Метод оценки теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов

технология и оборудование лёгкой промышленности и машиностроения

МЕТОД ОЦЕНКИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ОДЕЖДЫ И ИХ ПАКЕТОВ

M ETHOD FOR EVALUATION OF HEAT^-SHIELDING PROPERTIES OF C LOTHING MATERIALS AND THEIR PACKAGES

УДК 687.03:677.017

А.С. Соколова*, А.А. Кузнецов, Н.Л. Надежная Витебский государственный технологический университет

19. 
    Sokolova*, A.A. Kuznetsov, N.L. Nadyozhnaya
    

Vitebsk State Technological University

РЕФЕРАТ

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, ТЕПЛО- ВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, ПАКЕТЫ МАТЕРИАЛОВ ОДЕ- ЖДЫ, ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА, АВТОМАТИЗИ- РОВАННАЯ СИСТЕМА
Цель исследований – разработка метода и ав- томатизированной установки для определения показателей теплозащитных свойств материа- лов одежды.

Объектами исследований являлись материалы, используемые для изготовления боевой одежды пожарных, и их пакеты.

Разработанная универсальная измеритель- ная установка для определения теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов позво- ляет воспроизводить температуру пододежного пространства и параметры окружающей среды в широких пределах, что дает возможность прово- дить испытания материалов в условиях, прибли- женных к реальным условиям их эксплуатации.

Методика определения показателей теплоза- щитных свойств основана на зависимостях, опи- сывающих процессы, протекающие в узлах уста- новки и исследуемом материале при проведении испытаний.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что отклонения значе- ний коэффициента теплопроводности и теплово- го сопротивления, определенных по предложенной методике, от значений, полученных с использова- нием стандартных методик, не превышают 6 %.

ABSTRACT

COEFFICIENT OF THERMAL CONDUCTIVITY, THER- MAL RESISTANCE, PACKAGES OF CLOTHING MATERI- ALS, HEAT-SHIELDING PROPERTIES, AUTOMATED SYS- TEM
The method for measuring the parameters of heat-shielding properties of clothing materials and their packages and automated plant are developed..

The research materials and their packages are used for the manufacturing of fire fighting garments.

The methodology for determining the thermal con- ductivity and thermal resistance of clothing materials and their packages on the method of stationary heat mode is developed. The formulas for measuring these parameters are based on the relations describing the processes in the parts of the plant and the material studied in the tests.

The automated system for measuring the heat-shielding properties of clothing materials and their packages allows testing materials in climatic conditions as close as possible to the real conditions of their operation.

Analysis of research results allows to determine that the deviation of the coefficient of thermal conduc- tivity and thermal resistance values of the proposed method does not exceed 6 %.

Высокие требования, предъявляемые к по- требительским свойствам и качеству современ- ной одежды, определяют ее конкурентоспособ-

ность на рынке. Из всего многообразия свойств материалов одежды одними из наиболее важ- ных являются теплозащитные свойства, которые

• 
  E-mail: sokolova203509@gmail.com (A.S. Sokolova)
  

характеризуют способность материалов одежды защищать тело человека от тепловых потерь и перегрева при различных температурных режи- мах. Наибольшее значение оценка показателей теплозащитных свойств имеет при проектиро- вании демисезонной и зимней одежды, а также одежды специального назначения.

О теплозащитных свойствах материалов судят по тепловому сопротивлению R, коэффициенту теплопроводности λ, и коэффициенту температу- ропроводности a. Нормативная методика оцен- ки показателей теплозащитных свойств матери- алов одежды [1] предусматривает проведение испытаний при интервале перепада температур 45—55 °С по методу регулярного теплового ре- жима. Испытания могут проводиться как в усло- виях естественной, так и вынужденной (скорость воздушного потока 5 м/с) конвекции.

В настоящее время в литературных и патент- ных источниках [2 – 7] можно встретить описа- ние большого количества методов и приборов для определения показателей теплозащитных свойств материалов. Существующие методы и средства оценки теплозащитных свойств ма- териалов одежды, несмотря на разнообразие, обладают рядом недостатков: они позволяют определять показатели теплозащитных свойств только в ограниченных условиях испытаний, за- частую не соответствующих реальным условиям эксплуатации материалов. Кроме того, существу- ющие технические средства оценки теплозащит- ных свойств довольно часто характеризуются большими габаритами, высоким энергопотреб- лением и устаревшей элементной базой.

