Теплопередача через пакеты материалов одежды

Введение

 

Одежда является предметом первой необходимости человека. Правильно сконструированная и отвечающая гигиеническим требованиям одежда не должна стеснять движений человека, мешать кровообращению, дыханию, вызывать неприятные ощущения.

С перехода России на новый международный уровень повышаются требования к качеству выпускаемой продукции, в том числе и швейных изделий. Это касается не только процесса изготовления одежды, но и качества материалов из которых она изготовлена. Ассортимент швейных материалов, существующий в настоящее время, представляет широкие возможности для разнообразного оформления зимней одежды. Но прежде всего зимняя одежда должна обладать хорошими теплозащитными свойствами. [3]

Теплозащитные свойства одежды определяются как волокнистым составом материалов, так и толщиной теплозащитного пакета, конструкцией изделия в целом. На различных участках тела человека требуется различная степень теплозащиты, что диктует необходимость рационального распределения теплозащитных материалов по поверхности тела. Конструкции теплозащитных пакетов на базе объемных утепляющих материалов определяет переменную толщину этих пакетов. Характер изменения толщины пакетов с перо-пуховыми утеплителями оказывает значительное влияние на проектные расчеты термического сопротивления и нормирования материалов.

Аппроксимация поверхности отдельных участков теплозащитных пакетов различными аналитическими зависимостями дает возможность учесть особенности объемных утеплителей на этапе проектирования одежды, разработать методику нормирования материалов верха и утеплителя. [1]

В данной курсовой работе проводится исследование теплозащитных свойств и геометрии пакетов с объемными несвязными утеплителями.

Особенности проектирования теплозащитной одежды

Влияние охлаждающего микроклимата на организм человека

 

С охлаждающим микроклиматом человек сталкивается при работе на открытом воздухе в зимний и переходные периоды года (нефтяники, рабочие горнорудной и угольной промышленности, рабочие железнодорожного транспорта, геологи и др.). Факторы охлаждающего микроклимата действуют в производственных помещениях, где низкая температура воздуха необходима по технологическим причинам. В ходе эволюционного развития человек не выработал устойчивого приспособления к холоду. Его биологические возможности в сохранении температурного гомеостаза весьма ограниченны. В охлаждающей среде они определяются снижением теплопотерь за счет уменьшения градиента между температурой поверхности тела и среды в результате охлаждения рецепторов кожи и спазмирования под влиянием этого, кровеносных сосудов, увеличения термического сопротивления тканей организма. Однако этот механизм поддержания температурного гомеостаза, сопровождающийся выраженным напряжением реакций терморегуляции, неэффективен. И хотя переносимость холода человеком несколько увеличивается при адаптации его к этому фактору, для разработки средств зашиты это не имеет существенного значения, принимая во внимание и тот факт, что физическая работа является фактором, препятствующим процессу акклиматизации. [2]

Холод способствует возникновению сердечнососудистой патологии, приводит к обострению язвенной болезни, радикулита, обусловливает возникновение заболеваний органов дыхания, увеличивая потери рабочего времени за счет заболеваемости с временной утратой трудоспособности. Возникновение или обострение ряда заболеваний (бронхита, пневмонии, тонзиллита, язвенной болезни желудка, эндокринных расстройств и др.: тесно связано с действием на организм экстремальных факторов внешней среды и с фазами адаптивных перестроек.

Общее и локальное охлаждение человека (особенно кистей) способствует изменению его двигательной реакции, нарушает координацию и способность выполнять точные операции, вызывая тормозные процессы в коре головного мозга, что может быть причиной возникновения различных форм травматизма. Энергетический обмен переключается с углеводного на жировой, т. е. повышается способность тканей утилизировать липиды. Даже при кратковременном влиянии холода в организме происходит сложная перестройка регуляторных и гомеостатических систем, изменяется иммунный статус организма.

Поэтому мероприятия по борьбе с охлаждением человека, особенно работающего в ненормируемом микроклимате (и в частности на открытой территории), должны быть направлены на обеспечение допустимого теплового состояния человека. Одним из них является использование одежды, соответствующей условиям его жизнедеятельности. [1]

Теплопередача через пакеты материалов одежды

 

При проектировании теплозащитной одежды необходимо иметь в виду, что ее тепловое сопротивление должно оцениваться совокупным изолирующим действием готовой конструкции.

Теплозащитные свойства одежды определяются тепловым сопротивлением материалов пакета и конструкцией готового изделия. Значение каждого из этих элементов в теплоизоляции организма при различных условиях эксплуатации одежды неодинаково. В случае пребывания 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. Наибольшее значение в теплоизоляции человека принадлежит тепловому сопротивлению пакета материалов, конструкции же одежды отводится дополнительная роль.

