Физико-механические свойства и оптические величины некоторых прозрачных покрытий гелиотеплицы

В работе экспериментально исследуются физико-механические свойства и фотометрические характеристики во всем доступном диапазоне длин волн, необходимых для расчета теплового баланса пленочных покрытий.

Ключевые слова: использование солнечной энергии, интенсивность солнечного излучения, светопрозрачное ограждение культивационных сооружений, полиэтиленовая пленка, тепловое излучение, поток лучистой энергии, полимерные материалы, коэффициент теплопроводности ограждения, теплоотражающая способность пленки.

В последние годы светопрозрачную пленку начали использовать как заменитель стекла для культивационных сооружений в виде тоннелей и пленочных теплиц. Это дает возможность получать рассаду более высокого качества, чем в парниках под остекленными рамами.

Преимущество пленочных теплиц, малогабаритных арок и т. д. заключается в том, что в них благодаря герметичности пленки создается благоприятный температурный режим. В течение длительного периода основным материалом для покрытия культивационных сооружений защищенного грунта было стекло. Однако такие сооружения дорогостоящие, что препятствовало расширению площадей теплиц и парников.

В результате обширных исследований физико-механических свойств пленок ученые выявили перспективный вид пленки в овощеводстве: полиэтиленовая.

Полиэтиленовая пленка – самая распространенная пленка в овощеводстве. Она представляет собой гибкий, эластичный материал с глянцевой гидрофобной поверхностью, матовая с белесым оттенком. Ее получают полимеризацией этилена, который добывают из нефтяного и природного газа (Ващенко, 1974). Толщина пленки колеблется от 50 до 250 мк, ширина полотна 140–300 см. Для выращивания рассады овощей используется в основном пленка толщиной 100 мк, частично и 150 мк. Полиэтиленовая пленка широко применяется в овощеводстве благодаря ее положительным свойствам: она в 40–50 раз легче стекла, в 1 кг ее в зависимости от толщины содержится от 5 до 20 м ² , эластична, обладает хорошими физическими и оптическими свойствами, практически не поглощает воду и почти не изменяет линейные размеры, не набухает и не провисает, пропускает 52 % ультрафиолетовых лучей, 73 % видимого света, 81 % коротких инфракрасных и 80 % длинноволновых лучей, морозостойка — выносит понижение температуры до — 66º. Однако при использовании следует учитывать и ее недостатки: высокая проницаемость в области длинноволнового теплового излучения, в результате которого наблюдается большое колебание температуры днем и ночью, снижение прозрачности за 3–4 месяца эксплуатации на 15–20 % [1].

Основное назначение светопрозрачного ограждении — пропускать лучистые потоки (наибольший интерес представляют лучистые потоки в видимой и инфракрасной областях спектра и дальней инфракрасной области). Прозрачность материалов для той или иной области спектра зависит от их физической природы. Для ограждающих конструкцией культивационных сооружений используют силикатное стекло и полимерные материалы (пленки из полиэтилена, поливинилхлорида, полиамида, стеклопластики).

Способность светопрозрачного материала пропускать поток лучистой энергии определяется коэффициентом пропускания

,(1)

При определении следует учитывать интегральное значение коэффициента пропускания как в области видимого и ближнего инфракрасного, так и дальнего инфракрасного спектра. Все указанные выше светопрозрачные материалы обладают высокой прозрачностью в видимой части спектра (результат теплового излучения) высоким коэффициентом пропускания обладают только пленки из полиэтилена.

Важной теплофизической характеристикой является альбедо , при помощи которого оценивают способность поверхности отражать солнечную радиацию.

Альбедо зависит от состояния поверхности (гладкая, шероховатая, чистая), физической природы материала, угла падения лучей и ряда других факторов. Величина альбедо равна , (2)

Альбедо стекла равно 0,07. для полимерных пленок его значение примерно в 1,5 раза больше.

Следующей теплофизической характеристикой является коэффициент теплопроводности ограждения. Вследствие малой толщины стенки светопрозрачных ограждений термическое сопротивление мало ( ) и в инженерных расчетах теплового баланса сооружений защищенного грунта его не учитывают.

Потери теплоты через светопрозрачное ограждение можно уменьшить, если внутреннюю и наружную поверхность стекла покрыть специальной селективной пленкой, например, пленкой двуокиси олова, которая содействует уменьшению теплоизлучения в окружающую среду и лучистого потока, поглощаемого внутренней поверхностью ограждения вследствие теплоотражающей способности пленки.

