Исследование и проектирование теплопроводности текстильных полотен

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.

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.

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

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. теплопроводность текстильный полотно пористость

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 .

Рис.4. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности нетканых материалов с фольгой и без фольги от температуры.

Аналогичные результаты получены и для нетканых материалов (см. рис.4).

Влияние излучения

Оценку лучистой составляющей можно производить с помощью приближенных расчетных формул.

Для оптически тонкого слоя лучистая составляющая составляет

,

где -- приведенная степень черноты.

Для оптически толстого слоя, как и в общем случае,

,

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

Рис.6. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности шерстяных тканей от пористости.

Таблица 4 Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности искусственных и синтетических тканей от пористости

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