Установка для исследования влияния влажности многокомпонентных материалов на основные теплофизические свойства

УДК 677.056.6:004.354                                   

К современным текстильным материалам, применяемым для производства одежды, предъявляется сложный комплекс требований, в том числе гигиенических. Среди всего многообразия свойств материалов одежды одними из наиболее важных являются теплофизические свойства, которые характеризуют способность материалов одежды защищать тело человека от тепловых потерь и перегрева при различных температурных условиях. С помощью правильно подобранного материала можно создать комфортный постоянный микроклимат, что позволит людям работать продуктивнее, уменьшит затраты энергии организма, сделает условия отдыха более эффективными и уменьшит вероятность простудных заболеваний. Таким образом одежда способствует сохранению работоспособности и здоровья человека.

Для материалов одежды основными теплофизи- ческими свойствами являются тепловое сопротивление R, коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость C и коэффициент температуропроводности α.

Целью работы является обоснование необходимости установки для определения влияния влажности материала на основные теплофизические свойства.

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Влажность характеризует наличие в материале свободной (не связанной химически) воды, которая может быть удалена высушиванием при определенной температуре. Влажность оказывает большое влияние на теплопроводность, теплоемкость материалов и другие теплофизические характеристики [1].

Гигроскопичность, способность текстильных материалов поглощать и отдавать водяные пары и воду, является одним из важных свойств, влияющих на теплофизические свойства материалов.

При сорбции водяных паров в микрокапиллярах и в замкнутых капиллярах текстильных материалов происходит капиллярная конденсация паров влаги, в результате чего капилляры заполняются жидкостью.

При непосредственном соприкосновении текстильных материалов водой последняя поглощается как путем диффузии ее молекул, так и путем механического захвата ее частиц структурой материала. В последнем случае существенную роль играют процессы смачивания и капиллярного впитывания. Смачивание происходит при полном погружении материала в воду, либо при частичном соприкосновении воды и материала [2].

Теплофизические свойства являются важной составляющей свойств теплоизоляционных строительных материалов; деталей обуви; текстильных материалов при проектировании одежды с заданными теплозащитными свойствами, при выполнении влажно-тепловой обработки швейных изделий и их эксплуатации в различных климатических, производственных и бытовых условиях [1, 2, 3].

Многие изделия предполагается эксплуатировать на открытом воздухе, влажность короткого может изменятся в течении короткого промежутка времени. Теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности сухого воздуха, и, как следствие, при увеличении влажности воздуха и впитывании материалом влаги из окружающей среды, либо прямое попадание влаги на материал, ведет к резкому увеличению те-плопотерь.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Методы, используемые для определения характеристик теплофизических свойств, можно разделить на две группы: методы, основанные на принципе стационарного теплового режима; и методы, основанные на принципе нестационарного режима [2].

Стационарные методы характеризуются независимостью распределения температуры от времени, и теплопроводность определяется из результатов измерения теплового потока через образец и температурного градиента поверхностей образца после достижения теплового равновесия. Далее теплофизические характеристики определяются по расчетным формулам.

При нестационарном методе распределение температуры в образце меняется со временем, и измерение скорости изменения температур, определяющей теплопроводность, заменяет измерение теплового потока. Затем теплопроводность вычисляется из температуропроводности, используя имеющиеся данные о плотности и удельной теплоемкости испытуемого материала. При нестационарном методе определяется скорость охлаждения нагретого тела, изолирован- ного от окружающей среды испытываемым материалом. Этот метод позволяет воспроизвести условия теплообмена, когда изделие одной стороной прилегает к нагретому телу, а другой соприкасается с окружающей средой, в частности с воздухом [2, 4].

В настоящее время используется ряд методов определения теплопроводности материалов [5]:

• -    метод определения цилиндрическим зондом (ГОСТ 30256-94);

• -    метод определения поверхностным преобразованием (ГОСТ 30290-94);

• -    метод выполнения измерений теплопроводности диэлектрическим методом (ГОСТ 8621-2006);

• -    стационарный метод плоского слоя;

• -    метод трубы.

