Исследование и проектирование теплопроводности текстильных полотен
Теплопроводность текстильных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава. Методология экспериментального определения и обработки данных, программа для расчёта характеристик теплопроводности на базе пакета электронных таблиц Excel.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.09.2018 |
| Размер файла | 2,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Исследование и проектирование теплопроводности текстильных полотен
В.В. Исаев
Аннотация
В статье приведены результаты исследования теплопроводности текстильных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава. Разработаны методология экспериментального определения и обработки данных, а также программа для расчёта характеристик теплопроводности на базе пакета электронных таблиц Excel.
Ключевые слова: Теплопроводность, текстильные полотна, температурный диапазон, природа волокон, структурные характеристики тканей, влияние излучения и пористости, эффективный коэффициент теплопроводности.
Введение
Для текстильных полотен (ТП), используемых как в бытовых, так и в технических целях, часто определяющую роль имеют их теплофизические свойства и, в частности, их теплопроводность.
Известно, что ТП представляют собой гетерогенные пористые системы с особенностями структуры, определяемыми способом их изготовления. Согласно существующей классификации различных моделей гетерогенных пористых структур, все многообразие ТП (ткани, трикотаж, нетканые материалы и др.) по характеру структуры можно разделить на три основные группы:
· полотна с хаотическим распределением волокон в объеме - нетканые материалы: ваты, войлоки и др.;
· полотна с упорядоченным распределением волокон - ткани, трикотаж, сетки и др.;
· композиционные полотна, представляющие различные композиции слоев с упорядоченным и хаотическим расположением волокон.
Создание полотен с заданными теплофизическими свойствами - одна из важнейших задач для технологов. Для решения этой задачи необходимо иметь зависимости, которые позволяют определять структурные характеристики ТП по заданным значениям теплофизических параметров.
В общем случае перенос тепла в пористых материалах проходит “по скелету" - волокнам посредством теплопроводности (кондуктивный теплоперенос), а “по жидкости” (воздуху) как теплопроводностью (молекулярный теплоперенос), так и конвекцией за счет свободного (или вынужденного) движения нагретой “жидкости" в поровом пространстве материала. Эти процессы оказываются взаимосвязанными, поскольку между скелетом и жидкостью происходит сложный как конвективный, так и лучистый теплообмен. Вследствие этого, для определения величины теплового потока, проходящего через пористое вещество, используется некоторая условная величина - эффективный коэффициент теплопроводности - эф. Эта условная величина имеет смысл коэффициента теплопроводности некоторого однородного тела, через которое при одинаковой форме, размерах и температуре на границах проходит то же количество теплоты, что и через данное пористое тело.
Исследования различных авторов дают основание сделать вывод, что для текстильных полотен при используемых в большинстве случаев температурах, конвективной и лучистой составляющими можно пренебречь.
Таким образом, при описании процесса переноса тепла в гетерогенных пористых системах, каковыми являются и текстильные полотна, необходимо установить в общем случае зависимость эффективного коэффициента теплопроводности эф от коэффициентов теплопроводности компонент i и их концентраций mi, т.е.
(1)
Было много попыток решения этой задачи аналитическими методами, однако позитивный результат не был достигнут, поскольку эти методы основаны на упрощенных моделях.
Сложность заключается в том, что при решении не учитывают большое многообразие структурных особенностей текстильных полотен, таких, например, как пористость в нитях и пряже, пористость в ткани, также не учитывается и наличие контактных сопротивлений между волокнами и нитями.
теплопроводность текстильный полотно переплетение
Методика экспериментального определения эффективной теплопроводности текстильных полотен и обработки экспериментальных данных
Поставлена задача разработки на основе экспериментальных данных метода расчета эффективной теплопроводности текстильных полотен широкого класса, адекватно моделирующего их структуру. Т.е. сформулирована задача разработки методики прогнозирования теплопроводности текстильных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава.
В настоящее время для исследований теплопереноса и определения эффективных коэффициентов теплопроводности изучаемых материалов наиболее широко применяется стационарный метод нагреваемой пластины с компенсацией тепловых утечек от основного нагревателя и исследуемых образцов.
Для определения эф был выбран прибор для измерения теплопроводности ИТ--400 ("измеритель теплопроводности"). Этот прибор рассчитан на проведение теплофизических исследований в широком температурном диапазоне (от - 1000С до + 4000С) с высокой точностью, как в лабораторных, так и в промышленных условиях.
