WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

«Монография УДК ББК Авторский коллектив Прохоров В.Т., Осина Т.М., Жихарев А.П., Михайлов, А.Б., Михайлова И.Д. Рецензенты: Доктор технических наук, профессор А. Жаворонков (г.Шахты) Доктор ...»

-- [ Страница 4 ] --

/, 3 - кожевая ткань обращена к воздушному потоку 2,4 - волос обращен к воздушному потоку (2 - высота волоса 12 мм; 4-20 мм) Для поддержания исходной температуры кожного покрова организм начинает продуцировать больше внутренней энергии, однако этот процесс не может быть длительным и при неблагоприятных условиях наступает обморожение кожного покрова. Поэтому народы, проживающие в северных широтах, при изготовлении меховой одежды и обуви применяют мех в качестве и наружного, и подкладочного материала.

Удельная теплоемкость текстильных материалов в зависимости от волокнистого состава изменяется в пределах 1,09...2,18 кДж/(кг К). Удельная теплоемкость материалов, как и теплопроводность зависит от химического состава, строения, влажности и температуры окружающей среды. На рис. 2.14 приведены кривые изменения удельной теплоемкости при постоянном (ср) давлении кож для наружных деталей низа (кривые 1,2) и верха обуви в зависимости от температуры.

При понижении температуры от 273 до 163 К наблюдается снижение ср для кож независимо от их влажности, что связано с уменьшением их внутренней энергии. Однако у абсолютно сухих кож (кривые 1, 3) значения ср при соответствующих температурах меньше, чем у кож, находящихся в гигроскопическом состоянии (2,4).

Рис. 2.14. Изменение удельной теплоемкости при постоянном давлении в зависимости от температуры:

(1,3 - абсолютно сухих; 2,4 - в гигроскопическом состоянии) Более высокая удельная теплоемкость у влажных кож связана с тем, что содержащаяся в коже влага имеет более высокую удельную теплоемкость, чем воздух и коллаген (см. табл. 2.12).

Таким образом, теплофизические свойства материалов непостоянны и зависят от температуры, влажности, атмосферного и механического давления, а также от комплексного действия нескольких факторов окружающей среды. Поэтому при выборе материала для соответствующей детали нужно четко знать, какие факторы окружающей среды будут воздействовать на данные материалы в условиях эксплуатации изделия.

Юфть хромтаннидного дубления 0,10... 0,16 0,86... 1, Выросток хромового дубления 0,10... 0,13 0,72... 0, Из приведенных данных видно, что тепло- и термопроводность непористых резин больше, чем пористых. Возрастание пористости кожи с 38,33 до 47,97 % приводит к снижению теплопроводности с 0,094 до 0,080 Вт/(м·°С). Аналогичные изменения наблюдаются для тканей, нетканых материалов и др. Уменьшение теплопроводности материалов с увеличением их пористости связано с тем, что у воздуха и других газов, заполняющих пустоты в материалах, значительно ниже, чем у полимерного вещества, из которого изготовлен тот или иной материал.

Стеклоткань ТСОН-нп плотностью 200, диаметром 0,33 мм 0,036 0, Пакеты тканей из нитей капроновых диаметром 1,7 мм 0,103 0, Пакеты тканей из нитей лавсановых диаметром 1,5 мм 0,084 0, Исследования, проведенные Л.А. Онищенко, М.А. Сухаревым, В.А. Смирновым, А.П. Жихаревым, Б.А. Бузовым и другими авторами, показали, что теплопроводность пористых материалов (в частности, тканей, пакетов и нитей) существенно зависит от давления атмосферы.

С понижением атмосферного давления с 105 до 10-3 Па теплопроводность уменьшается для тканей и пакетов тканей в 2,5...6 раз, нитей – 1,1...1,6 раза. Полученные данные свидетельствуют о том, что в тканях и других пористых мате риалах теплопередача осуществляется не только по твердому веществу материала при нормальном атмосферном давлении, но и конвекцией, и излучением. Поэтому определяемая из опытов теплопроводность обувных материалов учитывает все виды теплопередачи. Таким образом, увеличение пористости материалов или наличие воздушных прослоек в пакетах материалов существенно уменьшает тепло- и термопроводность обувных материалов, что увеличивает их термическое сопротивление и, следовательно, теплозащитные свойства. При производстве и эксплуатации изделий на материалы действуют различные внешние факторы: влага, температура, внешнее давление и др. Изменение теплопроводности кож по мере увеличения их влажности зависит от вида исходного сырья, покрытия, технологии изготовления и назначения кож. Увеличение теплопроводности кож с повышением их влажности связано с тем, что влага заполняет микро- и макрокапилляры кожи, а теплоперенос осуществляется теплопроводностью как по твердому веществу кожи, так и по воде, теплопроводность которой в шесть и более раз выше, чем у абсолютно сухой кожи.

