Исследование теплозащитных свойств и геометрии пакетов с объемными несвязными утеплителями

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Одежда является предметом первой необходимости человека. Правильно сконструированная и отвечающая гигиеническим требованиям одежда не должна стеснять движений человека, мешать кровообращению, дыханию, вызывать неприятные ощущения.

С перехода России на новый международный уровень повышаются требования к качеству выпускаемой продукции, в том числе и швейных изделий. Это касается не только процесса изготовления одежды, но и качества материалов из которых она изготовлена. Ассортимент швейных материалов, существующий в настоящее время, представляет широкие возможности для разнообразного оформления зимней одежды. Но прежде всего зимняя одежда должна обладать хорошими теплозащитными свойствами. [3]

Теплозащитные свойства одежды определяются как волокнистым составом материалов, так и толщиной теплозащитного пакета, конструкцией изделия в целом. На различных участках тела человека требуется различная степень теплозащиты, что диктует необходимость рационального распределения теплозащитных материалов по поверхности тела. Конструкции теплозащитных пакетов на базе объемных утепляющих материалов определяет переменную толщину этих пакетов. Характер изменения толщины пакетов с перо-пуховыми утеплителями оказывает значительное влияние на проектные расчеты термического сопротивления и нормирования материалов.

Аппроксимация поверхности отдельных участков теплозащитных пакетов различными аналитическими зависимостями дает возможность учесть особенности объемных утеплителей на этапе проектирования одежды, разработать методику нормирования материалов верха и утеплителя. [1]

В данной курсовой работе проводится исследование теплозащитных свойств и геометрии пакетов с объемными несвязными утеплителями.

1. Особенности проектирования теплозащитной одежды

1.1 Влияние охлаждающего микроклимата на организм человека

С охлаждающим микроклиматом человек сталкивается при работе на открытом воздухе в зимний и переходные периоды года (нефтяники, рабочие горнорудной и угольной промышленности, рабочие железнодорожного транспорта, геологи и др.). Факторы охлаждающего микроклимата действуют в производственных помещениях, где низкая температура воздуха необходима по технологическим причинам. В ходе эволюционного развития человек не выработал устойчивого приспособления к холоду. Его биологические возможности в сохранении температурного гомеостаза весьма ограниченны. В охлаждающей среде они определяются снижением теплопотерь за счет уменьшения градиента между температурой поверхности тела и среды в результате охлаждения рецепторов кожи и спазмирования под влиянием этого, кровеносных сосудов, увеличения термического сопротивления тканей организма. Однако этот механизм поддержания температурного гомеостаза, сопровождающийся выраженным напряжением реакций терморегуляции, неэффективен. И хотя переносимость холода человеком несколько увеличивается при адаптации его к этому фактору, для разработки средств зашиты это не имеет существенного значения, принимая во внимание и тот факт, что физическая работа является фактором, препятствующим процессу акклиматизации. [2]

Холод способствует возникновению сердечнососудистой патологии, приводит к обострению язвенной болезни, радикулита, обусловливает возникновение заболеваний органов дыхания, увеличивая потери рабочего времени за счет заболеваемости с временной утратой трудоспособности. Возникновение или обострение ряда заболеваний (бронхита, пневмонии, тонзиллита, язвенной болезни желудка, эндокринных расстройств и др.: тесно связано с действием на организм экстремальных факторов внешней среды и с фазами адаптивных перестроек.

Общее и локальное охлаждение человека (особенно кистей) способствует изменению его двигательной реакции, нарушает координацию и способность выполнять точные операции, вызывая тормозные процессы в коре головного мозга, что может быть причиной возникновения различных форм травматизма. Энергетический обмен переключается с углеводного на жировой, т. е. повышается способность тканей утилизировать липиды. Даже при кратковременном влиянии холода в организме происходит сложная перестройка регуляторных и гомеостатических систем, изменяется иммунный статус организма.

Поэтому мероприятия по борьбе с охлаждением человека, особенно работающего в ненормируемом микроклимате (и в частности на открытой территории), должны быть направлены на обеспечение допустимого теплового состояния человека. Одним из них является использование одежды, соответствующей условиям его жизнедеятельности. [1]

1.2 Теплопередача через пакеты материалов одежды

При проектировании теплозащитной одежды необходимо иметь в виду, что ее тепловое сопротивление должно оцениваться совокупным изолирующим действием готовой конструкции.

Теплозащитные свойства одежды определяются тепловым сопротивлением материалов пакета и конструкцией готового изделия. Значение каждого из этих элементов в теплоизоляции организма при различных условиях эксплуатации одежды неодинаково. В случае пребывания человека в состоянии физического покоя большая часть суммарного теплового сопротивления одежды приходится на тепловое сопротивление воздушных прослоек. При движении, воздействии ветра, увеличении массы одежды возрастает доля материалов в суммарном тепловом сопротивлении, а доля воздушных прослоек существенно уменьшается. Наибольшее значение в теплоизоляции человека принадлежит тепловому сопротивлению пакета материалов, конструкции же одежды отводится дополнительная роль.

