Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Проектирование рациональной теплозащитной одежды для различных климатических и производственных условий является большой и весьма сложной научной проблемой, успешно решить которую можно только на базе комплексного использования данных физиологии, гигиены одежды, климатологии, теплофизики, текстильного материаловедения и конструирования одежды [4, 5].

Теплопроводность текстильных полотен связана с переносом энергии теплового движения микрочастиц от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящим к выравниванию температуры и оценивается коэффициентом теплопроводности; коэффициентом теплопередачи; тепловым сопротивлением, удельным тепловым сопротивлением.

Анализ работ по изучению теплофизических свойств материала показал, что при оценке теплозащитных свойств материалов одежды более простой и наглядной величиной следует считать не коэффициент теплопроводности, а обратную ему величину, называемую тепловым сопротивлением. К факторам, влияющим на тепловое сопротивление материала, относятся: объемный вес, толщина, влажность, вид волокнистого материала, воздухопроницаемость [1, 3].

Поэтому целью данной работы является оценка величины теплофизических характеристик основоворсовой ткани, предназначенной для пошива спецодежды, используемой в экстремальных климатических условиях.

В данной работе при исследовании теплофизических свойств неразрезной основоворсовой ткани предлагается использовать принцип тепловой диагностики, который состоит в сравнении эталонного и анализируемого полей температуры в исследуемой ткани. Аномалии температуры служат индикаторами дефектов, а величина температурных сигналов и их поведение во времени лежат в основе количественных оценок тех или иных параметров ткани.

Термин «тепловидение» относится, главным образом, к регистрации теплового излучения твердых тел, которое складывается из собственного излучения тела, обусловленного его температурой, а также отраженного и прошедшего излучения других тел. Для оптически непрозрачных объектов, тепловизионные устройства фиксируют исключительно поверхностные эффекты: температуру поверхности и величину коэффициентов излучения (поглощения) и отражения [2].

При исследовании объектов с помощью тепловизоров чаще применяются два наиболее распространенных диапазона длин волн: 3-5,5 мкм и 8-12 мкм; и обычно они обозначаются как коротковолновые и длинноволновые диапазоны.

Общая схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела изображена на рис. 1. Объект контроля (1) окружен средой (2) и другими объектами (3), соответственно с температурами Тср и Твнеш. Для регистрации теплового излучения используется тепловизор (4). Объект контроля характеризуется следующими оптическими параметрами: коэффициент излучения ε; коэффициент поглощения α; коэффициент отражения r; коэффициент пропускания τ.

Рис. 1. Принципиальная схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела

Основное преимущество тепловизора перед другими приборами при исследовании теплозащитных свойств материалов является:

• высокая термочувствительность;
• более точные значения температур;
• высокая скорость получения результатов эксперимента и их обработка;
• неограниченный температурный диапазон.

При определении теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, с помощью тепловизионной системы, была применена методика, разработанная на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н. Косыгина. Методика определения теплофизических характеристик основана на методах нестационарного теплового режима для экспериментальной оценки теплозащитных свойств материалов одежды методом регулярного теплового режима, основанного на явлении свободного охлаждения нагретого образца в газообразной среде (воздухе) [4, 6].

Исследования теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани с помощью тепловизионной системы проводились в лаборатории кафедры «Промышленной теплоэнергетики» МГТУ им. А.Н. Косыгина.

При использовании тепловизионной системы были поставлены следующие задачи:

• определение температурных полей на поверхности исследуемых образцов ткани при охлаждении;
• определение теплопроводности неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Лабораторная установка для проведения эксперимента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Тепловизионная система для исследования теплопроводности основоворсовой ткани: 1 – тепловизионная камера termocamtmsc 3000; 2 – компьютер для обработки данных; 3 –теплоизолированный шкаф; 4 – защитный экран; 5 – термометр, для контроля температуры внутри шкафа; 6 – образец ткани

Как известно из исследований А.П. Колесникова [3], теплоизоляционная способность ткани зависит от ее толщины. Толщина имеет наибольшее значение в теплоизоляционных свойствах ткани. Для проведения эксперимента использовались образцы неразрезной основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в коренной и ворсовой основах. В утке использовалась хлопчатобумажная пряжа линейной плотностью 15,4*2 текс (I-вариант) и нить капроновая Т=15,6 текс (II-вариант). В каждом из вариантов менялась толщина ткани. Для проведения эксперимента были использованы образцы ткани различной толщины: I – вариант образец с хлопчатобумажной пряжей в утке, и II – вариант образец с капроновой нитью в утке. Толщина образцов ткани в обоих вариантах составляла b1=7.57 мм, b2=7.62 мм.

