Характеристики теплофизических свойств текстильных материалов

Теплофизические свойства текстильных материалов

Лекция № 2-11

Тема 7. (продолжение)

Вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Теплофизические свойства текстильных материалов. Способы переноса тепла.

2. Характеристики теплофизических свойств текстильных материалов: теплопроводность, теплоотдача, тепловое сопротивление, теплоемкость, температуропроводность.

3. Методы определения характеристик теплофизических свойств.

Под действием тепловой энергии текстильные материалы проявляют ряд свойств:

1 - способность проводить теплоту (теплопроводность, тепловое сопротивление, температуропроводность);

2 - способность поглощать теплоту (теплоемкость);

3 - способность изменять или сохранять свои свойства (тепло- и термостойкость, огнестойкость, морозостойкость).

Теплофизические свойства текстильных материалов имеют важное значение при проектировании одежды с заданными теплозащитными свойствами, при выполнении влажно-тепловой обработки швейных изделий и их эксплуатации в различных климатических, производственных и бытовых условиях.

Процесс переноса теплоты весьма сложен. Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность — процесс переноса теплоты в твердом теле, неподвижной жидкости или газе между участками с различной температурой. Механизм теплопроводности связан с тепловым движением микрочастиц (атомов, молекул) тела и энергетическим взаимодействием между ними.

Конвекция — процесс переноса теплоты в жидкости или газе путем перемещения их частиц.

Тепловое излучение — перенос теплоты в виде электромагнитных волн: излучаемая телом в окружающее пространство тепловая энергия превращается в лучистую, а при поглощении лучистой энергии телом она превращается в тепловую.

Теплопроводность. Интенсивность теплопроводности оценивается коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м · К), который показывает, какое количество теплоты проходит в единицу времени через 1 м² материала толщиной 1 м при разности температур в 1 К:

λ = Ф·δ/[(Т₁- Т₂)S]

где Ф — тепловой поток, Вт;

δ — толщина материала, м;

Т₁ и Т₂ — температуры поверхностей материала, К;

S — площадь поверхности материала, м².

О теплопроводности текстильных волокон, воздуха и воды можно судить по данным, приведенным ниже:

Волокно λ, Вт/(м • К)

Хлопок................................................................... 0,05

Лен................................................................... 0,04

Шерсть................................................................... 0,03

Шелк..............'...................................................... 0,04

Воздух................................................................... 0,02

Вода................................................................... 0,60

Текстильные материалы обладают сложной пористой структурой, состоящей из волокон и заполненных воздухом пор. Поры располагаются как между волокнами, так и внутри них; формы и размеры их разнообразны: микро- и макрокапилляры, сквозные и замкнутые. Перенос теплоты в подобных материалах с неоднородной пористой структурой осуществляется благодаря теплопроводности волокон и воздуха, находящегося в замкнутых порах, конвекции через сквозные поры, теплоизлучения стенками пор. Поэтому коэффициент теплопроводности текстильных материалов условен: он характеризует способность материала передавать тепловую энергию не только вследствие теплопроводности, но и путем конвекции и теплоизлучения.

Для материалов одежды коэффициент теплопроводности λ= 0,033-0,07 Вт/(м-К).

Учитывая, что текстильные материалы обладают высокой пористостью, сравнительно малой площадью контакта между отдельными волокнами и мало различаются по теплопроводности, их теплопроводность определяется в значительной мере теплопроводностью воздуха в замкнутых порах и конвекцией через открытые поры. С увеличением пористости структуры до определенного предела теплопроводность текстильных материалов снижается, так как теплопроводность воздуха ниже теплопроводности волокон. Однако при дальнейшем повышении пористости, когда появляются незамкнутые сквозные поры, теплопроводность материалов повышается, так как важную роль начинает играть конвекция.

С.Г. Зырин предложил следующую формулу для определения коэффициента теплопроводности ткани в зависимости от теплопроводности волокон, воздуха и пористости ткани:

где λ_воз, λ _вол — соответственно коэффициенты теплопроводности воздуха и волокна, Вт/(м-К);

β — доля объема волокон в объеме ткани.

Данная формула применима при наличии в структуре ткани большого количества замкнутых пор и отсутствии сквозных.

В менее плотных тканях необходимо учитывать различные участки структуры: поля контакта площадью F_{3, 4}, поля просвета площадью F₇, свободные поля площадью F_{5, 6}. Характер передачи теплоты на этих участках будет разным. Поэтому предложено определять коэффициент теплопроводности по формуле

λ = φ ₁ λ₁ + φ ₂ λ ₂ + (1 - φ ₁ - φ ₂) λ₃,

где φ ₁ и φ ₂ — относительное значение площадей соответственно полей контакта и полей просвета: φ ₁ = F_3,4 /F_общ; φ ₂ = F₇/F_общ (где F_общ — общая площадь); λ₁ и λ ₂ — соответственно коэффициенты теплопроводности нитей и газовой среды пор; λ₃ — коэффициент теплопроводности многослойной системы.