Исследования [2] показывают, что при использовании стекла, покрытого пленкой двуокиси олова, температура воздуха внутри помещения и температура почвы на 8…9º выше, чем в сооружении, остекленном обычным стеклом. Это позволяет применять неотапливаемые культивационные сооружения в более северных районах или раньше вводить их в эксплуатацию. Кроме того, используют оксиды кобальта, железа, титана, хрома. Стекла, покрытые пленкой из этих материалов, имеют более высокие, чем обычное стекло, показатели прочности. Окиснометаллические покрытия несколько снижают светопропускание стекла.

В инженерной практике пользуются такими показателями, характеризующими температурные интервалы применения ограждений, как термостойкость и морозостойкость. Значения этих показателей светопрозрачных ограждений приведены в табл. 1.

Таблица 1

Полимерные материалы по своим физико-химическим свойствам обладают большими преимуществами по сравнению со стеклом. Это дает возможность широко их использовать при выращивании рассады и овощей.

Из существующих полимерных пленок наиболее перспективны полиамидная и полиэтиленовая, пропускающие 80–90 % солнечного света. В процессе эксплуатации под действием различных факторов внешней среды светопрозрачность пленок падает, в результате снижается приход суммарной радиации.

Наиболее совершенный тип культивационного сооружения-теплицы. В них удобно проводить уход за овощными культурами, механизировать многие процессы. Однако из-за отсутствия долговечной пленки и ограниченности ее производства пленочные теплицы менее распространены, чем малогабаритные пленочные укрытия тоннельного типа и парники.

В силу герметичности полимерная пленка создает благоприятные условия для роста и развития овощных культур: растения ускоряют созревание, становятся более крупными, что положительно сказывается на повышении урожая и улучшении его качества.

В работе экспериментально исследуется фотометрические характеристики во всем доступном диапазоне длин волн, необходимых для расчета теплового баланса пленочных покрытий. Лабораторные исследования проводили на спектрофотометре СФ-4 и приборах ИСК-14, ИСК-22 и КФК-12. Как правило, материалы, используемые в гелиоустановках в качестве прозрачной изоляции, обладают селективными свойствами их оптические характеристики, в том числе пропускательная, отражательная и поглощательная способности лучистой энергии зависят от длины светой волны. Падающий на пленку световой поток делили на отраженный , поглощенный пленкой и прошедший пленку . При измерении сравнивали световые потоки и

Спектральные значения оптических величин, в том числе D, R и А для новой и отработанной (использованной на гелиотеплицах) полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм, измеренные на приборах и вычисленные в соответствующих формулах, показывают, что прозрачность ее почти не изменяется.

В длинноволновой части спектра прозрачность почти постоянна для всех исследованных образцов.

Сравнивая оптические характеристики одних и тех же пленок до и после старения, можно заметить, что в процессе эксплуатации поглощательная способность несколько увеличивается, а пропускательная — уменьшается. Изменения эти не очень велики, в среднем можно считать для полиэтиленовой пленки ; ; .

Литература:

1. Н. С. Бакурас, Р. К. Камбаров. Выращивание рассады и овощей в пленочных теплицах. Ташкент издательство «Фан». 1979. 104 с.
2. Б. Х. Драганов, В. В. Есин, В. П. Зуев. Применение теплоты в сельском хозяйстве. Киев: Вища школа. 1983. -239 с.
3. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. М., «Советское радио», 1978. -399 с.
4. Вардияшвили А. А. “Разработка и исследования многофункциональных энергоэффектных гелиотехнических комплексов с использованием энергетических отходов”. Монография. Карши «Насаф» нашриёти 2013 г. 9,6 б.т.
5. Маркус Т. А., Моррис Э. Н. Здание, климат и энергия. Ленинград. Гидрометеоиздат 1985–542с.
6. Вардияшвили А. А. “ Солнечный сельский дом гелиотеплицой.”. Ўқув-услубий қўлланма. Карши «Насаф» нашриёти 2017 г. 6,9 б.т.
7. Вардияшвили А. А. “ Муқобил энергия манбалари”. Монография. Карши «Насаф» нашриёти 2016 г. 9,6 б.т.