскольку существенно ухудшаются условия эксплуатации огнеупоров и сокращается срок кампании печи;

– введение восстановителей в шихту. В традиционной технологии ввод небольших количеств угля или кокса при варке обеспечивает перевод 15–20% ионов железа в двухвалентную форму, что соответствует содержанию FeO в стекле 0,1–0,11%. Это и определяет теплопоглощающие свойства такого стекла.

Новые технологии получения ТПГ-стекол предусматривают снижение общего содержания оксидов железа в ТПГ-стекле до 0,20–
0,25 мас. %. Это становится возможным при условии увеличения степени перехода Fe⁺³ ® Fe⁺² до уровня 50–60%. Данная задача решается по нескольким направлениям:

– надлежащий подбор железосодержащего сырья;

– выбор эффективных восстановителей;

– подбор ускорителей варки стекла.

Изучение влияния типа железосодержащего сырья на качество ТПГ-стекол показало, что предпочтительными являются его виды, содержащие железо в восстановленном виде (если оно вводится в оксидной форме). Например, при использовании технического продук-
та – восстановленного оксида железа, количественное содержание добавки составляет всего лишь 0,15–0,20%. При введении железа в форме крокуса (Fe₂О₃) содержание добавки возрастает до 0,18–0,22% (при оптимальном подборе восстановителей).

Хорошие результаты дает так называемая «окислительная технология». При этом железо вводится в шихту в виде металлического порошка, а при варке за счет кислородного потенциала стекломассы происходит его окисление до Fe⁺² и Fe⁺³. Процесс окисления железа регулируется путем введения в шихту небольших количеств восстановителей. Содержание металлического железа обычно составляет 0,18–0,20%.

Как отмечено выше, значительного эффекта в поглощении тепла стеклом достигают в случае, когда обеспечивается как можно более высокое соотношение FeО / Fe₂О₃ в нем. Для этой цели необходимо применять соответствующие восстановители. Так, установлено, что данный компонент шихты не должен содержать соединений серы, которая ответственна за появление нежелательного окрашивания стекломассы за счет образования сульфидов. В связи с этим в производстве ТПГ-стекол приходится отказываться от таких традиционных восстановителей, как уголь и кокс. Из углеродсодержащих восстановителей хорошо себя показал беосернистый графит, обеспечивающий степень восстановления железа до 40–60% при содержании 0,15%. Однако углеродсодержащие восстановители относятся к низкотемпературным. Восстановителем, сохраняющим свое действие на протяжении всего процесса варки, является нитрид кремния Si₃N₄, применяемый в комбинации с графитом. Его использование приводит к разрушению янтарных центров окраски и обеспечивает стеклу голубой цвет независимо от типа ускорителя варки, поскольку отношение Fe⁺² / Fe⁺³ достигает значения 0,7. Использование Si₃N₄, однако, сдерживается его дефицитностью.

Введение в состав ТПГ-стекол Nа₂SО₄ – традиционного ускорителя варки и осветлителя листовых и тарных стекол – приводит к образованию желтых центров окраски, представляющих собой тетраэдрически координированный ион Fe⁺³, один из ионов кислорода координационной сферы которого замещен ионом S^–2, образующимся при восстановлении сульфата натрия. Следствием является нежелательное окрашивание стекла, а также снижение светопропускания стеклом. Избежать негативных последствий удается при частичной замене Nа₂SО₄ на NaCl (до соотношения по массе 1: 1). Рекомендуемое соотношение Nа₂О в ТПГ-стекле, вводимого за счет соды, сульфата и поваренной соли – 96: 2: 2. Снижение содержания Nа₂SО₄ и использование бессернистых восстановителей позволяет свести к минимуму влияние желтых центров окраски при доминации центров окраски, образуемых ионом Fe⁺² (голубой цвет), что, в свою очередь, обеспечивает эффективное теплопоглощение стеклом в ИК-области без значительного снижения светопропускания.

Попытки полностью заменить Nа₂SО₄ в составах ТПГ-стекол не привели к успеху.

Теплопоглощающие стекла выпускаются многими зарубежными фирмами, их производство освоено также Саратовским заводом технического стекла. Различные комбинации красящих компонентов (оксиды Fe + Co, Ni и Se) не только обеспечивают желаемый уровень теплозащитных свойств, но и придают различную окраску стеклу. Возможны следующие тона ТПГ-стекол: голубой, голубовато-зеленый, зеленовато-голубой, зеленый, бронзовый, серый.

