Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы 11
1.1. Особенности переноса тепла через текстильные материалы 11
1.2. Факторы, влияющие на теплопроводность текстильных материалов ... 14
1.2.1. Влияние теплофизических факторов на теплопроводность текстильных материалов 15
1.2.2. Влияние климатических факторов на теплопроводность текстильных материалов 19
1.2.3. Влияние структурных факторов на теплопроводность текстильных материалов... 23
1.2.4. Влияние конструкции одежды на ее теплозащитную способность 28
1.2.5. Влияние эксплуатационных факторов на теплопроводность материалов 29
1.2.6. Влияние технологических факторов на теплопроводность текстильных материалов 32
1.3. Методы исследования теплофизических свойств материалов 33
1.3.1. Теоретические методы исследования 33
1.3.2. Экспериментальные методы исследования 33
Глава 2. Разработка математических моделей переноса тепла через текстильные материалы 41
2.1. Уравнение теплопроводности текстильных материалов 42
2.2. Определение лучистой составляющей коэффициента теплопроводности 52
2.3. Определение конвективной составляющей 55
Глава 3. Разработка экспериментальной установки и методики исследования теплофизических свойств материалов при действии влаги и давления 61
3.1. Объекты исследования 61
3.2. Определение структурных характеристик исследуемых материалов...65
3.3. Разработка установки для экспериментального исследования теплофизических свойств материалов 68
3.4. Методика проведения испытаний теплофизических свойств текстильных материалов при действии на них влаги и силового давления 72
3.4.1. Методика проведения испытаний теплофизических свойств текстильных материалов при нормальных условиях 72
3.4.2. Методика проведения испытаний для оценки влияния влажности текстильных материалов на их теплофизические свойства 78
3.4.3. Методика проведения испытаний для оценки влияния силового давления на теплофизические свойства материалов 80
3.4.4. Методика проведения исследований по оценке влияния совместного воздействия влажности и силового давления на теплопроводность волокнистых материалов 83
Глава 4. Экспериментальные исследования теплофизических свойств текстильных материалов при действии влаги и силового давления 87
4.1. Оценка влияния силового давления на структурные характеристики материалов 87
4.2. Экспериментальное исследование теплопроводности текстильных материалов при воздействии силового давления 91
4.3. Экспериментальное исследование теплопроводности текстильных материалов при комплексном воздействии силового давления и влажности 102
4.4. Разработка рекомендаций по подбору материалов в пакет теплозащитной одежды 118
Заключение 124
Список литературы 127
Приложение 142
- Факторы, влияющие на теплопроводность текстильных материалов
- Определение лучистой составляющей коэффициента теплопроводности
- Разработка установки для экспериментального исследования теплофизических свойств материалов
- Экспериментальное исследование теплопроводности текстильных материалов при воздействии силового давления
Введение к работе
Основной функцией одежды является поддержание теплового равновесия между окружающей средой и организмом человека. Это требование распространяется как на бытовую, так и на специальную одежду, предназначенную для эксплуатации при пониженных температурах. Повышенная потребность в этой одежде обусловлена климатическими особенностями России, а также бурным развитием на ее территории зимних видов спорта.
Качество теплозащитной одежды оценивается целым рядом требований, но основным ее эксплуатационным показателем является теплоизоляционная способность, обеспечивающая поддержание комфортных условий в пододежном пространстве человека. Недостаточная или избыточная тепловая изоляция одежды приводит к возникновению простудных заболеваний. Таким образом, создание одежды с оптимальными теплозащитными свойствами будет способствовать сохранению здоровья населения России.
За последние десятилетия произошли значительные изменения в ассортименте одежды, предназначенной для носки в холодное время года и занятий спортом. Вместо тяжелых зимних пальто широкое распространение получили облегченные пальто и куртки, где в качестве материалов верха используются современные синтетические материалы. Такие материалы обладают легкостью, повышенной прочностью, несминаемостью, имеют красивый внешний вид. Изменились и материалы утепляющей прокладки: взамен тяжелой, гигроскопической прокладки из ваты стали использоваться высокообъемные синтетические нетканые материалы, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с утеплителями, выполненными из натуральных волокон. К числу их достоинств можно отнести легкость,
высокие теплоизоляционные свойства, малую гигроскопичность, высокую прочность, относительную дешевизну.
