Traktori i pogonske mašine Tractors and power machines Biblid: 0354-9496(2007) 12:4, p.92-97 UDK:631.372 Naučni rad Scientific paper KARAKTERISTIKE STAKLA KAO FAKTOR OD UTICAJA NA MIKROKLIMU U TRAKTORSKOJ KABINI GLASS PROPERTIES AS AN INFLUENCING FACTOR ON MICROCLIMATE IN TRACTOR CAB Ružić, D., Ćasnji F., Muzikravić V.. REZIME Veći deo površine omotača traktorske kabine je načinjen od stakla. Zahtevi koje staklo treba da zadovoljisu: bezbednosttraktoriste, providnost i vizuelni komfor, termički komfor, akustički komfor, mehanička čvrstoća, otpornost prema atmosferskim uticajima i temperaturi, a posebno one propisane odgovarajućim tehničkim regulativama. Ovaj rad sefokusira na osobine stakla koje su u vezi sa mikroklimom u traktorskoj kabini, time i sa toplotnim osećajem traktoriste. Na osnovu rezultata do kojih se došlo u ovom radu zaključeno je da određene izvedbe staklenih površina mogu uticati na smanjenje naprezanja traktoriste i poboljšanje toplotnog komfora, što pozitivno utiče na radnu sposobnost. Ključne reči: traktor, kabina, staklo, termičke osobine, sunčevo zračenje SUMMARY Larger part of tractor cab envelope is made ofglass. The glass should fulfill requirements concerning operator safety, transparency and visual comfort, thermal comfort, acoustic comfort, mechanical strength, ambient influence and temperature resistance, especially those required by technical regulations. This paper is focused on thermal properties ofglass, in conjunction with microclimate, thus with operator's thermal sensation. The results obtained in this paper show that certain glass designs might decrease the stress of the operator and improve his thermal comfort, having a positive effect on working performance. Key words: tractor, eab, glass, thermal properties, sun radiation Mr Dragan Ružić, dipl. ing., prof dr Ferenc Ćasnji, doc. dr Vladimir Muzikravić, Fakultet tehničkih nauka, 21000 Novi Sad, Trg Dositeja Obradovića 6, e-mail: ruzic@uns.ns.ac.yu 92
Vo1.l2.No.4. p.92-97, 2007. UVOD Toplotni uslovi u poljoprivrednim traktorima se značajno razlikuju od mikroklime u drumskim vozilima, na prvom mestu zbog velikih staklenih površina i malih brzina kretanja. Velike staklene površine su neophodne radi obezbeđivanja što bolje vidljivosti, jer prilikom rada sa traktorom traktorista mora neprekidno da posmatra relevantne zone u svojoj okolini, pa je u savremenoj proizvodnji traktora prisutan trend potpuno zastakljenih kabina. Kako je prva barijera neželjenom zagrevanju kabine traktora staklo, izbor vrste i tipa stakla je veoma bitan korak u konstrukciji traktorske kabine. Zbog malih brzina kretanja traktor ne može da se osloni na hlađenje spoljašnjih površina omotača kabine konvekcijom vazduha. Pored toga, proces rada traktora često uslovljava dugotrajan nepromenjen položaj kabine u odnosu na sunce što dodatno pogoršava subjektivan osećaj mikroklime. Buka i aerozagađenje u okolini traktora utiču na to da se otvaranje prozora i vrata na kabini svede na manju meru. U radu su prikazane osnove prolaza toplote sunčevog zračenja kroz staklo, zatim faktori od uticaja na toplotno stanje unutrašnjosti kabine, da bi se na osnovu toga mogle izvesti preporuke za poboljšanje uslova. Prolaz sunčevog zračenja kroz staklo Ukupna energija sunčevog zračenja se prenosi u oblasti talasnih dužina između 200 do 2140 nm. Globalno zračenje je suma direktnog i difuznog zračenja sunca. Intenzitet globalnog zračenja zavisi od geografske širine, datuma, doba dana i zamućenosti atmosfere, i sa spoljašnje strane kabine može biti od Odo oko 1000 W/m 2 Maksimum zračenja je u oblasti vidljive svetlosti, a raspoređivanje na površini zemlje je sledeće (slika l) [6]: ultraljubičasti zraci (UV) - oko 3% vidljivi zraci - oko 44% infracrveni zraci (IC) - oko 53% energije sunčevog zračenja Vi(IIJiva svetlost 1.5 E e 1.0.~ Ș i 6> Q.; 0,5 e ul 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Talasna dužina. nm Sl. l. Intenzitet spektra sunčevog zračenja na površini zemlj"e [lj Fig. l. Solar spectral irradiance at the surface ofthe earth [lj 93
