Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современной технологии изготовления теплозащитной одежды
2. Программа и методики проведения исследований 30
2.1.Характери етика объектов исследования 30
2.2. Методики проведения исследований 34
2.2.1. Методика определения теплозащитных свойств пакетов 35
2.2.2. Методика определения толщины пакета бесконтактным методом 39
2.2.3. Методика определения массы пакетов 42
2.2.4. Методика определения водоупорности текстильных материалов 43
2.2.5. Методика определения смачиваемости текстильных материалов ..45
2.2.6. Методика определения зависимости суммарного термического сопротивления от влажности пакета 47
2.2.7. Методика определения фильтрационных характеристик пакетов 48
2.2.8. Определение погрешности экспериментов 51
3. Теоретическое обоснование и практическая реализация технологии проектирования теплозащитного пакета изделия специального назначения 53
3.1. Математическая модель теплового сопротивления пакета изделия специального назначения 53
3.2. Выбор исходных данных 58
3.3. Свойства используемых материалов 62
3.4. Исследование теплозащитных свойств пакетов одежды с различными утеплителями 73
3.5. Исследование массы пакетов... 82
3.6. Исследование фильтрационных характеристик пакетов, 83
3.7. Исследование влияния размеров отверстий в комбинированном утеплителе на теплозащитные свойства пакетов 88
3.8. Исследование влияния влажности на теплозащитные свойства пакетов 92
3.9. Исследование параметров толщины пакетов 99
3.10. Программа расчета температурного перепада по слоям исследованных пакетов при различной температуре окружающей среды 101
4. Экспериментальная оценка изделий для защиты от пониженных температур с применением комбинированных утеплителей 105
4.1. Технология процесса изготовления изделий с комбинированным утеплителем 105
4.2. Расчет экономической эффективности от использования комбинированного утеплителя 109
Выводы 117
Список использованной литературы 119
Приложения
- Анализ современной технологии изготовления теплозащитной одежды
- Методика определения теплозащитных свойств пакетов
- Исследование теплозащитных свойств пакетов одежды с различными утеплителями
- Расчет экономической эффективности от использования комбинированного утеплителя
Введение к работе
Актуальность темы, диссертации. Актуальность темы диссертации и ее
содержание обусловлено событиями последних лет, когда внутренние и внешние конфликтные ситуации предъявляют повышенные требования к одежде специального назначения. К таким видам изделий относится одежда для зашиты от пониженных температур.
Из анализа рейтинговой оценки требований, предъявленных к существующей утепленной одежде бойцами отрядов специального назначения, находившихся в «горячих» точках, обозначен круг задач, которые и определяют актуальность работы. Именно эти показатели обеспечивают безопасность и жизнедеятельность бойцов.
Для изготовления костюмов в качестве тканей верха в настоящее время применяются материалы с водозащитной отделкой, а в качестве утепляющих материалов - полушерстяной ватин и синтетический объемный материал (синтепон). Однако существующая одежда с применением традиционных утепляющих материалов не обеспечивает достаточных теплозащитных свойств, необходимых для выполнения функциональных обязанностей бойца, поскольку специфика несения службы имеет свои особенности.
Необходимо учитывать, что боец может находиться в условиях крайне низких температур от нескольких часов до нескольких суток. На резкое снижение теплозащитных свойств изделия оказывает влияние намокание внутренних слоев пакета через соединительные и конструктивные швы, особенно на опорной поверхности человека. Существующие технологии изготовления такой одежды, к сожалению, не обеспечивают защиты от метеорологических осадков.
Снижение массы пакета изделия обусловлено тем, что дополнительная экипировка бойца может составлять более 10 килограмм. При разработке нового пакета учитывались экспериментальные данные, сведения о специфике эксплуатации данной одежды, которые были получены в результате анкетного опроса различных категорий сотрудников подразделений.
Комплексное исследование нетрадиционных материалов и пакетов одежды и разработка на этой основе принципиально нового пакета с повышенными теплозащитными свойствами и малой массой остаются актуальной задачей как с позиции безопасности, так и нормального функционирования бойца при выполнении особых служебных обязанностей и требуют дальнейшего совершенствования.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой « Научные исследования высшей школы в области новых материалов» по разделу «Новые текстильные и кожевенные материалы улучшенного качества» по теме «Проектирование изделий специального назначения с заданными свойствами» и конкурсом грантов 1998-2000 г. г. и 2003-2004 г. г. по фундаментальным исследованиям в области проблем легкой промышленности в системе Министерства образования «Российской федерации.