Перемещение тепла в одежде, как и в любой среде, происходит только при разности температур, в частности, при разности между температурой поверхности тела под одеждой и температурой наружного воздуха. Перенос тепла от тела человека к наружному воздуху через разделяющий их пакет материалов одежды представляет собой сложный процесс.

Простые способы теплообмена (кондукция, конвекция, радиация) в обособленном виде практически почти не встречаются. Как правило, передача тепла осуществляется одновременно посредством всех трех способов теплообмена или каких-либо двух из них.

Процесс прохождения тепла от поверхности кожи человека через пакет материалов одежды в окружающую среду может быть представлен двумя основными законами распространения тепла. Закон Фурье применим к тепловому потоку внутри одежды, а закон Ньютона - к явлениям, происходящим на границе между поверхностью одежды и внешней средой.Согласно закону Фурье тепловой поток q может быть определен по уравнению

 

 ,

 

где q - тепловой поток - количество тепла, протекающего в единицу времени от одной изотермической поверхности с температурой t + ∆t к другой;

𝜆 - коэффициент теплопроводности;

𝛿 - расстояние между изотермическими поверхностями;

t_k - температура кожи человека (под одеждой);

t_n.o - температура наружной поверхности одежды.

Коэффициент теплопроводности материалов одежды - одна из основных теплофизических величин, характеризующих теплозащитные свойства. Экспериментальные исследования П.А. Колесникова показали, что для воздушно-сухих материалов одежды он практически не зависит от их структуры, волокнистого состава и вида отделки. При тепловых расчетах одежды этот коэффициент можно считать постоянной величиной, равной 0.0495 Вт/(м °С). Для оценки теплозащитных свойств материалов и пакетов из них наиболее важной величиной является не коэффициент теплопроводности 𝜆,а обратная ему величина - тепловое сопротивление R _т m² °C/Bt. Для каждого слоя

 

R_T = 𝛿/𝜆,

 

где 𝛿 - толщина слоя, м;

𝜆 - коэффициент теплопроводности. Вт/(м °С).

Величина R_т отражает передачу тепла внутри материала. Теплозащитная способность в этом случае находится в прямой зависимости от величины теплового сопротивления.

Зависимость теплового сопротивления материалов от их толщины имеет в относительно спокойном воздухе линейный характер и в значительно меньшей степени определяется их структурными параметрами и видом волокнистого состава. Общее уравнение, отражающее эту зависимость, имеет вид

 

R_T = 𝛿/0,0495+ 0,001,

 

Согласно обобщенному закону Ньютона количество тепла, отдаваемое в единицу времени элементом наружной поверхности в окружающую среду, пропорционально разности температур поверхности (t_n) исреды (t_c). Он выражается уравнением

q = 𝛼 (t_n-t_c),

 

где 𝛼 - коэффициент теплоотдачи.

Таким образом, процесс передачи тепла от поверхности тела человека в окружающую среду состоит из двух частей: передачи тепла от внутренней поверхности одежды к наружной при перепаде температур от t_k до t_no и от наружной поверхности одежды (при температуре t_no) в окружающую среду (в частности, воздушную).

Совокупное изолирующее действие одежды, характеризующее весь процесс теплопрохождения от поверхности во внешнюю среду, может быть выражено суммарной величиной R_сум

 

R_сум⁼ R_э + R_в.п+R_п,

 

где R_в.п тепловое сопротивление воздушных прослоек между отдельными слоями материалов, а также между кожей человека и примыкающим к ней слоем материала.

Следовательно, задача технического расчета суммарного теплового сопротивления тканей и пакетов материалов одежды в первом приближении может быть сформулирована таким образом: при известных физических факторах среды одежда должна быть подобрана так, чтобы ее суммарное тепловое сопротивление обеспечило соответствующую гигиеническим требованиям величину q согласно уравнению

q = (t_k-t_c)/R_сум

 

Согласно этому уравнению количество теряемого организмом тепла зависит от перепада температур между телом человека (t_K) и внешней средой (t_c) и суммарного сопротивления одежды (R_сум). При постоянном R_сум теплопотери возрастают пропорционально увеличению перепада температур. При постоянном перепаде температур и увеличении R_сум материалов теплопотери через пакет материалов снижаются по гиперболическому закону.

Как показали результаты сравнительных исследований пакета материалов одежды на экспериментальном приборе и одежды непосредственно на человеке, имеются существенные, а самое главное, практически не поддающиеся коррекции различия. Поэтому исследованию готовой одежды с участием человека, продолжают уделять особое внимание как с целью получения закономерностей эмпирического характера для проектирования и изготовления одежды, так и с целью оценки ее соответствия с заданными условиями эксплуатации.[1]