В связи с этим актуальной задачей является разработка метода определения показателей теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов и его реализация в виде автома- тизированной установки на базе современных технических средств, позволяющей проводить испытания как в условиях естественной конвек- ции, так и вынужденной.

В результате проведенного анализа клима- тических условий Республики Беларусь уста- новлено, что эксплуатация бытовой одежды производится в среднем диапазоне температур: весной—осенью +5…+15 °С, летом +14…+23 ºС, зимой -7,5…+5 ºС при среднегодовой скорости ветра 3…4 м/с. Исходя из этого сформулированы

требования, предъявляемые к разрабатываемой автоматизированной системе:

1. 
   Воспроизводимые показатели:
   

• 
  температура окружающей среды -20…+40 ºС;
  
• 
  температура пододежного пространства 0…40 ºС;
  
• 
  скорость ветра 0…7 м/с.
  

1. 
   Определяемые показатели:
   

• 
  коэффициент теплопроводности;
  
• 
  тепловое сопротивление;
  
• 
  коэффициент воздухопроницаемости.
  

В основу методики определения теплового сопротивления и коэффициента теплопровод- ности положен метод стационарного теплового режима.

Схема испытательной камеры разработанной установки для определения показателей тепло- защитных свойств материалов одежды и их па- кетов представлена на рисунке 1.

Структурно разработанную установку можно разделить на две части: первая позволяет имити- ровать микроклимат пододежного пространства, вторая – воспроизводить климатические пара- метры окружающей среды.

Воспроизведение температурного режима под одеждой реализовано с помощью термо- электрических модулей Пельтье совместно с

системой

водяного

охлаждения.

Камера,

вос-

производящая параметры окружающей среды, позволяет поддерживать как положительные, так и отрицательные температуры воздуха возле исследуемого образца. Для нагрева применяется электронагреватель, который установлен в ста- билизирующем патрубке центробежного вен-



ждение воздуха в камере осуществляется при помощи компрессорного холодильного агрегата. Поддержание заданных скорости воздушного потока температур пододежного пространства и окружающей среды осуществляется в авто- матическом режиме. Сбор данных с датчиков осуществляется с использованием специально разработанного программного обеспечения для

персонального компьютера.

Такая конструкция дает возможность про- водить испытания разнообразных материалов одежды в климатических условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуата- ции.

Определение теплового сопротивления и ко- эффициента теплопроводности осуществляется следующим образом. Исследуемый образец ма- териала, имеющий форму круглого диска площа- дью 0,01 м², помещают в установку. Термоэлек- трические модули Пельтье, электронагреватель и вентилятор подключают к сети и, регулируя подаваемую на них мощность, устанавливают заданный температурный режим и скорость воз- душного потока. В случае проведения испытаний в условиях естественной конвекции вентилятор закрывают шторкой. После установления стаци- онарного теплового режима снимают показания датчиков температуры на поверхностях матери- ала T₁, T₂ и на горячей T_Г и холодной T_Х сторо-

нах термоэлектрических модулей Пельтье.

Тепловое сопротивление материала R_M, K·м²/ Вт определяется следующей формулой:

где T₁, T₂ – температуры на поверхностях мате- риала, К; q_M – плотность теплового потока, про- ходящего через материал, Вт/м².

Коэффициент теплопроводности λ_M, Вт/м•К, материала одежды

где δ_M – толщина исследуемого образца матери- ала, м.

В силу стационарности теплового режима плотность теплового потока, прошедшего через материал q_M, равна плотности теплового потока от элементов Пельтье ко внутренней стороне ис- следуемого материала q_ПО.

Плотность теплового потока, подводимого к материалу, q_ПО, Вт/м² определим исходя из ана- лиза процессов, протекающих в узлах блока вос- произведения параметров пододежного про- странства при проведении испытаний:

где К – коэффициент, учитывающий потери теп- ловой мощности в узлах блока воспроизведения параметров пододежного пространства, опреде- ляемый экспериментально; n – количество тер- моэлектрических модулей Пельтье в установке; Q_C1 – тепловая мощность, отводимая с холодной стороны одного термоэлектрического модуля, Вт; Q_П – мощность теплового потока, характе- ризующего обратный отток тепла с горячей на холодную сторону термоэлектрического модуля Пельтье, Вт; F – площадь поверхности рассеива- ния радиатора, к которому крепится исследуе- мый образец материала, м².