'Цель;диссертационной работы, заключается в разработке теоретических и практических аспектов проектирования нетрадиционных утеплителей и пакетов
одежды специального назначения с высокими теплозащитными и эксплуатационными свойствами, формировании слоев пакета в определенной последовательности с учетом их функциональных свойств, а также в повышении, термического сопротивления пакета материалов за счет герметизации мест ниточных соединений, особенно на опорной поверхности изделия.
Для реализации поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
разработана и исследована принципиально новая технология изготовления одежды для бойцов отрядов специального назначения, где впервые использовался нетрадиционный комбинированный утеплитель, применение которого значительно повышает теплозащитные свойства изделия и снижает его массу;
разработана математическая модель расчета теплового сопротивления пакета одежды, позволяющая определить рациональный пакет не только в конечном варианте, но и отдельными«. комбинациями, функционально входящими в пакет специальной одежды;
теоретически обоснована математическая модель теплового расчета пакетов
специальной одежды как суммарного, так и частичного содержания;
разработано программное обеспечение, позволяющее оценить
теплозащитные свойства пакетов с позиции рациональности; проведено всестороннее комплексное исследование качественных показателей пакетов с различными утеплителями и определен оптимальный вариант;
впервые разработана технология повышения водоупорности мест ниточных соединений, оказывающая влияние на теплозащитные свойства изделий, и изготовлен прибор для определения параметров водоупорности текстильных материалов и швов. Общая характеристика объектов и методов исследования
В качестве объектов исследования выбраны 14 пакетов материалов одежды с применением традиционных и нетрадиционных утепляющих материалов, с различной их комбинацией и последовательностью расположения в пакете. В исследовании использованы швы с гидрофобизацией мест ниточных соединений и определена целесообразность применения данной технологии.
Экспериментальные исследования проводились с применением современных физических и технических средств измерений, с привлечением современных методов физико-химического и математического анализа. Показатели физико-механических свойств определены как по существующим, так и разработанным методикам, для обработки результатов экспериментальных исследований применялись методы математической статистики и корреляционного анализа.
Разработана математическая модель и программное обеспечение расчета теплового сопротивления пакетов одежды при использовании различных утеплителей.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты:
теоретически обоснован принципиально новый прокладочный
теплоизолирующий материал и разработана методика расчета суммарного
термического сопротивления сложного пакета
разработан, исс!кдован и получил высокую оценку принципиально новый
пакет с применением комбинированных утеплителей;
разработана принципиально новая технология изготовления теплозащитной
одежды, включающая в нетрадиционный пакет пенополиуретан с различной
геометрией расположения и размером воздушных отверстий;
разработан принципиально новый метод оценки водозащитной способности
материалов и изделия в целом и реализующее его устройство, техническая
новизна которого защищена патентом Российской Федерации на
изобретение №2178888 от 27.01.02 « Устройство для определения
водоупорности текстильных материалов»;
экспериментально доказана зависимость теплозащитных свойств пакета
изделия от водоупорности швов;
разработано принципиально новое устройство для определения водоупорности швов, защищенное свидетельством Российской Федерации на полезную модель №18775 от 10.07.01 « Устройство для определения смачиваемости текстильных материалов»;
разработана математическая модель теплового сопротивления пакета с учетом воздушных прослоек между полотнами и теплофизических свойств каждого элемента;
выполнена сравнительная оценка качественных показателей пакетов материалов по теплозащитным, фильтрационным характеристикам, массе и толщине;
разработана программа, моделирующая каждый элемент пакета с различными теплозащитными свойствами. Практическая значимость и реализация результатов работы Отмеченная в результате анкетирования неудовлетворенность бойцов спецподразделений существующей утепленной одеждой послужила основой для разработки технологии изделий с принципиально новым теплозащитным слоем в пакете, обладающем малой массой. Впервые применена технология гидрофобизации мест ниточных соединений в утепленной одежде с целью повышения ее теплозащитных свойств.