Особенностью данного измерителя теплопроводности является ряд мер, предусмотренных как в конструктивных механических, так и в электронных схемах, направленных на минимизацию, как основной погрешности эксперимента, так и отдельных ее составляющих (случайную и систематическую).
Исследована теплопроводность широкой гаммы текстильных полотен из натуральных волокон (хлопок, шерсть, лен), синтетических (полиэстер, полиамид, аримид, терлон), искусственных (вискоза, триацетад) и смешанных (хлопок + вискоза, вискоза+лен, вискоза+полиэфир).
Разработана программа для электронных таблиц Microsoft Ехсеl, использующей арсенал функциональных и графических возможностей компьютера, а также возможностей математической статистики и математического моделирования. Она обеспечивает выявление температурной зависимости коэффициента теплопроводности материала на фоне достаточно больших разбросов, как результатов прямых измерений, так и соответствующих этому больших разбросов расчетных значений коэффициентов теплопроводности. Здесь использован аппарат математической статистики и графического математического моделирования в Ехсе1. Стандартное отклонение, доверительный интервал и погрешность определения среднего значения коэффициента теплопроводности вследствие неоднородности структуры определяются после двойного усреднения по числу повторных измерений (i = 2 - 5).
Данная программа электронных таблиц позволяет распечатать графическую температурную зависимость коэффициента теплопроводности материала в виде кривой линии регрессии при выборе полиномиальной (наиболее достоверной) аппроксимации. В качестве примера в таблице 1 приведены результаты обработки экспериментальных данных для ткани из шерсти.
Таблица 1. Эффективный коэффициент теплопроводности ткани
|
Шерстяная ткань № 9060-190 |
|||||
|
Температура, 0С |
25 |
50 |
75 |
100 |
|
|
Ср. значение эффективного коэффициента теплопроводности, Вт/м К |
0,050038 |
0,043899 |
0,045420 |
0,052602 |
|
|
Абс. погрешность коэф. теплопроводности |
0,001265 |
0,001172 |
0,001351 |
0,001435 |
|
|
Относительная погрешность, % |
2,527783 |
2,669658 |
2,975017 |
2,728503 |
Анализ результатов экспериментальных исследований
Влияние температуры на величину
эффективного коэффициента теплопроводности
В результате проведённых экспериментов были получены значения эффективного коэффициента теплопроводности текстильных полотен при различной пористости в диапозоне температур oт 250 до 1000С.
На рисунках 1 и 2 приведены графические зависимости значения при температурах 25, 50, 75, 100 0С для шерстяной ткани и хлопчатобумажной ткани.
Рис. 1. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности шерстяной ткани от температуры (пористость АОБ = 55%, толщина h = 0,00025м.)
Рис. 2. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности х/б ткани от температуры (пористость Аоб =64%, толщина h=0,00027м).
Результаты экспериментов показывают (см. рис.1 и 2), что как в одном, так и в другом случае значение достигает минимума при некотором значении температуры . В то же время известно, что теплопроводность большинства твердых материалов увеличивается с ростом температуры. Такой характер зависимости в диапазоне температур от 250С до , который якобы противоречит существующему представлению о зависимости теплопроводности от температуры для твердых материалов объясняется следующим.
Суть в том, что волокнистые материалы, к которым относятся и текстильные материалы, обладают гигроскопическими свойствами, т.е. способны поглощать влагу из окружающей среды. Влагосодержание материала зависит от его физических свойств, температуры и влажности среды.
При поглощении влаги волокна набухают и чем больше их способность к набуханию, тем больше они поглощают влаги. Наличие в порах определенного количества влаги приводит к увеличению теплопроводности, что объясняется тем, что вода имеет теплопроводность в 20 раз больше, чем теплопроводность воздуха в порах. Кроме того, надо иметь в виду, что присутствие влаги в порах материала вследствие набухания волокон и нитей увеличивает размеры контактных площадок между волокнами материала, что также оказывает влияние на увеличение эффективного коэффициента теплопроводности.
По мере повышения температуры ткани происходит уменьшение ее влажности, что в диапазоне температур от 25°С до имеет превалирующее влияние на уменьшение , чем влияние температуры на его увеличение. Дальнейший рост температуры выше приводит к постепенному возрастанию эффективного коэффициента теплопроводности.