Появление и широкое распространение современных материалов неизбежно требует создания новых методов их всестороннего исследования и, на этой основе, разработки рекомендаций по созданию оптимальных пакетов одежды.
Вопросам изучения теплозащитных свойств материалов для одежды посвящено множество работ, проведенных в ЦНИИТТТП, ЮРГУЭС, МГУДТ, СПбГУТД, МГТУ им. А.Н.Косыгина, МГУС и других вузах. Эти исследования рассматривают совокупный процесс передачи тепла от тела человека через пакет одежды к окружающей среде, и позволяют расчетным путем определять тепловое сопротивление пакета одежды в зависимости от условий среды. Однако проведенные исследования не затрагивают основных процессов, происходящих в текстильных материалах при переносе тепла, не установлена зависимость между теплофизическими свойствами материалов и параметрами их структуры. На сегодняшний день отсутствует обобщенная модель теплопроводности текстильных материалов, которая учитывала бы всю совокупность процессов теплопередачи через текстильные материалы. Кроме того, существующие технические методы определения теплопроводности материалов не позволяют проводить испытания высокообъемных утепляющих материалов без изменения исходных характеристик их строения и свойств, что приводит к искаженным значениям исследуемых характеристик материалов.
Особый интерес современного материаловедения представляют исследования влияния условий эксплуатации одежды на ее теплофизические свойства. Так, использование одежды в реальных условиях часто сопровождается многократным воздействием силового давления, имеющим место в области спины и ягодиц изделия. Кроме этого, во время транспортировки и хранения специального или спортивного теплозащитного снаряжения материалы испытывают на себе действие длительных
7 сжимающих усилий, которые могут стать причиной утонения этих материалов. Компрессия материалов приводит к их уплотнению, вытеснению из их структуры воздуха и, как следствие, к значительному ухудшению теплоизолирующих свойств одежды. На практике сокращение толщины материалов при их сжатии никак не учитывается при проектировании теплозащитной одежды, что приводит к завышению расчетных значений теплового сопротивления одежды.
Назначение теплозащитной одежды предполагает эксплуатацию ее на открытом воздухе, влажность которого может изменяться в течение короткого времени. Теплопроводность воды в 25 раз больше теплопроводности сухого воздуха, и поэтому, насыщение влагой и пакета одежды, и пододежного пространства способствует резкому увеличению теплопотерь с кожных покровов. В этом случае у человека создается ощущение дискомфорта, и можно утверждать, что теплоизолирующая способность одежды снижается. Большинство существующих в настоящее время методов исследования теплопроводности текстильных материалов не позволяют определять тепловые характеристики влажных материалов, так как во время длительного нагрева испытуемый образец высыхает. В конечном счете, полученные результаты не могут считаться достоверными.
На основании вышесказанного можно утверждать, что для современного материаловедения задача исследования теплофизических свойств материалов и пакетов одежды в условиях повышенной влажности и при силовом воздействии является актуальной. Особо важную роль приобретают исследования свойств высокообъемных нетканых утепляющих материалов, получивших широкое применение в производстве современной теплозащитной одежды.
Цель работы состоит в разработке теоретических и экспериментальных методов исследования теплофизических свойств текстильных материалов и пакетов, определении зависимостей показателей теплофизических свойств от воздействия влаги и давления на материалы, разработке рекомендаций по
8 рациональному подбору материалов в пакет теплозащитной одежды для различных условий эксплуатации на этапе ее проектирования.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
анализ механизмов передачи тепла через текстильные материалы;
анализ экспериментальных методов и приборов для определения теплофизических характеристик материалов;
разработка теоретического и экспериментального методов определения теплофизических характеристик текстильных материалов с высокой пористостью;
определение теплофизических свойств материалов при увлажнении;
определение теплофизических свойств материалов при действии силового давления;
исследование теплофизических свойств материалов при комплексном воздействии влаги и давления;
установление зависимостей теплового сопротивления материалов от влажности и силового давления;
разработка рекомендаций по рациональному подбору материалов в пакет одежды, эксплуатирующейся в условиях повышенной влажности и силовом давлении.
Методологической и теоретической основой исследований являются труды российских и зарубежных ученых по теории теплопроводности и моделированию процессов передачи тепла через материалы разных структур, результаты последних разработок в области текстильного материаловедения. В работе использованы методы математического моделирование процессов переноса тепла через текстильные материалы, экспериментальные методы исследования теплофизических свойств материалов, методы регрессионного анализа экспериментальных данных.