Vo\.l2.No.4. p.92-97, 2007. Sunčevo zračenje koje nailazi na staklo će delom biti reflektovano (Ir), jedan deo će se apsorbovati (Ia), a ostatak će biti propušten (It). Ukupna energija sunčevog zračenja I (W/m 2 ) biće jednaka sumi ta tri dela energije: I = r. I + a. I + t. I = Ir + la + It Prema tome, za koeficijente refleksije r, apsorpcije a i propustljivosti - transparencije t, važi odnos: r+a+t=l Karakteristike stakla se u pogledu propustljivosti zračenja razlikuju za oblasti infracrvenog, ultraljubičastog i vidljivog zračenja. Kako stakla na prvom mestu služe za omogućavanje vidljivosti iz kabine, veoma su bitne osobine stakla koje se tiču vidljivog dela spektra, u rasponu talasnih dužina od 380 do 780 nm. Na sl. 2 je prikazan prenos toplote ukupnog zračenja i prolaza vidljive svetlosti kroz staklo. refleksija zračenja = I, ref1ektovana svetlost propušteno zračenje =I, apsorbovano zračenje I" oo toplotna energija koja dospeva u kabinu propustena svetlost sekundarno odavanje toplote =I", + l,,:, ~ ~ Sl. 2. Prenos toplote ukupnog zračenja (a) i prolaza vidljive svetlosti kroz staklo (b) Fig. 2. Transmission ofthe total energy (a) and transmission ofthe visible light (b) through the glass U ukupnu vrednost energije propuštene kroz staklo ulazi i jedan deo apsorbovane energije (Ia2), koji se konvekcijom predaje unutrašnjem vazduhu. Karakteristike prolaska energije i vidljive svetlosti kroz staklo menjaju se i sa upadnim uglom zraka. Bez obzira na vrstu stakla, odstupanja od deklarisanih vrednosti počinju za zrake koji u odnosu na normalu padaju pod uglom od oko 60 i više. Sa povećanjem upadnog ugla preko navedene vrednosti apsorpcija i propustljivost se smanjuju, uz proporcionalno povećanje refleksije. Zagrevanje kabine Pored dovođenja toplote od strane pogonskog agregata traktora (sa donje strane kabine) sunčevo zračenje je glavni izvor zagrevanja kabine. Zato će temperatura vazduha u neklimatizovanoj kabini traktora izloženog suncu biti znatno viša nego spoljašnja temperatura. Sunčevo zračenje ne predaje energiju direktno vazduhu, nego se unutrašnje površine zagrevaju 94
Karakteristike stakla kao faktor od uticaj na oo Vo1.12.No.4. p.92-97, 2007. dejstvom sunčevog zračenja kroz stakla kabine. Zagrejane površine unutrašnjosti predaju toplotu zračenjem i konvekcijom (kao u staklenoj bašti). Takođe, sunce prouzrokuje zagrevanje spoljašnjih površina kabine, sa kojih se toplota predaje vazduhu u unutrašnjosti. Velik uticaj na zagrevanje vazduha u kabini traktora ima odavanje toplote sa svih zagrejanih površina, kako stakla tako i ostalih površina u unutrašnjosti kabine, dakle od njihovih toplotnih karakteristika (od koeficijenata refleksije i apsorpcije, od toplotnog kapaciteta materijala i dr.). Od razlika temperatura u kabini i van nje zavisiće protok toplote kroz omotač kabine. U slučaju da kabina nije klimatizovana, a zatvorena je, toplota će se zapravo odvoditi iz nje, jer će u kabini temperatura biti viša od spoljašnje. Međutim, u realnoj eksploataciji se ne može očekivatiboravak traktoriste u zatvorenoj neklimatizovanoj kabini. Intenzitet globalnog zračenja na stakla sa četiri strane sveta prikazan je na sl. 3, uz pretpostavke da su stakla vertikalna i normalno orjentisana na stranu sveta za koju se podaci odnose i da je nebo vedro. Prema tim podacima maksimum intenziteta zračenja na pojedina