Алгоритм исследования теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани выглядит следующим образом:

Нагрев образца в теплоизолированном шкафу до фиксированной температуры t=100 °C (меньшей температуры деформации волокон);

Контроль равномерности прогрева исследуемого образца при помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000;

При достижении равномерного температурного поля на поверхности образца отключение питания электронагревателя;

При помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000 фиксирование остывания образца до исходной комнатной температуры при соблюдении условий , ;

Замена исследуемого образеца (вариант 1) на другой образец (вариант 2) и проведение всего комплекса измерений заново;

После получения термограмм процесса охлаждения образцов производится обработка экспериментальных данных при помощи ЭВМ;

По известным формулам определяем теплопроводность и тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Условия проведения эксперимента:

• излучательная способность объекта (степень черноты) – 0,95;
• температура окружающей среды – 23 °С;
• расстояние между объектом и тепловизором – 30 см;
• относительная влажность воздуха – 55 %.

С помощью тепловизионной системы производится запись термограмм процесса охлаждения образца ткани с частотой 1 кадр в секунду.

По данным измерений построен полулогарифмический график охлаждения, представленный на рис.3 и 4, прямолинейный участок кривой соответствует регулярному режиму. Уравнение этой прямой, согласно основному закону регулярного режима (первого рода) имеет следующий вид:

ln υ=-m·τ+g(x,z,z), (1)

На прямой отмечается шесть точек с соответствующими координатами, в соответствии с которыми определяется темп охлаждения.

Темп охлаждения на каждом участке определяется по формулам (2), с^-1:

, (2)

где υ₁ – разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ₁; υ₂ – разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ₂;

Средний темп охлаждения определяется по формуле3, с^-1:

, (3)

Определяем коэффициент форм для образцов ткани по формуле (4):

Если принять, что образец ткани условно принимает форму параллелепипеда, то для прямоугольного параллелепипеда с ребрами L₁, L₂, L₃, мм:

, (4)

где L₁ – ширина образца, мм; L₂ – длина образца, мм; L₃ – высота образца, равной b₁, b₂, мм.

Коэффициент температуропроводности определяется по формуле (5), м2/с:

, (5)

Объемная плотность образцов определяется по формуле (6), кг/м3:

, (6)

где М – поверхностная плотность образца, г/м2; b – толщина образца, мм.

Рис. 3. Экспериментальная кривая темпа охлаждения образца основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в утке (I-вариант)

Рис. 4. Экспериментальная кривая темпа охлаждения основоворсовой ткани с капроновой нитью в утке (II-вариант)

Удельная теплоемкость образцов берется из экспериментальных данных определенных П.А Колесниковым [1]:

• для I – варианта (хлопок) с1=1.38 кДж/кг·град;
• для II – варианта (хлопок-капрон) с₂=1.66 кДж/кг·град;

Теплопроводность материала определяется по формуле (7), Вт/м⋅град:

. (7)

Тепловое сопротивление образцов ткани определяется по формуле (7), м2·град/Вт:

,

где δ – толщина слоя, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·град.

Расчет параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани двух вариантов проведен на ЭВМ и представлен в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани

В результате проведенного анализа данных таблицы следует, что тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани зависит от их толщины. С увеличением толщины данной ткани увеличивается ее тепловое сопротивление, то есть улучшаются теплозащитные свойства, независимо от волокнистого состава ткани по утку.

Наилучшими теплозащитными свойствами обладают: – образец ткани с содержанием в утке хлопчатобумажной пряжи и толщиной bТ=7,62 мм; образец ткани с содержанием в утке капроновой нити и толщиной bТ=7,57.

Далее по приведенным выше формулам на ЭВМ произведен расчет теплофизических характеристик образцов ткани, приведенный в табл. 3.

Таблица 3

Теплофизические характеристики образцов основоворсовой ткани

Выводы

1. С помощью тепловизионной установки, на базе инфракрасной камеры TermaCamTM SC 3000, проведено исследование теплозащитных свойств ткани, определены основные ее теплофизические характеристики, получены термограммы процесса охлаждения образцов ткани и по данным результатов измерений построены полулогарифмические графики их охлаждения.
2. Разработан алгоритм расчета теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, на основе которого определены основные теплофизические характеристики ткани.