Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние теории и практики подбора пакетов материалов для теплозащитной одежды лодв 17
1.1. Анализ особенностей теплообмена ЛОДВ 17
1.2. Краткая характеристика теплообмена человека с окружающей средой в условиях субнормальных температур 22
1.3. Анализ нормативных требований к теплозащитной одежде ЛОДВ в условиях субнормальных температур 25
1.4. Анализ современного состояния и ассортимента тепозащитной одежды для ЛОДВ в условиях субнормальных температур 27
1.5. Анализ современных материалов с улучшенными свойствами для теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальных температур 35
1.6. Анализ современных подходов к формированию пакетов материалов с улучшенными свойствами для теплозащитной одежды ЛОДВ 45
1.7. Анализ современных прогностических моделей для вычисления теплообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» в условиях стационарного теплообмена 47
1.8. Анализ имитационных моделей для вычисления теплообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» в условиях нестационарного теплообмена 49
1.8.1. Анализ математических моделей процессов тепломассообмена в пакете материалов 49
1.8.2. Анализ математических имитационных моделей теплообмена в системе «человек – одежда – среда» 57
1.9. Анализ современных методов оценки теплофизических свойств образцов и пакетов текстильных материалов 63
1.10. Анализ экспериментальных методов, основанных на принципе стационарного режима 66
1.10.1. Приборы с плоским чувствительным элементом 66
1.10.2. Приборы с цилиндрическим и шарообразным чувствительным элементом 70
1.11. Анализ экспериментальных методов, основанных на принципе нестационарного режима 71
1.11.1. Квазистационарные методы оценки теплозащитных свойств текстильных материалов 71
1.11.2. Чисто нестационарные методы оценки теплозащитных свойств текстильных материалов 72
1.12. Анализ методов оценки теплозащитных свойств текстильных материалов с использованием термоманекенов 75
1.13. Постановка задач исследования 83
ГЛАВА 2. Разработка подходов к комплексному исследованию нестационарного тепломассообмена в системе «элемент тела лодв – пакета материалов – среда» в условиях субнормальных температур 88
2.1. Построение обобщенной схемы тепломассообмена в пакете материалов при субнормальных температурах 88
2.2. Разработка комплексного подхода к исследованию тепломассообмена в пакете материалов при субнормальных температурах 99
2.3. Разработка методов физического моделирования процессов тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов –
среда» 102
2.4. Разработка алгоритма построение и численного решения математических имитационных моделей процессов тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» 105
2.5. Разработка математической имитационной модели тепловых процессов в рабочем объеме установки 110
2.6. Поиск численных решений математической имитационной модели тепловых процессов в рабочем объеме установки 112
2.7. Разработка метода и устройства для увлажнения пакета материалов 115
Основные результаты и выводы по второй главе 123
ГЛАВА 3. Разработка методов исследования теплофизических свойств образцов и пакетов материалов при квазистационарном режиме испытания 125
3.1. Разработка метода определения динамики теплопроводности текстильных материалов при нестационарном режиме теплообмена 126
3.2. Разработка устройства для исследования распределения температурного поля в пакете материалов 132
3.3. Разработка методики измерения параметров температурного поля в пакете материалов 134
3.4. Разработка метода исследования динамики влагосодержания пакета материалов 138
3.5. Разработка метода исследования теплоотдачи образцов верхнего слоя пакета материалов 146
3.6. Разработка математической имитационной модели свободно конвективного охлаждения вертикального цилиндра 152
3.7. Определение оптимальных конструктивных параметров элементов концентратора воздушного потока . 155
3.8. Разработка методики оценки лучистой составляющей теплоотдачи пакета материалов 157
3.9. Разработка метода и устройства для определения интенсивности скрытой теплоотдачи пакета материалов 159
Основные результаты и выводы по третьей главе 165
ГЛАВА 4. Теоретические и экспериментальные исследования нестационарного теплообмена в образцах материалов для теплозащитной одежды ЛОДВ 167
4.1. Выбор традиционных материалов для теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальных температур 167
4.2. Анализ рекомендаций к комплектованию пакетов синтетических материалов с улучшенными свойствами для теплозащитной одеждыЛОДВ в условиях субнормальных температур 172
4.3. Выбор синтетических материалов с улучшенными свойствами для теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальных температур 180
4.4. Разработка методики экспериментальных исследований динамики теплопроводности материалов для теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальных температур 188
4.5. Экспериментальные исследования динамики теплопроводности традиционных материалов для теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальных температур 191