Разработанная технология изготовления теплозащитной одежды и используемые материалы выгодно отличаются по своим функциональным показателям от ныне используемых. Применение разработанного комбинированного утеплителя повышает теплозащитные свойства изделия на 37,7%, а гидрофобизация мест ниточных соединений увеличивает суммарное термическое сопротивление на 13,4 %, масса пакета и изделия в целом снижается на 7%.
Перфорированный поролон может производиться на отечественном предприятии, недефицитен, не требует специального оборудования в технологическом процессе швейного производства, нетоксичен, неогнеопасен, экологически безопасен, технологичен в обработке, практически не подвергается механическим воздействиям и деформации, так как в изделии находится между слоями тканей.
Значительным достоинством нового теплоизоляционного пакета является возможность регулирования термического сопротивления за счет изменения диаметра отверстий и геометрии их расположения в полотне пенополиуретана, а также за счет порядка расположения комбинированного утеплителя внутри пакета материалов в изделии.
Результаты работы использованы в учебном процессе ИГТА и внедрены в новой лабораторной работе по исследованию водозащитных свойств мест ниточных соединений, оказывающих влияние на теплозащитные свойства одежды.
Информация о результатах исследований вызвала повышенный интерес на Всероссийском совещании-семинаре предприятий уголовно-исполнительной системы, имеющих швейные производства, а также представителей силовых министерств и ведомств, принявших участие в данном мероприятии. По результатам совещания рекомендовано довести данную разработку до практической реализации. Совещание проходило на базе Ивановского филиала научно- исследовательского института уголовно-исполнительной системы Минюста России в ноябре 2001 года.
Практическая значимость и реализация работы нашли воплощение и признание в теоретических и практических материалах, представленных в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», в Государственном реестре изобретений Российской Федерации, в отзыве Управления по организации действий в особых условиях ГУИН Минюста России, а также в положительной оценке конференций различных ведомств.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанного пакета одежды для защиты от пониженных температур составит 125050 рублей на 5,0 тыс. изделий в год (численность бойцов отрядов специального назначения Минюста России).
Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и получили положительную оценку на:
-53-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и
студентов, проходившей в Костромском государственном технологическом
университете в 2001 году;
-международной научно- технической конференции « Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2001, Прогресс-2002), проходившей в Ивановской государственной текстильной академии в 2001,2002 годах;
-межвузовской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2002), проходившей в Ивановской государственной текстильной академии в 2002 году;
-заседаниях кафедры технологии швейных изделий Ивановской
государственной текстильной академии в 2001-2003 годах;
-заседаниях научно-технического комитета Центрального вещевого
управления Министерства обороны России в феврале 2002 года.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, перечень которых приводится в заключительной части автореферата
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, литературный обзор (1 глава), программу и методики проведения исследований, 3
главы, выводы, список использованной литературы \ (118 наименований), 13 приложений, 30 рисунков и 16 таблиц. Работа выполнена на 130 страницах (без приложений).
Анализ современной технологии изготовления теплозащитной одежды
Теплозащитная спецодежда занимает важное место в комплексе мероприятий по обеспечению безопасности человека, выполняющего работу в экстремальных условиях, одним из важнейших факторов которых является температурная среда.
Большой вклад в решение проблемы создания спецодежды и, в частности теплозащитной внесли Р.Ф.Афанасьева, П.П.Кокеткин, П.А.Колесников, В.С.Кощеев, В.Е.Романов, А.В.Савостицкий, З.С.Чубарова, А.В.Стерликов и ряд других ученых. Успешное решение ими ряда задач процесса разработки спецодежды, создание методик оценки ее качества и расчета отдельных узлов все же не дают оснований считать проблему решенной, так как отсутствует теоретическое решение задачи, определяющей новые теплоизолирующие и более легкие, дешевые и недифицитные материалы. Основным этапом, на котором устанавливаются параметры спецодежды, определяющие ее соответствие, как условиям эксплуатации, так и ограничениям конструктивного характера, является этап проектирования /56/. В то же время именно этап проектирования теплозащитной одежды специального назначения является до настоящего времени наименее разработанным в теоретическом и методологическом аспекте.