9 Научная новизна исследований заключается в:
разработке математических моделей переноса тепла через текстильные материалы волокнистых и сетчатых структур;
разработке экспериментального метода определения теплофизических характеристик высокопористых текстильных материалов;
получении экспериментальных данных, характеризующих процессы теплопередачи через текстильные материалы волокнистых и сетчатых структур;
установлении зависимостей теплофизических характеристик текстильных материалов и пакетов от их влагосодержания;
получении зависимостей теплового сопротивления текстильных материалов от характеристик строения;
установлении закономерностей изменения теплового сопротивления материалов и пакетов при действии влаги и давления. Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в
работе результаты позволяют:
моделировать теплофизические свойства текстильных материалов по характеристикам их строения;
определять теплофизические свойства текстильных материалов новых структур;
проводить расчеты теплофизических характеристик различных текстильных материалов и проектировать пакеты для одежды различного вида и назначения;
повысить безопасность одежды при ее эксплуатации в условиях действия влаги и силового давления;
сократить сроки проектирования теплозащитной одежды, снизить стоимость затрат на ее создание, повысить безопасность продукции. Апробация и реализация результатов исследований выполнены на
предприятии пошива одежды ООО "Новый облик". Разработанные рекомендации по рациональному подбору материалов в пакет изделий,
10 сокращение технологических операций позволили повысить качество теплозащитной одежды и получить годовой экономический эффект в сумме 21,7 тысяч рублей. Результаты работы использованы в учебном процессе МГУДТ по направлению 656100 "Технология и конструирование изделий легкой промышленности".
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы четыре печатных работы, в том числе в двух изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 151 страницах, в том числе содержит: 21 рисунок, 9 таблиц, 9 страниц приложения. Список используемой литературы включает 149 наименований.
Факторы, влияющие на теплопроводность текстильных материалов
Как было отмечено ранее, на теплопроводность текстильных материалов и пакетов оказывает существенное влияние множество различных факторов, которые классифицированы [15 - 20] в следующем порядке: теплофизические факторы - теплопроводность твердого вещества волокон и воздуха, конвекция, тепловое излучение; климатические факторы - температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, скорость и давление воздушного потока; структурные факторы - сырьевой состав материала, его плотность, пористость, воздухопроницаемость, толщина материала или пакета, рельеф поверхности, форма поперечного сечения волокон, пространственная ориентация волокон в материале; конструктивные факторы - тип и конструкция одежды, степень прилегания к фигуре человека; статическое состояние слоев пакета одежды (условия покоя человека), динамическое состояние слоев пакета одежды (условия движения человека); технологические факторы - температура и давление утюга или пресса при влажно-тепловой обработке материалов, наличие или отсутствие дублирования деталей; эксплуатационные факторы - количество стирок, величина силового давления, вид нагрузки (статическая или динамическая). На основании изученной литературы рассмотрим более подробно каждую группу представленных выше факторов.
Поскольку текстильные материалы относятся к капиллярно-пористым телам [4], то для них справедливы те закономерности переноса тепла, которые присущи этой группе тел. Как было показано в разделе 1.1, теплоперенос в пористых телах осуществляется за счет теплопроводности волокон и воздуха, конвекцией воздуха в порах материала и тепловым излучением. Анализ теоретических и экспериментальных исследований переноса тепла через капиллярно-пористые тела позволяет вывести следующие положения.
Теплопроводность самого материала не оказывает решающего воздействия на эффективную теплопроводность капиллярно-пористого тела [2, 4], и ее роль, особенно для неметаллических материалов, достаточно мала. Так исследования [10] показывают, что увеличение коэффициента теплопроводности скелета промышленной тепловой изоляции в 6 раз приводит к возрастанию эффективного коэффициента теплопроводности материала только в 1.5 раза.
Подобные результаты были получены при изучении теплозащитных свойств материалов, применяющихся в качестве утеплителей при изготовлении одежды для зимнего и осенне-весеннего периодов носки [21, 123, 124]. Эти испытания свидетельствуют о том, что перенос тепла волокнистым каркасом материала мал по сравнению с теплопроводностью воздуха и зависит от содержания волокон в объеме материала. Так по данным [125] вклад кондукции волокон в общий теплоперенос может быть сколько-нибудь существенным лишь в материалах с объемной долей волокон более 20%, а по другим данным - для материалов, имеющих плотность более 100 кг/м3 [126]. Вместе с тем авторы работы [123] заявляют, что в утепляющих нетканых материалах с содержанием волокон 10-19% кондуктивный теплоперенос волокон составляет только 6-7% от общего количества тепла, прошедшего через материал.
