Метод оценки теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕТОД ОЦЕНКИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ОДЕЖДЫ И ИХ ПАКЕТОВ

METHOD FOR EVALUATION OF HEAT-SHIELDING PROPERTIES OF CLOTHING MATERIALS AND THEIR PACKAGES

А.С. Соколова* А.А. Кузнецов, Н.Л. Надежная

Витебский государственный технологический университет

УДК 687.03:677.017

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

Vitebsk State Technological University

РЕФЕРАТ

ABSTRACT

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, ПАКЕТЫ МАТЕРИАЛОВ ОДЕЖДЫ, ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА, АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА

COEFFICIENT OF THERMAL CONDUCTIVITY, THERMAL RESISTANCE, PACKAGES OF CLOTHING MATERIALS, HEAT-SHIELDING PROPERTIES, AUTOMATED SYSTEM

Цель исследований - разработка метода и автоматизированной установки для определения показателей теплозащитных свойств материалов одежды.

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

Разработанная универсальная измерительная установка для определения теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов позволяет воспроизводить температуру пододежного пространства и параметры окружающей среды в широких пределах, что дает возможность проводить испытания материалов в условиях, приближенных к реальным условиям их эксплуатации.

Методика определения показателей теплозащитных свойств основана на зависимостях, описывающих процессы, протекающие в узлах установки и исследуемом материале при проведении испытаний.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что отклонения значений коэффициента теплопроводности и теплового сопротивления, определенных по предложенной методике, от значений, полученных с использованием стандартных методик, не превышают 6 %.

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 conductivity 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 conductivity and thermal resistance values of the proposed method does not exceed 6 %.

-J

Высокие требования, предъявляемые к потребительским свойствам и качеству современной одежды, определяют ее конкурентоспособ-

* E-maiL: sokolova203509@gmail.com (А.Б. Бокок^а)

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

24

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

О теплозащитных свойствах материалов судят по тепловому сопротивлению Я, коэффициенту теплопроводности X, и коэффициенту температуропроводности а. Нормативная методика оценки показателей теплозащитных свойств материалов одежды [1] предусматривает проведение испытаний при интервале перепада температур 45-55 °С по методу регулярного теплового режима. Испытания могут проводиться как в условиях естественной, так и вынужденной (скорость воздушного потока 5 м/с) конвекции.

В настоящее время в литературных и патентных источниках [2 - 7] можно встретить описание большого количества методов и приборов для определения показателей теплозащитных свойств материалов. Существующие методы и средства оценки теплозащитных свойств материалов одежды, несмотря на разнообразие, обладают рядом недостатков: они позволяют определять показатели теплозащитных свойств только в ограниченных условиях испытаний, зачастую не соответствующих реальным условиям эксплуатации материалов. Кроме того, существующие технические средства оценки теплозащитных свойств довольно часто характеризуются большими габаритами, высоким энергопотреблением 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 автоматизированной установки на базе современных технических средств, позволяющей проводить испытания как в условиях естественной конвекции, так и вынужденной.

В результате проведенного анализа климатических условий Республики Беларусь установлено, что эксплуатация бытовой одежды производится в среднем диапазоне температур: весной-осенью +5...+15 °С, летом +14...+23 °С, зимой -7,5...+5 °С 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

°С;

• температура пододежного пространства 0.40 °С;

• скорость ветра 0.7 м/с.

2. Определяемые показатели:

• коэффициент теплопроводности;

• тепловое сопротивление;

• коэффициент воздухопроницаемости.

В основу методики определения теплового сопротивления и коэффициента теплопроводности положен метод стационарного теплового режима.

Схема испытательной камеры разработанной установки для определения показателей теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема испытательной камеры установки для определения показателей теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов:

1 - блок воспроизведения параметров пододежного пространства, 2 - исследуемый образец, 3 - камера воспроизведения параметров окружающей среды, 4 - электронагреватель, 5 - вентилятор, Тг, Т температуры на поверхностях материала, ТПО температура пододежного пространства, Тср - температура окружающей среды, УСр - скорость ветра, тепловой поток, проходящий через материал

Структурно разработанную установку можно разделить на две части: первая позволяет имитировать микроклимат пододежного пространства, вторая - воспроизводить климатические параметры окружающей среды.