Перемещение тепла в одежде, как и в любой среде, происходит только при разности температур, в частности, при разности между температурой поверхности тела под одеждой и температурой наружного воздуха. Перенос тепла от тела человека к наружному воздуху через разделяющий их пакет материалов одежды представляет собой сложный процесс.

Простые способы теплообмена (кондукция, конвекция, радиация) в обособленном виде практически почти не встречаются. Как правило, передача тепла осуществляется одновременно посредством всех трех способов теплообмена или каких-либо двух из них.

Процесс прохождения тепла от поверхности кожи человека через пакет материалов одежды в окружающую среду может быть представлен двумя основными законами распространения тепла. Закон Фурье применим к тепловому потоку внутри одежды, а закон Ньютона - к явлениям, происходящим на границе между поверхностью одежды и внешней средой. Согласно закону Фурье тепловой поток q может быть определен по уравнению

,

где q -- тепловой поток - количество тепла, протекающего в единицу времени от одной изотермической поверхности с температурой t + ?t к другой;

?? - коэффициент теплопроводности;

?? - расстояние между изотермическими поверхностями;

t_k- температура кожи человека (под одеждой);

t_n.o - температура наружной поверхности одежды.

Коэффициент теплопроводности материалов одежды - одна из основных теплофизических величин, характеризующих теплозащитные свойства. Экспериментальные исследования П.А. Колесникова показали, что для воздушно-сухих материалов одежды он практически не зависит от их структуры, волокнистого состава и вида отделки. При тепловых расчетах одежды этот коэффициент можно считать постоянной величиной, равной 0.0495 Вт/(м °С). Для оценки теплозащитных свойств материалов и пакетов из них наиболее важной величиной является не коэффициент теплопроводности ?? , а обратная ему величина - тепловое сопротивление R _т m² °C/Bt. Для каждого слоя

R_T = ??/??,

где ?? - толщина слоя, м;

?? - коэффициент теплопроводности. Вт/(м °С).

Величина R_т отражает передачу тепла внутри материала. Теплозащитная способность в этом случае находится в прямой зависимости от величины теплового сопротивления.

Зависимость теплового сопротивления материалов от их толщины имеет в относительно спокойном воздухе линейный характер и в значительно меньшей степени определяется их структурными параметрами и видом волокнистого состава. Общее уравнение, отражающее эту зависимость, имеет вид

R_T = ??/0,0495+ 0,001,

Согласно обобщенному закону Ньютона количество тепла, отдаваемое в единицу времени элементом наружной поверхности в окружающую среду, пропорционально разности температур поверхности (t_n) и среды (t_c). Он выражается уравнением

q = ?? (t_n-t_c),

где ?? - коэффициент теплоотдачи.

Таким образом, процесс передачи тепла от поверхности тела человека в окружающую среду состоит из двух частей: передачи тепла от внутренней поверхности одежды к наружной при перепаде температур от t_k до t_no и от наружной поверхности одежды (при температуре t_no) в окружающую среду (в частности, воздушную).

Совокупное изолирующее действие одежды, характеризующее весь процесс теплопрохождения от поверхности во внешнюю среду, может быть выражено суммарной величиной R_сум

R_сум⁼ R_э + R_в.п+R_п,

где R_в.п тепловое сопротивление воздушных прослоек между отдельными слоями материалов, а также между кожей человека и примыкающим к ней слоем материала.

Следовательно, задача технического расчета суммарного теплового сопротивления тканей и пакетов материалов одежды в первом приближении может быть сформулирована таким образом: при известных физических факторах среды одежда должна быть подобрана так, чтобы ее суммарное тепловое сопротивление обеспечило соответствующую гигиеническим требованиям величину q согласно уравнению

q = (t_k-t_c)/R_сум

Согласно этому уравнению количество теряемого организмом тепла зависит от перепада температур между телом человека (t_K) и внешней средой (t_c) и суммарного сопротивления одежды (R_сум). При постоянном R_сум теплопотери возрастают пропорционально увеличению перепада температур. При постоянном перепаде температур и увеличении R_сум материалов теплопотери через пакет материалов снижаются по гиперболическому закону.

