Аппаратный комплекс для оценки теплотехнических параметров текстильных материалов
HARDWARE COMPLEX FOR EVALUATING THERMAL CHARACTERISTICS OF TEXTILE MATERIALS

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения параметров стационарного и нестационарного теплообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда» и позволяет:
- определить величину коэффициента теплопроводности материалов и пакетов материалов в сухом и влажном состояниях; а также исследовать его динамику при изменении условий тепломассообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда»;
- количественно оценить составляющие коэффициента теплоотдачи (лучистая, естественно-конвективная и вынужденно-конвективная, фазовые превращения влаги) материалов и пакетов материалов, а также исследовать его динамику при изменении условий теплообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда».
Одним из перспективных направлений развития рынка текстильной продукции является сегмент самоорганизующихся материалов. В структуре таких материалов протекают оригинальные физико-химические процессы, что позволяет им адаптироваться к условиям эксплуатации за счет изменения функциональных свойств. Например, трикотажное полотно Outlast накапливает тепло при избыточной тепловой нагрузке и высвобождает его при повышении интенсивности охлаждающего воздействия.
Самоорганизующиеся текстильные материалы обеспечивают эффективную защиту человека при изменении условий окружающей среды в субнормальном климате, которые формируются при работе на открытой территории в холодный и переходный периоды года.
Особенность эксплуатации теплозащитной одежды в таких условиях заключается в том, что тепломассообмен в системе «человек-одежда-окружающая среда» протекает в нестационарном режиме и сопровождается воздействием на человека комплекса факторов окружающей среды, включая ветер, осадки, солнечное излучение. Поэтому при количественной оценке теплозащитных свойств самоорганизующихся материалов и пакетов материалов необходимо воспроизводить все особенности тепломассообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда». Метод проведения исследований должен позволять измерять плотность тепловых потоков в каждом элементе системы.
Известна классификация методов исследования теплозащитных свойств текстильных материалов и пакетов материалов:
I. Методы, основанные на принципе стационарного режима: используют источник тепла, создающий постоянный во времени тепловой поток. Измерение распределения температур, создаваемых этим потоком в исследуемом образце позволяет вычислить коэффициент теплопроводности по закону Фурье. Приборы, реализующие этот метод, по конструкции разделяются на двухпластинчатые, цилиндрические, шаровые и не позволяют моделировать процессы нестационарного тепломассообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда». Поэтому их применение к исследованию теплофизических свойств образцов и пакетов самоорганизующихся материалов в субнормальном климате ограничено.
II. Методы нестационарного теплового режима позволяют определять величину коэффициента теплопроводности текстильных материалов и пакетов материалов в переменном во времени температурном поле.
IIа. Чисто нестационарные методы испытания основаны на анализе процесса свободного охлаждения системы, состоящей из металлического ядра и окружающего его текстильного материала или пакета материалов в газообразной или жидкой среде. Эти методы реализованы в конструкции бикалориметров и контрольно-измерительных приборов (КИПов).
При исследовании теплофизических свойств пакетов материалов с помощью бикалориметров процесс охлаждения протекает в регулярном тепловом режиме, экспериментально оценивается темп процесса охлаждения, по которому, с учетом ряда поправок вычисляется величина коэффициента теплопроводности материала, которая фиксируется в качестве константы.
Σ
Известны КИПы для определения теплотехнических параметров текстильных материалов, включающие тепловой аккумулятор в виде полого цилиндра в герметичной упаковке, вокруг стенок которого оборачивается лента из исследуемых материалов; систему определения R образца, из двух термопар, переключателей, проводников и электроиндикатора, в роли которого используется измеритель ЭДС, секундомера и портативного КИП, обеспечивающего дефиницию местных метеорологических данных, в том числе барометрического давления, влажности и температуры воздуха (Патент РФ 2589749, МПК G01N 25/18, G01N 33/36, опубл. 20.05.2016).