В рамках процесса проектирования задача обеспечения высокого качества теплозащитной одежды специального назначения приобретает чрезвычайно сложный характер. Это обусловлено противоречивостью требований к свойствам теплозащитной одежды (экстремальные температуры и различные среды пребывания, требования эргономики и т.д.) и разнообразием средств их удовлетворения.
Область применения теплозащитной одежды включает в себя различные сферы жизнедеятельности человека: бытовую, спортивную, специальную защитную и профессиональную. Независимо от назначения одежда должна обладать высокими теплозащитными свойствами и малой массой, что чаще всего достигается правильным подбором материалов и системой их компановки для использования в пакете.
Специальная одежда работников нефтегазовых предприятий, зимняя униформа личного состава силовых структур и утепленная гражданская одежда могут эксплуатироваться при одинаковой минусовой температуре, но имеют совершенно разные условия эксплуатации.
Естественно, и утеплитель, входящий в состав этих изделий, должен иметь соответствующие свойства. Например, нецелесообразно использовать негорючий и антистатический утеплитель в гражданской повседневной одежде/93/.
Новосибирским филиалом МГАЛП проводились исследования по формированию пакетов одежды для северных климатических зон России/87/. В качестве утеплителя использовался пух. Пух легок, мягок, упруг, гигроскопичен, обладает высокой теплоизоляционной способностью из-за большого количества воздуха, заключенного в рыхлой структуре пушин /77,78/. Структура пакета изделия, утепленного пухом, представлена на рис, 1.1. Однако пуховый наполнитель обладает высокой воздухопроницаемостью и способностью пушин мигрировать по поверхности изделия. Намокшая одежда с пуховым наполнителем долго сохраняет увлажненное состояние в естественной среде и требует специальной химической чистки, что не приемлемо в полевых и походных условиях.
В исследовании были использованы стандартные общепринятые методы оценки физико-механических и физиолого-гигиенических свойств материалов для специальной одежды.
Тепловое сопротивление определялось методом стандартного теплового режима на калориметре. С учетом реальных условий эксплуатации зимней спецодежды изучалась теплофизическая способность материалов в условиях повышенной влажности по методу, основанному на моделировании процессов в системе « поверхность кожи человека- одежда- среда», разработанному в институте биофизики Минздрава России. Предварительно был проведен анализ пакетов материалов национальной одежды чукчей с точки зрения их теплофизических характеристик: локальной теплоизоляции, толщины и поверхностной плотности /88/.
При сравнительном анализе теплофизических свойств чукотской одежды и обычной спецодежды, соответствующей требованиям выявлено, что в нормальных условиях показатели теплового сопротивления стандартной спецодежды имеют небольшие различия.
Однако чукотская одежда обеспечивает достаточно надежную защиту человека от воздействия влаги благодаря высоким гидрофобными свойствам оленьего меха, гигроскопичность которого составляет 26%, а время установления сорбционного равновесия 13 часов. В нормальных условиях показатель удельных теплопотерь через мех неблюя ( разновидность оленьего меха), наиболее часто используемый чукчами как материал для нижней одежды, составил 59 Вт/м . Этот же показатель в контрольном пакете для нижней одежды (полушерстяной спортивный костюм и шерстяной свитер), надеваемый под стандартную специальную одежду, составляет 47 Вт/м2.
В условиях 100% -ой относительной влажности окружающей среды теплопотери мехового пакета увеличиваются менее чем в 2 раза, а контрольного пакета более чем в 4 раза. По мнению авторов разработки в процессе носки теплоизоляционная способность чукотской одежды остается неизменной или меняется незначительно /83/. Однако, такой показатель как засаливание мехового покрова приводит к резкому снижению теплозащитных свойств меховых изделий /71/.
С учетом полученных данных разработан новый пакет материалов утепленного белья спецодежды. В качестве утеплителя выбрана оленья шерсть с поверхностной плотностью 120 г/м", слой которой расположен между двумя слоями бумазеи-корд. Оценка теплозащитных свойств пакетов проведена по изменению удельных теплопотерь в зависимости от относительной влажности окружающей среды.
Для работающих продолжительное время вне помещения в климатических условиях Крайнего севера предложен новый утеплитель с улучшенными теплозащитными свойствами. Этот утеплитель содержит слой оленьей шерсти, расположенный между двумя слоями шерстяного ватина. Поверхностная плотность оленьей шерсти- 200 г/ м , тепловое сопротивление пакета составляет 0,26 м С/ Вт. Следует отметить, что в настоящее время оленья шерсть не находит достойного применения в технологии производства спецодежды.