Теплопроводность текстильного материала зависит от вида связи влаги с материалом. Эта зависимость носит сложный ступенчатый характер. Зависимость коэффициента теплопроводности воздушно-сухих тканей от их влажности имеет линейный характер и может быть выражена формулой

λ_вл = λ_сух + а· W

где λ_вл и λ_сух — коэффициенты теплопроводности соответственно влажной и абсолютно сухой ткани, Вт/(м -К);

а — постоянный коэффициент (для шерстяных тканей а = 0,0024, для хлопчатобумажных а = 0,0039);

W — влажность ткани, %.

Дальнейшее повышение влажности текстильных материалов приводит к уменьшению их теплозащитных свойств, так как вода, которая конденсируется в порах и капиллярах, имеет по сравнению с воздухом значительно больший коэффициент теплопроводности.

Теплоотдача. Перенос теплоты из пододежного слоя в окружающую среду определяется не только теплопроводностью материала одежды, но и теплоотдачей — процессом обмена теплотой между поверхностью материала и газовой средой, который осуществляется одновременно вследствие теплопроводности и конвекции.

Интенсивность конвективного теплообмена (или теплоотдачи) характеризуется коэффициентом теплоотдачи α, Вт/(м²·К), который показывает, какое количество теплоты передается в единицу времени через единицу поверхности при разности температур в 1 К:

α = Ф/[S (Т_м - Т_г)],

где Т_м — температура поверхности материала, К;

Т_г — температура газовой среды, К.

Тепловое сопротивление. Способность материалов препятствовать прохождению теплоты, т.е. их теплозащитные свойства, характеризуют тепловым сопротивлением R, м² · К / Вт:

R = δ / λ

Как видно из формулы и подтверждено экспериментально (рис. 32), тепловое сопротивление текстильных материалов существенно зависит от их толщины; характер зависимости линейный.

Если в материале имеется большое число сквозных пор, значительная часть теплоты переносится через материал движущимся воздушным потоком, что значительно снижает теплозащитные свойства материала. С увеличением воздухопроницаемости и повышением скорости воздушного потока резко уменьшается тепловое сопротивление материала (рис. 33).

Рис. 32. Зависимость теплового сопротивления ткани от ее толщины в условиях неподвижного воздуха

Рис. 33. Зависимость теплового сопротивления ткани от скорости воздушного потока (по данным П. А. Колесникова): 1 — бобрик; 2 — сукно; 3 — драп

Чаще всего для характеристики теплозащитных свойств текстильных материалов, из которых изготовляют одежду в условиях, близких к эксплуатационным, определяется суммарное тепловое сопротивление R_cум, м² · К/Вт:

R_сум = 1/ α ₁ + δ / λ + 1/ α ₂.

где 1/ α ₁ - сопротивление теплопереходу из пододежного слоя воздуха к внутренней поверхности материала,

δ/λ - тепловое сопротивление материала,

1/ α ₂ - сопротивление теплопереходу от наружной поверхности материала во внешнюю среду.

Значения суммарного теплового сопротивления текстильных материалов при скорости воздуха 1 м/с и сжатии пробы до 490 Па приведены ниже:

Материал R_сум, м²· К/Вт

Одежный ватилин.................................................. 0,327

Искусственный мех............................................... 0,246

Хлопчатобумажный ватин в два слоя.................. 0,237

Шинельное сукно.................................................. 0,172

Фланель................................................................... 0,149

Молескин............................................................... 0,156

Шерстяная диагональ............................................ 0,129

Бязь......................................................................... 0,112

На теплозащитные свойства изделий существенно влияет число слоев материала в пакете одежды. С увеличением числа слоев материала суммарное тепловое сопротивление пакета возрастает, что связано как со сложением теплового сопротивления отдельных слоев, так и с наличием воздушных прослоек между ними.

Теплоемкость. Это способность текстильных материалов поглощать теплоту при повышении температуры.

Согласно кинетической теории теплоты подводимая тепловая энергия превращается в кинетическую энергию внутреннего движения атомов и молекул тела, в частности волокна. При снижении температуры кинетическая энергия движения атомов и молекул уменьшается, т.е. тело (материал) в определенных условиях способно отдавать теплоту.

Характеристикой данного свойства материала является удельная теплоемкость.