4.6. Экспериментальные исследования динамики теплопроводности синтетических материалов с улучшенными свойствами для теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальныхтемператур 196
4.7. Разработка методики экспериментальных исследований динамики теплоотдачи традиционных и новых образцов верхнего слоя пакета материалов 200
4.8. Экспериментальная оценка динамики теплоотдачи традиционных и новых образцов верхнего слоя пакета материалов в условиях субнормальных температур 203
Основные результаты и выводы по четвертой главе 207
ГЛАВА 5. Исследование нестационарного тепломассообмена в пакетах материалов для теплозащитной одежды лодв при субнормальных температурах 210
5.1. Разработка методологического подхода к исследованию нестационарного тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» в условиях субнормальных температур 210
5.2. Разработка методов физического моделирования процессов тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» в условиях субнормальных температур . 212
5.3. Разработка методики экспериментального исследования процессов тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакетматериалов – среда» в условиях субнормальных температур 217
5.4. Разработка методов представления результатов исследований 221
5.5. Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в традиционном пакете материалов базовой комплектации 226
5.6. Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в традиционном пакете материалов при изменении толщины бельевого слоя 231
5.7. Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в традиционном пакете материалов при изменении толщины промежуточного утепляющего слоя 234 240
5.8. Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в традиционном пакете материалов при изменении варианта верхнего слоя
5.9. Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в пакетах синтетических материалов с улучшенными свойствами
Основные результаты и выводы по пятой главе
ГЛАВА 6. Имитационное моделирование эксплуатационной эффективности пакетов синтетических материалов с улучшенными свойствами 249
6.1. Разработка метода имитационного моделирования процессов теплообмена в пакете синтетических материалов с улучешнными
6.2. Разработка математической имитационной модели теплообмена в пакете синтетических материалов с улучшенными свойствами 254
6.3. Проверка математических имитационных моделей теплообмена в пакетах синтетических материалов с улучшенными свойствами 258
6.4. Разработка методов интерпретации численных решений 263
6.5. Анализ результатов базового решения математической имитационной модели теплообмена в пакете материалов «Улучш №1».. 265
6.6. Анализ результатов базового решения математической имитационной модели теплообмена в пакете материалов «Улучш №2»..
6.7. Анализ результатов базового решения математической имитационной модели теплообмена в пакете материалов «Улучш №3»..
6.8. Анализ результатов базового решения математической имитационной модели теплообмена в пакете материалов «Улучш №4».. 278
6.9. Анализ результатов базового решения математической имитационной модели теплообмена в пакете материалов «Улучш №5»..
281
6.10. Анализ результатов базового решения математической имитационной модели теплообмена в пакете материалов «Улучш №6».. 283
6.11. Анализ результатов базового решения математической имитационной модели теплообмена в пакете материалов «Улучш №7».. 288
6.12. Обобщение рекомендаций к формированию комплектов теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальных температур 280
Основные результаты и выводы по шестой главе 291
Основные выводы и результаты 292
Библиографический список
- Анализ нормативных требований к теплозащитной одежде ЛОДВ в условиях субнормальных температур
- Разработка комплексного подхода к исследованию тепломассообмена в пакете материалов при субнормальных температурах
- Разработка математической имитационной модели свободно конвективного охлаждения вертикального цилиндра
- Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в традиционном пакете материалов базовой комплектации
Анализ нормативных требований к теплозащитной одежде ЛОДВ в условиях субнормальных температур
Требования к одежде для ЛОДВ достаточно разрознены и содержатся в актуальной нормативной документации, а также в многочисленных исследованиях. Обобщая доступные результаты, комплекс предъявляемых требований можно разделить на [98, 120, 159, 160]: 1) Требования к конструктивному решению изделий, формирующих комплект одежды, согласно которым: - конструкция изделия должна учитывать биомеханические особенности ЛОДВ в процессе одевания и снятия; - конструкция изделия должна учитывать морфологические и биомеханические обосенности тела ЛОДВ в процессе эксплуатации изделия; - конструкция изделия должна обеспечивать психолого физиологическую адаптацию ЛОДВ. 2) Требования к материалам, составляющим пакет одежды ЛОДВ не всегда носят количесвтенный характер, что связано с многообразием ТФО и сложностью их учета в процессе комплектования пакета одежды. По этой причине, комплектование пакетов материалов для теплозащитной одежды ЛОДВ нередко производится по нормативным требованиям, предъявляемым к теплозащитной одежде.