Утеплители из натурального меха применяются в отдельных видах общевойсковой одежды, более всего это относится к караульным службам, где специальная одежда из натурального меха (тулупы) используется при несении службы на вышках охраны и контрольных полосах в учреждениях уголовно — исполнительной системы. Аналогов этим изделиям, которые бы по своим качественным свойствам могли заменить этот вид одежды, пока нет. Высокая масса изделий, где в качестве утеплителя использован натуральный мех, а так же трудности в уходе за этими изделиями (химическая чистка, стирка, сушка и т.д.) в полевых условиях, не дает возможности применять его в изделиях для отрядов быстрого реагирования. Основными и существенными недостатками натурального меха и пуха, имеющих клеточную структуру волокон являются: способность адсорбировать влагу из воздуха и, следовательно, терять свои теплозащитные качества во время длительного пребывания вне помещения в холодное время года при относительной влажности воздуха свыше 50%; значительная масса поверхностной плотности натурального меха ведет к увеличению веса одежды, особенно профессиональной; сложность, а порой и невозможность ухода в полевых условиях за одеждой из натурального меха и пуха: стирка, сушка, придание ей прежней формы и объема; аллергические влияния натуральных меховых материалов и утепляющих прокладок на большинство людей. Материалы, используемые для верхнего слоя изделий спецодежды, имеют большую поверхностную плотность и толщину, что обусловлено стремлением повысить теплозащитные свойства спецодежды, ее износостойкость и механическую прочность.
Методика определения теплозащитных свойств пакетов
В данной работе проводилось исследование теплозащитной способности пакетов одежды специального назначения с комбинированными и традиционными утеплителями/109/. Для проведения исследований была собрана экспериментальная установка и изготовлен специальный нагреватель плоского типа в виде квадратной пластины со сторонами 160 мм и толщиной 3 мм. Размеры нагревателя определялись с учетом толщины пакетов одежды исходя из условия минимального влияния краевых эффектов на формирование теплового потока. В работе / 2 / показано, что для плоской неограниченной пластины в центральной ее части условие одномерности теплового потока для нестационарного теплообмена выполняется с высотой степенью надежности, если отношение половины толщины пакета к длине стороны пластины составляет величину менее чем 0,25 .При этом должны выполняться следующие граничные условия: -граничные условия второго рода для случая, когда qn = Const, т.е. когда плотность теплового потока по поверхности нагревателя остается постоянной; - граничные условия третьего рода, характеризующие закон теплообмена между поверхностью и окружающей средой при f)n = -(T„c, Рабочий участок нагревателя 1 (рис.2.2 ) изготовлен из нихромового проводника, намотанного на стеклопластиковый каркас, толщиной 1 мм и изолирован с обеих сторон лавсановыми пленками. Снаружи на нем закреплена рубашка из отшлифованной медной фольги толщиной 0,3мм, на которой расположены термопары 2 типа хромель-копель, включенные по встречной схеме. Холодный и нейтральный спаи термопар помещались в сосуде Дьюара. 3 . Рабочие концы термопар прокладывались по поверхности рубашки нагревателя в канавках на длине соответствующей 160 диаметрам сечения проводников, прижимались полосками такой же фольги, которые припаивались по краям к рубашке.
С целью устранения поперечной помехи от наводок электромагнитного поля, проводники термопар помещались в кембрики и экранировались. Питание нагревателя осуществлялось от стабилизированного источника постоянного тока через феррорезонансный стабилизатор напряжения 4. Плотность теплового потока задавалась с учетом площади нагревателя в зависимости от величины теплопродукции человека, характеризующей степень тяжести выполняемой работы, в ее тепловом эквиваленте. Рис. 2.2, Схема экспериментами ой установки для определения теплозащитных свойств пакетов
Контроль мощности выполнялся помощью ваттметра Д5004-Э 5 класса 0,5 и ценой деления шкалі 0,2Вт, а термо-ЭДС измерял милливольтметром 6.