Следовательно, для утепляющих нетканых материалов, заполненных волокнистой массой лишь на 1-5%, основным видом переноса тепла следует считать молекулярную теплопроводность воздуха, а вклад теплопроводности волокон будет ничтожно малым.
Перенос тепла излучением в текстильных материалах в значительной мере определяется толщиной, объемной долей волокон, содержащихся в материале, и диаметром волокон. По мнению большинства исследователей [9, 10, 22] вклад лучистой составляющей в общий теплоперенос через плотные ткани при небольших перепадах температур относительно мал. Так по данным испытаний [22], проведенных для хлопчато-бумажной ткани артикула 3303 доля лучистой составляющей не превысила 0,15%. Аналогичные результата были получены и при исследовании излучательной способности трикотажньгх полотен [23]. А приближенный метод расчета лучистой компоненты эффективного коэффициента теплопроводности теплоизоляционных систем с перфорированными экранами [10] показал, что при совпадении просветности ткани со степенью перфорирования экранов вклад излучения составил не более 0,06%.
Экспериментальные данные [126] показали, что в нетканых волокнистых материалах, имеющих высокую плотность (более 100 кг/м ) и волокна малого диаметра, лучистый теплоперенос не превышает 10% от общего потока тепла. В частности для утепляющих материалов, имеющих высокую плотность, вклад теплового излучения составил около 3% от общего количества тепла [125].
Столь малый вклад излучения в общий поток тепла, прошедший через плотные материалы, обусловлен, во-первых, тем, что диаметр волокон, а тем более пряжи, существенно больше длины волны теплового излучения, и волокна (пряжа) практически не пропускают тепловые лучи. Во-вторых, сюда можно добавить эффект многократного рассеивания излучения волокнами ткани [22, 124]. В силу того, что нити в ткани располагаются достаточно плотно друг к другу, то можно предполагать, что основной вклад в перенос тепла излучением будет принадлежать сквозным порам между нитями.
Из вышесказанного следует, что в плотных, тонких материалах тепловое излучение не является преобладающим по сравнению с теплопроводностью воздуха и волокнистой массы материала. И, наоборот, в высокопористых материалах с объемной долей волокон, не превышающей 1-2%, и имеющих большую толщину, вклад лучистой составляющей может быть сопоставим с кондукцией воздуха [125]. Значит, теплоперенос излучением является функцией плотности и толщины материала, а также диаметра волокон, составляющих этот материал.
При исследовании способности текстильных материалов поглощать тепловое излучение было установлено, что коэффициент поглощения материала зависит от плотности материала и его влажности и не зависит от волокнистого состава материала [23, 127]. С возрастанием поверхностной плотности материала увеличивается и его коэффициент поглощения, но при поверхностной плотности более 100 г/м возрастание замедляется. Кроме этого на поглощательные свойства материалов оказывает влияние влажность материала, причем наибольшее влияние отмечено при влагосодержании от 0 до 30%, сверх этого значения влажности все типы волокон имеют примерно одинаковые поглощательные характеристики [121].
Определение лучистой составляющей коэффициента теплопроводности
Кроме кондукции перенос тепла в текстильных материалах осуществляется и за счет излучения, вклад которого в общий тепловой поток в значительной мере определяется температурой среды и такими структурными факторами материала, как пористость, толщина и диаметр волокон [10, 124, 125, 147]. По данным [9, 22, 126] в теплоизоляционных волокнистых материалах, имеющих высокую плотность и волокна малого диаметра, лучистый теплоперенос не превышает 10% от общего потока тепла. Это обусловлено тем, что диаметр волокон (пряжи) существенно больше длины волны теплового излучения, и волокна, плотно прилегающие друг к другу, практически не пропускают тепловые лучи. К этому можно добавить эффект рассеивания излучения волокнами. Следовательно, в плотных, тонких текстильных материалах лучистый теплоперенос не является преобладающим по сравнению с теплопроводностью воздуха и волокон. Напротив, в высокопористых материалах, имеющих большую толщину, вклад лучистой составляющей сопоставим с кондукцией. Из этого вытекает, что теплоперенос излучением является функцией ТОЛЩИНЫ материала и его плотности, а также диаметра волокон, составляющих этот материал. Из теории [1, 2] известно, что плотность потока излучения q между двумя серыми телами с температурами поверхностей Т\ и Т2 пропорциональна разнице четвертых степеней температуры между ними где єп - приведенная степень черноты тел, участвующих в теплообмене; с0 — коэффициент излучения абсолютно черного тела (с0 = 5,67 Вт/м2К4).
