CC BY
11
__——---
Военврач I ранга проф. П. КАЛМЫКОВ^ научн. сотрудник А. ШАТИЛОВА, инж. Г. ЧИЛИКИН (Москва)
Определение теплоизолирующей способности материалов одежды +
Из 2-го отдела Института авиационной медицины
Метод определения теплопроводности тканей, предложенный Стефаном и видоизмененный Рубнером, находит еще достаточно широкое применение, хотя он и имеет существенные недостатки. Сохранение его в практике гигиенических лабораторий можно объяснить только отсутствием другого, более совершенного метода.
Подвод воды в верхний холодильник
Шкала
I тик воды из холодильников
сосуд Люарэ
в нижний холодильник
Рис. 1. Прибор инж. Шурчилова
В технической литературе за последние годы было предложено немало новых способов испытания тканей на теплопроводность. Американское «Бюро стандартов» рекомендует для этой дели весьма сложный прибор, основанный на создании так называемого «стационарного режима», т. е. установившегося равномерного теплового потока через ткань. При этом замеряется температура обеих поверхностей ткани, следовательно, определяется температурный градиент, на основании, которого исчисляется теплопроводность.
Из методов, описанных в отечественной литературе, следует упомянуть о приборе Ефремова. Он представляет собой довольно длинную обогреваемую электричеством стеклянную трубку, на которую наматывается ткань в несколько слоев. В разные слои ткани закладываются, термопары, при помощи которых и замеряется температурный градиент в момент установившегося «стационарного режима» теплового потока.
Оба этих прибора для наших целей мало пригодны вследствие трудности испытания материалов в естественном состоянии без на-
рушения присущих им свойств толщины, пористости, удельного» веса и пр.
В некоторых московских институтах теплопроводность материалов-одежды исследуется прибором конструкции инж. Шурчилова. Этот прибор был нами изготовлен по чертежам самого автора, им же о» был установлен и пущен в действие.
Наиболее существенной частью прибора (рис. 1) является тонкий (около 1 мм толщины) медный диск А размером 111 мм, обогреваемый электрическим током. Расход электроэнергии учитывается при помощи амперметра и вольтметра. По обе стороны диска располагаются пластинки исследуемого материала Б, которые одной своей стороной соприкасаются с теплым диском, а другой — с холодильником В. В холодильниках во время опыта циркулирует вода. При испытании тепловой поток из диска А проходит через исследуемый материал в холодильник. Так как расход электрической энергии мы измеряем, то легко подсчитать, какое количество тепла выделяется нагревателем (диском) в единицу времени. Для расчета теплопроводности остается лишь более или менее точно определить температуру холодной и теплой поверхности испытуемого материала. Это производится при помощи 8 термопар — по 2 на каждой поверхности обеих пластинок.
В основу построения прибора положен правильный принцип, но, как оказалось впоследствии, при построении был допущен столь существенный технический недостаток, что результаты исследований совершенно искажались. Дело в том, что в данном приборе отсутствует охранное кольцо, поэтому тепловой поток не целиком проходит через-, испытуемый материал, а часто рассеивается в воздухе. Так как диаметр нагревательного диска, как и пластин исследуемых материалов, сравни-
Рис. 2. Прибор проф. Кондратьева. I — мешалка; 2 — зеркальный гальванометр; 3 — осветитель; 4 — шкала; Л — горячий спай; 6 — холодный спай; 7—калориметр; 8— вода со льдом
тельно невелик, а боковая (открытая) поверхность их значительна, то ошибка оказывается столь крупной, что получаются явно неверные данные.
Из всех предложенных и описанных в доступной нам литературе способов определения теплопроводности материалов для одежды нам представляется наиболее обоснованным с физической стороны и практически удобным метод проф. Кондратьева \ заключающийся в следующем.
Испытуемый материал помещается в медный или латунный тонкостенный невысокий цилиндр-калориметр (рис. 2). Количество материала должно быть точно определено таким образом, чтобы при помещении его в цилиндр не нарушались свойственные ему объем, вес, объемный вес, пористость и пр. Достигнуть этого можно двумя путями: посредством вычисления, какое количество слоев вместит цилиндр (соотношение высоты его и толщины ткани), или же путем подсчетов (по заранее определенному удельному весу), какое весовое количество исследуемого материала нужно вложить в калориметр.