Стекла различной тональности выпускаются, как правило, флоат-способом, на одной линии с постепенным переходом от одного цвета к другому. Производительность таких линий составляет 100–300 т/сут.

Составы ТПГ-стекол по основным оксидам мало отличаются от составов обычных листовых стекол. Для варки используются традиционные сырьевые компоненты. Добавки к основной шихте: сульфат натрия, хлорид натрия, крокус или восстановленный оксид железа, графит.

Для улучшения теплозащитных свойств и получения приятного голубоватого оттенка возможно введение до 0,0003 мас. % СоО. Кроме того, возможно тонирование ТПГ-стекол в бронзовый и серый цвета при использовании различных комбинаций красителей (FeO + CoO + Se).

Особенности варки. ТПГ-стекла имеют низкую теплопрозрачность, вследствие чего процессу их варки характерны специфические особенности. Во-первых, отмечается перегрев поверхностных слоев стекломассы в печи и ослабление притока тепла к нижним ее слоям. В результате фиксируется повышение температуры верхнего строения печи, что может сократить срок его эксплуатации.

Для снижения больших перепадов температуры стекломассы по глубине варочного бассейна последние снижают до 1,0–1,2 м, а глубину студочного бассейна – до 0,8–0,9 м.

Так как передача тепла стекломассе с низкой теплопрозрачностью (от свода печи) затруднена, необходимо применение средств интенсификации варки, обеспечивающих приток тепла в стекломассу снизу. К ним относится: бурление стекломассы сжатым воздухом в районе загрузочного кармана и первой пары горелок, а также оснащение печей ДЭП (системой дополнительного электроподогрева), мощность которой обеспечивает до 10% от общего прихода тепла за счет установки донных электродов. Системы ДЭП обычно устанавливаются в зоне шихты и квельпункта.

При варке ТПГ-стекол фиксируется также повышение температуры стекломассы, поступающей на выработку (на 25–35°С) в сравнении с варкой обычного стекла, что вызывает необходимость дополнительной интенсификации процесса студки. Увеличение количества воздуха, вдуваемого в зону студки печи, нежелательно из-за риска кристаллизации поверхностных слоев стекломассы. Применение погружных холодильников-преград, устанавливаемых обычно в пережиме печи, не практикуется по той же причине. Необходимый студочный потенциал обеспечивается в данном случае за счет уменьшения ширины пережима, а также глубины студочного бассейна.

Их специфичность заключается в повышенной температуре верхнего предела кристаллизации (на 10–15°С в сравнении с обычным флоат-стеклом), что может быть причиной кристаллизации холодных придонных слоев стекломассы. Для ликвидации застойных зон необходимо ведение варки при повышенных температурах.

Важнейшей характеристикой выработочных свойств стекол является вязкость. Составы бесцветных и ТПГ-стекол близки по основным компонентам, но температурная кривая вязкости ТПГ-стекла вследствие некоторого избытка щелочных оксидов лежит ниже, чем у бесцветного. В связи с этим логично было бы предположить, что вырабатывать ТПГ-стекла следует при пониженных температурах. Однако сравнение скорости твердения обоих видов стекол показывает, что ТПГ-стекло вследствие его малой теплопрозрачности, быстро отдает тепло с поверхности в окружающую среду при слабой ее подпитке теплотой из внутренних слоев. В результате поверхностные слои быстро твердеют, несмотря на то, что внутренние остаются при этом горячими и размягченными и изделие сохраняет приданную ему форму. Таким образом, ТПГ-стекла обладают более коротким интервалом выработки, то есть большей скоростью твердения в сравнении с бесцветным стеклом. Это обстоятельство вынуждает вырабатывать ТПГ-стекла при температуре на 30–40°С выше, чем бесцветные стекла.

ТПГ-стекла также имеют повышенную склонность к свилеобразованию, причем свили могут быть химического и термического характера. Причиной образования первых является затягивание нитей из подвижных поверхностных высококремнеземистых пленок в выработочную часть, а также попадание в выработочный поток придонных слоев стекломассы с другими химическим составом и тепловым прошлым. Грамотное стабильное ведение варки помогает избежать появления химических свилей. Труднее устранить термические свили, формирующиеся на поверхности стекломассы в выработочной части печи из-за неравномерного охлаждения стекломассы по ширине выработочного канала за счет вдувания охлаждающего воздуха, подсосов из внешней среды в печь и др. Эффективным способом борьбы со свилями является механическое перемешивание стекломассы мешалками, устанавливаемыми в выработочной части печи.