Учитывая ТФО, пакет материалов для теплозащитной одежды должен способствовать поддержанию оптмального теплового состояния ЛОДВ, в частности, за счет поддержания состояния пододежного микроклимата в следующих границах: tп-п=28 С; =35 60 % и концентрацию СО2 0,8 %.. Для этого пакет материалов должен: - споособствовать отведению из-под одежды тепловой энергии в том же количестве, в котором она вырабатывается на поверхности тела человека.
Т.е. при повышении физической нагрузки на человека пакет материалов должен способствовать увеличению теплосьема с поверхности тела, а при усилении охлаждающего воздействия частично компенсировать теплоотдачу с целью снижения теплопотерь человека. Эта способность должна сохраняться как в условиях стационарного тепломассообмена человека с окружающей средой, так и при возможном изменении режимов тепломассообмена даже в течение небольших промежутков времени; - обеспечивать величину градиента температур между поверхностью тела человека и внутренней поврехностью пакета материалов не более Т2,4 С [160]; - обеспечивать максимально быстрый отвод пота от поверхности тела человека и выводить его в окружающую среду, не связывая влагу в структуре пакета материалов; - препятствовать проникновению в пододежное пространство холодного воздуха и влаги извне; - гигроскопичность и воздухопроницаемость материалов, составляющих пакет: Г10 % Q=7 60 дм3/(м2с) [160]; - материал бельевого слоя должен иметь пониженные фрикционные свойства; - пакет материалов не должен создавать избыточную нагрузку на опорно-двигательный аппарат ЛОДВ. Для выполнения этого требования О.В. Приходченко рекомнедует снижать вес изделия, путем обоснования поверхностной плотности комплектующих материалов [160]. В частности, для одежды, эксплуатируемой в условиях комфортных температур предпочтительнее использовать материалы с поверхностной плотностью около 200г/м2. Для пакетов материалов теплозащитной одежды таких рекомендаций не установлено, поэтому из нескольких аналогичных пакетов необходимо выбирать тот, вес которого меньше; - пакет материалов должен создавать требуемый уровень компрессии на поверхность тела человека, причем величина компрессии должна быть разной на различных участках тела, в зависимости от особенностей физиологических ограничений. Рассмотрим ассортимент изделий, используемых ЛОДВ в условиях субнормальных температур, а также оценим соответствие свойств применяемых материалов предъявляемым требованиям.
Вопросы обеспечения эффективной защиты ЛОДВ от переохлаждения в условиях пониженных температур к настоящему моменту проработаны недостаточно полно. Ведущие производители одежды для ЛОДВ пытаются решать эти вопросы на собственной понятийной базе и с использованием оригинальных подходов, учитывающих авторское видение жизненного цикла ЛОДВ.
В числе основных производителей одежды для ЛОДВ отметим: Студию универсального дизайна Галины Волковой, ООО «Ортомода», «Silvert s Adaptive Clothing & Footwear», «Buck & Buck», «Easy Access Clothing», «Professional Fit Clothing» [173, 186, 202, 229, 266, 347, 360]: Анализируя ассортимент продукции, предалагаемой этими производителями, отметим отсутствие общепринятой специализированной терминологии и единых подходов к формированию оптимального пакета материалов теплозащитной одежды для ЛОДВ. Ведущие производители одежды, как правило предлагают законченный ассортимент изделий, разработанный на основе оригинального представления о жизненном цикле ЛОДВ. Из-за несоответствия подходов, сочетание изделий из коллекций различных производителей не всегда позволяет реализовать весь комплекс требований к комплекту в условиях субнормальных температур. Поэтому нередко ЛОДВ осуществляют формирование комплекта теплозащитной одежды на основе эмпирического опыта, путем анализа субъективных ощущений.