1 Журнал «Техническая физика», т. I, в. 4, 1931.
Первый способ является единственно возможным в том случае, если толщину материала нельзя изменить (например, ткань, мех, ватин). Количество слоев определяется путем деления высоты калориметра на толщину ткани. Пусть, для примера, толщина последней равна 2 мм при высоте цилиндра 30 мм. В этом случае в калориметр нужно заложить 15 кружочков ткани. Если высота цилиндра не кратна толщине ткани, то в цилиндр нельзя уложить столько слоев ее, чтобы он был весь заполнен. Во избежание искажения результатов исследования цилиндр сделан раздвижным, причем крышку его можно установить таким образом, что высота калориметра увеличивается на необходимую, заранее рассчитанную величину.
Второй способ определения количества материала, подлежащего закладыванию в цилиндр, путем взвешивания применим и более удобен для таких материалов, как вата или вателин. При этом из них послойно вырезаются кружки соответствующего диаметра и взвешиваются. При избытке материала осторожно отделяется некоторый слой его по всей площади кружка. Нельзя, конечно, разрезать кружочки поперек. Весовое количество рассчитывается следующим образом: допустим, что объем калориметра равен 500 см»3, а удельный вес (т. е. вес 1 см3 исследуемого материала) 0,040; тогда следует лишь умножить 0,040 на 500, и произведение определит весовое количество материала, при котором он будет находиться в калориметре в натуральном, не деформированном состоянии.
Внутрь калориметра, приблизительно в середину испытуемого материала, вводится термопара (медь — константан), холодный спай которой помещается в тающий лед. Концы термопар включены в зеркальный гальванометр. После этого калориметр закрывается и тщательно промазывается по «швам» какой-либо замазкой. Затем он опускается в смесь воды со льдом и одновременно включается гальванометр. Так как исследуемый материал (ткани, вата, мех) имеют исходную температуру, равную комнатной, т. е. около 18—20°, между теплым и холодным спаями диференциальной термопары создается соответствующая разность температур, которая с момента погружения калориметра в лед тотчас же начинает уменьшаться. «Зайчик» гальванометра по мере сближения температур обеих термопар начинает совершать обратное движение, стремясь к исходному, нулевому положению. В опыте как раз и регистрируется при помощи секундомера темп этого движения — скорость прохождения «зайчиком» определенного отрезка пути. Естественно, что чем менее теплопроводен материал, тем) медленнее будет этот темп.
В результате опыта получается ряд цифр, на основании которых строится график — логарифмическая кривая, характеризующая так называемый «темп охлаждения» — т. Эта величина характеризует скорость охлаждения по времени и равна где а — ^Т, Ь — время в сек.;
ш, помноженное на коэфициент прибора — к, дает температуропроводность — а. Вычисление теплопроводности производится по формуле
X = а с = •(,
где X — теплопроводность исследуемого материала, а — «температуропроводность», определяемая в опыте, с — теплоемкость и т — удельный вес
Как формула, так и порядок проведения опыта заставляют подчеркнуть важность точного вычисления удельного веса, который определяет, во-первых, качество исследуемого материала, т. е. его состояние, степень плотности и пр., а во-вторых, входит непосредственно в формулу расчета и влияет, таким образом, на величину теплопроводности.
1 Вывод формулы и порядок расчета приведены в журнале «Техническая фи-
зика», т. I, в. 4, 1931.
По методу «регулярного режима» мы исследовали некоторые наиболее распространенные теплые материалы, причем получили такие данные (табл. 1).