Конструкция бикалориметров и КИП и разработанные для них методы определения теплотехнических параметров текстильных материалов обладают недостатками, которые ограничивают возможность исследования теплофизических свойств самоорганизующихся текстильных материалов:
- нагреваемое и охлаждаемое «ядро» приборов состоит из металлических деталей, теплофизическое свойства которых далеки от аналогичных параметров тела человека. Это нарушает требования к экспериментальному комплексу для исследования нестационарного теплообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда»;
3
- в процессе эксперимента, на протяжении около 1,5⋅10 с, величина коэффициента теплоотдачи текстильного материала или пакета должна быть постоянной, для чего условия теплообмена также должны быть неизменными. В субнормальном климате условия тепломассообмена человека с окружающей средой могут существенно изменяться за более короткие промежутки времени.
Эти недостатки не позволяют использовать КИПы для измерения теплотехнических параметров текстильных материалов при нестационарных процессах тепломассообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда».
IIб. Квазистационарные методы испытаний при граничных условиях первого рода: позволяют задавать и поддерживать постоянную температуру на рабочей поверхности тепловой модели элемента тела человека за счет изменения мощности нагревателя пропорционально изменению условий теплообмена.
Известно устройство для определения интенсивности теплообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда», которое является наиболее близким к заявленному изобретению. Устройство содержит: физическую модель элемента тела человека в виде вертикальной цилиндрической емкости, заполненной водой, из материала высокой теплопроводности с внутренним нагревателем, регулятором температуры и размещенным на поверхности капиллярно-пористым элементом; систему моделирования потоотделения из термостатированного резервуара с жидкостью и насосом, трубопровода, коллектора и распределительных игл; вольтметр и амперметр для непрерывного контроля мощности, потребляемой нагревателем; первичные преобразователи температуры, подключенные к регуляторам температуры для ее непрерывного контроля; средства измерения длительности импульса подачи энергии в рабочий объем и времени между моментами повторных включений нагревателя (Патент РФ 2216725, МПК G01N 25/18, опубл. 20.11.2003).
Рассмотренное устройство имеет существенные недостатки:
1. В процессе нагрева в рабочем объеме формируются замкнутые естественно-конвективные потоки воды - по центру более теплая вода поднимается и скапливается около верхнего торца установки, а более холодная вода по стенкам опускается в нижнюю часть цилиндра. За счет формы электронагревателя, зона нагрева воды приподнята на расстояние 100-1500 мм от дна. Поэтому в нижней части рабочего объема образуется более холодная застойная зона. Компьютерное моделирование конвективных процессов в рабочем объеме установки (фиг. 1а) показывает, что при ее формировании на поверхности цилиндра образуется вертикальный градиент температуры, величиной которого нельзя пренебречь. Например, при средней температуре рабочего объема 47,8°C и при температуре окружающей среды 23°C его величина составляет 1,6°C (фиг. 1б).
2. Измерение температуры воды производится в одной точке, что снижает точность регулирования температуры цилиндра.
3. Электронагреватель и измеритель температуры цилиндра закреплены в дне неразъемной цилиндрической емкости, что существенно затрудняет монтаж устройства и накладывает ограничения на выбор формы и конструкции этих элементов.
4. В устройстве отсутствуют приборы для оценки:
- распределения температуры по толщине пакета материалов;
- температуры, относительной влажности воздуха, скорости ветра, интенсивности внешнего излучения на расстоянии не менее 1 метра от устройства;
- плотности теплового потока в исследуемом образце.
В то же время эти данные необходимы для определения теплотехнических параметров текстильных материалов при стационарном и нестационарном тепломассообмене в системе «человек-одежда-окружающая среда».
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении возможности исследования стационарных и нестационарных процессов тепломассообмена в биотехнической системе «человек-одежда-окружающая среда» и дальнейшей автоматизации процесса измерения.