Так как реальная эксплуатация текстильных материалов происходит при небольших перепадах температур, уравнение плотности потока излучения может быть линеаризовано где Т = — - средняя температура тел, К; а — постоянная Стефана Больцмана (ст= 5,67-10 8 Вт/м2-К4). Тогда по аналогии с кондуктивной, лучистая составляющая эффективного коэффициента теплопроводности X" определяется из соотношения Поскольку текстильные материалы состоят из смеси волокон и воздуха, то часть теплового потока, проходящего через материал, поглощается волокнами, а часть его рассеивается. Величины поглощенной и рассеянной частей определяются коэффициентом ослабления излучения, который является функцией толщины материала, его плотности, диаметра волокон и степеней черноты самого материала и излучающих поверхностей. В силу того, что толщина и пористость материала оказывает влияние на величину лучистой составляющей, в дальнейшем будем именовать материалы, имеющие пористость более 80-90% и толщину свыше 3-5 мм толстыми пористыми, а материалы, имеющие пористость менее 70% и толщину менее 3 мм - тонкими плотными материалами. С учетом коэффициента ослабления излучения лучистая составляющая коэффициента теплопроводности толстых пористых волокнистых материалов [9], определяется по формуле Коэффициент ослабления излучения /? выразим через структурные параметры текстильных материалов, используя выражение, полученное в работе [148] Г где d - диаметр волокна, м; / - объемная доля волокон в объеме материала, є — степень черноты волокон. С учетом коэффициента ослабления излучения выражение (2.21) для толстых пористых материалов преобразуется к виду Тонкие и плотные текстильные материалы, к которым относится большинство тканей, являются практически непрозрачными для проникновения тепловых лучей. В этом случае лучистый поток, проходящий через ткань, в значительной мере определяется не структурными характеристиками ткани, а излучающей способностью поверхностей. Исходя из этого, лучистая составляющая для тонких, плотных материалов [148] определяется из соотношения где \ и є2 - степень черноты поверхностей прибора.
Разработка установки для экспериментального исследования теплофизических свойств материалов
Выбор устройства для измерения теплофизических характеристик текстильных материалов в рамках поставленной задачи исследования является принципиально важным моментом, который в значительной мере зависит от метода исследования. Анализ существующих экспериментальных методов исследования теплофизических свойств материалов, представленный в разделе 1.3.2, позволяет сделать вывод о том, что определение теплопроводности гидрофобных текстильных материалов можно проводить как при стационарном, так и при нестационарном тепловых режимах. Выбор конкретного метода определяется необходимой точностью измерений, затратами времени на проведение испытаний, а также другими условиями эксперимента. В данном случае характер теплового процесса (установившийся или неустановившийся) не является принципиально важным, меняется только методика расчета и проведения опытов.
Однако когда мы имеем дело с гидрофильными текстильными материалами в условиях увеличения их влажности, выбор характера теплового режима является весьма принципиальным вопросом. Данное утверждение связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, даже в нормальных условиях воздушно-сухие текстильные материалы в зависимости от волокнистого состава могут содержать 4-18% влаги [34, 111], а в условиях принудительного увлажнения влагосодержание текстильных материалов почти неограниченно. Во- вторых, под воздействием теплового потока в течение длительного времени, которое имеет место при стационарном тепловом режиме, в образце материала может произойти десорбция влаги, которая способствует высыханию материала. В конечном итоге это приводит к невозможности получения достоверных результатов.
Исходя из этого, наиболее целесообразными для исследования теплофизических параметров увлажненных текстильных материалов следует считать методы нестационарной теплопроводности. Среди них предпочтительным может быть признан метод мгновенного источника тепла, так как время воздействия теплового поля на образец составляет 5-10 секунд [21, 32]. Поскольку интенсивность сушки материалов прямо зависит от температуры [3], мощность источника тока необходимо подбирать таким образом, чтобы перепад температур на поверхностях испытуемых материалов был небольшим (порядка 5-10 градусов).
