Разработка методов оценки и измерения теплофизических показателей нетканых текстильных материалов

В настоящее время нетканые материалы находят применение во многих отраслях народного хозяйства, и потребность в них постоянно растет. Широкий спектр свойств этих материалов позволяет применять их в различных областях в том числе и для защиты от внешних тепловых воздействий окружающей среды как тела человека, так и различных искусственных сооружений и аппаратов. Для более широкого и рационального использования нетканых материалов на практике как теплоизоляторов необходимо всестороннее исследование их теплоизоляционных качеств.

Теплоизоляционные свойства материалов зависят не только от состава, технологии изготовления и структуры материалов, входящих в состав покрытия, но и от оптических и топологических свойств их поверхностей. При проектировании новых теплоизоляционных нетканых материалов с требуемыми теплоизоляционными качествами, определяемыми областью их применения, необходимо знать влияние свойств составляющих материалов и технологии изготовления на общие теплоизоляционные характеристики проектируемого нетканого материала. Влияния теплофизических свойств составляющих материалов на общие теплозащитные свойства теплоизоляционных покрытий представляет собой одну из актуальных задач проектирования новых материалов. Как правило, применяются теплоизоляционные покрытия, составленные из разных материалов с различными теплофизическими и оптическими свойствами. Установление аналитических зависимостей, связывающих показатели этих свойств с определяющими их факторами, является актуальной задачей проектирования' новых теплоизоляционных материалов. Для решения этих задач необходимо изучить прохождение нестационарных тепловых потоков через плоскослоистую среду, моделирующую различные теплозащитные покрытия.

Задача определения теплофизических характеристик материалов на основе изучения закономерностей распространения в них тепловых потоков является не менее актуальной. Решение этой задачи позволит разработать новые методы измерения теплофизических параметров теплоизоляционных нетканых материалов.

Проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение указанных задач, является темой данной диссертационной работы. Целью настоящей работы является:

— исследование закономерностей распространения нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах и их связь с теплофизически-ми постоянными нетканых теплоизоляционных материалов;

— на базе найденных закономерностей разработка теоретических основ новых методов измерения теплофизических постоянных теплоизоляционных материалов;

— разработка схем установок для измерения теплофизических постоянных теплоизоляционных материалов новыми методами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— предложено адиабатическое решение нелинейной задачи теплопроводности, описывающее квазирегулярный режим охлаждения, и установлены границы его применимости;

— развит метод интегральных уравнений решения нелинейных задач теплопроводности, с помощью которого описывается распространение нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах;

— найдены аналитические выражения, описывающие полученные закономерности распространения нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах, моделирующих теплоизоляционные материалы;

— предложены методы измерения теплофизических параметров теплоизоляционных материалов, основанные на найденных закономерностях распространения нестационарных тепловых потоков;

— проанализировано влияние ворсистости поверхности нетканого материала на ее коэффициент теплоотдачи.

Практическая значимость и реализация результатов работы состоит в следующем:

— разработаны методы анализа процессов распространения нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах, позволяющие их контролировать и изменять;

— разработаны методы измерения теплофизических параметров теплоизоляционных материалов на основе решения нестационарных нелинейных задач теплопроводности и предложены схемы соответствующих установок.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием теоретических положений теории тепломассообмена и результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях.

Апробация работы:

Основные результаты докладывались на V Международном совещании по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте (г. Москва, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2006) (. Москва, 2006), на Всероссийских конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004 и Текстиль-2005),(г. Москва, 2004,2005), на 6-ой, 7-ой и 8-ой специализированных выставках «Изделия и технологии двойного назначения. Конверсия ОПК», на Международной конференции «Молодые ученые — промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (г. Москва, 2007).

Публикации. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертации, были опубликованы в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 63 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 142 страницах и содержит приложения на 17 страницах.

Основные выводы и рекомендации по работе Перечислим в заключение основные выводы и результаты, полученные в диссертации и выносимые на защиту.

1. Теоретически и экспериментально исследованы нестационарные тепловые потоки в плоскослоистых средах нетканых теплоизоляционных материалов. Найдены аналитические выражения, описывающие теоретически изученные закономерности распространения нестационарных потоков. Получены формулы, связывающие измеряемые величины с теп-лофизическими постоянными нетканых текстильных материалов, из которых составлена плоскослоистая среда.

2. При свободной конвекции, когда выполняется условия регулярного режима охлаждения, для нетканых текстильных материалов темп охлаждения плоского образца с достаточной точностью определяется формулой я = -4-(1,307 + 1,39−1В5/)2.

Использование этой формулы для определения коэффициента темпе ратуропроводности предполагает, что известен комплекс, имеющий размерность темпа охлаждения а.

Щ =— рс&bdquo-5 в который входит коэффициент теплоотдачи а, для определения радиационной составляющей которого нужно провести независимое измерение коэффициента теплового излучения б поверхности образца.

3. Теоретически и экспериментально изучен квазирегулярный режим охлаждения нетканых материалов, в котором темп охлаждения ш линейно зависит от времени х: т = т{ 1 — jut) .

Из кривой охлаждения образца, полученной на опыте, определяются два параметра т и /и. В случае линейной зависимости критерия Bi от температуры.

Bi = Bi (1 + bt) связь между измеряемыми параметрами т ,/и и i?/, ?> определяется с помощью таблиц 2.3, 2.4.

4. При квазирегулярном режиме кривая охлаждения поверхности плоского образца нетканого текстильного материала при незначительном изменении его теплофизических постоянных (~1%) меняется весьма резко.

В частности, для образца из войлока изменение влагосодержания на 1% приводит к заметному несовпадению теоретически рассчитанной кривой с кривой, полученной экспериментально.

5. Теоретически изучено и экспериментально подтверждено влияние ворсистости поверхности нетканого текстильного материала на ее коэффициент теплоотдачи. Установлено, что зависимость коэффициента теплоотдачи от ворсистости поверхности нетканого материала проявляется в небольшом диапазоне разности температур поверхности и окружающей среды («20°С).

6. Измерение теплофизических постоянных нетканых материалов методом квазирегулярного режима охлаждения рекомендуется проводить при разности температур поверхности материала и окружающей среды более 30 градусов.

7. Теоретически изучен процесс распространения импульсного теплового потока в плоскослоистой среде (тепловой удар). Предложен метод интегральных уравнений для решения нелинейной задачи теплопроводности, сводящий задачу определения температур поверхностей образца к решению системы интегральных уравнений, связывающих эти температуры с падающим на среду тепловым потоком.

8. При импульсном тепловом ударе, когда тепловая длина 1 Т сравнима с толщиной образца (/г = 6), температура второй поверхности монотонно возрастает и достигает максимума с некоторым запаздыванием Ат по отношению к максимуму температуры первой поверхности, определяемым температуропроводностью материала слоя. Зависимость времени запаздывания Ат от коэффициента температуропроводности материала позволяет свести измерение коэффициента температуропроводности к измерению промежутка времени.

9. При прохождении через плоский слой теплового потока, меняющегося по гармоническому закону, между переменными компонентами температуры на поверхности плоского слоя наблюдается сдвиг по фазе, который может быть измерен с помощью двух оптических пирометров. Величина сдвига по фазе определяется коэффициентом температуропроводности и ее измерение сводится к измерению разности времен, в которые достигаются максимумы температур.

Ю.На основе найденных закономерностей предложены нестационарные методы измерения теплофизических параметров текстильных материалов, позволившие произвести измерения теплофизических постоянных ряда нетканых материалов.