Воспроизведение температурного режима под одеждой реализовано с помощью термоэлектрических модулей Пельтье совместно с системой водяного охлаждения. Камера, воспроизводящая параметры окружающей среды, позволяет поддерживать как положительные, так и отрицательные температуры воздуха возле исследуемого образца. Для нагрева применяется электронагреватель, который установлен в стабилизирующем патрубке центробежного вентилятора, создающего воздушный поток. Охлаждение воздуха в камере осуществляется при помощи компрессорного холодильного агрегата.

Поддержание заданных скорости воздушного потока температур пододежного пространства и окружающей среды осуществляется в автоматическом режиме. Сбор данных с датчиков осуществляется с использованием специально разработанного программного обеспечения для персонального компьютера.

Такая конструкция дает возможность проводить испытания разнообразных материалов одежды в климатических условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации.

Определение теплового сопротивления и коэффициента теплопроводности осуществляется следующим образом. Исследуемый образец материала, имеющий форму круглого диска площадью 0,01 м2, помещают в установку. Термоэлектрические модули Пельтье, электронагреватель и вентилятор подключают к сети и, регулируя подаваемую на них мощность, устанавливают заданный температурный режим и скорость воздушного потока. В случае проведения испытаний в условиях естественной конвекции вентилятор закрывают шторкой. После установления стационарного теплового режима снимают показания датчиков температуры на поверхностях материала Т, Т2 и на горячей ТГ и холодной ТХ сторонах термоэлектрических модулей Пельтье.

Тепловое сопротивление материала Ям, К•м2/ Вт определяется следующей формулой:

где Т1, Т2 - температуры на поверхностях материала, К; qм - плотность теплового потока, проходящего через материал, Вт/м2.

Коэффициент теплопроводности Ам, Вт/м-К, материала одежды

= ^ , (2)

к,

м

где 8м - толщина исследуемого образца материала, м.

В силу стационарности теплового режима плотность теплового потока, прошедшего через материал qм, равна плотности теплового потока от элементов Пельтье ко внутренней стороне исследуемого материала qПО.

Плотность теплового потока, подводимого к материалу, qПО, Вт/м2 определим исходя из анализа процессов, протекающих в узлах блока воспроизведения параметров пододежного пространства при проведении испытаний:

_к{пдС1-дп) (3)

Чпо - г

где К - коэффициент, учитывающий потери тепловой мощности в узлах блока воспроизведения параметров пододежного пространства, определяемый экспериментально; п - количество термоэлектрических модулей Пельтье в установке; QC1 - тепловая мощность, отводимая с холодной стороны одного термоэлектрического модуля, Вт; QП - мощность теплового потока, характеризующего обратный отток тепла с горячей на холодную сторону термоэлектрического модуля Пельтье, Вт; F - площадь поверхности рассеивания радиатора, к которому крепится исследуемый образец материала, м2.

Мощность теплового потока, характеризующего обратный отток тепла с горячей на холодную сторону термоэлектрического модуля Пельтье, определим по формуле

где ХЗ - коэффициент теплопроводности термопасты, заполняющей зазор между термоэлектрическими модулями Пельтье, Вт/м-К; ГЗ - площадь зазора между термоэлектрическими модулями Пельтье, м2; ТГ, ТХ - температуры на горячем и холодном концах термоэлектрической ветви соответственно, К; с - толщина термоэлектрических модулей Пельтье, м.

Площадь зазора между термоэлектрическими модулями Пельтье определяется по формуле

дуля в режиме, когда достигается максимальная разность температур ДТ = ДТтах при некоторой фиксированной температуре горячего спая ТГ. При этом ток I = 1тах и мощность, отводимая с холодной стороны термоэлектрического модуля, QC1 = 0. Уравнение (7) примет вид:

Шт = ш

ш.