Таблица 1
Теплопроводность важнейших теплых материалов одежды, выраженная в больших калориях, на 1 м3 в 1 час
Наименование материала ® octo^mh"
Мех (овчина)..................................0,034
Мех цыгейской овцы........................0,038
Ватин полушерстяной..........................0,029
Ватин редкий..................................0,028
Вата простая..................................0,018
Вателик хлопчато-бумажный..................0,018
Вателин с оленьей шерстью..................0,021
Вателин шерстяной............................0,024
. Результаты исследования находятся в полном соответствии с положением, выдвинутым еще Рубнером, о связи теплопроводности с удельным весом материалов. Так, например, стриженый мех цыгейской овцы при удельном весе его 0,046 оказался более теплопроводным, чем вателины с удельным весом 0,011—0,014 или даже простая вата с удельным весом 0,020. Этот вывод подтверждает маши прежние наблюдения, произведенные в 1935 г. х. Вателин из хлопка (удельный вес 0,011) по своей теплопроводности несколько выше, чем шерстяной вателин (удельный вес 0,014). Это противоречит распространенному мнению о высоких тепловых свойствах шерсти, но полностью соответствует приведенному выше положению Рубнера, так как удельный вес шерстяного вателина больше, а значит, соответственно меньше его пористость, т. е. в нем меньше воздуха — наилучшего теплоизолятора.
Определение теплопроводности отдельных материалов, ¡входящих в ту или другую одежду, дает неполное представление о теплозащитных свойствах данной одежды. Дело в том, что испытание материалов в этом отношении ведется в искусственных условиях, отличающихся от условий носки одежды.
Необходимо иметь в виду два важнейших фактора, влияющих на тепловые свойства одежды при ее носке. Во-первых, во всех приборах, в которых определяется данная физическая константа тканей (теплопроводность), в отличие от условий, создаваемых открытой атмосферой, полностью отсутствует движение воздуха, за исключением слабых внутренних конвекционных течений, вызываемых неравномерностью температуры различных частей испытуемых образцов.
Обычно испытуемые ткани заключаются в металлические, т. е. абсолютно воздухонепроницаемые, сосуды — калориметры, полностью изолирующие материалы от окружающего воздуха. В открытой же атмосфере постоянно происходит более или менее сильное движение воздуха, которое сказывается на тепловой способности как исследуемого материала, так и одежды в целом. Материалы наиболее пористые, т. е. наиболее воздухопроницаемые, при лабораторных исследованиях оказываются, как правило, и самыми теплыми. Соотношения меняются на открытом воздухе, где вследствие воздушных течений холодный воздух легко проходит сквозь пористые ткани и теплозащитная способность последних оказывается низкой.
Второй фактор заключается в том, что одежда, в особенности теплая, представляет собой сложную систему, состоящую из многих тканей, которые обладают различными гигиеническими свойствами. Поэтому тепловой эффект зависит не только от теплопроводности отдельных составляющих всю систему слоев, но и от взаимного их расположения. Например, можно создать такое сочетание материалов
1П. Калмыков, Диссертация, Военно-медицинская академия.
3 Гигиена и здоровье, № 5
одежды, когда внешним слоем является ткань пористая, рыхлая, легко проницаемая для воздуха (трикотаж). В другом случае в качестве поверхностного слоя можно поставить материал, трудно проходимый для воздуха, ветрозащитный. Ясно, что с точки зрения тепловой экономии второй вариант при тех же самых материалах выгоднее, так как в этом случае вся одежда предохраняется от проникновения сквозь нее холодного воздуха и пододежный воздух будет находиться в состоянии покоя, следовательно, данная одежда окажется более теплой.
Немалое значение также имеет отношение поверхности одежды к лучистой энергии, потому что теплоизлучение, как и поглощение лучистого тепла, для разных материалов различно
В силу высказанных соображений весьма важно определять опытным путем, помимо теплопроводности отдельных материалов, также суммарную теплоизолирующую способность тканей и других материалов в сочетаниях, соответствующих определенной одежде. При таком испытании исследуемая комбинация должна ставиться в условия, приближающиеся к условиям носки одежды; в первую очередь ее нужно подвергнуть воздействию потока движущегося воздуха.
Для определения суммарных тепловых свойств одежных материалов в последнее время были предложены различные приборы. Бахман в 1929 г. предложил использовать для этой цели кататермометр Хилла. В том же году для определения тепловых свойств отдельных одежных материалов и их сочетаний сначала Мюллер, затем Винтшгер и Ди-рингсгофен попытались использовать так называемый фригориметр. В 1934 г. для тех же целей был предложен дисковый прибор Калмыковым.