Удельная теплоемкость С, Дж/(кг · К), — количество теплоты, которое необходимо сообщить материалу массой 1 кг, чтобы повысить его температуру на 1 К:

С=Q /[т(Т_к -Т_о)],

где Q — количество теплоты, Дж;

т — масса материала, кг;

Т_к — температура нагрева материала, К;

Т₀ — первоначальная температура материала, К.

Удельная теплоемкость текстильных материалов для одежды 1,09 • 10³—2,18 • 10³ Дж/(кг • К). Наибольшей теплоемкостью обладают материалы из натуральных волокон животного происхождения (шерстяных, шелковых) и химических (капроновых, триацетатных); у материалов из хлопковых, льняных, вискозных, лавсановых волокон теплоемкость меньше.

Теплоемкость — важное теплофизическое свойство материалов для одежды, определяющее их тепловую инерцию. Материалы с большей теплоемкостью обладают лучшими теплозащитными свойствами.

Температуропроводность. Способность текстильных материалов выравнивать температуру в различных точках, передавать теплоту от более нагретых участков к менее нагретым.

Характеризуется коэффициентом температуропроводности а, м²/с. Он зависит от коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости материала:

а = λ / (С ρ),

где ρ — плотность материала, кг/м³.

Коэффициент температуропроводности показывает скорость выравнивания температуры, т.е. определяет теплоинерционные свойства текстильных материалов. Коэффициент температуропроводности материалов 7,17—16,33 м²/с Он зависит от объемной массы материала и вида волокна. Из натуральных волокон наибольшим коэффициентом температуропроводности обладает хлопок, меньшим — шерсть.

Температуропроводность в значительной степени влияет на теплозащитные свойства материалов. Материалы для зимней одежды должны иметь минимальный коэффициент температуропроводности. Последняя играет большую роль в процессах влажно-тепловой обработки швейных изделий, так как она определяет скорость прогревания обрабатываемых материалов. Наличие влаги в материале значительно повышает его температуропроводность вследствие как более высокой теплопроводности воды, так и перемещения влаги от более нагретых участков к менее нагретым.

3. Методы определения характеристик теплофизических свойств. Методы, используемые в настоящее время для определения характеристик теплофизических свойств текстильных материалов, можно разделить на две группы: методы, основанные на принципе стационарного теплового режима; и методы, основанные на принципе нестационарного (регулярного) режима.

При стационарном тепловом режиме определяют количество теплоты, необходимой для сохранения постоянной разности температур двух поверхностей, изолированных друг от друга испытываемым материалом. На таком принципе устроен, в частности, прибор ЦНИИшерсти для определения коэффициента теплопроводности (рис. 34).

Пробу материала располагают между нагревательным элементом и холодильником. Устанавливая постоянное значение температур нагревателя Т₂ и холодильника Т₁ контролируют с помощью вольтметра и амперметра расход электроэнергии, идущей на поддержание постоянного перепада температур. По полученным значениям силы тока I и напряжения U рассчитывают мощность теплового потока, Вт,

Ф = I · U

Затем определяют коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К),

λ = Ф δ / [S (Т₁ – Т₂)].

Недостатки метода стационарного режима — длительность установления теплового процесса (2-5 ч), что приводит к изменению влажности испытываемого материала, и допущение, согласно которому температуры нагревателя и холодильника равны температурам соответствующих сторон материала.

Рис. 34. Схема прибора ЦНИИШерсти для определения тепловых характеристик материала при стационарном режиме: 1 — нагревательный элемент; 2 — проба материала; 3 — холодильник

Рис. 35. Схема прибора ПТС-225 для определения тепловых характеристик материала при нестационарном режиме: 1 — пластина; 2 — электронагреватель; 3 — корпус прибора; 4 — проба материала; 5 — аэродинамическое устройство

Более быстрым и простым является способ нестационарного, или регулярного, режима, при котором определяется скорость охлаждения нагретого тела, изолированного от окружающей среды испытываемым материалом. Этот метод позволяет воспроизвести условия теплообмена в одежде, когда изделие одной стороной прилегает к нагретому телу, а другой соприкасается с окружающей средой, в частности с воздухом. На таком принципе работает прибор для определения суммарного теплового сопротивления материалов для одежды ПТС-225 (рис. 35).

Пластина с электронагревателем смонтирована на передней крышке корпуса, на которой укрепляют пробу. Между пластиной и пробой создают с помощью текстолитового кольца воздушную прослойку толщиной 5 мм. Аэродинамическое устройство позволяет создавать воздушный поток определенной скорости и направления (под углом φ).

Температуры пластины и окружающего воздуха измеряют с помощью термопар. Пластину нагревают до определенного значения перепада температур пластины и воздуха и измеряют время охлаждения пластины до заданного перепада температур. По темпу охлаждения вычисляют значения суммарного теплового сопротивления испытываемого материала.

Дата добавления: 2014-01-07