В соответствии с целями, поставленными в данной работе, была разработана экспериментальная установка (см. рис. 3.2), позволяющая определять коэффициент теплопроводности различных текстильных материалов. Измерения на данном приборе проводятся по методу пластины с симметричным расположением испытуемых образцов материалов.
Установка состоит из опорной плиты /, на которой крепится измерительная ячейка цилиндрической формы. Измерительная ячейка включает в себя два холодильника б (верхний и нижний) и нагреватель 5, подключенный к источнику электрического стабилизированного питания 8 типа ВТ-2. Электросекундомер 7 подключается к источнику тока 8 и осуществляет его включение на требуемое время, обеспечивая тем самым работу нагревателя. Пробы исследуемых материалов 4 диаметром 80 мм помещаются в измерительную ячейку симметрично между холодильниками и нагревателем как показано на рис. 3.2. Измерения силы тока и напряжения в электрической сети проводятся по показаниям амперметра и вольтметра.
Система охлаждения состоит из верхнего и нижнего холодильников б и гибких резиновых шлангов 2 и 9, по которым в нормальных условиях проведения экспериментов циркулирует водопроводная вода. Циркуляция воды происходит при помощи ультратермостата 10 марки UTU-2/77. Измерения температуры холодильников во время проведения испытаний осуществляется контактным термометром, установленным на термостате.
Информация об изменениях перепадов температуры на образцах фиксируется двумя дифференциальными медь-константановыми термопарами а-б и в-г, которые подключены к самопишущему потенциометру марки КСП-4. Термопары устанавливаются на обеих поверхностях проб материалов так, чтобы одна термопара располагалась с краю пробы, а другая - посередине пробы. Это позволяет исключить влияние градиента температур по площади образца, если таковое имеет место. Подключение к работе той или иной термопары происходит с помощью переключателя.
Холодильники б представляют собой медные полые цилиндры, внутри которых циркулирует охлажденная вода. Соединение холодильников с резиновыми шлангами осуществляется за счет штуцеров, припаянных к боковым поверхностям цилиндров. Наружный диаметр верхнего холодильника равен 80 мм, а внутренний диаметр нижнего - 82 мм. Высота холодильников - 40 мм. Нижний холодильник имеет бортик высотой 30 мм, так, что его конструкция напоминает стакан с утолщенным дном, в который легко помещаются верхний холодильник, образцы и нагреватель. Это позволяет не только получить замкнутую систему с одной температурой, но и придает устройству устойчивость во время проведения опытов. Кроме того, наличие бортика и разницы в диаметрах холодильников приводит к появлению небольшого воздушного зазора между стенками "стакана" и краями нагревателя и образцов. Это позволяет снизить рассеивание теплового потока на торцевых краях системы.
Верхний холодильник помимо своей основной функции выполняет еще роль "нагрузки", оказывающей нормальное силовое давление на пробу материала величиной 1.7 кПа. Если условия опыта требуют большего давления, то экспериментальная установка, изображенная на рис. 3.2, может быть дополнена калибровочной струбциной (на рисунке не указана), которая позволяет создавать избыточное механическое давление на материалы до 0,2 МПа.
Экспериментальное исследование теплопроводности текстильных материалов при воздействии силового давления
Первым шагом данных исследований является определение теплопроводности материалов и пакетов в их исходном виде, т.е. при отсутствии силового давления. Так, сначала определялись теплофизические характеристики материалов при нормальных условиях в соответствии с методиками исследований, изложенными в разделах 3.4.1 и 3.4.2. При этом исследования тканей проводились без использования опорных колец. Напротив, изучение теплопроводности высокопористых утепляющих материалов и пакетов проводилось при помощи последних. Высота опорных колец подбиралась в соответствии с исходной толщиной этих материалов. Результаты экспериментов по определению теплопроводности исследуемых материалов при их исходной толщине, что соответствует давлению 0,01 кПа, представлены в графе 9 таблицы 4.2.
После этого для решения поставленных в работе задач были проведены исследования характеристик тепловых свойств материалов и пакетов при силовом давлении, величина которого последовательно увеличивалась от 0,01 до 1,72 кПа. При каждом шаге увеличения нагрузки в соответствии с методикой (см. раздел 3.4.4) проводились необходимые измерения, и определялись основные характеристики материалов: коэффициент теплопроводности и тепловое сопротивление материалов. Результаты экспериментов помещены в таблицах 4.2 и 4.3.