Для текстильных, нетканых и некоторых иных материалов основными методами определения теплофизических характеристик являются стационарный метод плоского слоя и метод регулярного (нестационарного) теплового режима.

При использовании метода плоского слоя образец материала располагают между нагревательным элементом и холодильником. Устанавливают постоянное значение температуры нагревателя и холодильника, с помощью приборов контролируют расход электроэнергии, идущий на поддержание постоянного перепада температур, и рассчитывают мощность теплового потока. Затем определяют коэффициент теплопроводности и значения других теплофизических свойств по следующим формулам:

Коэффициент теплопроводности:

λ = (δ∙P) / ∆T ,                   (1)

где λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м∙К); δ – толщина материала, м; P – мощность теплового потока, Вт; ∆T – градиент температур нагреваемой и охлаждаемой поверхностей материала, К.

Термическое сопротивление теплопередачи:

R = δ / λ ,                      (2)

где R – термическое сопротивление теплопередачи. Тепловое сопротивление, способность тела препятствовать распространению теплового движения молекул, (м²∙К)/Вт.

Теплоемкость:

C_p = Q / ∆T ,                 (3)

где C_p – теплоёмкость; Q – количество теплоты, полученное веществом при нагреве, либо выделившееся при охлаждении, Дж; ∆T – разница температур между поверхностями материала, К.

Удельная теплоемкость:

с_p = Q / (m ∙ ∆T) ,                   (4)

где c_p – удельная теплоемкость, Дж/(кг∙К), m – масса.

Коэффициент температуропроводности:

α = λ / (C∙ρ) ,                    (5)

где α – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Основным недостатком данного метода является длительность установления теплового процесса.

При использовании метода нестационарного (регулярного) теплового режима пластину с электронагревателем нагревают до определенного значения перепада температуры пластины и окружающей среды. Образец помещают на пластину. С помощью аэродинамического устройства создаётся воздушный поток определенной скорости и направления (под углом φ к образцу), направленный на образец материала. По темпу охлаждения вычисляют значение суммарного теплового сопротивления испытываемого материала. Остальные теплофизические характеристики определяются по вышеописанным формулам 3‒5.

Данный метод является более быстрым и простым, чем метод плоского слоя.

СУЩЕСТВУЮЩИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Анализ существующих установок для определения теплопроводности, таких как SHR, DVT YAN TG Thermal Resistance Tester For Clothing, МТ-380, HFM 446 Lamba Eco-Line, РГ-ПТП.01, ИТП-МГ4, ПИТ-3, ПИТ-2.1, ИТС-1, DRH-ZD, GHP 456 Titan, ИТ-λ-400, показал, что на данный момент на рынке оборудования установка для определения теплопроводности с динамическим изменением влажности материала не представлена.

На рисунке 1 показан прибор для определения суммарного теплового сопротивления ткани SHR. Он основан на методе нестационарного (регулярного) теплового режима.

На рисунке 2 показан прибор для измерения коэффициента теплопроводности и термического сопротивления ИТП-МГ4. Данный прибор основан на методе стационарного теплового потока, метод плоского слоя.

Рисунок 1 – Прибор для определения суммарного теплового сопротивления ткани SHR

Рисунок 2 – Прибор для измерения коэффициента теплопроводности и термического сопротивления ИТП-МГ4

ВЫВОДЫ

Ввиду важности значения теплофизических свойств материалов различного назначения, в том числе для производства одежды, значительного влияния влажности на теплофизические свойства материалов, отсутствия на рынке оборудования для определения коэффициента теплопроводности с динамическим изменением влажности авторы считают целесообразным разработку подобной установки для быстрого, удобного и точного определения зависимостей теплофизических характеристик материалов от их влажности.

Подобная установка позволила бы измерять теплопроводность материала с заданной влажностью путем непосредственного подвода определённого количества равномерно распределенной воды к материалу, одновременного контроля влажности образца с помощью датчиков, и определять зависимость теплофизических свойств испытываемых образцов от влажности.