кЛТ...

= 0. (8)

,

(5)

Получим выражение для тока 1тах. Для этого выразим из уравнения (7) разность температур

ДТ, учитывая, что ТХ = ТГ - ДТ и QC

0:

где а - ширина зазора, м; Ь - длина модуля, м.

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

ЛТ =

_ 1{2аТг - ш) 2(1 а + к)

(9)

Продифференцируем выражение (10) по току

где N - число пар термоэлектрических ветвей в термоэлектрическом модуле Пельтье; а - термо-ЭДС материла термоэлектрической ветви, В/К; I - измеренное значение силы тока, проходящего через термоэлектрическую ветвь, А; Я - электрическое сопротивление термоэлектрической ветви, Ом; к - полная теплопроводность термоэлектрической ветви, Вт/К.

Параметры термоэлектрической ветви а, Я, к определяются исходя из технических характеристик термоэлектрических модулей Пельтье, приводимых производителем. Данные параметры можно получить из системы уравнений, описывающих процессы, происходящие в термоэлектрических модулях в различных режимах работы.

Рассмотрим работу термоэлектрического модуля в режиме, когда ток I = 1тах и разность температур ДТ = ТГ - ТХ = 0. При этом мощность, отводимая с холодной стороны термоэлектрического модуля QC1 = Qmax. Уравнение (6) примет вид:

Решив уравнение (11) относительно тока I при СДТ / сИ = 0 , получим выражение для I :

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

б™- = ¿А'

I Л

ш

аТ 7\--—

(7)

Таким образом, система уравнений (13) содержит неизвестные параметры термоэлектрической ветви а, Я, к и известные из технических характеристик параметры термоэлектрического модуля. Решив данную систему, получим выражения для параметров термоэлектрической ветви:

Рассмотрим работу термоэлектрического мо-

а =

.

(15)

Подставив численные значения, приведенные в технических характеристиках термоэлектрических модулей Пельтье (таблица 1), в выражения (14) - (16), определяем параметры термоэлекти-ческой ветви: Я = 6,075-10-3 Ом, к = 2,738-10"3 Вт/К, а = 2,122-10-4 В/К.

С учетом выражений (4), (5) и (7) зависимости для определения теплового сопротивления Ям и коэффициента теплопроводности Хм примут вид:

. (17)

С целью практической апробации предложенной методики определения показателей теплозащитных свойств на разработанной автоматизированной установке проведены экспериментальные исследования материалов одежды. Объектами исследований являлись материалы, используемые для изготовления боевой одежды пожарных и их пакеты, характеристики которых представлены в таблице 2. Технические характеристики элементов блока воспроизведения параметров пододежного пространства, используемые при расчетах, представлены в таблице 1.

В таблице 3 представлены результаты экспериментальных исследований теплозащитных свойств данных материалов. Значения коэффициентов теплопроводности XM, полученные с использованием разработанного метода, сравнивались со значениями ХСТ, определенными по стандартной для материалов боевой одежды пожарного методике (согласно СТБ 1971-2009) [10].

Анализ полученных результатов позволяет отметить, что погрешность определения значений коэффициента теплопроводности и теплового сопротивления предложенным методом не превышает 6 %.

Таблица 1 - Технические характеристики элементов блока воспроизведения параметров пододежного пространства

Наименование параметра Обозначение Числовое значение

Площадь поверхности рассеивания радиатора, к которому крепится исследуемый образец материала, м2 F 0,12

Коэффициент теплопроводности термопасты, заполняющей зазор между термоэлектрическими модулями Пельтье, Вт/м-К h 0,8

Ширина зазора, м a 0,0005

Количество термоэлектрических модулей Пельтье в установке n 4

Технические характеристики термоэлектрических модулей Пельтье, используемых в установке (ТВ-127-1,4-1,15 (ICE-71))

Максимальная разность температур между спаями модуля, достигаемая при некоторой фиксированной температуре горячего спая (ТГ = 300 К) и при нулевой холодильной мощности ^С1 = 0), К AT max 71