stakla dostiže vrednosti i preko 5QQW/m 2, dok ukupna vrednost iznosi više od 8QQW/m 2 Ukupna energija (u kwh/m 2 ) koja će tokom dana dospeti do stakala kabine bila bi jednaka površini ispod krivih na grafiku. Direktno dejstvo sunca na traktoristu kroz stakla i otvore kabine utiče na njegov toplotni komfor zbog apsorpcije toplotne energije sunca koja dovodi do povećanja temperature kože i odeće. Indirektna posledica su visoka temperatura vazduha, zračenje okolnih površina i njihova visoka temperatura, koja u nekim situacijama može biti i opasna, zbog pojave opekotina [7]. 600 N E 500 ~ 400 ~ on <ll 300.C' Q) ou l'! N 200,~ N ii 100 E o 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 1600 18:00 20:00 Vreme (h:mm:ss) Sl. 3. Intenzitet globalnog zračenja na različito orjentisane vertikalne površine u centralnom delu Vojvodine zajedan augustovski dan (podaci sa http://rejrc.ec. europa. eu/pvgis/apps3/pvest.php) Fig. 3. Global solar irradiance on a vertical plane under different orientation/or central part o/vojvodina/or a single August day (data/rom http://rejrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php) Karakteristike stakla U tabelama I i 2 date su karakteristike stakala pojedinih proizvođača koja se koriste u 95
Vo1.12.No.4. p.92-97, 2007. proizvodnji kabina za poljoprivrednu mehanizaciju. U obzir su uzeta jednostruka i višeslojna stakla koja imaju propustljivost vidljive svetlosti preko 70%. Samo stakla koja imaju propustljivost svetlosti preko 75% mogu se koristiti za vetrobransko staklo [4]. Tab J. Karakteristike jednostrukih stakala Tab. 1. Single layer glass characteristics Marka i tip Energija -direktno Vidljiva svetlost IC zračenje t r a t r Industrija Stakla Pančevo - obično, providno (3mm) >82 91 Saint Gobain - obično, providno (3, l 5mm) 84 8 8 90 80 8 Saint Gobain - obično, zeleno tonirano (3,15mm) 49 6 45 74 28 5 Saint Gobain SGS Thermocontrol - apsorbujuće, zeleno tonirano (3, l5mm) 43 5 52 71 21 5 Tabela 2: Karakteristike višeslojnih stakala Table 2: Laminatedglass characteristics Energija -direktno Vidljiva svetlost IC zračenje Marka i tip t r a t t r Saint Gobain - providno (5mm) 79 8 13 88 73 7 Saint Gobain - zeleno tonirano (5mm) 50 7 43 76 30 6 Saint Gobain SGS Thermocontrol - apsorbujuće, zeleno tonirano (5mm) Saint Gobain SGS Thermocontrol - reflektujuće, zeleno tonirano (5mm) 50 6 44 76 28 5 46 31 23 >75 <20 >50 Pilkington Siglasol - reflektujuće staklo 47 24 29 77 Propustljivost UV zraka višeslojnih stakala je ispod 0,5%, što ih u poređenju sa jednostrukim staklima čiji je koeficijent propustljivosti od preko 60% za netonirana stakla do oko 20% za tonirana, čini gotovo nepropusnim za ultraljubičasto zračenje. Metode umanjenja toplotnog opterećenja od sunca Kako se najveći deo energije sadrži u vidljivom i u infracrvenom delu spektra sunčevog zračenja, radi održanja dovoljne vidljivosti idealno bi bilo kada bi se reflektovao ili apsorbovao samo infracrveni deo spektra. Dejstvo UV dela spektra se najviše odražava na starenje i bleđenje materijala elemenata unutrašnjosti kabine. Zatamnjena stakla, kako se iz tabela l i 2 može videti, spadaju u tzv. asporptivna stakla. Kod takvog stakla se asprobuje deo i vidljivog i infracrvenog spektra, te je propustljivost vidljive svetlosti manja. Staklu zbog toga raste temperatura i ono emituje toplotnu energiju u okolinu, dakle jedan deo van kabine, a drugi u unutrašnjost, kao sekundarno odavanje toplote (Sl. 2, a). Odavanje toplote ka unutrašnjosti kabine biće manje ako postoji strujanje vazduha sa spoljašnje strane kabine, tj. hlađenje stakla, zbog većeg odvođenja toplote konvekcijom. Kako su brzine kretanja traktora male, ne računajući brzinu vetra, taj mehanizam ima manje efekta nego što je to slučaj kod drumskih vozila. 96