Решение задачи достигается тем, что в аппаратном комплексе для оценки теплотехнических параметров текстильных материалов, включающем физическую модель элемента тела человека в виде герметичной цилиндрической емкости с рабочей жидкостью, оснащенной внутренним нагревателем и регулятором температуры; систему моделирования потоотделения, состоящую из термостатированного резервуара с жидкостью и насоса, подающего жидкость на рабочую поверхность с помощью трубопровода, коллектора и распределительных игл; систему непрерывного контроля мощности, потребляемой нагревателем; первичные преобразователи температуры, подключенные к регуляторам температуры для ее непрерывного контроля; средства измерения длительности импульса подачи энергии в рабочий объем и времени между моментами повторных включений нагревателя, отличающийся тем, что: он дополнительно содержит систему автоматизации испытаний, модель элемента тела человека выполнена в виде цилиндрического резервуара, к фланцу которого через герметизирующую прокладку прикреплено дно с электронагревателем и измерителем температуры, электронагреватель имеет спиралевидную форму, что обеспечивает более равномерную температуру рабочего объема и рабочей поверхности модели элемента тела человека, система непрерывного контроля мощности выполнена в виде ваттметра с цифровым выходом, измеритель температуры рабочего объема выполнен в виде полой трубки длиной не менее 0,5 м из влагостойкого материала, хорошо проводящего тепло, со штуцером и оснащен не менее чем четырьмя первичными преобразователями температуры с цифровым выходом, равномерно размещенными по высоте трубки, пустоты между которыми заполнены мелкодисперсным материалом высокой теплопроводности, например кварцевым песком.
Система автоматизации испытаний аппаратного комплекса выполнена в виде коммутированного с компьютером (ПЭВМ) микроконтроллера, к которому подключены: измеритель температуры и электронагреватель рабочего объема тепловой модели элемента тела человека для более точного измерения и регулирования температуры воды; ваттметр для динамического измерения мощности электронагревателя; первичные преобразователи температуры с цифровым выходом, объединенные в сеть по однопроводной схеме для динамического измерения: температуры поверхности тепловой модели элемента тела человека, распределения температуры в исследуемом образце; первичные преобразователи температуры, скорости движения, влажности воздуха, интенсивности солнечного излучения для оценки термодинамических параметров окружающей среды до и после теплообмена с поверхностью пакета материалов.
Технический результат при использовании изобретения заключается в повышении качества моделирования эксплуатационных условий и точности измерения теплофизических свойств текстильных материалов (коэффициент теплопроводности, коэффициент теплоотдачи). Это, в свою очередь, позволит с высокой степенью точности оценивать теплофизические свойства самоорганизующихся текстильных материалов.
Сущность изобретения поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 представлены результаты математического моделирования конвективных процессов в тепловой модели тела человека в виде распределения температурного поля в рабочем объеме (фиг. 1а) и на поверхности устройства (фиг. 1б); на фиг. 2 представлена общая схема аппаратного комплекса; на фиг. 3 представлена схема электронагревателя; на фиг. 4 представлена схема измерителя температуры цилиндра; на фиг. 5 представлен пример результата исследования теплотехнических параметров самоорганизующихся текстильных материалов - динамика коэффициента теплопроводности инкапсулированного трикотажного полотна Outlast в зависимости от температуры окружающей среды.
Аппаратный комплекс для оценки теплотехнических параметров текстильных материалов (фиг 2) включает физическую модель тела человека в виде цилиндрической емкости 1 с рабочей жидкостью 2, например водой, оснащенный фланцем 3, к которому крепится дно 4 с установленными в нем электронагревателем 5 и измерителем 6 температуры цилиндрической емкости 1; систему моделирования потоотделения, состоящую из термостатированного резервуара 7 с жидкостью и насоса 8, подающего жидкость на поверхность цилиндрической емкости 1 с помощью трубопровода 9, распределителя 10 и игл 11, которые вводят между цилиндром 1 и образцом или пакетом материалов 12, который расположен на внешней поверхности цилиндрической емкости 1; ваттметр 13 для непрерывного контроля мощности, потребляемой электронагревателем 5; первичные преобразователи 14 температуры для динамического измерения температуры поверхности цилиндрической емкости 1; первичные преобразователи 15 температуры для динамического измерения распределения температуры в пакете 12 текстильных материалов; преобразователи 16 интенсивности солнечного излучения; первичные преобразователи 17 температуры, скорости движения, влажности воздуха, соединенные параллельно; систему 18 автоматизации испытаний, осуществляющую контроль работы электронагревателя 5 по каналам 19 и 20, насоса 8 по каналу 21 и производящую опрос измерителя 6 температуры цилиндрической емкости 1 по каналу 22, ваттметра 13 по каналу 23, первичных преобразователей 14 температуры на поверхности цилиндра и первичных преобразователей 15 температуры в пакете материалов 12 по каналу 24, преобразователей 16 интенсивности солнечного излучения по каналу 25, первичных преобразователей 17 температуры, скорости движения, влажности воздуха по каналу 26.
