Спосіб визначення теплового опору пакета матеріалів одягу

Спосіб визначення теплового опору пакета матеріалів одягу, при якому випробовуваний пакет розміщують між двома металевими осердями, одне з яких нагрівають пропусканням змінного струму через вмонтований електронагрівник, створюють стаціонарний тепловий потік між осердями, вимірюють змінний струм електронагрівника і визначають тепловий опір по формулі, який відрізняється тим, що після нагріву одного з осердь охолоджують інше осердя пропусканням постійного струму через вмонтований термоелектричний охолоджувач до мінімальної температури осердя, після виміру змінного струму електронагрівника та температури у обох осердях збільшують постійний струм через термоелектричний охолоджувач, фіксують збільшення температури нагрітого осердя, зменшують змінний струм електронагрівника до досягнення первинної температури нагрітого осердя, вимірюють встановлений змінний струм нагріву і збільшену відносно первинної температуру охолодженого осердя, а тепловий опір R T пакета матеріалів визначають за формулою: ST2  T1  RT  , м2  К / Вт , 2J1  J2 RJ1 Корисна модель належить до техніки випробувань текстильних матеріалів і може бути використана для визначення теплового опору пакетів матеріалів одягу. Для виготовлення одягу широко використовуються пакети з декількох шарів текстильних матеріалів, різних по структурі, властивостям і призначенню, між якими є повітряні проміжки. Важливою характеристикою пакету є його тепловий опір R T , який значною мірою визначається його теплопровідністю. Слід врахувати, що коефіцієнт теплопровідності пакету матеріалів характеризує теплопередачу через шари пакету не лише теплопровідністю, але і конвекцією через повітряні проміжки, пори. Тому тепловий опір пакету матеріалів визначається виразом:  RT  м 2  К / Вт , E де  - товщина пакету, м;  E - еквівалентний коефіцієнт теплопровідно       (13) 60133  (11)  сті, Вт / м2  К . Аналітичний розрахунок R T пакету матеріалів по теплопровідності його шарів представляє велику складність, так як теплофізичні коефіцієнти не проявляють властивість аддитивності. У зв'язку з цим оцінка R T пакету матеріалів переважно виробляється експериментально з використанням різних способів, заснованих на формуванні направленого теплового потоку через випробовуваний пакет і вимірі перепаду температур [Делль Р.А., Афанасьева Р.Ф., Чубарова З.С. Гигиена одежды: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Легпромбытиздат, 1991. - С. 69-73]. Відомий спосіб визначення теплового опору пакету матеріалів одягу, заснований на виміряному в дослідженні темпі регулярного охолоджуван UA R - oпip електронагрівника. (19) T2 - зростаюча температура охолодженого осердя; J1 - початковий встановлений змінний струм електронагрівника; J 2 - зменшений змінний струм електронагрівника; U де S - площа пакета матеріалів під осердями; T1 - первинна температура охолодженого осердя; 3 ня заздалегідь нагрітого осердя калориметра через випробовуваний пакет матеріалів одягу у корпусі калориметра в умовах навколишньої кімнатної температури і обчисленні теплового опору пакету матеріалів по формулі [Эксплуатационные свойства материалов для одежды и методы оценки их качества: Справочник / Гущина К.Г., Беляева С.А., Командрикова Е.Я. и др. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - С. 240-243]. У розрахункову формулу входять поряд з відомими параметрами системи калориметр-пакет матеріалів і маловідомі параметри випробувального пакету (теплоємність пакету, об'ємна маса матеріалу, коефіцієнт розсіяння тепла). Із-за неточних значень вказаних параметрів пакету матеріалів істотно знижується точність визначення теплового опору пакету матеріалів (похибка досягає 812%). При великій товщині пакету матеріалів виникають додаткові похибки від витоку тепла по теплозахисній оболонці осердя і коливань температури довкілля. Відомий також спосіб визначення теплового опору пакету матеріалів одягу [Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник / Л. И. Анатычук. - Киев: Наукова думка, 1979. - С. 237239], при якому, випробовуваний пакет розміщують між двома металевими осердями, одне з яких нагрівають пропусканням змінного струму через вмонтований електронагрівник, створюють стаціонарний тепловий потік між осердями, вимірюють і визначають тепловий опір по формулі. Крім того, цей спосіб передбачає вимір перепаду температур між нагрітою і охолоджуваною поверхнями пакету, герметизацію пакету, що нагрівається, постійність потужності електричного нагрівника і відсутність втрат тепла через поверхню пакету матеріалів. Передбачається у відомому способі, що вся теплова потужність електричного нагрівника переноситься випробувальним пакетом в термостат. Насправді неминучі втрати тепла, яке важко зменшити теплоізолюючими прокладками, засипками і радіаційними екранами. Вплив втрат тепла повністю врахувати розрахунковим способом