Как показали результаты сравнительных исследований пакета материалов одежды на экспериментальном приборе и одежды непосредственно на человеке, имеются существенные, а самое главное, практически не поддающиеся коррекции различия. Поэтому исследованию готовой одежды с участием человека, продолжают уделять особое внимание как с целью получения закономерностей эмпирического характера для проектирования и изготовления одежды, так и с целью оценки ее соответствия с заданными условиями эксплуатации.[1]

1.3 Зависимость теплового сопротивления одежды от свойств материалов и конструкции швейных изделий

В связи с тем, что теплоизоляционные свойства одежды во многом определяются подвижностью заключенного в ней воздуха, следует предположить, что тепловое состояние человека при прочих равных условиях будет зависеть от вида одежды, определяющей интенсивность воздухообмена пододежного пространства с окружающей средой

Наибольшими теплоизоляционными свойствами обладает комбинезон. По отношению к тепловому сопротивлению комбинезона тепловое сопротивление куртки и брюк составляет 94,5%, пальто - 91.5%. Большее, чем у пальто, тепловое сопротивление комбинезона и куртки с брюками в условиях относительно спокойного воздуха обусловлено большим утеплением нижних конечностей. Каких-либо существенных различий в теплоизоляции туловища не наблюдается. Снижение теплоизоляционных свойств одежды во время движений может играть и положительную роль (например, при поддержании теплового баланса человека в процессе выполнения им физической работы). Так, во время ходьбы (со скоростью около 3 км/ч) энерготраты человека, одетого в пальто, увеличиваются примерно на 36%, а теплопотери радиацией и конвекцией - на 24%, т. е. большая часть дополнительно образующегося в организме тепла фактически отдается во внешнюю среду за счет усиления вентиляции пододежного пространства. При той же физической активности в организме человека, одетого в комбинезон, происходит накопление тепла, так как энерготраты в данном случае увеличиваются намного больше (на 36%), чем теплопотери (на 6%). Поэтому в комбинезоне, куртке и брюках должны быть предусмотрены специальные устройства, способствующие вентиляции пододежного пространства и снижению теплоизоляционных свойств одежды при усилении физической деятельности.

Теплоизоляционные свойства одежды во многом определяются толщиной ее пакета, которая включает в себя толщину материалов и толщину воздушных прослоек. Можно предположить, что путем увеличения толщины воздушных прослоек в одежде возможно повышение ее теплового сопротивления. Результата исследований ряда авторов показывают, что эффективно это лишь при толщине воздушных прослоек меньшем 5-10 мм. При ветре роль воздушных прослоек в повышении теплового сопротивления уменьшается. В этих условиях определенное значение имеет воздухопроницаемость пакета материалов одежды. Эффективность воздушных прослоек в повышении теплового сопротивления одежды зависит от ее вида. Тепловое сопротивление расклешенного пальто ниже, чем плотно прилегающего. Это объясняется увеличением конвекции воздуха при увеличении толщины воздушных прослоек.

Таким образом, одежда «закрытого» типа, более плотно прилегающая к поверхности тела человека, при одной и той же толщине пакета ее материалов имеет худшие показатели теплоизоляции. Причиной этого следует считать меньшую фактическую толщину одежды в результате вытеснения воздушных прослоек. Подобное явление наблюдается и при надевании под верхнюю одежду большого количества предметов, которые, с одной стороны, мобилизуют воздух, а с другой - уменьшают толщину воздушной прослойки.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что и при ветре тепловое сопротивление комбинезона, свободно облегающего фигуру, выше, чем прилегающего.

Таким образом, преимущество имеет одежда «замкнутого» типа (комбинезон, или куртка и брюки, или полукомбинезон), свободно облегающая тело человека. В этом случае при проектировании верхней одежды необходимо учитывать толщину предметов одежды, надеваемых под нее, чтобы сохранить определенную свободу облегания тела изделием. При проектировании одежды «открытого» типа (пальто, куртки) необходимо обеспечивать плотное прилегание ее к поверхности тела.

Исходя из этого, требования к припускам на свободное облегание одежды определяется согласно условиям, в которых предполагается ее эксплуатация:

- в одежде (вида куртка и брюки, комбинезон), предназначаемой для зашиты от пониженных температур в закрытых помещениях (например, при работе в холодильных камерах) или в климатических регионах, где преобладает относительно небольшая скорость ветра (до 2 м/с), целесообразно предусматривать наибольший припуск на свободное облегание (Пг = 19 см) с учетом указанной выше эквивалентной поправки на толщину пакета материалов;

- при проектировании одежды того же вида для эксплуатации в районах с преобладанием высоких скоростей ветра (свыше 2 м/с) более благоприятными в отношении повышения теплозащитных функций являются меньшие припуски на свободное облегание (П_г=15-16 см), особенно если в качестве верха спецодежды применяются материалы с воздухопроницаемостью более 15 дм³/м²с).

Регулирование теплозащитных свойств одежды может осуществляться различными конструктивными элементами. Регулирование R_сум одежды осуществляется за счет изменения толщины утеплителя путем комбинирования его слоев или путем нарушения инертности воздушных прослоек.