Электронагреватель 5 (фиг. 3) имеет спиралевидную форму для исключения возможности образования застойной зоны в цилиндрической емкости 1 и оснащен фланцами 27 с резьбой 28 для закрепления на дне цилиндрической емкости 1.
Измеритель 6 (фиг. 4) температуры цилиндрической емкости 1 выполнен в виде полой трубки 29 длиной не менее 0,5 м со штуцером 30 из влагостойкого материала, хорошо проводящего тепло, и оснащен не менее чем четырьмя первичными преобразователями 31 температуры, равномерно размещенными по высоте полой трубки 29. Пустоты между ними заполнены материалом 30 высокой теплопроводности, например кварцевым песком.
Устройство работает следующим образом:
На поверхности цилиндрической емкости 1 закрепляют от трех до девяти первичных преобразователей 14 температуры. Далее на поверхности цилиндрической емкости 1 располагают образец или пакет текстильных материалов 12 в виде концентрической оболочки или системы вложенных концентрических элементов. На каждом слое закрепляют от трех до девяти первичных преобразователей 15 температуры, например, ниточным соединением. При исследовании комплексных процессов тепломассобмена дополнительно сверху цилиндра размещают распределитель 10, а иглы 11 вводят между цилиндрической емкостью 1 и образцом или пакетом 12 текстильных материалов. На расстоянии 1 метра от цилиндра размещают первичные преобразователи 16 интенсивности солнечного излучения. На высоте 0,3 метров над цилиндром размещают первичные преобразователи 17 температуры, скорости движения, влажности воздуха.
Вокруг цилиндрической емкости 1 создают эксплуатационные условия. С помощью ПЭВМ, посредством системы 18 автоматизации испытаний задают температуру цилиндрической емкости 1 в пределах 305-310 K (в соответствии с температурой тела человека) и закон ее регулирования с точностью не ниже 0,4 К. Система 18 автоматизации испытаний осуществляет подачу напряжения питания на электронагреватель 5 для поддержания в цилиндрической емкости 1 заданной температуры в пределах 305-310 К. Подача питания на электронагреватель 5 может осуществляться в импульсном или непрерывном режиме. В случае непрерывной подачи величину напряжения питания определяют в соответствии с выбранным законом регулирования. За счет полного погружения электронагревателя 5 в воду, напряжение питания полностью преобразуется в тепло. Мощность питания зависит от интенсивности теплообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда» и измеряется автоматизированной системой 18 с помощью ваттметра 13.
Благодаря спиралевидной форме электронагревателя 5 обеспечивается равномерный прогрев воды в цилиндрической емкости 1 и равномерное температурное поле на его поверхности, что позволяет повысить точность оценки теплофизических свойств образца или пакета 12 текстильных материалов.
При исследовании стационарного теплообмена в системе «человек-одежда-среда» на образцах текстильных материалов или пакетах материалов в субнормальном климате эксперимент проводится однократно при фиксированном сочетании параметров окружающей среды. При исследовании нестационарного теплообмена один из факторов модельных условий изменяется с заданным шагом каждые 50-60 минут эксперимента.