важко. Тому похибка виміру теплового опору пакету матеріалів досягає 7-8% при використанні розрахункової формули: TS RT  , м 2  К / Вт , J2R де T - виміряний перепад температури; S - площа пакету, що нагрівається; J - змінний струм через нагрівник; R - опір нагрівника. У основу корисної моделі покладено завдання створити такий спосіб визначення теплового опору пакету матеріалів одягу, в якому введенням нових операцій, забезпечилося б підвищення точності визначення теплового опору. Поставлене завдання вирішується тим, що в спосіб визначення теплового опору пакету матеріалу одягу, при якому випробовуваний пакет розміщують між двома металевими осердями, одне з яких нагрівають пропусканням змінного струму через вмонтований електронагрівник, створюють стаціонарний тепловий потік між осердями, вимі    60133 4 рюють змінний струм електронагрівника і визначають тепловий опір по формулі, згідно корисної моделі, після нагріву одного з осердь охолоджують інше осердя пропусканням постійного струму через вмонтований термоелектричний охолоджувач до мінімальної температури осердя, після виміру змінного струму електронагрівника та температури у обох осердях, збільшують постійний струм через термоелектричний охолоджувач, фіксують збільшення температури нагрітого осердя, зменшують змінний струм електронагрівника до досягнення первинної температури нагрітого осердя, вимірюють встановлений змінний струм нагріву і збільшену відносно первинної температуру охолодженого осердя, а тепловий опір R T пакету матеріалів визначають за формулою: ST2  T1  RT  , м 2  К / Вт , 2J1  J2 RJ1 де S - площа пакетів матеріалів під осердями; T1 - первинна температура охолодженого осердя; T2 - зростаюча температура охолодженого осердя; J1 - початковий встановлений змінний струм електронагрівника; J 2 - зменшений змінний струм електронагрівника; R - oпip електронагрівника. Введення операцій по охолоджуванню осердя, протилежного до осердя, що нагрівається постійним струмом, який пропускають через термоелектричний охолоджувач, встановлення оптимального струму охолоджування по мінімальній температурі осердя дозволяє збільшити тепловий потік через пакет матеріалів при тому ж самому його тепловому опорі. Вимір температури охолодженого осердя, збільшення постійного струму через термоелектричний охолоджувач і подальше відновлення температури осердя, що нагрівається, до первинного значення зменшенням змінного струму через нагрівник стабілізує рівень теплових втрат у довкілля і збільшує направлений тепловий потік через пакет матеріалів. В результаті збільшення теплового потоку зростає температура охолодженого постійним струмом осердя. Ступінь зменшення охолоджування осердя фіксують виміром збільшеної температури осердя. Вимір початкового змінного струму нагріву і його зменшеного значення, вимір початкової і збільшеної температури охолоджуваного осердя дозволяє обчислити тепловий опір пакету матеріалів по запропонованій формулі без впливу неминучих теплових втрат, що сприяє підвищенню точності визначення теплового опору пакету матеріалів при знижених вимогах до рівня теплових втрат у довкілля. На кресленні представлена вимірювальна схема для визначення теплового опору пакету матеріалів одягу. На схемі: 1 - металеве осердя, що нагрівається; 2 - електронагрівник; 3 - амперметр; 4 - автотрансформатор; 5 - мережа змінної напруги; 6 охолоджуване металеве осердя; 7 - термоелект    5 ричний охолоджувач; 8 - реостат; 9 - випрямляч; 10 і 11 - термодатчики; 12 - перемикач; 13 - вимірювач температури. Позицією 14 позначений багатошаровий пакет матеріалів одягу. Металеве осердя 1 нагрівається вмонтованим електронагрівником 2, через який проходить змінний струм, вимірюваний амперметром 3. Струм регулюється автотрансформатором 4, який підключений до мережі змінної напруги 5. Металеве осердя 6 охолоджується термоелектричним охолоджувачем 7, який підключений через реостат 8 до випрямляча 9. Термодатчики 10 і 11 через перемикач 12 сполучені з вимірювачем температури 13. Досліджуваний пакет матеріалів одягу 14 розміщують між металевими осердями 1 і 6. Спосіб визначення теплового опору пакету матеріалів одягу відбувається таким чином. Металеве осердя 1 нагрівають електронагрівником 2, змінний струм через який регулюють автотрансформатором 4. Температуру нагріву встановлюють на рівні 50-60°С, яку контролюють за допомогою термодатчика 11 і вимірника температури 13. Металеве осердя 6 охолоджують за допомогою термоелектричного охолоджувача 7, через який пропускають постійний струм від випрямляча 9. Охолоджування осердя 6 відбувається за рахунок поглинання теплоти Пельтьє в спаях термоелектричного охолоджувача 7. Температура охолоджування залежить від значення постійного струму, оскільки поряд з поглинанням теплоти за рахунок ефекту Пельтьє безпосередньо в спаях термоелектродів відбувається і виділення теплоти Джоуля у самих термоелектродах і її вступ в спаї за