Зашита от ветра (кроме использования материалов соответствующей воздухопроницаемости) может быть обеспечена специальными клапанами по линии застежки куртки и брюк, капюшоном, напульсниками, конструктивными элементами защищающими лицо. Применение вентиляционных устройств в зимней одежде эффективно лишь в том случае, если их локализация учитывает характер физической деятельности человека.

Одно из требований к вентиляционным устройствам в одежде зимнего назначения - предупреждение попадания наружного холодного воздуха в пододежное пространство (между поверхностью тела и первым слоем одежды). Несоблюдение этого требования, особенно на фоне общего перегревания при физической работе и повышенного потоотделения, может быть причиной возникновения заболеваний простудного характера.

Теплоизоляционные свойства материалов обусловлены главным образом присутствием заключенного в них инертного воздуха и мало зависят от вида волокон. Между тепловым сопротивлением материалов или пакетов материалов и их толщиной существует прямолинейная связь, которая несколько нарушается для пакетов материалов большой толщины (свыше 16 мм). Эти данные позволяют практически, исходя из толщины пакета материалов, подойти к проектированию одежды с необходимой величиной теплового сопротивления.

Увеличение толщины пакета материалов одежды более 23 мм приводит лишь к незначительному увеличению теплового сопротивления одежды в целом. По мере увеличения толщины пакета материалов уменьшается доля теплового сопротивления воздушных прослоек, что является отрицательным фактором, так как повышается материалоемкость одежды.

Уменьшение доли воздушных прослоек служит одной из причин нелинейной зависимости теплового сопротивления одежды от толщины пакета ее материалов. Поэтому при разработке одежды для защиты от холода важно сохранить стабильное соотношение между тепловыми сопротивлениями воздушных прослоек и непосредственно материалов. Для пальто практически предельной является толщина пакета материалов, равная 13,5 мм.

Эффективность утепления различных областей тела человека неодинакова. Наибольшая она в области туловища, наименьшая в области головы, кистей, стоп. Одной из причин неодинаковой эффективности утепления служит различный радиус кривизны этих областей. В одежде. в комплект которой входит пальто, наименьшая эффективность утепления наблюдается в области бедер, для которой характерна усиленная вентиляция пододежного пространства. Поэтому утепление бедер путем увеличения толщины пальто на этом участке нецелесообразно. Неодинаковая эффективность утепления различных областей тела человека была положена в основу распределения теплоизоляционных материалов в одежде. При этом исходили из целесообразности увеличения толщины пакета материалов в большей степени на тех участках одежды, где возможно достижение большего эффекта (например, в областях туловища, плеча). Напротив, увеличение толщины пакета материалов на других участках одежды после достижения определенного предела не приводит к повышению теплоизоляционных свойств одежды.

Показателем эффективности утепления каждого участка тела человека служит отношение теплового сопротивления одежды, определенного на этом участке, к средневзвешенной величине теплового сопротивления одежды в целом. Чем выше средневзвешенная толщина одежды, тем более неравномерна теплоизоляция различных областей тела человека. Зная средневзвешенную толщину пакета материалов одежды, обеспечивающую необходимый теплоизоляционный эффект, можно рассчитать рациональную толщину этого пакета на каждом участке. Данный подход к вопросу утепления различных областей тела человека позволяет повысить тепловое сопротивление одежды в целом, не увеличивая общего расхода материалов.

Одновременно такая одежда создает благоприятные условия для теплоотдачи с различных областей тела и обеспечивает нормальную топографию температуры кожи.

Зависимость показателей теплозащитных свойств одежды от скорости ветра и воздухопроницаемости пакета материалов.