Подтверждением вышесказанному являются результаты опытов, проведенных с образцами х/б ткани при воздушно-сухом состоянии и предварительно выдержанных в сушильном шкафу при температуре 103°С в течение 1,5 и 3-х часов (см. рис.3).
Рис.3. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности хлопчатобумажной ткани до и после сушки от температуры.
Из приведенных данных следует, что во всем исследуемом температурном диапазоне от 25°С до 100°С у образцов ткани после сушки значительно ниже, чем до сушки. Определённое количество воды при нахождении образца в сушильной камере испарилось, что отразилось на теплопроводности материала, но, судя по всему, вследствие высокой гигроскопичности текстильных материалов, в процессе перемещения ткани из сушильного шкафа в измерительную ячейку прибора, волокна вновь поглощают некоторое количество влаги из воздуха, чем и можно объяснить сохранившийся характер зависимости .
Аналогичные результаты получены и для нетканых материалов (см. рис.4).
Рис.4. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности нетканых материалов с фольгой и без фольги от температуры.
Влияние излучения
Оценку лучистой составляющей можно производить с помощью приближенных расчетных формул.
Для оптически тонкого слоя лучистая составляющая составляет
, (3)
где - приведенная степень черноты.
Для оптически толстого слоя, как и в общем случае,
, (4)
где - степень черноты стенки; - постоянная Стефана-Больцмана; - коэффициент ослабления; n - показатель преломления среды; - функция, учитывающая влияние степени черноты стенок и оптической толщины образца, (здесь - объемный спектральный коэффициент поглощения; L - физическая толщина слоя, через который осуществляется перенос тепла излучением).
Рассмотрим влияние лучистой составляющей на примере шерсти при температуре 30С:
; м.
Обычно эффективный коэффициент теплопроводности шерсти составляет 0,04-0,05, а полученное значение лучистой составляющей не превышает 3 % от .
Отсюда можно сделать вывод, что для текстильных полотен лучистой составляющей можно пренебречь.
Анализ влияния пористости тканей на лэф.
Ниже в таблицах 2-6 и на рисунках приведены обобщённые результаты экспериментальных исследований значений эффективного коэффициента теплопроводности хлопчатобумажных, шерстяных и синтетических тканей от пористости. По результатам исследований полученные аналитические зависимости эффективного коэффициента теплопроводности тканей от пористости при различных температурах, приведённые в таблице 5.
Таблица 2. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности хлопчатобумажных тканей от пористости
Рис.5. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности хлопчатобумажных тканей от пористости
Таблица 3. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности шерстяных тканей от пористости
|
№№ |
ТКАНЬ |
М, г! м2 |
h 103, м |
Аоб, % |
л25 |
л50 |
л75 |
л100 |
|
|
1 |
Ткань № 9062-190 |
89 |
27 |
75 |
0,052 |
0,040 |
0,042 |
0,047 |
|
|
2 |
Ткань № 9063-190 |
104 |
24 |
67 |
0,054 |
0,044 |
0,043 |
0,050 |
|
|
3 |
Ткань № 9066-190 |
143 |
25 |
56 |
0,055 |
0,047 |
0,050 |
0,053 |
|
|
4 |
Ткань № 9159-190 |
158 |
27 |
55 |
0,056 |
0,050 |
0,051 |
0,053 |
|
|
5 |
Ткань № 8736-190 |
171 |
29 |
55 |
0,057 |
0,049 |
0,050 |
0,055 |
|
|
6 |
Ткань № 9065-190 |
173 |
27 |
51 |
0,057 |
0,051 |
0,052 |
0,055 |
|
|
7 |
Ткань № 9056-190 |
149 |
23 |
50 |
0,055 |
0,049 |
0,051 |
0,052 |
|
|
8 |
Ткань № 9058-190 |
167 |
25 |
48 |
0,056 |
0,051 |
0,052 |
0,054 |
|
|
9 |
Ткань № 9064-190 |
163 |
22 |
43 |
0,055 |
0,050 |
0,053 |
0,055 |
Рис.6. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности шерстяных тканей от пористости.