Мощность теплового потока, характеризу- ющего обратный отток тепла с горячей на хо- лодную сторону термоэлектрического модуля Пельтье, определим по формуле

где λ_З – коэффициент теплопроводности термо- пасты, заполняющей зазор между термоэлектри- ческими модулями Пельтье, Вт/м·К; F_З – площадь зазора между термоэлектрическими модулями Пельтье, м²; T_Г, T_Х – температуры на горячем и холодном концах термоэлектрической ветви соответственно, К; c – толщина термоэлектриче- ских модулей Пельтье, м.

Площадь зазора между термоэлектрически- ми модулями Пельтье определяется по формуле

где a – ширина зазора, м; b – длина модуля, м.

Уравнение теплового баланса на холодных сторонах термоэлектрического модуля Пельтье [8]:

дуля в режиме, когда достигается максимальная разность температур T = T_max при некоторой фиксированной температуре горячего спая T_Г. При этом ток I = I_max и мощность, отводимая с холодной стороны термоэлектрического модуля, Q_C1 = 0. Уравнение (7) примет вид:

Получим выражение для тока I_max. Для этого выразим из уравнения (7) разность температур

T, учитывая, что T_Х = T_Г - T и Q_C1 = 0:

Продифференцируем выражение (10) по току

I:

где N – число пар термоэлектрических ветвей в термоэлектрическом модуле Пельтье; α – термо- ЭДС материла термоэлектрической ветви, В/К; I – измеренное значение силы тока, проходяще- го через термоэлектрическую ветвь, А; R – элек- трическое сопротивление термоэлектрической ветви, Ом; k – полная теплопроводность термо- электрической ветви, Вт/К.

Параметры термоэлектрической ветви α, R, k определяются исходя из технических харак- теристик термоэлектрических модулей Пельтье, приводимых производителем. Данные пара- метры можно получить из системы уравнений, описывающих процессы, происходящие в тер- моэлектрических модулях в различных режимах работы.

Рассмотрим работу термоэлектрического мо-

дуля в режиме, когда ток I = I_max и разность температур T = T_Г - T_Х = 0. При этом мощ- ность, отводимая с холодной стороны термо- электрического модуля Q_C1 = Q_max. Уравнение

(6) примет вид:

Рассмотрим работу термоэлектрического мо-

Решив уравнение (11) относительно тока I

при dT / dI = 0 , получим выражение для I_max:

Объединим уравнения (8), (9), (11) в систему:

Таким образом, система уравнений (13) со- держит неизвестные параметры термоэлектри- ческой ветви α, R, k и известные из технических характеристик параметры термоэлектрического модуля. Решив данную систему, получим выра- жения для параметров термоэлектрической вет- ви:

Подставив численные значения, приведенные в технических характеристиках термоэлектриче- ских модулей Пельтье (таблица 1), в выражения

(14) – (16), определяем параметры термоэлекти- ческой ветви: R = 6,075•10^-3 Ом, k = 2,738•10^-3 Вт/К, α = 2,122•10^-4 В/К.

C учетом выражений (4), (5) и (7) зависимости для определения теплового сопротивления R_M

и коэффициента теплопроводности λ_M примут

вид:

С целью практической апробации предло- женной методики определения показателей теплозащитных свойств на разработанной авто- матизированной установке проведены экспери- ментальные исследования материалов одежды. Объектами исследований являлись материалы, используемые для изготовления боевой одежды пожарных и их пакеты, характеристики которых представлены в таблице 2. Технические харак- теристики элементов блока воспроизведения параметров пододежного пространства, исполь- зуемые при расчетах, представлены в таблице 1. В таблице 3 представлены результаты экс- периментальных исследований теплозащитных свойств данных материалов. Значения коэффи- циентов теплопроводности λ_M, полученные с использованием разработанного метода, срав- нивались со значениями λ_СТ, определенными по стандартной для материалов боевой одежды пожарного методике (согласно СТБ 1971–2009)

[10].

Анализ полученных результатов позволяет отметить, что погрешность определения значе- ний коэффициента теплопроводности и тепло- вого сопротивления предложенным методом не превышает 6 %.