Traktori i pim Tractors and pim Vo1.12.No.4. p.92-97, 2007. Reflektivna stakla sadrže filtrirajući sloj koji reflektuje IC zračenje, dok je uticaj na smanjenje prolaska vidljive svetlosti daleko manji (Tabela 2), iako se i ona izvode kao tonirana. Takva stakla se po pravilu izvode kao višeslojna, te osim povećanja toplotnog i akustičnog komfora doprinose i povećanju bezbednosti. Na osnovu ovih karakteristika, pri izboru stakla za traktorsku kabinu treba uzeti u obzir da prema važećim međunarodnim regulativama propustljivost svetla kroz prednje staklo vozila koje se kreće u javnom saobraćaju mora biti veće od 75%. ZAKLJUČAK Analizirajući primenjena rešenja zaštite unutrašnjosti traktorske kabine i traktoriste od dejstva sunca na savremenim traktorima, može se uočiti da razvoj i primena naprednih tehnologija na pomenutom polju nije na nivou kakav se sreće kod putničkih i teretnih automobila i autobusa. Još uvek mali broj proizvođača traktora i kabina za vetrobrane umesto jednoslojnih kaljenih stakala primenjuje višeslojna stakla (prema [4] za vozila koja ne mogu da razviju brzinu preko 40kmlh vetrobransko staklo ne mora biti višeslojno). Dok je kod drumskih vozila akcenat na uštedi energije potrebne za klimatizaciju putničkog prostora, kod traktora bi na prvom mestu razvoj trebao biti usmeren na mikroklimatske uslove, zbog poboljšanja radnih uslova traktoriste. U prilog tome ide i činjenica da je zbog veoma velikih staklenih površina traktorista izloženiji dejstvu sunca nego što je to kod drumskih vozila. Na osnovu raspoloživih karakteristika u pogledu sunčevog zračenja kao najbolje rešenje za izradu svih stakala na traktorskoj kabini je primena višeslojnih reflektujućih stakala, iako višeslojna sigurnosna stakla nisu obavezna za primenu na traktorima. U odnosu na netonirana jednostruka stakla smanjenje propuštanja toplote kod jednostrukih i višeslojnih apsorbujućih stakala je preko 30%, dok je kod reflektujućih višeslojnih stakla smanjenje oko 40%. Pri tome je propuštanje vidljive svetlosti je bolje kod reflektujućih stakala. Ostale pogodnosti koje se dobijaju primenom termoreflektujućih stakala su i kraće vreme za postizanje komforne temperature kabine zagrejane na suncu, kao i niže temperature površina u unutrašnjosti kabine. LITERATURA [l] Bohm M., Holmcr 1., Nilsson H., Noren O: Thermal effects ofglazing in driver's cabs, JTI-rapport, 2002. [2] Časnji F., Ružić D., Stojić B.: Ergonomske karakteristike savremenih traktora snage preko 120 kw, Traktori i pogonske mašine 9(2004)4 [3] Časnji, F., Ružić, D., Muzikravić V., Poznanović N., Stojić B.: Ergonomske karakteristike savremenih traktora snage 60-120 kw, časopis Traktori i pogonske mašine, Novi Sad, dec. 2003. str 7-12. [4] ECE Regulativa br. 43: Opšte odredbe u vezi ispitivanja sigurnosnih stakala na vozilima [5] Farrington R. B., Deborah L. Brodt, Burch S. D., Keyser M: "Opportunities to Reduce Vehicle Climate Control Loads", National Renewable Energy Laboratory [6] Reknagel H., Šprenger E., Šramek E.-R., Čeperković Zagorka: "Grejanje i klimatizacija", Interklima, Vrnjačka Banja, 1995. [7] Ružić, D., Časnji, F., Muzikravić V.: Značaj klimatizacije traktorske kabine, Traktori i pogonske mašine 10(2005)4, str. 63-67. [8] Ružić D.: Uticaj klimatizacije na toplotni komfor u putničkom automobilu, magistarski rad, FTN Novi Sad, 2006. [9] Saint-Gobain Sekurit - Glazing Manual, www.saint-gobain-sekurit.com. 2003. god. [10] Tiirler D., Deborah Hopkins, Goudey H.: Reducing Vehicle Auxiliary Loads Using Advanced Thermal Insulation and Window Technologies, SAE Paper 03HX-36, 2003. Rad primljen: 02.11.2007. Rad prihvaćen: 07.11.2007. 97