Ток, при котором достигается разность температур ЛТтах, А I max 8

Холодопроизводительность при токе 1тах и разности температур ЛТ = 0, Вт Q ^ max 80

Толщина термоэлектрических модулей Пельтье, м c 0,0034

Длина модуля, м b 0,04

Количество термоэлектрических пар в модуле N 127

28

Таблица 2 - Характеристики исследуемых материалов и их пакетов

№ Наименование и характеристики материалов и их пакетов

1 Ткань с огнезащитными свойствами для спецодежды «Леонид»

2 Полотно теплоизоляционное холстопрошивное (поверхностная плотность 300 г/м2, полиэфир 50 %, арселон 50 %)

3 Ватин полушерстяной холстопрошивной (поверхностная плотность 235 г/м2)

4 Пакет №1: - ткань с огнезащитными свойствами для спецодежды «Леонид»; - ткань для спецодежды смесовая с пленочным покрытием «СИСУ»; - нетканое холстопрошивное полотно (полушерсть 50 %, арселон 50 %,); - ткань подкладочная (100 % полиэфир, поверхностная плотность 80 г/м2).

5 Пакет №2: - ткань с огнезащитными свойствами для спецодежды «Леонид»; - ткань для спецодежды смесовая с пленочным покрытием «СИСУ»; - ватин полушерстяной холстопрошивной (поверхностная плотность 235 г/м2); - ткань подкладочная (полиэфир 100 %, поверхностная плотность 80 г/м2).

Таблица 3 - Результаты экспериментальных исследований теплозащитных свойств материалов

№ из таблицы 2 Измеряемые параметры К Определяемые показатели Погрешность, %

м I, А Т, К Т2, К ТХ, К Тг, К V Вт/мК КМ, Км2/Вт ^СТ Вт/мК Яст Км2/Вт

1 0,00055 3,28 306,94 295,83 284,74 314,8 0,22 0,0145 0,038 0,0149 0,037 2,72

2 0,00471 3,03 308,1 292,51 283,95 311,7 0,06 0,0211 0,223 0,0201 0,234 5,10

3 0,00537 2,95 308,32 292,79 284,18 311,1 0,06 0,0235 0,228 0,0224 0,240 4,92

4 0,00559 2,79 309,35 290,78 284,28 309,4 0,06 0,0195 0,287 0,0192 0,291 1,60

к 5 0,00625 2,76 308,65 290,19 284,1 308,7 0,06 0,0217 0,287 0,021 0,298 3,55 1

ВЫВОДЫ

Разработана автоматизированная система для определения показателей теплозащитных свойств материалов одежды и их пакетов, конструкция которой дает возможность воспроизводить температуру пододежного пространства и параметры окружающей среды в широких пределах,что позволит проводить испытания материалов в условиях, приближенных к реальным условиям их эксплуатации. Поддержание температурного режима под одеждой реализовано с помощью современных техни-

ческих средств. Предложен метод определения показателей теплозащитных свойств материалов одежды: коэффициента теплопроводности и теплового сопротивления. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку методики определения коэффициента воздухопроницаемости материалов одежды и их пакетов с использованием данной автоматизированной системы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 20489-75 (1986), Материалы для одежды. Метод определения суммарного теплового сопротивления, Москва, Издательство стандартов, 1986, 11 с.

REFERENCES

1. GOST 20489-75 (1986), Materials for clothing. A method of determining the total thermal resistance [MateriaLy dLja odezhdy. Metod opredeLenija summarnogo tepLovogo soprotivLenija], Moscow, 11 p.

2. Колесников, П.А. (1965), Теплозащитные свойства одежды, Москва, Легкая индустрия, 340 с.

3. Осипова, В.А. (1969), Экспериментальное исследование процессов теплообмена, Москва, Энергия, 392 с.

4. Патент JP №3919153, МПК 8G 01N 25/18

(2000), Устройство для измерения теплопроводности, Omura Takahiro, Tsuboi Mikinori; заявитель и патентообладатель Nichias Corp.