Так как теплоизоляционные свойства одежды обусловлены в основном заключенным в ней инертным слоем воздуха, ветер, проникая внутрь одежды и усиливая конвекцию в материалах и пододежном пространстве, снижает ее защитный эффект. В условиях ветра различия в суммарном тепловом сопротивлении участков одежды, обусловленные различной толщиной пакета материалов, сглаживаются при непосредственном воздействий движущегося воздуха. Так, при относительно спокойном воздухе увеличение толщины пакета материалов в области плеча с 23 до 36 мм приводит к повышению суммарного теплового сопротивления на 15%, а при скорости ветра 4 и 10 м/с (при условии обдувания плеча) различия в теплоизоляции этого участка при воздухопроницаемости пакета материала, приблизительно равной 40 дм /(м с), практически сглаживаются. Происходит это, по-видимому, потому, что с увеличением толщины теплоизоляционного слоя в нем происходит усиление конвекции. Этот факт, наблюдаемый при относительно спокойном воздухе и являющийся одной из причин нелинейной зависимости теплового сопротивления одежды от ее толщины, приобретает в условиях ветра еще большую значимость. Однако зависимость средневзвешенного теплового сопротивления одежды от толщины пакета ее материалов сохраняется и в условиях ветра, так как воздействию ветра подвергается лишь часть поверхности тела человека. Степень уменьшения суммарного теплового сопротивления одежды зависит как от скорости ветра, так и от воздухопроницаемости пакета материалов. При этом предполагается, что определенная воздухопроницаемость пакета материалов обеспечивается благодаря основной ткани либо специальной прокладке, размещаемой под основной тканью. Анализ локальных величин показывает, что зависимость суммарного теплового сопротивления одежды от скорости ветра на обдуваемых участках (в частности, в области плеча, бедра) является линейной лишь при небольшой воздухопроницаемости одежды - 7 дм /(м с). При большей воздухопроницаемости - 24-40 дм³/(м²с) - эта зависимость носит криволинейный характер. Наибольшие изменения в тепловом сопротивлении обдуваемого участка одежды происходят при скорости ветра до 4 м/с.

Результаты, полученные при исследовании теплозащитных показателей зимних пальто непосредственно на человеке, свидетельствуют об увеличении интенсивности охлаждения человека с увеличением скорости ветрового потока и воздухопроницаемости пакета материалов одежды.

Зависимость средневзвешенного теплового потока от скорости ветра при воздухопроницаемости пакета материалов одежды 0-60 дм³ /(м²с) носит линейный характер. Теплопотери человека, одетого в пальто, имеющее воздухопроницаемость 0 и 7 дм³ /(м²с), в диапазоне скоростей до 10 м/с практически одинаковы.

Результаты исследований позволили представить изменения суммарного теплового сопротивления одежды в зависимости от скорости ветра, воздухопроницаемости пальто и движений человека следующим уравнением

Rсум.в = 0,82 Rсум.шт - (0,00018* В-0,0093)*V

где Rсум. в- суммарное тепловое сопротивление одежды в условиях ветра м2°С/Вт;

Rсум.шт - суммарное тепловое сопротивление одежды при относительно неподвижном воздухе, определенное на человеке, находящемся в состоянии физического покоя, м²°С/Вт,

В - воздухопроницаемость пакета материалов пальто. дм³/(м² с);

V - скорость ветра, м/с.

Приведенное уравнение позволяет ориентироваться в изменении суммарного теплового сопротивления комплекта одежды, включающего пальто, в зависимости от воздухопроницаемости пакета материала и скорости ветра. Кроме того, оно дает возможность определять исходное тепловое сопротивление одежды Rсум.шт с учетом конкретной воздухопроницаемости пакета материалов пальто и скорости ветра, при которой предполагается его эксплуатация. Зная Rсум.шт можно установить средневзвешенную толщину пакета материалов.[1]

Для определения теплового сопротивления одежды исходя из формулы

R_сум = (t_к-t_в)/ q

Необходимы сведения о температуре кожи человека t_к, температуре воздуха t_в и тепловом потоке q. Для приближенного расчета теплового потока требуются следующие сведения:

- об энерготратах человека Q _{э.т ,} Вт;

- об тепловой энергии, получаемой извне Q _т.в, Вт;

- о времени непрерывного пребывания человека в заданных условиях t, с;

- о допустимом дефиците тепла в организме Д/t , Вт;

- о термическом коэффициенте полезного действия з;

- о потере тепла испарением влаги с поверхности тела человека и верхних дыхательных путей Q_исп,Вт;

- о затрате тепла на нагревание вдыхаемого воздуха Q_дых.н, Вт;

- о величине площади поверхности тела человека S,м².

Кроме того, для проектирования одежды с заданным тепловым сопротивлением необходимы сведения о скорости ветра V и воздухопроницаемости пакета материалов В. Перечисленные показатели в целом определяют величину теплового сопротивления одежды.

При изготовлении одежды бытового назначения можно исходить из среднесуточной температуры, поскольку в суточном изменении температуры ее среднее значение чаще всего приходится на утренние и вечерние часы, когда человек уходит на работу и возвращается с нее.

Знание скорости ветра необходимо как для корректировки расчетной величины теплового сопротивления одежды, так и для выбора материалов требуемой воздухопроницаемости.

Количество тепла, получаемого человеком извне за счет солнечной радиации, при расчетах теплового сопротивления зимней одежды можно не учитывать, принимая во внимание возможное снижение температуры воздуха и непостоянный характер радиационного баланса. Величину теплового сопротивления одежды определяет длительность пребывания человека на холоде. Вполне очевидно, что чем более длительное время человек должен подвергаться воздействию холода, тем большее тепловое сопротивление должна иметь его одежда.