В каждом варианте сочетания модельных условий проводится автоматизированный опрос показаний ваттметра 13, первичных преобразователей 14 температуры в образце или пакете 12 текстильных материалов, преобразователей 15 интенсивности солнечного излучения; первичных преобразователей 16 температуры, скорости движения, влажности воздуха в окружающей среде. Интервал опроса составляет 10-100 секунд и выбирается исходя из моделируемых эксплуатационных условий.
По результатам измерений рассчитываются показатели теплотехнических параметров образцов или пакетов текстильных материалов. Расчет коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м⋅К), проводится по формуле:
где Q - показания ваттметра, Вт;
oбр
h - толщина исследуемого образца (текстильного материала или пакета), м;
пэм
побр
t, t - температуры поверхности цилиндра и исследуемого образца, °С.
Температура поверхности цилиндра определяют по среднему значению показаний первичных преобразователей 14 температуры. Температура поверхности образца определяется по среднему значению показаний первичных преобразователей 15 температуры.
конв
2
Конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи α, Вт/(м⋅К), рассчитывается по формуле:
где с - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг⋅К);
R - массовый расход воздуха, кг/с;
окр
t - температура окружающей среды по показаниям первичным преобразователем температуры на расстоянии 1 м от тепловой модели элемента тела человека, °С;.
вп
t - температура воздуха по показаниям первичного преобразователя температуры на расстоянии 0,3 м над верхним торцом тепловой модели элемента тела человека, °С.
луч
2
Лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи α, Вт/(м⋅К), рассчитывается по формуле:
где ε - степень черноты поверхности пакета;
0
C - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
побр
окр
Т; Т - температуры поверхности образца и окружающей среды, K;
фаз
2
Коэффициент теплообмена при фазовых превращениях влаги α, Вт/(м⋅K), рассчитывается по формуле:
где r - удельная теплота фазового перехода влаги, Дж/(кг⋅K);
вп
d - влагосодержание воздуха по показаниям первичного преобразователя влажности воздуха, установленного на расстоянии 1 м от тепловой модели элемента тела человека, г/кг;
окр
d - влагосодержание воздуха по показаниям первичного преобразователя влажности воздуха на расстоянии 0,3 м над верхним торцом тепловой модели элемента тела человека, г/кг.
Величину суммарного коэффициента теплоотдачи рассчитывают на основе отдельных составляющих по формуле:
Σ
Величина суммарного теплового сопротивления пакета материалов R, м⋅К/Вт, рассчитывается по формуле 6:
Далее строится зависимость рассматриваемых параметров от варьируемого параметра окружающей среды. Например, на фиг. 5, представлена динамика коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м⋅K), инкупсулированного трикотажного полотна марки «Outlast» при изменении температуры окружающей среды.
При определении параметров нестационарного тепломассообмена в системе «человек-одежда-среда» в образцах или пакетах 12 текстильных материалов в условиях субнормального климата эксперимент проводится в несколько этапов.
На первом (продолжительностью 20-30 минут) исследуется стационарный теплообмен по алгоритму, описанному выше.
Далее начинается подача влаги между цилиндрической емкостью 1 и образцом или пакетом материалов 12 посредством системы моделирования потоотделения, что приводит к плавному изменению условий теплообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда». В процессе эксперимента система 18 автоматизации испытаний контролирует работу электронагревателя 5 по каналам 19, 20 для поддержания заданной температуры цилиндрической емкости 1, насоса 8 по каналу 21 для поддержания необходимой интенсивности увлажнения и производит опрос: измерителя 6 температуры цилиндра по каналу 22, ваттметра 13 по каналу 23, первичных преобразователей 14 температуры на поверхности цилиндра и первичных преобразователей 15 температуры в образе или пакете 12 текстильных материалов по каналу 24, преобразователей 16 интенсивности солнечного излучения по каналу 25, первичных преобразователей 17 температуры, скорости движения, влажности воздуха по каналу 26. Интервал опроса определяется исходя из моделируемых режимов тепломассообмена в системе «человек-одежда-окружающая среда». Параллельно проводится анализ влагосодержания исследуемого образца известными методами.
По результатам измерений, для каждого момента времени рассчитываются показатели теплотехнических параметров по формулам 1-6.