5. Патент RU № 02167412, МПК G01N 25/18

(2001), Способ комплексного определения теп-лофизических свойств материалов, Жуков Н.П., Майникова Н.Ф., Муромцев Ю.Л., Рогов И.В., Орлов В.В.; заявитель и патентообладатель Тамбовский военный авиационный инженерный институт.

6. Патент RU №02149386 РФ, МПК G01N 25/18 (2000), Способ определения теплофизических характеристик материалов, Клебанов М.Г., Фесенко А.И.; заявитель и патентообладатель ТВВАИУ.

7. Патент US №6676287 В1 МПК G01K15/00 (2004), Способ прямого измерения теплопроводности, Mathis Nancy, Chandler Christina; заявитель и патентообладатель Mathis Instruments Ltd.

8. Булат, Л.П. и др. (2002), Термоэлектрическое охлаждение, Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 147 с.

9. РД 50-411-83 (1984), Методические указания. Расход жидкостей и газов. Методика выполнения измерений с помощью специальных сужа-

2. KoLesnikov, P.A. (1965), Teplozashhitnye svojstva odezhdy [ThermaL insuLation properties of cLothing], Moscow, 340 p.

3. Osipova, V.A. (1969), Jeksperimental'noe issledovanie processov teploobmena [ExperimentaL investigation of heat transfer processes], Moscow, 392 p.

4. Patent JP No 3919153, MPK 8G 01N 25/18 (2000), A device for thermal conductivity measurement [Ustrojstvo dLja izmerenija tepLoprovodnosti], Omura Takahiro, Tsuboi Mikinori; Assignee Nichias Corp.

5. Patent RU No 02167412, MPK G01N 25/18 (2001), Method of complex determination of thermophysical properties of materials [Sposob kompLeksnogo opredeLenija tepLofizicheskih svojstv materiaLov], Zhukov N.P., Majnikova N.F., Muromcev Ju.L., Rogov I.V., OrLov V.V.; Assignee Tambov miLitary aviation engineering Institute.

6. Patent RU No 02149386 RF, MPK G01N 25/18 (2000), Method of determining thermophysical characteristics of materials [Sposob opredeLenija tepLofizicheskih harakteristik materiaLov], KLebanov M.G., Fesenko A.I.; Assignee THMAES.

7. Patent US No 6676287 V1 MPK G01K15/00 (2004), The direct measurement of thermal conductivity [Sposob prjamogo izmerenija tepLoprovodnosti], Mathis Nancy, ChandLer Christina; Assignee Mathis Instruments Ltd.

8. BuLat, L.P. etc. (2002), Termojelektricheskoe ohlazhdenie [ThermoeLectric cooLing], St. Petersburg, 147 p.

с-

ющих устройств, Москва, Издательство стандартов, 1984, 52 с.

10. СТБ 1971-2009 (2010), Система стандартов безопасности труда. Одежда пожарных боевая. Общие технические условия, Минск, Госстандарт, 2010, 36 с.

11. ГОСТ 12088-77 (1979), Материалы текстильные и изделия из них. Метод определения воздухопроницаемости, Москва, Издательство стандартов, 1979, 11 с.

9. RD 50-411-83 (1984), Methodical instructions. The flow of liquids and gases. The measurement technique using a special constriction devices [Metodicheskie ukazanija. Rashod zhidkostej i gazov. Metodika vypoLnenija izmerenijs pomoshh'ju speciaL'nyh suzhajushhih ustrojstv], Moscow, 52 p.

10. STB 1971-2009 (2010), The system of occupational safety standards. Clothing fire fighting. General specifications [Sistema standartov bezopasnosti truda. Odezhda pozharnyh boevaja. Obshhie tehnicheskie usLovija], Minsk, 36 p.

11. GOST 12088-77 (1979), Textile materials and products from them. Method for determination of air permeability [MateriaLy tekstiL'nye i izdeLija iz nih. Metod opredeLenija vozduhopronicaemosti], Moscow, 11 p.

Статья поступила в редакцию 29. 08. 2016 г.