Кататермометр в силу ряда свойственных ему недостатков явно не пригоден для данных исследований. Фригориметр, помимо некоторых недостатков (крайне неудобная для надевания тканей форма, неточность учета затрачиваемой энергии), сложен по своей конструкции. Поэтому во многих работах мы пользовались дисковым прибором, который, наряду с простотой, дает возможность судить о теплопотерях при испытании различных комбинаций тканей. По принципу своей работы дан-1 ный прибор аналогичен кататермометру, т. е. в обоих приборах производится наблюдение за скоростью падения температуры от 38 до 35°. Однако он существенно отличается от ката: поверхность его больше, обшивание тканями проще, закономерность охлаждения прибора в силу применения однородного материала проще и легче поддается учету.
Дисковый прибор в силу своей плоской формы неудобен для испытаний материалов в потоке воздуха. С этой точки зрения цилиндрическая форма прибора является более совершенной. Поэтому, наряду с медным массивным диском, мы воспользовались также цилиндрическим прибором (рис. 3). Он представляет собой полый цилиндр из латуни диаметром 100 мм и длиной 500 мм. Через дно цилиндра внутри его проходит тонкостенная трубка с запаянным концом. В эту трубку вставляется изолированная электроспираль, обогреваемая током. По периферии цилиндра проложены витки термометра сопротивления, при помощи которого производится наблюдение за движением температуры прибора. Цилиндр одевается сшитыми заранее испытуемыми тканями и подвешивается в строго горизонтальном положении. Опыт сводится к нагреванию цилиндра до +40° и определению времени охлаждения прибора с 38 до 35°, аналогично кататермометру. Результаты исследования выражаются, как и в дисковом приборе, или в абсолютных величинах теплопотерь с единицы площади, или в процентах уменьшения теплоотдачи одетого цилиндра по сравнению с голым.
1 Подробно об этом см. нашу работу «Определение суммарных тепловых свойств тканей», журнал «За реконструкцию текстильной промышленности», № 3, 1935.
Результаты сравнительных испытаний, произведенных нами с помощью цилиндра, представлены в табл. 2—3. Теплопотери в 1 секунду с 1 .см2 поверхность вателинов (шерстяного и хлопчато-бумажного) и меха количественно очень близки между собой. Все же между ними
есть некоторая разница, которая подтверждает результаты, полученные при определении теплопроводности данных материалов. На первом месте (наименьшая теплоотдача) стоит вателин из хлопка, за ним следуют
Таблица 2
Наименование материала Те<мопотеря с 1 см' Толщина материала в мм
в покое в струе воздуха, движущегося со скоростью 9 м/сек
Хлопчато-бумажный вателин........ Шерстяной вателин............ Мех-цыгейка (внутри)............ Хлопчато-бумажный ватин......... Голый цилиндр ............... 16,04 16,15 16,78 19,17 29,70 27,5 28,9 30,1 32,1 285,0 18,0 19,0 19,5 14,5
Таблица 3
Наименование материала 9 Теплоотача в °/0 к голому цилиндру Толщина материала в мм
в покое в струе 9 м/сек.
Хлопчато-бумажный вателин........ Шерстяной вателин............. Мех-цыгейка (внутри)............ Хлопчато-бумажный ватин......... 54,0 54,3 56,5 64,5 9,6 Ю,1 10,6 11,2 ' 18,0 19,0 19,5 14,5
шерстяной вателин и мех. Исследованный нами для сравнения ватин занимает последнее место. Теплозащитные свойства материалов резко выявляются в движущемся воздухе. Так, например, при покрытии прибора хлопчато-бумажным вателином экономится 46% тепла в неподвижном воздухе и 90,4% — в движущемся. Аналогичные цифры мы имеем и в отношении других материалов. Если сравнивать между собой I* испытанные нами материалы по этому показателю, мы получим картину, соответствующую табл. 1.
Таким образом, описанный цилиндрический прибор позволяет производить оценку различных материалов одежды в отношении их теплоизолирующей способности как в неподвижном, так и движущемся воздухе.
Рис. 3. Прибор проф. Калмыкова и Дмитриева
