Теплозащитные свойства одежды

 

Порядок расчета необходимого суммарного теплового сопротивления одежды и ее толщины следующий.

1) Определяем теплопродукцию организма человека

Qт.п= Q э.т –η(Q э.т  - Qо),                                                         (2.1)

где  Q э.т  - энерготраты человека;

       η – термический коэффициент полезного действия.

Согласно таблицы 2.2 при ходьбе по ровной местности со скоростью 3км/ч термический коэффициент полезного действия равен  η = 0, а энерготраты составляют Q э.т  = 116,2 Вт/м2 .  Так как  по условию площадь тела равна 1,85 м2, то Q э.т  = 116,2 Вт/м2* 1,85м2 = 214,97 Вт

Подставим полученное значение в формулу (2.1). В данном случае

Qт.п= Q э.т= 214,97 Вт, так как η = 0

Таблица 2.2 -Термический коэффициент полезного действия при ходьбе по ровной местности

Ходьба по ровной местности со скоростью, км/ч	Энерготраты Q э.т  , Вт/м2	Термический коэффициент полезного действия
3,2 4,0 4,8 5,6 6,4 8,0	116,2 139,5 151,1 186,0 220,9 337,2	0 0 0 0 0 0

 

Величину удельного дефицита тепла находим из таблицы 2.3 

Дуд = 2,72кДж/кг

 

 

 

Таблица 2.3-  Критерии допустимого теплового состояния человека (нижняя граница)

Показатели теплового состояния человека	Энерготраты, Вт/м2
	69	88	113	145	178
Средневзвешенная температура кожи, tс.к, 0С Дефицит тепла удельный на 1 кг массы Qт.с = Дуд ,кДж/кг Теплоощущения То, баллы	32,0   2,72   3	31,5   2,72   3	31,1   2,72   3	30,0   2,72   3	29,0   2,72   3

2) Рассчитываем общий дефицит тепла

Д = Дуд * М/t,                                                                                 (2.2)

где М – масса человека, кг

      t – время пребывания на холоде, сек

из таблицы П2  методических указаний к выполнению курсовой исследовательской работы на стыке фундаментальных дисциплин [1] , находим массу тела человека. При площади тела 1,85 кв. м, масса составляет 85кг при росте человека 150 см.

Подставляем в формулу 2.2 найденные значения

Д = 2,72кДж/кг * 85кг/4500сек = 51,38 Вт

3) Находим затраты тепла на нагревание вдыхаемого воздуха по

формуле (2.3)

Qдых.в= 0,0012Q э.т *(34  - tв),                                                           (2.3)

 где tв – температура воздуха

Qдых.в= 0,0012* 214,97 *(34  - (-11))= 11,7 Вт

4) Устанавливаем потери тепла испарением влаги с поверхности тела и

верхних дыхательных путей. При охлаждении организма человека они составляют 20% общих потерь, т.е.

Qисп = 260 * 20/100 = 52 Вт

5) Определяем радиационно-конвективные теплопотери со всей

поверхности тела

Qрад.конв= (Qт.п + Д/t) - Q исп – Q дых.в,                                            (2.4) 

Qрад.конв = (214,97 +51,38/4500) – 52 –11,7= 151,28 Вт

Находим тепловой поток с единицы поверхности тела

qс п =  Qрад.конв /S ,

где S – площадь тела, м2 

qс п =  151,28/1,85 = 81,78 Вт/м2   

6) Рассчитываем необходимое суммарное тепловое сопротивление

одежды в целом исходя из средневзвешенной температуры кожи tск, равной 31,10С (таблица 2.3) применительно к удельным энерготратам

Qэт уд = Qэт/S ≈ 116 Вт/м2 , температуры воздуха tв , равной -11 0С, и средневзвешенного теплового потока qс п, составляющего 80,52 Вт/м2 :

 

Rсум  =

tck - tв qс п

                                                                   (2.5) 
Rсум = (31,1- (-11) )/ 80,52 = 0,523 м2.С/Вт

7)  Определяем тепловой поток  с поверхности туловища, который  должен составлять 21,5% общего теплового  потока, т.е

qтул =( qс п* 21,5)/(100*( Sтул/S))= (80,52*21,5)/(100*0,34)= 50,92 Вт/м2,

где Sтул/S=0,34 – доля поверхности туловища.

Рассчитываем тепловое сопротивление одежды в области туловища:

Rсум.тул=

(tтул – tв)    qтул

                                                                                                                   (2.6)

 

 

где  tтул= 32,20С – температура в области туловища, соответствующая допустимой степени охлаждения организма.

Rсум.тул = (32,3- (-14,2) )/ 50,92 = 0,9 м2ºС/Вт

 

8. Рассчитываем, с каким исходным тепловым сопротивлением  Rсум.шт

(при относительно спокойном  воздухе – штиле) следует изготовить  одежду, чтобы в реальных условиях (при воздействии ветра и движении  человека) оно осталось равным указанному выше (0,563 м2ºС/Вт). С этой целью устанавливаем, какую воздухопроницаемость будет иметь основной материал. При данной скорости ветра целесообразно использовать соответствующие материалы с воздухопроницаемостью не более 30 дм3/м2с в соответствии с таблицей  2.1 Показатели теплозащитных свойств одежды (в комплекте с пальто) для третьей климатической зоны в зимний период.

Rсум. шт= (Rсум + (0,00018* В+0,0093)*V )/ 0,82 ,                    (2.7)

где  В – рекомендуемая воздухопроницаемость;

        V – скорость ветра.