Разработка комплексного подхода к исследованию тепломассообмена в пакете материалов при субнормальных температурах
В настоящий момент предпринимаются попытки описания процессов тепломассообмена в системе «человек – одежда – среда» с учетом морфологических особенностей тела человека или его отдельных элементов.
В числе моделей тепломассообмена в системе «элемент тела – пакет – материлов – среда» можно отметить разработку M. Kyughoon, реализованную в математическом пакете Maple [327].
При моделировнаии тела человека, расчетная геометрия моделей строится в трехмерном пространстве. В самом простом случае элементы тела человека аппроксимируются системой цилиндров и шаров. Так, в модели E. D. Yildirim использована система из 16-ти цилиндров, воспроизводящих голову, шею, торс, плечо, предплечье руки, кисти и ноги (рисунок 22, а) [409]. а) б)
Аппроксимационное представление тела человека в модели теплообмена E. D. Yildirim (а – расчетная геометрия тела человека; б – результат вычисления температурного поля на поверхности тела в условиях субнормальных температур)
Интенсивность кровотока в отдельных сегментах тела человека рассчитывается по закону Фика. Для расчета интенсивности теплопередачи между отдельными элементами тела, а также для вычисления внешней теплоотдачи использованы классические уравнения тепломассообмена (15): QTHL = K(TS a)+scr{Ts4 a4)+0,406(PS -Pa)+1,16Ke(Ps -Ра\ (15) где: hc - коэффициент естественно конвективного теплообмена, Вт/(м2К); Ts -температура поверхности тела или одежды, К; Та - температура окружающей среды, К; Ps - давление водяных паров на поверхности кожи, мм.рт.ст.; Ра - давление водяных паров в окружающей среде, мм.рт.ст.; - степень черноты поверхности тела; - постоянная Стефана-Больцмана (5,6710"8 Вт/мК).
Для вычисления отдельных составляющих теплоотдачи используются классические уравнения теплопереноса, записанные в частных производных, а также в критериальном виде. В численную модель интегрирован расчетный модуль, позволяющий вычислять теплоотдачу от тела человека с учетом теплофизических свойств пакета материалов, формирующих комплект одежды. Например, на рисунке 22, б представлены некоторые результаты решений при температуре окружающей среды 6C, влажности воздуха 50% и скорости движения воздуха около 0,05м/с в одежде с теплоизоляцией 3,5 Clo.
Модель P. Cropper основана на представлении тела человека в виде активной и пассивной систем (рисунок 23) [259].
В основу работы активной системы модели (рисунок 23, а) положены регрессионные зависимости, полученные на основе аппроксимации физиологических данных о работе системы терморегуляции. Пассивная система (рисунок 23, б) представлена в виде системы из 19 сферических и цилиндрических элементов, которые содержат около 317 узлов. Модель построена в предположении о том, что тепло распределятся по элементам тела посредством кровообращения и теплопроводности. Теплоотдача с поверхности определяется отдельно по каждой из составляющих с использованием классических уравнений.
Также, как в модели E. D. Yildirim, расчет физиологических параметров, определяющих тепловое состояние человека в одежде возможно только с учетом коэффициентов уже имеющихся текстильных материалов. Модель не позволяет вводить данные о новых материалах и использовать их для проведения вычислений.
Модель M. Salloum (2007) также содержит пассивную и активную системы (рисунок 24). При построении пассивной системы, тело человека разбито на 15 цилиндрических сегментов, каждый из которых разделён на четыре узла – «ядро», «оболочка», «артериальная кровь» и «венозная кровь» [259]. Одним из достоинств модели является достаточно точное воспроизведение процессов переноса тепла с кровотоком. Для вычисления интенсивности кровотока автором использована одна из наиболее точных моделей кровотока – модель мультиветви, предложенная A.P. Avolio [259]. а)
Представление организма человека по модели теплообмена в системе «человек – одежда – среда» P. Cropper (а – модель системы терморегуляции организма человека; б – модель расчета теплопотерь организма) Рисунок 24 – Модель мультиветви M. Sallum для расчета изменения интенсивности кровотока в реультате терморегуляции «Модель теплового комфорта человека», предложенная специалистами NREL Одной из наиболее проработанных математических моделей теплообена челоевека с учетом механизмов терморегуляции [276]. Ее геоетрия является трехмерной и предполагает точное воспроизведение морфологии каждого из слоев тела человека. Например, ткани ноги человека представлены на рисунке 25.