Таблица 4. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности искусственных и синтетических тканей от пористости
|
№№ |
ТКАНЬ |
М, г! м2 |
h 103, м |
Аоб, % |
л25 |
л50 |
л75 |
л100 |
|
|
1 |
вискоза (70%) + лён (30%) |
199 |
30 |
56 |
0,076 |
0,053 |
0,055 |
0,060 |
|
|
2 |
вискоза (50%) +полиэстер (50%) |
145,5 |
30 |
60 |
0,059 |
0,048 |
0,051 |
0,053 |
|
|
3 |
риоцетод |
181 |
38 |
60 |
0,066 |
0,050 |
0,049 |
0,054 |
|
|
4 |
армос |
152 |
33 |
62 |
0,061 |
0,047 |
0,050 |
0,053 |
|
|
5 |
терлан |
170 |
36 |
61 |
0,064 |
0,046 |
0,051 |
0,056 |
|
|
6 |
армид |
65 |
32 |
83 |
0,042 |
0,033 |
0,035 |
0,038 |
|
|
7 |
полиамид |
70 |
26 |
78 |
0,043 |
0,036 |
0,039 |
0,042 |
|
|
8 |
полиэстер |
208 |
36 |
52 |
0,072 |
0,052 |
0,053 |
0,057 |
|
|
9 |
полиэстер |
85 |
24 |
71 |
0,051 |
0,036 |
0,039 |
0,045 |
|
|
10 |
полиэстер |
183 |
33 |
54 |
0,065 |
0,050 |
0,051 |
0,055 |
|
|
11 |
полиэстер |
215 |
35 |
49 |
0,073 |
0,054 |
0,055 |
0,059 |
Рис.7. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности искусственных и синтетических тканей от пористости
Таблица 5. Уравнения зависимостей эффективного коэффициента теплопроводности тканей от пористости
Заключение
Теплопроводность текстильных материалов зависит от многих факторов: от природы волокон, от структурных характеристик тканей, температуры, влажности и пр. Структурной характеристикой ткани, в наибольшей степени определяющей её теплопроводность, является пористость.
В результате выполненных исследований были установлены экспериментальные зависимости эффективного коэффициента теплопроводности лэф хлопчатобумажных, шерстяных и синтетических тканей от температуры и пористости материала с учётом погрешности определения.
Проведённый анализ полученных экспериментальных данных показал, что с ростом пористости материала увеличивается величина конвективной составляющей лэф, но эта величина мала по сравнению с кондуктивной составляющей волокон, поэтому с ростом пористости материала величина лэф уменьшается до минимальных значений порядка лэф = 0,035 Вт/м*град., т.е. стремится к коэффициенту теплопроводности спокойного воздуха 0,026.
Установлено, что у тканей с разной теплопроводностью волокон наибольшей влияние оказывает пористость, т.е. для лэф основное значение играет кондуктивная составляющая теплопроводности воздуха в порах и минимальная теплопроводность скелета (волокон).
Библиографический список
1. Светлов Ю.В. Термовлажностные процессы в материалах и изделиях легкой промышленности. - М.: Академия, 2006. - 272 с.
2. Умняков П.Н. Экологический и тепловой комфорт. Проектирование процесса оказания услуг: Учебник, Изд. Форум, 2009.448 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Рынок хлопчатобумажных и льняных тканей в России. Сорбция и десорбция водяных паров и воды. Управление качеством текстильных полотен. Определение размерных и структурных характеристик исследуемых товаров. Определение фактической влажности полотен.
дипломная работа [2,8 M], добавлен 07.07.2011Коэффициенты теплопроводности твердых тел, жидкостей и газов. Нестационарные процессы теплопроводности, охлаждение (нагревание) неограниченной пластины. Способ определения теплопроводности жидкой тепловой изоляции при нестационарном тепловом режиме.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 20.03.2017Размерные характеристики текстильных полотен (ткани, трикотажа, нетканых материалов): длина, ширина, толщина. Методы определения драпируемости: иглы и дисковый. Расчет коэффициента корреляции между коэффициентом драпируемости и структурными свойствами.
курсовая работа [722,2 K], добавлен 04.05.2014Обоснование выбора переплетения. Структура пряжи и нитей хлопчатобумажных тканей. Свойства, влияющие на срок службы ткани. Разработка трикотажного полотна ажурных переплетений для изготовления блузона на котонной машине. Технологический расчет рисунка.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 14.04.2015Роль химии в химической технологии текстильных материалов. Подготовка и колорирование текстильных материалов. Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений. Ухудшение механических свойств материалов.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 03.04.2010Характеристика текстильных волокон как основного сырья для производства тканей. Ткачество и ткацкие переплетения. Особенности отделки тканей разного волокнистого состава. Классификация текстильных волокон. Дефекты тканей, возникающие на этапе отделки.