При проектировании одежды для защиты от холода можно исходить из того, что человек, эксплуатирующий ее, несколько охлаждается (а не из теплового равновесия организма и окружающей среды). Допущение охлаждения человека (до появления теплоощущения «прохладно») возможно по следующим причинам:

- пребывание человека в условиях воздействия охлаждающего фактора ограничено во времени;

- определенная степень охлаждения организма активизирует жизнедеятельность, повышая обменно-энергетический уровень, способствуя активности терморегулирующих механизмов и адаптации к условиям холода;

- одежда, рассчитанная на некоторое охлаждение, дает возможность человеку работать и при повышенной температуре окружающей среды, а также выполнять физическую работу большей интенсивности без перегревания;

- из существующих материалов практически нельзя создать одежду, которая бы в условиях низкой температуры окружающей среды обеспечила длительный комфорт при выполнении человеком легкой физической работы или пребывании его в состоянии физического покоя.

Рекомендуется рассчитывать тепловое сопротивление одежды исходя из того, что по истечении заданного времени пребывания человека в условиях охлаждения он оценит свои ощущения как «прохладно». На большее охлаждение при проектировании одежды не следует ориентироваться по следующим причинам:

- фактическая температура окружающей среды может оказаться ниже той средней, которая принималась при расчетах термического сопротивления одежды;

- энерготраты человека не носят постоянного характера: периоды более интенсивной работы чередуются с периодами менее интенсивной;

- большее охлаждение человека требует и большего времени на обогревание, т.е. эффективность использования рабочего времени уменьшается;

- большее охлаждение организма может быть причиной возникновения простудных заболеваний и снижения работоспособности человека.

2. Расчет теплового сопротивления и толщины пакета материалов одежды в комплекте с пальто

Расчет толщины пакета материалов теплозащитной одежды. Расчет осуществляется при следующих условиях:

- энерготраты - ходьба по наклонной местности, угол-до10град;

- дефицит тепла - 240 кДж/кг;

- температура кожи - 33,5^{0. С};

- скорость ветра - 7,5 м/с;

- площадь тела - 1, 79 кв.м.

- температура воздуха - «-19»^{0. С};

Чтобы обеспечить требуемое тепловое состояние человека, тепловое сопротивление одежды бытового назначения должно соответствовать конкретным условиям ее эксплуатации. Однако, учитывая массовый выпуск подобной одежды и принимая во внимание различные факторы, осуществить это практически сложно. В связи с этим при проектировании зимней бытовой одежды целесообразно исходить из климатического районирования территории бывшего СССР, проведенного для целей гигиены одежды. При этом следует ориентироваться на средние показатели метеорологических условий различных климатических зон (таблица 2.1)

Таблица 2.1- Показатели теплозащитных свойств одежды (в комплекте с пальто) для третьей климатической зоны в зимний период.

Климатическая зона	Район	Средняя температура воздуха,0С	Наиболее вероятная скорость ветра, м/с	Рекомендуемая воздухопроницаемость, дм3/(м2с)	Исходное суммарное тепловое сопротивление одежды в целом, м20С/Вт	Исходное суммарное тепловое сопротивление одежды в области туловища, м20С/Вт	Толщина пакета материалов одежды в области туловища, мм	Толщина пакета материалов пальто, мм
III	Аа Аб Б	-9,8 -12,0 -10,0	5 10 5	10-30 10-20 10-30	0,510-0,525 0,574-0,612 0,510-0,525	0,72- 0,75 0,90-0,93 0,72- 0,75	12,0-12,8 18,0-20,0 12,0-12,8	9,1-9,9 15,1-17,1 9,1-9,9

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

1) Определяем теплопродукцию организма человека

Q_т.п= Q _э.т -з(Q _э.т - Q_о), (2.1)

где Q _э.т - энерготраты человека;

з - термический коэффициент полезного действия.

Согласно таблицы 2.2 при ходьбе по ровной местности со скоростью 3км/ч термический коэффициент полезного действия равен з = 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

Q_т.п= Q _э.т= 214,97 Вт, так как з = 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

Д_уд = 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 = Д_{уд *} 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)

Q_дых.в= 0,0012Q _э.т *(34 - t_в), (2.3)

где t_в - температура воздуха

Q_дых.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.