Rсум. шт = ( 0,563+(0,00018*30+0,0093)*5)/0,82 = 0,77 м2ºС/Вт

9. Устанавливаем средневзвешенную толщину пакета материалов

одежды для обеспечения расчетной величины суммарного теплового сопротивления. Если величина Rсум. шт меньше 0,5 м2ºС/Вт, то толщину находят из данных таблицы, в данном случае величина Rсум. шт больше 0,5 м2ºС/Вт, следовательно расчет толщины производится по приближенной формуле(2.8):

δ ≈ 60 * Rсум. шт – 27,3* (Rсум. шт)2- 9,8                                (2.8)

            δ ≈ 60 * 0,77  – 27,3* (0,77)2- 9,8 = 20,22 мм

10. Определяем, каким исходным тепловым сопротивлением

Rсум.тул.шт должна обладать одежда в области туловища.  При ветре   5 м/с и воздухопроницаемости материалов равной 30 дм3/(м2с), оно снизится на 22%, т.е. Rсум.тул.шт  должно быть равным:

                Rсум. тул.шт = 100* Rсум. шт/ (100-23)

Rсум. тул.шт = 100* 0,77/ 78 = 0,98м2ºС/Вт

В соответствии с таблицей 2.4 толщина пакета материалов в области туловища, обеспечивающая эту величину, составляет δ тул ≈ 21 мм

Таблица2.4-Суммарное тепловое сопротивление одежды (в комплекте с пальто)

Толщина пакета материалов, мм	Средневзвешенное значение Rсум	Rсум. тул в области туловища
0	0,116	0,120
1	0,164	0,284
2	0,206	0,258
3	0,250	0,326
4	0,284	0,378
5	0,318	0,450
6	0,370	0,465
7	0,390	0,500
8	0,414	0,550
9	0,430	0,600
10	0,456	0,640
11	0,474	0,680
12	0,482	0,722
13	0,508	0,760
14	0,517	0,790
15	-	0,820
16	-	0,845
17	-	0,890
18	-	0,900
19	-	0,915
20	-	0,932
21	-	0,950

3 Описание контура отсека теплозащитного пакета по данным экспериментальных исследований

При производстве одежды с перо-пуховыми утеплителями два слоя материала оболочки простегиваются параллельными строчками, расположенными на расстоянии ℓ0= 50-200мм друг от друга. Полученные таким образом отсеки заполняются перо-пуховой массой. Для расчета конструкции одежды необходимо знать форму и размеры этих отсеков после их заполнения.

В результате простегивания происходит уменьшение расстояния между строчками до ℓпр , отсек имеет переменную толщину. Максимальная толщина отсека һmax.

Точное аналитическое описание поверхности отсека вызывает ряд трудностей из-за способности материалов оболочки деформироваться с образованием складок и морщин. Кроме того, в качестве теплозащитного слоя может рассматриваться не только перо-пуховая масса, но также различные ватины, пенополиуретан, натуральный или искусственный мех, тканые или нетканые объемные упругие материалы. Оболочки отсеков могут быть выполнены из материалов различной жесткости на изгиб. Для упрощения математической модели отсека примем следующие допущения:

- материалы оболочки являются гибкими и нерастяжимыми;

- теплозащитный слой отсека  является однородным материалом.

При таких допущениях отсек является цилиндрическим телом, образующая которого параллельна оси OZ. Поперечное  сечение отсека, лежащее в плоскости XOY, является симметричным относительно координатных осей.

Нахождение границы отсека осуществляется с помощью методов регрессивного анализа. На практике производят измерение толщины отсека на различных участках и описывают полученные данные регрессионными зависимостями.

соlor=black);

Толщину отсека измеряют в миллиметрах. Результаты измерений сводят в корреляционную таблицу 3.1 зависимости толщины половины отсека h, лежащей выше оси OY, от продольной координаты x.

Исследования геометрии отсеков с объемным несвязным утеплителем проводится на специальном трехкоординатном измерительном стенде, который разработан и изготовлен в отраслевой научно-исследовательской лаборатории «Проектирования теплозащитной одежды» на базе Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

Габаритные размеры стенда позволяют выполнять измерения координат точек образцов размером до 1,0 X 0,8 X 0,15м. Все измерительные шкалы измерительного стенда снабжены нониусами, которые позволяют производить измерения с точностью до ± 0,05мм. Выбор длины и ширины пакетов производятся исходя из габаритных размеров деталей одежды и наиболее часто встречаемой в практике величины расстояния между строчками простегивания теплозащитных пакетов с перо-пуховым утеплителем.

Образцы обрабатывают на универсальной стачивающей машине, частота строчки 3-3,5 стежков на 10 мм. Для обработки применяются иглы №(90-100), хлопчатобумажные или армированные нитки. В качестве объемного утепляющего материала применяется перо-пуховая масса водоплавающих птиц (утки, гуси). Объемный утеплитель выдерживается в нормальных климатических условиях в течение трех суток.

 

 

 

Таблица3.1 - Зависимость толщины половины отсека h, лежащей выше оси OY, от продольной координаты x.+-

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
xi	-59	-56	-53	-40	-24	-10	2	22	38	49	56	59
hi	1.0	4	9.5	14.5	16	17.2	17.5	16.2	14.7	11	6.7	1.1

 

Для построения корреляционного поля  в среде Maple выполняются следующие команды по данным таблицы 3.1

> restart;

> with(stats):

    Приближение дугой окружности

> data1:=-59,-56,-53,-40,-24,-10, 2, 22, 38, 49, 56, 59;

> data2:=[1,4,9.5,14.5,16,17.2,17.5,16.2,14.7,11,6.7,1.1];

> m:=[[data1[k],data2[k]]$k=1..12];

> plot (m,x=-59..59,style=point, color=black);

    

Рисунок 3.1- Исходное корреляционное поле

 

Для описания неизвестной функции толщины пакета h=h(х) рассматриваются регрессионные зависимости трех типов (приближение по методу наименьших квадратов):