При моделировании элементов ткани, авторами достаточно точно учтены все особенности тела, что достигается использованием в расчетах около 40 000 узлов.
Так же, как в моделях E. D. Yildirim и P. Cropper, эта модель позволяет использовать при расчетах пакет текстильных материалов, на базе уже имеющихся образцов. Однако в отличие от рассмотренных ранее, база данных теплофизических свойств текстильных материалов в модели теплового комфорта человека достаточно обширна. При проведении расчетов пакет материалов рассматриваемого комплекта одежды может быть воспроизведен достаточно полно.
Разработка математической имитационной модели свободно конвективного охлаждения вертикального цилиндра
Для формирования рекомендаций по комплектованию теплозащитной одежды ЛОДВ в условиях субнормальных температур необходимы комплексные знания об интенсивности процессов тепломассообмена в системе «человек – одежда – окружающая среда».
Эти знания могут быть получены в результате теоретических и экспериментальных исследований, для чего необходим комплекс оригинальных методов исследования. В условиях субнормальных температур, тепловое состояние человека формируется под действием процессов теплопродукции в организме и процессов рассеивания тепла через пакет материалов в окружающую среду.
Обобщенная схема процессов рассеивания тепла в окружающую среду через структуру пакета материалов приведена на рисунке 37.
Согласно существующим представлениям, пакет одежды изолирует тело человека от окружающей среды, создавая пододежный микроклимат, состояние которого определяется процессами теплоотдачи с поверхности тела человека; структурой пакета материалов и физическими свойствами, составляющих его материалов; параметрами окружающей среды.
В условиях субнормальных температур теплопродукция ЛОДВ (М, ккал/ч) определяется основным обменом веществ в организме и характером физической деятельности человека. Применительно к ЛОДВ эти величины рассмотрены в разделе 1.1. Обобщенная схема процессов тепломассообмена в системе «человек – одежда – среда» в условиях субнормальных температур
При использовании синтетических материалов с улучшенными свойствами, интенсивность процессов тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» характеризуется: суммарной толщиной материалов, составляющих пакет (h, м), поверхностной плотностью (MS, г/м2), теплоемкостью (с, Дж/(кгК)), теплопроводностью (, Вт/(мК)) материала каждого слоя, а также варианта их комплектования.
Известно, что изменение последовательности слоев в пакетах синтетических материалов с улучшенными свойствами может привести к существенному изменению уровня теплозащитных и гигиенических свойств одежды. Также известно, что величина теплопроводности современных синтетических материалов не является постоянной, а зависит от ряда факторов, например, температуры самого образца.
Интенсивность теплоотдачи и структура баланса теплоотдачи определяются внешними условиями.
Обобщая данные о климатических условиях, наблюдаемых при субнормальных температурах, отметим, что охлаждающее воздействие на человека формируется за счет [11, 15, 53, 128, 172]: - колебания температуры воздуха в диапазоне tокр=+15 -5 (-7) С, подробная характеристика действия этих температур на организм человека приведена в разделе 1.2; - солнечного излучения с интенсивностью E до 400 Вт/м2; - порывистого ветра со скоростью 0,2 10 м/с; - осадков с интенсивностью I = 0,1 0,6 мм/час. Согласно результатам анализа вариантов комплектации синтетических атериалов с улучшенными свойствами в условиях пониженных температур при порывистом ветре и осадках, в комплект теплозащитной одежды вводится верхний слой со свойством односторонней проницаемости, что препятствует проникновению в структуру пакета материалов холодного ветра и влаги извне [320]. Поэтому влияние комплекта факторов окружающей среды может быть охарактеризовано по изменению интенсивности процессов тепломассообмена, протекающих на поверхности пакета материалов [16, 46].