рахунок теплопровідності термоелектродів. Тому електрична потужність, яка перетвориться безпосередньо в холод, визначається виразом: W X  pI  kI 2r , (1) де p - коефіцієнт Пельтьє матеріалів термоелектродів; I - постійний струм через термоелектроди; r - опір термоелектродів; k - коефіцієнт, що враховує долю теплоти Джоуля, яка поступає в спаї термоелектродів. Максимальне значення потужності, що охолоджує, від значення струму можна визначити, якщо продиференціювати вираз (1) і прирівняти його до нуля: dWX  p  2kIr  0 , (2) dI Вирішуючи рівняння (2) відносно струму, набуваємо значення оптимального струму охолоджування: p , (3) I0  2kr Оптимальний струм можна встановити і експериментально реостатом 8 по мінімальному значенню температури охолоджуваного осердя 6. Для цього термодатчик 10 через перемикач 12 підключається до вимірника температури 13. 60133 6 В результаті охолоджування осердя 6 і нагріву осердя 1 між ними через випробовуваний пакет матеріалів 14 встановлюється стаціонарний тепловий потік великої інтенсивності, що знижує рівень теплових втрат у довкілля. Після досягнення максимального охолоджування осердя 6 (практично на 8-10°С) вимірюють сталу температуру T1 нагрітого осердя 1 і температуру T охолодженого осердя 6 за допомогою термодатчиків 10, 11 і вимірника температури 13. Вимірюють також значення змінного струму нагріву J1 амперметром 3. Рівняння теплового балансу нагрітого осердя 1, теплові втрати якого є визначальні, можна представити у вигляді: ST  T1  WH   FT  T0  , (4) RT де WH - електрична потужність нагріву; S - площа пакету матеріалів під осердями; R T - тепловий опір пакету матеріалів; T0 - температура довкілля;  - коефіцієнт тепловіддачі бічної поверхні осердя 1; F - площа бічної поверхні осердя 1. Змінюють режим роботи термоелектричного охолоджувача (наприклад, збільшенням постійного струму IX реостатом 8). При струмі охолоджу вання IX  J0 температура осердя 6 підвищується, оскільки теплота Джоуля починає переважати над   теплотою Пельтьє kI 2r  pI . В результаті підвищення температури T1 осердя 6 підвищується і  температура T  нагріву осердя 1, оскільки зменшився тепловий потік через випробувальний пакет. Рівняння теплового балансу приймає вигляд:  ST   T1   WH   FT   T0  , (5) RT де T  T і як наслідок збільшення теплових втрат FT  T0  . Автотрансформатором 4 зменшують змінний струм нагріву до нового значення, при якому відновлюється первинна температура осердя 1 T  T . Вимірюють встановлене значення струму нагріву J 2 і сталу температуру T2 охолодженого осердя 6. Рівняння теплового балансу нагрітого осердя 1 для цього випадку: ST  T2   WH   FT  T0  . (6) RT З виразу (6) видно, що при відновленні температури осердя, що нагрівається, 1 за рахунок зменшення змінного струму нагріву J2  J1  відновлюється і рівень теплових втрат ( FT  T0  ). Тому, порівнюючи рівняння (4) і (6) по теплових втратах, можна записати: ST  T1  ST  T2  , (7)  WH  WH RT RT 7 60133 Вирішивши рівняння (7) відносно теплового опору R T , отримаємо: ST2  T1  . (8)  WH  WH Слід врахувати, що потужність нагріву осердя 1 визначається квадратом змінних струмів нагріву J1 і J 2 . Тому вираз (8) можна представити у вигляді: ST2  T1  , (9) RT  2 J1  J2 R 2 де R - опір електронагрівника 2. При невеликому охолоджуванні осердя 6 (до 10°С) струми нагріву J1 і J 2 близькі по значеннях. RT    Тому вираз (9) представимо як: ST2  T1  ST2  T1  . (10) RT   J1  J2 J1  J2 R 2J1  J2 RJ1 З отриманого виразу (10) видно, що тепловий опір R T визначається відношенням різниці температур охолоджуваного осердя 6 до різниці тих, що нагрівають осердя 1 змінних струмів, і не залежить від рівня теплових втрат нагрітого осердя 1. Завдяки цьому підвищується точність виміру тепло Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 вого опору пакетів матеріалів і спрощується методика вимірів, оскільки не потрібна ретельна теплоізоляція осердя, що нагрівається, або його вакуумування. Розрахункова формула (10) не вимагає виміру градієнта температур у випробовуваному пакеті матеріалів, який важко виміряти з високою точністю із-за неминучої нестабільності і неідентичності характеристик термодатчиків, вмонтованих в осердях. Використання пропонованого способу визначення теплового опору пакетів матеріалів одягу в легкій промисловості забезпечить: - раціональніший підбір матеріалів, що входять в пакет, для забезпечення теплозахисних властивостей одягу в суворих кліматичних умовах; - оцінювання нових матеріалів і технологій їх виготовлення по здатності протистояти відкритому вогню і поширенню нагрітого повітря; - створення композиційних структур з натуральних і синтетичних тканин, що мають хорошу повітропроникність і високу вологопоглинаючу здатністю для використання в медичних цілях; - розвиток нанотехнологій виробництва тканин і плівок із заданими теплозахисними властивостями. Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601