Q_исп = 260 * 20/100 = 52 Вт

5) Определяем радиационно-конвективные теплопотери со всей поверхности тела

Q_{рад.конв}= (Q_т.п + Д/t) - Q _исп - Q _дых.в, (2.4)

Q_{рад.конв} = (214,97 +51,38/4500) - 52 -11,7= 151,28 Вт

Находим тепловой поток с единицы поверхности тела

q_{с п} = Q_{рад.конв} /S ,

где S - площадь тела, м²

q_{с п} = 151,28/1,85 = 81,78 Вт/м²

6) Рассчитываем необходимое суммарное тепловое сопротивление одежды в целом исходя из средневзвешенной температуры кожи t_ск, равной 31,1⁰С (таблица 2.3) применительно к удельным энерготратам

Q_{эт уд} = Q_эт/S ? 116 Вт/м² ,

температуры воздуха t_{в ,} равной -11 ⁰С, и средневзвешенного теплового потока q_{с п}, составляющего 80,52 Вт/м² :

Rсум =	tck - tв qс п

Rсум = (31,1- (-11) )/ 80,52 = 0,523 м^2.С/Вт (2.5)

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

q_тул =( q_{с п}* 21,5)/(100*( S_тул/S))= (80,52*21,5)/(100*0,34)= 50,92 Вт/м²,

где S_тул/S=0,34 - доля поверхности туловища.

Рассчитываем тепловое сопротивление одежды в области туловища:

Rсум.тул=	(tтул - tв) qтул

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

Rсум.тул = (32,3- (-14,2) )/ 50,92 = 0,9 м^2?С/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 м^2?С/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 м^2?С/Вт

9) Устанавливаем средневзвешенную толщину пакета материалов

одежды для обеспечения расчетной величины суммарного теплового сопротивления. Если величина Rсум. шт меньше 0,5 м^2?С/Вт, то толщину находят из данных таблицы, в данном случае величина Rсум. шт больше 0,5 м^2?С/Вт, следовательно расчет толщины производится по приближенной формуле(2.8):

д ? 60 * Rсум. шт - 27,3* (Rсум. шт)²- 9,8 (2.8)

д ? 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 = 0,98м^2?С/Вт

В соответствии с таблицей 2.4 толщина пакета материалов в области туловища, обеспечивающая эту величину, составляет д _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 ?₀= 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. тепловой сопротивление одежда швейный

В результате простегивания происходит уменьшение расстояния между строчками до ?_пр , отсек имеет переменную толщину. Максимальная толщина отсека ?_max.

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):

-аппроксимация дугой окружности

x²+ (y-b)² = r², (3.1)

-аппроксимация дугой эллипса

x²/ a² + y² /b² =1, (3.2)

-приближение кривой вида

y = a + b *ch( x/ d), (3.3)

где d ? 3?_пр/4?_max

Параметр d определяет форму кривой. Точное значение d подбирается опытным путем минимизацией выборочного коэффициента корреляции «r_i» в процессе выполнения расчетов. По данному корреляционному полю будем искать регрессионную зависимость в виде дуги окружности. Сделаем замену переменных. По результатам расчетов заполним корреляционную таблицу 3.2 в новых переменных.

Таблица3.2 - Корреляционная таблица в новых переменных

№	1	2	3	4	5	6
Xi	3482	3152	2899.25	1810.25	832	395.84
Yi	1.0	4	9.5	14.5	16	17.2
№	7	8	9	10	11	12
Xi	310.25	746.44	1660.09	2522	3180.89	3482.21
Yi	17.5	16.2	14.7	11	6.7	1.1

3.1 Приближение контура поперечного сечения отсека дугой окружности

По корреляционной таблице 3.2 строится линейная регрессия. Для нахождения уравнения линейной регрессии в среде Maple выполняются следующие команды:

> data3:=[data1[k]^2+data2[k]^2$k=1..12];

> evalf(fit[leastsquare[[X,Y]]]([data3,data2]));

> describe[linearcorrelation](data3,data2):r[okr]:=evalf(%);

Для построения корреляционного поля вместе с графиком регрессионной зависимости (рисунок 3.2) выполняются следующие процедуры:

> M[okr]:=[[data3[k],data2[k]]$k=1..12];

> plot([20.44612117-.4737972935e-2*X,M[okr]],X=0..4000,Y=0..22,style=[line,point],color=black,thickness=2);

Рисунок 3.2 - Корреляционное поле вместе с графиком регрессионной зависимости

Находим искомые параметры b и радиус окружности r.

> A:=20.44612117;B:=-.4737972935e-2;b:=1/2/B;r:=-sqrt(1-4*A*B)/2/B;

Размещено на http://www.allbest.ru

> plot([b+sqrt(r^2-x^2),m],x=-67..67,y=0..20,style=[line,point],color=black,symbol=BOX,thickness=3);

Рисунок 3.3 - Дуга окружности на корреляционном поле в старых переменных

3.2 Приближение контура поперечного сечения отсека дугой эллипса

По таблице 3.3 построим линейную регрессию для эллипса в новых переменных.