Исходя из этого, может быть предложено модельное представление процессов тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда», развивающее классическую модель элемента тела I.A. Stolwik (рисунок 38) [372]. Тело человека более чем на 80 % состоит из воды, поэтому элемент тела может быть выполнен в виде твердой цилиндрической оболочки (поз. 1), заполненной водой (поз. 2). Пакет материалов, соответствующий рассматриваемому комплекту одежды представляет собой систему вложенных концентрических оболочек (поз. 3), которые размещаются на поверхности элемента тела послойно, начиная с бельевого слоя. Рисунок 38 – Цилиндрическая модель элемента тела человека и пакета одежды
Как уже было установлено ранее (раздел 1.11), тепломассообмен человека с окружающей средой при субнормальных температурах протекает в квазистационарном режиме при граничных условиях первого рода. Сущность режима заключается в поддержании постоянной температуры тела при изменении условий теплообмена за счет изменения интенсивности теплопродукции и теплоотдачи.
При физическом моделировании элемента тела ЛОДВ, воспроизведение механизмов терморегуляции затруднительно. Поэтому особенности теплообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» рациональнее всего воспроизводить за счет изменения уровня теплопродукции при импульсной подаче питания в рабочий объем с целью поддержания постоянной температуры.
Согласно основным положениям теории подобия тепловых процессов, для моделирования тепломассообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» в условиях субнормальных температур необходимо обосновать и постоянно поддерживать заданную разницу температур между элементом тела человека (tэм, С) и окружающей средой (W С): t3M=tOKp+&. (17) Учитывая нестационарный режим процессов тепломассообмена в системе «человек - одежда - среда» при субнормальных температурах расчеты необходимо проводить на основе математических имитационных моделей с использованием численных методов.
Очевидно, что экспериментальная установка модели элемента тела ЛОДВ и имитационная математическая модель должны иметь схожую расчетную геометрию, в которой протекают сходные процессы, описывающие однородными физическими величинами.
Для выполнения этого комплекса требований была предложена следующая расчетная схема обобщенной математической модели в системе «элемент тела человека - пакет материалов - среда» (рисунок 39), в которой: внутренний объем тепловой модели воспроизводится областью I, постоянная температура которой tэм, С поддерживается за счет подведения тепла с плотностью потока qтэн, Вт/м2 электронагревателем (граница 1). Это тепло равномерно распределяется в воде и передается цилиндрической стенке (область II), далее пакету материалов (область III), путем непосредственного контакта на опорных поверхностях или опосредованно, рассеиваясь в воздух пододежного пространства и поглощаясь нижним слоем пакета материалов.
В структуре пакета материалов теплозащитной одежды тепло передается теплопроводностью через волокна, составляющие материал и, также теплопроводностью через воздушные микропрослойки в структуре материала и между слоями. С поверхности элемента тела человека тепло рассеивается в окружающую среду (область IV) конвекцией и излучением.
Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в традиционном пакете материалов базовой комплектации
Для моделирования условий теплообмена при субнормальных температурах в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда», модель элемента тела выводилась на рабочий режим, характеризующийся температурой tэм=44 С.
На протяжении 60-ти минут эксперимента пакет материалов оставался сухим. Плотность теплового потока на рабочей поверхности элемента тела ЛОДВ составляла qэм=55,2 Вт/м2. Градиент температур по толщине пакета материалов составлял grad tпак = 8,4 С. При этом средние температуры поверхностей составили: тепловой модели элемента тела ЛОДВ – 43,5 С, бельевого слоя – 41,9 С, промежуточного слоя – 38,6 С; верхнего слоя – 35,1 С. Наименьшие различия в величине температуры между точками наблюдались на поверхности тепловой модели элемента тела ЛОДВ (рисунок 57, а), наибольшие – на поверхности верхнего слоя (рисунок 57, б).
Результаты исследования представлены в приложении Б. Согласно результатам исследования, в условиях стационарного теплообмена в системе «элемент тела ЛОДВ – пакет материалов – среда» величина температуры в структуре пакета материалов является достаточно устойчивой. Глубина ее колебания не превышают 0,1 С. В то же время различия величин температуры по поверхности слоя могут быть более значительными.
