Введение к работе
Актуальность темы.
Современные нетканые материалы на основе природных и синтетических волокон нашли широкое применение в различных областях экономики. Их активно используют в качестве эффективной тепловой и звуковой изоляции в промышленном и гражданском строительстве, для теплоизоляции участков технологических трубопроводов и различного оборудования. Они применяются в машиностроении и автомобилестроении в качестве фильтрующих и прокладочных сред, уплотнителей, а также при производстве мебели. Важную роль нетканые материалы играют и в легкой промышленности при изготовлении одежды и обуви, обеспечивая комфортные условия для человека.
Основной проблемой при создании нового ассортимента нетканых материалов является изучение влияния их теплофизических и структурных характеристик на общие теплозащитные свойства, воздухо- и паропроницаемость. Такие характеристики материала изучены недостаточно подробно и прежде всего в экспериментальном плане. В диссертации проведен широкий спектр исследований теплофизических свойств и особенностей тепломассобмена в нетканых материалах (войлоках), на основе которых разработаны математические модели тепломассопереноса в них. Теплозащитные свойства волокнистых теплоизоляционных материалов и их воздухопроницаемости зависят от состава, технологии изготовления и структуры материалов, входящих в состав теплоизоляционного покрытия. Исследование влияния всех этих факторов на теплозащитную функцию и воздухопроницаемость представляет довольно серьезную проблему, решение которой даст возможность создавать теплоизоляционные покрытия с заранее определенными свойствами. В связи с этим исследование процессов тепломассообмена в пористых текстильных материалах актуально, так как полученные закономерности устанавливают связи строения, теплозащитных свойств и показателей качества нетканых материалов, которые необходимы для проектирования новых текстильных материалов и разработки соответствующих технологий их изготовления.
Диссертационная работа проводилась в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии» и государственным заданием Министерства образования и науки РФ (НИР 7.2973.2011).
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка методик и устройств, предназначенных для исследования теплофизических характеристик нетканых материалов, изучение протекающих в них процессов тепломасообмена, а также разработка математических моделей, позволяющих прогнозировать особенности протекания этих процессов в условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие научные и технические задачи:
-
создать лабораторные установки и провести экспериментальные исследования свойств нетканых материалов: - удельной теплоемкости, коэффициента теплопроводности, коэффициентов воздухо- и паропроницаемости, а также эффективного диаметра пор;
-
разработать методику и провести исследования коэффициентов теплоотдачи на поверхности нетканых материалов в условиях свободной и вынужденной конвекции воздуха, а также коэффициентов объемной теплоотдачи при фильтрации через эти материалы воздуха;
-
провести экспериментальные исследования кинетики сушки и процессов влагопереноса в нетканых материалах с помощью разработанных для этих целей экспериментальных методик и лабораторного оборудования;
-
разработать математические модели тепломассопереноса в нетканых материалах.
Научная новизна.
-
Проведены экспериментальные исследования теплопроводности и теплоемкости нетканых материалов (шерстяных войлоков) при температурах до 100оС.
-
Экспериментально изучены воздухопроницаемость различных образцов войлоков, их пористость и эффективные диаметры пор.
-
Разработаны методики для исследования процессов теплоотдачи. Измерены коэффициенты теплоотдачи на поверхности войлока при свободной и вынужденной конвекции воздуха, а также коэффициенты объемной теплоотдачи при фильтрации воздуха через войлочный слой.
-
Экспериментально изучены процессы переноса влаги в слое войлока, а также кинетика его сушки.
-
Разработаны математические модели тепловлагопереноса в нетканых материалах. Проведены теоретические расчеты температурных полей при фильтрации воздуха в войлоке, а также расчеты коэффициента его воздухопроницаемости.
Практическая ценность и значимость работы.
-
Разработаны методики и созданы экспериментальные установки для исследований теплофизических характеристик нетканых материалов.
-
Получены практически важные справочные данные по удельной теплоемкости, теплопроводности, воздухо- и паропроницаемости войлоков, а также по эффективным диаметрам пор.
-
Разработаны математические модели и методы анализа характеристик тепломассообмена в нетканых материалах, позволяющие рассчитать коэффициенты тепломассопереноса.
-
Результаты работы могут быть использованы на предприятиях по производству современных нетканых материалов и изделий из них для исследования и контроля их свойств и показателей качества готовой продукции. Лабораторные установки будут полезны студентам кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГУДТ в качестве учебной базы при изучении ими курсов «Тепломассообмен» и «Метрология, сертификация, технические измерения и автоматизация тепловых процессов», а также при выполнении курсовых, дипломных и научно-исследовательских работ.
Достоверность основных научных положений и выводов диссертационной работы обусловлена использованием в ней современных методов исследования тепловых процессов, включающих их математическое и физическое моделирование, удовлетворительной воспроизводимостью результатов экспериментов, а также соответствием расчетных и опытных данных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «Научно- техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2010г.), на 64-й межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ – производству» (Кострома, 2011г.), на Всероссийской научной конференции молодых ученых С-Петербургск. гос. ун-т технологии и дизайна. (С-Петербург 2011г.), на Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности» «(ПОИСК-2011)» (Иваново, 2011г.), на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «Научно- техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2011г.), на Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2011) (Москва, 2011г.), на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы развития текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2012г.), на 65-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ – производству» (Кострома, 2013г.), на VI Чебоксарской научно-практической конференции «Применение новых текстильных и композитных материалов в техническом текстиле» (Чебоксары, 2013г.), на Международной научно-технической конференции «Дизайн, технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности». – М.: ФГБОУ ВПО «МГУДТ», (Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы в отечественных научных журналах и сборниках. В их число входят 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 123 наименований. Работа изложена на 135 страницах, содержит 6 таблиц и 37 иллюстраций.