Помимо экспериментальных данных таблица 4.2 содержит значения теплопроводности материалов, полученные расчетным путем (графы №4 - 8). В основе этих расчетов лежат математические модели теплопроводности материалов, представленные во второй главе данной работы. В этой главе было показано, что эффективный коэффициент теплопроводности Л текстильных материалов представляет собой сумму трех составляющих: кондуктивной Л , лучистой Л" и конвективной Л ".
Для материалов тканевых структур кондуктивная и лучистая составляющие коэффициента теплопроводности определялись по уравнениям (2.20), (2.23), а для нетканых материалов расчет производился по выражениям (2.10) и (2.22). Независимо от строения материалов конвективная компонента была найдена по методике, изложенной в разделе 2.3. Путем сложения всех трех составляющих, согласно формулы (2.1), были получены расчетные значения эффективной теплопроводности исследуемых материалов.
Как видно из таблицы 4.2, эффективная теплопроводность материалов представлена двумя значениями. Первое из них (графа 7), обозначенное знаком Я , получено путем суммирования всех трех составляющих: кондуктивной, лучистой и конвективной. Второе значение теплопроводности (графа 8), обозначенное знаком Я , конвективной компоненты не содержит и представляет собой сумму только двух составляющих - кондуктивной и лучистой. Появление двух значений коэффициента теплопроводности обусловлено тем, что в настоящее время в литературе существуют сомнения относительно наличия конвекции внутри текстильных материалов (см. раздел 2.3). Сравнение полученных расчетных и опытных данных позволит установить реальные механизмы передачи тепла через текстильные материалы.
По результатам таблицы 4.2. можно выдвинуть предположение о роли каждого вида теплопередачи в общем количестве тепла, прошедшем через материал. Так, расчеты показывают, что в материалах тканевых структур доминирующим видом теплопередачи является кондукция, на ее долю приходится около 90% тепла. Тепловое излучение и конвекция в тканях существенной роли не играют. Напротив, в высокопористых нетканых материалах основное количество тепла переносится за счет кондукции и теплового излучения, а доля конвекции может быть ощутима лишь при большой толщине этих материалов.
Однако категорично ответить на вопрос о существовании конвекции внутри текстильных материалов пока нельзя. Если сопоставить полученные экспериментальные и расчетные значения теплопроводности драпа, плащевой ткани и синтепона, то можно отметить, что экспериментальные данные их теплопроводности по величине ближе к расчетным, вычисленным без учета конвективной составляющей Я . В этом случае можно предположить, что конвективный перенос внутри этих материалов отсутствует. У нетканого холсто-прошивного материала и ватина полученные экспериментальные значения теплопроводности несколько больше, чем расчетные. Однако эта разница невелика и может быть отнесена к ошибке опыта, связанной с неоднородностью строения материалов, в частности, для синтепона. В работе мы осмелимся предположить, что величина конвективной составляющей в данных материалах незначительна, и может быть игнорирована. Согласно этому в дальнейшем принимаем расчетное значение коэффициента теплопроводности без учета конвективной компоненты.
Проведем анализ полученных экспериментальных данных (табл.4.3). Сначала рассмотрим теплофизические характеристики материалов при минимальном для данного исследования давлении - 0,01 кПа. Абсолютные значения теплового сопротивления изучаемых в работе материалов показывают, что наилучшей теплоизолирующей способностью среди них обладает объемный нетканый утеплитель (синтепон). В исходном (несжатом) виде его тепловое сопротивление составляет 0,355 м -К/Вт, что значительно выше, чем этот показатель у других материалов. Среди исследованных утепляющих материалов синтепон имеет самые низкие показатели средней плотности и, соответственно, высокую пористость. В сочетании с большой толщиной эти структурные факторы обеспечивают синтепону самую высокую теплоизолирующую способность среди протестированных материалов. Далее в порядке убывания теплового сопротивления идут утепляющие материалы: ватин и нетканое холстопрошивное полотно. Их тепловое сопротивление составило 0,157 и 0,128 м -К/Вт соответственно. Наименьшим тепловым сопротивлением обладают материалы верха и подкладки. Если выстроить исследуемые материалы в порядке роста их средних плотностей, то последовательность будет аналогична той, что приведена выше.