Таблица3.3 - Корреляционная таблица для координат контура сечения отсека, представленного в виде эллипса

№	1	2	3	4	5	6
Xi	3481	3136	2809	1600	576	100
Yi	1	16	890.25	210.25	256	295.84
№	7	8	9	10	11	12
Xi	4	484	1444	2401	3136	3481
Yi	306.25	262.44	216.09	121	44.89	1.21

В среде Maple выполним следующие команды:

> data4:=[data1[k]^2$k=1..12];

> data5:=[data2[k]^2$k=1..12];

> M[el]:=[[data4[k],data5[k]]$k=1..12];

> evalf(fit[leastsquare[[X,Y]]]([data4,data5]));

> describe[linearcorrelation](data4,data5):r[el]:=evalf(%);

> plot([315.9626550-.8698268850e-1*X,M[el]],X=0..3500,Y=-50..350,style=[line,point],color=black,thickness=3);

Рисунок 3.4 - Линейная регрессия для эллипса в новых переменных

Рисунок 3.4 - Линейная регрессия для эллипса в новых переменных

> A:=315.9626550;B:=.8698268850e-1;b:=sqrt(A);a:=sqrt(A/B);

> plot([[a*cos(t),b*sin(t),t=0..Pi],m],x=-67..67,y=0..20,style=[line,point],color=black,symbol=BOX,thickness=3);



Рисунок 3.5 - Эллиптическая регрессионная зависимость на исходном корреляционном поле

3.3 Приближение контура поперечного сечения отсека обобщенной цепной линией

По корреляционной таблице 3.3 построим линейную регрессию для эллипса в новых переменных. Выполним следующие команды:

> d:=2.9*59/17.5;

> data6:=[cosh(data1[k]/d)$k=1..12];

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

Составим корреляционную таблицу 3.4 в новых переменных.

Таблица3.4 - Корреляционная таблица в новых переменных

№	1	2	3	4	5	6
Xi	ch(59/d)	ch(56/d)	ch(53/d)	ch(40/d)	ch(24/d)	ch(10/d)
Yi	1.0	4	9.5	14.5	16	17.2
№	7	8	9	10	11	12
Xi	ch(2/d)	ch(22/d)	ch(38/d)	ch(49/d)	ch(56/d)	ch(59/d)
Yi	17.5	16.2	14.7	11	6.7	1.1

> M[cl]:=[[data6[k],data2[k]]$k=1..12];

> evalf(fit[leastsquare[[X,Y]]]([data6,data2]));

> describe[linearcorrelation](data6,data2):r[cl]:=evalf(%);

> plot([16.92748383-.7519628962e-1*X,M[cl]],X=1..220,Y=-1..17,style=[line,point],color=black,thickness=3);

Рисунок 3.6 - Графическое изображение линейной регрессии для обобщенной цепной линии в новых переменных

> A:=16.92748383;B:=-.7519628962e-1;

> plot([16.92748383-.7519628962e-1*cosh(x/d),m],x=-67..67,y=0..20,style=[line,point],color=black,symbol=BOX,thickness=3);

Рисунок 3.7 - Кривая регрессии обобщённой цепной линии на исходном корреляционном поле

Выводы по работе

1) Исследования в области проектирования теплозащитной одежды с объемными несвязными наполнителями позволяют повысить качество изделий и снизить материальные затраты на производство.

2) В результате расчета толщины теплозащитного пакета при заданных условиях установлено, что средневзвешенная толщина в безветренную погоду равна 20,22 мм. При ветре V=5м/с и воздухопроницаемости В=30 дм³/(м²*с) толщина теплозащитного пакета должна быть увеличена на 22 % и она составит 21 мм.

3) В результате анализа выборочных коэффициентов корреляции |r(цепн.)|=0,9828> |r(элл.)|=0,9877> |r(окр.)|=0,9381 установлено, что наиболее предпочтительным является приближение границы отсека цепной линией.

Библиографический список

1.Бекмурзаев Л.А. Методические указания к выполнению курсовой исследовательской работы на стыке фундаментальных дисциплин [Текст] / Л.А. Бекмурзаев. - Шахты: Издательство ЮРГУЭС, 2005.- 50с.

2. Делль Р.А. Гигиена одежды: Учебное пособие для вузов - 2-е изд., перераб. и доп. [Текст] / Р.А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова. - М.: Легпромбытиздат, 1991. - 160с.

3.Бузов Б.А. Материаловедение в производстве изделий лёгкой промышленности (швейное производство) [Текст] Учебник / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова; под ред.Б.А. Бузова - М.: Издательский центр «Академия», 2004 - 448с.

4. СТО ЮРГУЭС 01-2009 Стандарт организации. Выпускные квалификационные работы. Курсовые проекты (работы). Основные требования к объёму и оформлению - Взамен СТП - 01-01. Дата введения-2009-04-01

Размещено на Allbest.ru