Опасен ли газ в стеклопакетах?

0
89

Новый метод определения объема содержания аргона в стеклопакетах.

Заполнение стеклопакетов инертными газами (аргон, криптон, ксенон) позволяет существенно повысить сопротивление теплопередаче светопрозрачной конструкции. Особенно актуально это для современных стеклопакетов, в которых одно из стекол имеет теплоотражающее покрытие. Действительно, если заполнить межстекольное пространство стеклопакета инертным газом (в дальнейшем мы будем говорить только про аргон – криптон, конечно, более эффективен, но его стоимость зашкаливает. Про ксенон даже подумать страшно!), возможно повысить сопротивление теплопередаче стеклопакетов с обычными прозрачными стеклами на 3-5%, а конструкций, в которых установлено по крайней мере одно стекло с теплоотражающим покрытием – на 9 –15% [1]. При том, что стоимость заполнения стеклопакетов аргоном практически нулевая, данный метод улучшения теплотехнических характеристик стеклопакетов стал довольно популярным.
Помимо повышения сопротивления теплопередаче стеклопакета, введение в межстекольное пространство инертных газов позволяет снизить вероятность появления конденсата внутри стеклопакета, а также незначительно повысить его звукоизолирующие свойства.
В соответствии с введенным в действие с 01 января 2001 г. ГОСТ 24866-99 «Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия» [2], «объем заполнения стеклопакетов газом должен составлять не менее 90% объема межстекольного пространства стеклопакета» (п.4.1.9).
Начиная с 1 июля 2002 г. вводятся обязательные периодические испытания стеклопакетов на объем заполнения инертным газом. Согласно п.6.16 упомянутого ГОСТа [2], сущность метода испытаний состоит в определении концентрации кислорода внутри стеклопакета. Для проведения испытаний используются специальные газоанализаторы. Фактически, предложенный метод оценки концентрации аргона в стеклопакетах предполагает разрушение образцов. Несмотря на то, что в соответствии с табл.5 ГОСТа [2], периодичность подобных испытаний не более одного раза в год, стоимость рекомендованного в ГОСТе оборудования достаточно велика.
Предложенные в уже упомянутом ГОСТе и применяемые в мире в настоящее время методы измерения концентрации аргона внутри стеклопакета недостаточно точны, ненадежны и требуют значительного времени для проведения испытаний. Кроме того, эти методы (включая оборудование для проведения Рамановской спектроскопии [3]) очень дороги и не могут быть использованы при проведении измерений газонаполнения стеклопакетов на линии по производству стеклопакетов или оценки качества стеклопакетов, установленных в светопрозрачных конструкциях в «полевых условиях», т.е. в построечных условиях.
В последние годы проблема оценки объема газонаполнения стала одной из основных при производстве стеклопакетов. Работы по созданию необходимых для оценки газонаполнения приборов проводятся в Европе и США. Одним из удачных решений данной проблемы стала разработка финской фирмы “Sparklike” [4]. Прибор этой фирмы, разработанный в 2000 г., стоит более 10 тыс. долларов США и уже принят рядом ведущих американских фирм – производителей стеклопакетов. К недостаткам этого прибора следует отнести влияние теплоотражающих покрытий на результаты измерений. Кроме того, данный прибор не способен измерять концентрацию аргона ниже 50%.
Аналогичные разработки были начаты и в России на базе Института Общей Физики Российской Академии Наук в 2000 г. В настоящее время прибор для оценки объема газонаполнения в межстекольном пространстве стеклопакетов «МАСС 2002» создан и прошел предварительные испытания. Для массового производства приборов на базе Ассоциации производителей энергоэффективных окон (АПРОК) создается специальное ООО «АПРОК – МАСС». Оценка потребности отечественных производителей в приборах по оценке объема заполнения стеклопакетов аргонов инертными газами была проведена АПРОК в 2002г. и составляет по нашим данным около 150 приборов в год. Стоимость прибора МАСС при производстве 5 шт. в месяц – это должно произойти в ноябре с.г. – будет составлять 4 000 долларов США.
При постановке задачи по разработке прибора МАСС-2002 для измерения объема заполнения межстекольного пространства стеклопакетов инертным газом было предложено, чтобы прибор и методика измерения удовлетворяли следующим основным требованиям:

  • процесс измерения должен быть неразрушающим;
  • теплоотражающие покрытия стекол не должны влиять на результаты измерений;
  • время одного измерения не должно превышать 30 секунд;
  • точность измерения концентрации аргона в межстекольном пространстве должна быть не хуже 2%;
  • прибор должен работать как в производственных, так и в «полевых» условиях.