Сформированный пакет 7 одевался на нагреватель ( асиммет -ричная задача) и зажимался по боковым сторонам с помощью прикладных рамок и сетки 8 закрепленной на рамках. Такая конструкция позволяла добиться полоскопараллельного располо -жения слоев пакета с одинаковой степенью прилегания их между собой по всей поверхности нагревателя. Перед закреплением пакета измерялась его толщина на плоскости стола при постоянной распределенной нагрузке 196 Па. Толщину пакета регулировали, а также измеряли после его закрепления непосредственно на нагревателе. Измерения проводили с использованием бесконтактного метода /3/.
С целью уменьшения теплопотерь через торцевые участки пакета на прикладных рамках нагревателя закрепляли охранные приспособления коробчатого сечения 9, в которых внутренняя поверхность, обращенная к пакету, была покрыта слоем металлизированной ткани с хорошей отражательной способностью. На поверхности покровной ткани пакета также закрепляли термопары Ї 0. Контроль температуры в удаленной от нагревателя точке измеряли физическим термометром с ценой деления шкапы 0,1 град., а контроль за наступлением стационарного режима теплообмена проводили по показаниям самопишущего потенциометра КСП-4 (на схеме не показано)./15/ Перепад температуры во всех опытах в условиях спокойного воздуха поддерживали постоянным/67,72,79,/.
От толщины материалов в значительной мере зависят не только конструкция одежды, величины припусков, учитываемых при конструировании изделий, ширина и конструкция шва, степень драпируемости одежды и т. п., но и эргономические свойства одежды, а в конечном итоге и масса пакета. Снижение массы изделия является одной из задач данной работы/48/.
Толщина пакета материалов существенно влияет на теплозащитные свойства изделия. Как показывают исследования, теплозащитные свойства материалов в условиях относительно неподвижного воздуха, прямо пропорциональны их толщине. Чем выше толщина пакета изделия при прочих равных условиях, тем выше его теплозащитные свойства/60/. Однако при использовании многослойной одежды имеется ряд моментов, которые меняют эту закономерность/3/. Появление на отечественном рынке новых утеплителей, которые по своим теплозащитным свойствам значительно превосходят традиционные ватины, заставляет по новому подходить к формированию пакетов одежды.
Наиболее рациональной следует считать ту одежду, в которой при прочих равных условиях доля воздушных прослоек в тепловом сопротивлении больше, чем материалов. Материалоемкость такой одежды и ее масса меньше, поэтому она более удобна в эксплуатации. Необходимость разработки оптимальной толщины пакета объясняется спецификой эксплуатации одежды специального назначения. Принимая во внимание то, что тело бойца покрывает не менее 9-ти слоев материалов различного волокнистого состава ( не считая спецснаряжения), то от толщины пакета зависит не только его комфортное состояние, но и возможность свободно выполнять движения руками и ногами. Анкетный опрос сотрудников показал, что наибольшую неудовлетворенность по динамическим свойствам вызвала одежда, в которой в качестве утеплителя был ватин. Ватин сковывает движения и резко снижает боеспособность бойца.
Измерения толщины пакетов проводилось в диапазоне 0,1-40 мм с точностью ± 0,01 мм /36/ бесконтактным методом при помощи микроскопа (МБС - 2), схема которого представлена на рис.2.3, а так же металлической пластины, размером 10x10 см, массой 200 г и величиной источника давления -196 Па.
Перед началом работы была включена осветительная система прибора с помощью штепсельной вилки 1 и тумблера 2. Вращением рукоятки реохорда 3 установлена требуемая яркость освещения зоны рабочего измерения.
С помощью окуляра 4 было произведено аккомодирование глаза на контрольную сетку. С помощью рукоятки кремальеры 5 установлена плоскость резкой наводки оптической системы на поверхность стола. По шкале 6 и нониусу 7 установлено положение условного нуля. Не отпуская рукоятки кремальеры, был положен измеряемый пакет, а на него пластина 8 и произведена установка резкой наводки на верхнюю поверхность пластины. По шкале отмечено положение нониуса. Металлическая пластина 8 имеет площадь 100 см2, толщину 2,6 мм и давление 196 Па.