Так, границы доверительного интервала температуры на поверхности тепловой модели элемента тела ЛОДВ составляют tэм=43,5 43,6 С для вероятности =0,98. Т.е. глубина колебания не превышает 0,1 С. Для промежуточных слоев глубина колебания не превышает 0,2 С.
Для верхнего слоя границы доверительного интервала с вероятностью =0,98 составляют tпов=34,8 35,6 С, т.е. глубина колебания температуры повышается до 0,8 С. Таки образом, в условиях стационарного теплообмена температура на поверхности внутренних слоев пакета материалов может быть измерена в двух точках – на высоте 0,25 h от верхнего и нижнего торцов тепловой модели элемента тела ЛОДВ. На поверхности пакета материалов измерения необходимо проводить в четырех точках (например № 1 4).
При увлажнении пакета материалов температурное поле на поверхности пакета становится менее равномерным. Например, на рисунке 58 приведено распределение температурного поля для промежуточного слоя.
За счет более интенсивного подвода тепла при увлажнении, температура поверхности слоев пакета в нижней части пакета (точки 2,4,6) выше. Это объясняется близостью к источнику тепла. В верхней части пакета материалов температура (в точках 1, 3, 5) ниже на 0,4 0,6 С. Насыщая пакет материалов влага повышает его теплопроводность и к моменту насыщения пакета величины температур выравниваются (94-я минута эксперимента). Подвод влаги осуществляется по верхнему торцу модели, поэтому рост температуры в точках 1, 3, 5 происходит быстрее. Однако за счет начальной разницы температур между высотами I и II, величины температур на разных высотах стабилизируются приблизительно в одно и то же время.
Различия в температурах между точками находящихся на одной высоте, но разных секторах незначительно.
Таким образом, при моделировании условий нестационарного тепломассообмена, на каждом из внутренних слоев пакета материалов необоримо располагать два температурных преобразователя – на высотах I и II. На поверхности пакета материалов измерения необходимо проводить в четырех точках (например № 1 4).
Методика оценки динамики теплопроводности использована нами при исследовании теплоизических показателей ряда современных утеплителей для одежды [38]. пакета материалов Для оценки интенсивности вывода пота из пододежного пространства через пакет материалов необходимо знать динамику влагосодержания каждого слоя, формирующего пакет материалов. Для экспериментального определения абсолютного влагосодержания образцов текстильных материалов используются весовые методы [91, 171]. В этой интерпретации величина относительного влагосодержания uобр, г/г характеризует отношение массы влаги в образце в данный момент времени к его массе в сухом состоянии (mсух, г). Масса влаги может быть рассчитана по разности масс влажного (mвлаж, г) и сухого образца Т.е.: При использовании стандартного весового метода (например, ГОСТ 3816-81), взвешиванию подлежат прямоугольные образцы размером 2020 мм, помещенные в бюксу [91].
При исследовании процессов переноса влаги в системе «элемент тела ЛОДВ - пакет материалов - среда» образцы такого размера могут быть отобраны из структуры каждого слоя, формирующего пакет материалов, прием каждый образец может быть взвешен отдельно для определения Швлаж, г. Определение массы образца в сухом состоянии производится после его высушивания до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре U=105± 2 С.
Для реализации этого принципа прямоугольные образцы размером 2020 мм размечаются на каждом слое пакета материалов (рисунок 59 а), для чего надрезаются с боковых и нижней сторон сквозь толщину пакета материалов (рисунок 59, б) для образования элементарных проб [12, 13, 14, 54].
В этом случае, сопоставляя величины влагосодержания образцов, отобранных из пакета насквозь в одной точке, можно исследовать кинетику и динамику влаги в пакете материалов при нестационарном тепломассообмене. При использовании этой методики важная задача заключается в обосновании количества проб, отбираемых с каждого слоя пакета и промежутков времени между отборами. Для ее решения проведены экспериментальные исследования, в процессе которых исследовалась динамика влагосодержания нескольких образцов текстильных полотен, характеристики которых представлены в таблице №11.