курсовая работа [231,7 K], добавлен 29.11.2012Водопроницаемость, водоупорность и пылепроницаемость текстильных материалов, критерии оценки данных параметров. Оценка сортности натурального и искусственного меха. Принципы и этапы определения воздухопроницаемости пакета одежды. Анализ сорта ткани.
контрольная работа [23,0 K], добавлен 09.07.2015Классификация ткацких переплетений. Драпируемость тканей и методы ее определения. Ассортимент бельевых трикотажных полотен. Характеристика тканей, вырабатываемых простыми и производными саржевыми переплетениями. Технология изготовления натуральной кожи.
шпаргалка [441,4 K], добавлен 10.04.2015Отбор образцов, проб и выборок для исследования свойств текстильных материалов, методы оценки неровности текстильных материалов. Однофакторный эксперимент. Определение линейного уравнения регрессии первого порядка. Исследование качества швейных изделий.
лабораторная работа [128,0 K], добавлен 03.05.2009Для решения задач теплопроводности применяют аналитические методы и численный метод. Чаще применяются: метод Фурье, метод источников и операторный метод. Уравнение процесса, удовлетворяющее дифференциальному уравнению теплопроводности и краевым условиям.
учебное пособие [319,4 K], добавлен 05.02.2009Теоретический анализ научно-технической и методической литературы по изучению свойств материалов. Свойства ткани на светопогоду. Определение стойкости текстильных материалов к действию светопогоды. Инструкция по технике безопасности в лаборатории.
курсовая работа [45,8 K], добавлен 05.12.2008Технологическая схема обработки материалов давлением, обоснование выбора типа печи, конструкция ее узлов, расчет горения топлива и нагрева заготовки. Количество тепла, затрачиваемого на нагрев металла, потери в результате теплопроводности через кладку.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.01.2016Анализ существующих видов теплоизоляционных материалов. Анализ теплоизоляционной краски: история создания, состав, сфера применения. Влияние теплоизоляционной краски на теплотехнические характеристики материалов, определение коэффициента теплопроводности.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 10.07.2017История возникновения кровати, чехлов и покрывал. Стили и направлениями в интерьере. Роль объектов текстильных изделий в современном интерьере спальной комнаты. Проектирование эскизов комплекта текстильных изделий (чехлы и покрывало) для спальной комнаты.
курсовая работа [4,4 M], добавлен 25.06.2012Технология и основные этапы изготовления одежды из трикотажных полотен, требования к данному процессу и применяемые методики. Выбор и обоснование основного и прокладочного, подкладочного и скрепляющего материалов. Способы ухода за трикотажными изделиями.
курсовая работа [720,8 K], добавлен 06.09.2015Сварка и другие виды местной тепловой обработки металла. Вопросы теории теплообмена. Неравномерное распределение температуры в металле. Температурное поле и градиент. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Векторная и скалярная формы закона Фурье.
учебное пособие [635,8 K], добавлен 05.02.2009Особенности теплового обмена между телами, сущность теплопроводности и конвекции. Формы и процессы теплообмена. Описание граничных условий расчёта температурного поля, количества аккумулированной теплоты. Определение и последовательность решения задачи.
курсовая работа [549,2 K], добавлен 27.10.2013Применение трикотажных полотен в сфере производства или потребления. Классификационные признаки трикотажного полотна, его потребительские свойства. Технология его производства, ее технико-экономическая оценка. Контроль качества трикотажного полотна.
курсовая работа [32,1 K], добавлен 03.11.2009Группы меди по химическому составу и способам металлургической переработки (рафинирования). Электрические, магнитные свойства металла. Низколегированные бронзы высокой электро- и теплопроводности. Принципы легирования жаропрочных сплавов на медной основе.
контрольная работа [519,4 K], добавлен 07.01.2014Эффективное использование энергии на промышленном предприятии. Нормативно-правовая база энергосбережения. Оценка энергоэффективности, определение коэффициента теплопроводности. Огнеупорные материалы. Разработка конструкции теплоизолированной трубы.
дипломная работа [4,6 M], добавлен 05.04.2012