Исследование теплозащитных свойств пакетов одежды с различными утеплителями
Человеческий организм представляет собой термостатированную систему с внутренними источниками тепла, в которой при нормальных условиях количество вырабатываемого тепла - теплопродукция- соответствует количеству тепла, отдаваемому во внешнюю среду- теплоотдаче. В случае действия на организм низкой температуры, способной вызывать охлаждение тела, механизм терморегуляции вызывает рост теплопродукции и уменьшение теплоотдачи.
Так как теплообразование зависит от интенсивных химических реакций обмена веществ, то регуляцию, которая обеспечивает рост обмена при охлаждении тела, называют химической терморегуляцией; если же отдача тепла организмом осуществляется физическими процессами теплопроводностью, конвекцией, излучением и испарением, то регуляцию теплоотдачи называют физической терморегуляцией /57 /.
Процесс отдачи тепла организмом человека осуществляется следующими путями : теплопроводностью; - конвекцией; радиацией; - дыханием и испарением пота. Соотношение каждого из выше перечисленных факторов в процессе теплоотдачи различно. В воздушной среде основные теплопотери ( при температуре воздуха 15-20 С) происходят излучением(40-45 %), испарением (20-25 %), то на долю теплоотдачи конвекцией приходится лишь 30-35 %.
Важным показателем состояния человека является температура кожи. В условиях комфорта на воздухе колебания температуры незначительны. По данным лаборатории гигиены ЦНИИШПа (табл.3.5 ) /60,61/ в условиях дискомфорта на воздухе температура на поверхности кожи человека распределяется неравномерно. Колебания весьма значительны - на ряде участков температура падает до уровня 10-13 С.
Учитывая климатические условия России, большая роль в обеспечении температурного гомеостаза организма человека (особенно при работах на открытой территории в холодный период года) принадлежит специальной одежде, теплозащитные свойства которой должны соответствовать конкретным условиям их деятельности.
Основная функция в обеспечении необходимой теплоизоляции одежды принадлежит пакету ее материалов, при формировании которого большую значимость имеют теплофизические характеристики утепляющего слоя. Известно, что существенное влияние на теплоизоляцию пакета материалов и комплекта одежды в целом оказывает толщина утепляющего слоя, способность сохранять эту толщину в процессе эксплуатации изделия. В меньшей степени на показатели теплозащитных свойств пакета материалов оказывает природа волокнистого состава утеплителя /17/.
Известно, что доля материалов в общей теплоизоляции комплекта одежды существенно ниже, чем доля воздушных прослоек между слоями одежды. В связи с этим реальная эффективность использования того или иного утеплителя может быть определена при исследовании пакета материалов или одежды на человеке. Значение каждого из этих элементов в теплоизоляции организма при различных условиях эксплуатации одежды не одинаково. В случае пребывании человека в состоянии физического покоя большая часть суммарного теплового сопротивления одежды приходится на тепловое сопротивление воздушных прослоек. При движении, воздействии ветра, увеличении массы одежды возрастает доля материалов в суммарном тепловом сопротивлении, а доля воздушных прослоек существенно уменьшается.
Для оценки эффективности разработанных пакетов одежды целесообразно провести сравнительный анализ теплоизоляции пакетов, имеющих в качестве утепляющего слоя различные материалы.
Исследованию подвергались пакеты материалов, в состав которых включены утеплители, традиционно применяемые в одежде для защиты от пониженных температур, а также утеплитель, разработанный и представленный в работе, как перспективное направление при создании изделий специального назначения. В качестве нетрадиционного утеплителя предложен комбинированный пенополиуретан, который кроме положительных свойств, отмеченных в предыдущих главах, имеет способность сохранять свою толщину в течение всего периода эксплуатации изделия, чем не обладает ни один традиционный утеплитель. Для определения оптимальных вариантов, проводились исследования теплозащитных свойств пакетов с различными вариантами размеров и геометрией расположения отверстий в комбинированном утеплителе /114/. Экспериментальная установка для определения термического сопротивления пакетов Вся система крепится на стойке. По поверхности нагревателя размещены хромель-копелевые термопары , закрепленные с учетом рекомендаций /103/, позволяющие исключить методическую погрешность.
Для термостатирования общего для обеих термопар служит термостат со льдом (сосуд Дюара)12. Термо-э.д.с, развиваемая в контурах термопар, измеряется с помощью милливольтметра 11 типа TESLA MULTIMETER ВМ518.