Производственные измерения должны производиться на линии по производству стеклопакетов с выдачей протокола по каждому стеклопакету. «Полевые» измерения необходимы для контроля установленных стеклопакетов, поскольку через несколько лет эксплуатации концентрация аргона может существенно уменьшиться, что может потребовать замены стеклопакета, несоответствующего зафиксированным в задании теплотехническим характеристикам.
Для решения поставленных задач было предложено использовать методику диодной лазерной спектроскопии для измерения концентрации аргона внутри стеклопакета [5]. Как известно, при производстве стеклопакетов они должны заполняются аргоном путем их продувки и замещения воздуха аргоном. Стандартный уровень заполнения составляет более 90% (90% аргона и 10% воздуха).
Принцип работы предложенного нами газоанализатора на основе диодных лазеров состоит в следующем. Коллимированный луч диодного лазера (ДЛ) проходит через оцениваемый стеклопакет, частота (длина волны) ДЛ периодически перестраивается в пределах узкого спектрального диапазона в области одной из линий поглощения исследуемого газа. Типичное время перестройки ДЛ составляет около 1 мсек, частота повторения – около 100 Гц. При этом регистрируется следующий спектр поглощения:
Концентрация исследуемого газа определяется из выражения (1):
K-1 · L-1 · (D I/I0). (2).
где:
# K – коэффициент поглощения, являющийся характеристикой необходимой спектральной линии;
# L – длина оптического пути (двойная толщина стеклопакета в cм;
# Io – полная интенсивность излучения ДЛ;
# DI – поглощенная интенсивность излучения ДЛ
Если линия поглощения очень слабая (т.е. I0 >> DI), то приведенное выше выражение упрощается, и концентрация исследуемого газа определяется в соответствии с (2):
K-1 · L-1 · (D I/I0). (2).
Аргон является атомарным газом и имеет только электронные спектры без колебательной и вращательной структуры. Спектральный переход на самый нижний электронный уровень аргона имеет длину волны около 110 нм, т.е. находится в вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Ни стекло, ни воздух непрозрачны в этой области, таким образом, концентрация аргона внутри стеклопакета не может быть измерена оптическими методами непосредственно.
Однако, после того как стеклопакет заполняется аргоном, газ внутри стеклопакета является смесью аргона и воздуха, а воздух содержит около 20% кислорода. Таким образом, если измерить концентрацию кислорода внутри стеклопакета, то концентрация аргона может быть легко вычислена в соответствии с (3):
N[Ar] = 1 – (5 · N[O2]), (3)
где:
N[Ar] – концентрация аргона;
N[O2] – измеренная концентрация кислорода.
Молекулярный кислород имеет достаточно сильный спектр поглощения в области 760 нм (рис. 2). Хотя коэффициент поглощения достаточно велик, длина оптического пути в случае испытания стеклопакетов достаточно мала (около 7 см), и регистрируемое относительное поглощение(DI/I0) будет составлять около 10-5.
Видно, что сечение поглощения для самых сильных линий молекулярного кислорода в области 760 нм составляет около 10-23 см2 /мол. Для того, чтобы вычислить интегральную интенсивность линии, эту величину нужно умножить на число Лошмидта (2.6*1019, число молекул в 1 см3 при атмосферном давлении при комнатной температуре). Таким образом, интегральная интенсивность Aint линии определяется в соответствии с (4):
Aint = 2.6· 10-4 см-2/атм. (4),
Затем, учитывая лоренцовский коэффициент ударного уширения молекулярного кислорода, равный g=0.052 см-1/атм, можно вычислить коэффициент поглощения в центре спектральной линии Acent в соответствии с (5):
Acent=Aint/(g · p )=1.6· 10-3 см-1.(5)
Кроме того, необходимо учесть относительную концентрацию кислорода внутри стеклопакета и длину оптического пути в используемой схеме измерений. Если мы предполагаем, что стандартный уровень заполнения стеклопакета аргоном составляет 90%, то концентрация остаточного кислорода составит 2% (D=0.02). Длина оптического пути L в предлагаемой схеме измерений составляет около 4-7 см при условии, что расстояние между стеклами в однокамерном стеклопакете не превышает 20 мм, а в двухкамерном – 16 мм (рис. 3).
В соответствии с (6) можно оценить относительное поглощение (DI/I0) кислорода внутри стеклопакета при стандартных условиях заполнения его аргоном:
D I/I0=Acent· D· L ≈ 1.5· 10-4 , (6)
В настоящее время предел определения относительного поглощения методами диодной лазерной спектроскопии составляет около 3*10-6, т.е. при использовании приведенной схемы измерений точность определения кислорода составляет 3*10-6 / 1.5*10-4 = 2%. Поскольку содержание аргона составляет около 90%, то, вообще говоря, это означает, что точность определения концентрации аргона будет примерно в 10 раз лучше, т.е. около 0,2 %.
В приведенной оптической схеме разработанного нами прибора МАСС – 2002 в настоящий момент используется дополнительное плоское зеркало для отражения лазерного луча от противоположной стороны стеклопакета. Вообще говоря, без этого зеркала можно обойтись, что значительно упростит эксплуатацию прибора. В этом случае для оценки объема заполнения стеклопакетов инертным газом будет использоваться луч, отраженный от дальнего стекла стеклопакета. Следует иметь в виду, что от поверхности стекла отражается только 3-5% излучения, и в такой схеме ужесточаются требования к чувствительности системы регистрации оптического сигнала. Усовершенствование прибора МАСС – 2002 будет проведено в течение этого года.
Прибор МАСС – 2002 вполне может использоваться и в «полевых» условиях, поскольку он достаточно компактен (приблизительные размеры оптического блока 5х5х10 см, масса 1 кг) и может питаться от батарей при потребляемой мощности около 20 W, не считая мощности, потребляемой портативным компьютером, который в обязательном порядке входит в комплект прибора. Кстати, указанная выше стоимость МАСС-2002 дана с учетом стоимости портативного компьютера.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here