Размеры нагревателя выбраны таким образом, чтобы уменьшить тепловые потери в торцевых участках нагревателя с надетой на него имитационной моделью.
К электровентилятору 3, присоединена аэродинамическая труба 5 и камера 2. На входе в аэродинамическую камеру установлена сетка 4 для выравнивания воздушного потока. Температура воздушного потока оценивалась по термометру 6, установленного в камере с ценой деления ОД С, а давление измерялось с помощью пневматической трубки Пито, подключенной к образцовому микроманометру 7 МКФ-240.
Температура свободных концов термопар поддерживалась постоянной. Установка подключалась к сети переменного тока через стабилизатор напряжения и выпрямительный блок 9, с помощью которого задается величина напряжения или непосредственно значение мощности нагревателя при наличии в электрической цепи ваттметра 8. Полученные значения суммарного термического сопротивления пакетов различных структур представлены в таблицеЗ.6.
Расчет экономической эффективности от использования комбинированного утеплителя
Расчет экономической эффективности выполнен, исходя из тех условий, что перфорированное пенополиуретановое полотно поступает готовое от предприятия- изготовителя.
Экономия по статье материальных затрат составит 17,78 руб. на единицу изделия за счет применения комбинированного поролона, стоимость которого ниже, чем синтепона, а также за счет исключения операции осноровки утеплителя, которая ведет к снижению материальных затрат.
Экономия по статье трудовых затрат составит 2,1 руб. на единицу изделия за счет сокращение затрат времени на «вылеживание» настила для стабилизации полотен синтепона, поскольку для комбинированного поролона эта операция нецелесообразна, а также за счет исключения затрат на операцию соединения синтепона с подкладкой.
1. Теоретически обоснована методология проектирования и практически реализована технология формирования нового пакета одежды для защиты от пониженных температур бойцов отрядов специального назначения. Композиционный пакет включает комбинированный пенополиуретановый утеплитель с распределенными в нем воздушными ячейками, что позволяет повысить не только уровень тепловой защиты на 0,191 Вт/м2град. (37,7%),но и снизить массу на 7% по сравнению, с существующим.
2. Доказано, что при применении технологии гидрофобизации мест ниточных соединений повышаются теплозащитные свойства пакета. При отсутствии гидрофобной отделки швов, теплозащитные свойства снижаются на 18,6% , а масса увеличивается на 19,7% по сравнению с пакетом, шов которого не обработан гидрофобизирующим раствором.
3. Теоретически разработана математическая модель расчета теплового сопротивления пакета одежды, позволяющая определить оптимальный пакет не только в конечном композиционном варианте, но и отдельными элементами, формирующими послойность и функционально входящими в специальную одежду.
4. Разработана программа расчета изменения температуры по слоям исследованных пакетов в стационарном состоянии при различной температуре окружающей среды. Программа позволяет предварительно оценить теплозащитные свойства пакета в любых температурных средах, обеспечивающих боеспособность сотрудников отрядов.
5. Показано, что рациональность в очередности расположения теплозащитных прокладок оказывает существенное влияние на суммарное термическое сопротивление пакета. Так, например изменение места расположения слоев в пакете №12 по сравнению с пакетом №14, влияет на изменение теплозащитных свойств на 37,7%.
6. Разработано и изготовлено устройство для измерения комплексного показаіеля, принцип действия которого основан на фиксировании момента промокания испытуемой пробы по толщине пакета путем замыкания контактов электрической цепи. Устройство позволяет не органолептически, а инструментально измерить и документально доказать водозащитную способность образца с точностью до 0,01с. при минимальном радиусе промокания участка 0,15 мм.
7. Показано, что разработанная методика проведения эксперимента и устройство ее реализующее, позволяет оценить с высокой степенью достоверности водозащитные свойства текстильных материалов и швов в изделиях специального назначения.
8. Показано, что разработанная новая технология изготовления изделий с применением комбинированного утеплителя, позволяет снизить трудовые затраты на 12 мин., а материальные затраты на 17,78 руб. в расчете на одно изделие.
9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии изготовления изделий специального назначения с комбинированным утеплителем составит 125050 руб. в год в расчете на 5 тысяч изделий в год.