Подобные явления наблюдаются в кожах, тканях, нетканых материалах при отделке, жировании, крашении, пропитке. Например, увеличение содержания жирующих веществ в коже с 10,05 до 26,52 % ведет к возрастанию теплопроводности с 0,089 до ОДЮ Вт/(м°С).

При движении человека внутренние детали обуви испытывают давление сжатия от 0 до 0,19 МПа, что приводит к изменению плотности, пористости и, следовательно, теплопроводности материалов.

Опыты показали, что действие на материалы указанного давления увеличивает теплопроводность свиных подкладочных кож на 22,9%, спилка подкладочного на 74,1 %, искусственной кожи, дублированной пенополиуретаном, на 133%. Теплофизические свойства кож при изменении температуры окружающей среды непостоянны. На рис. 2. приведены данные В.С. Каштана о влиянии температуры на теплопроводность кожи хромтаннидного дубления различной влажности.

Из кривых следует, что наибольшую теплопроводность имеют кожи влажностью 50 %. Теплопроводность кож влажностью 50 % при температуре менее 0°С выше, чем при температуре более 0°С.

Рис. 2.15. Зависимость теплопроводности кожи хромтаннидного дубления (чепрак) от температуры влажности кожи, %: 1-6,2-28,3- Это связано с тем, что в коже при температуре менее О °С в макрокапиллярах, заполненных водой, проходит процесс фазового перехода воды из жидкости в лед. Теплопроводность льда в 3,2 раза выше теплопроводности воды, поэтому эффективная теплопроводность кож, у которых макрокапилляры заполнены льдом, выше теплопроводности кож, макрокапилляры которых заполнены водой.

Рис. 2.16. Зависимости удельной теплоемкости от температуры кож в Удельная теплоемкость кож с изменением температуры от О до - 110°С уменьшается (рис. 2.16). Данное изменение Ср связано с уменьшением подвижности макромолекул полимерного вещества кож из-за снижения внутренней энергии. Присутствие в коже 6...9 % влаги независимо от температуры увеличивает теплоемкость подошвенной кожи и юфти (кривые соответственно 2 и 4) по сравнению с теплоемкостью абсолютно сухих кож (кривые 1 и 3).

Таким образом, показатели физических свойств обувных материалов зависят от химического состава, строения, технологии получения и условий окружающей среды. Следовательно, чтобы осуществить рациональный выбор материалов на изделия для соответствующих климатических зон, необходимо провести всесторонние испытания, имитирующие условия эксплуатации. Зная теплофизические свойства материалов при соответствующих условиях эксплуатации изделия, можно определить эквивалентную теплопроводность пакета материалов для верха или низа обуви с последующим уточнением его свойств после лабораторного опробования. В процессе производства изделий из кожи и иногда при их эксплуатации материалы подвергаются действию повышенных и пониженных температур. Для оценки стойкости материалов к действию повышенных температур определяют их тепло- и термостойкость. Теплостойкость характеризуют максимальной температурой, при которой изменения свойств материала носят обратимый характер. Термостойкость характеризуют температурой, при которой начинается термический распад материала, т. е. свойства изменяются необратимо.

При нагревании полимерных материалов поглощение тепловой энергии приводит к движению молекул и атомов, т.е. увеличению подвижности макромолекул, сопровождающейся снижением прочности и повышением деформируемости материала, При более значительном повышении температуры в ряде случаев происходит химическая деструкция полимера и необратимое изменение свойств материалов. Например, полиэтилен при нагревании деструктурируется, а поливинилхлорид претерпевает химические изменения без разрыва связей в главной цепи.

Важнейшим фактором, определяющим тепло- и термостойкость полимеров, является энергия связи между атомами в главной цепи. Наиболее устойчива к действию тепла углерод - углеродная связь. Наличие атомов водорода в молекуле полимера резко снижает энергию связи. Неразветвленные полимеры, особенно стереорегулярные, более термостойкие, чем разветвленные. При наличии кислорода в составе полимера (например, в целлюлозе) его термостойкость невелика.

Изделия из пластмасс эксплуатируются в твердом состоянии – кристаллическом или стеклообразном, поэтому их теплостойкость ограничивается температурой стеклования. Для определения отношения материала к действию повышенных температур используют термомеханический метод. Он заключается в построении зависимостей деформации от температуры (термомеханических кривых). Материалы для изделий из кожи существенно различаются структурой и типом полимерной составляющей, поэтому их поведение при нагревании различно. Выдубленные коллагеновые волокна, являющиеся основой кожи, при нагревании до определенной температуры самопроизвольно укорачиваются вдоль своей оси. Сокращение образца кожи сопровождается изменением ее свойств. Такое явление называют свариванием, а температура, при которой начинается резкая усадка образца, – температурой сваривания. Эту температуру можно считать пределом теплостойкости кожи. Явление сваривания подробно описано в работах А.Н. Михайлова, Г.И. Кутянина, Р.С. Уруджева. С повышением температуры увеличиваются колебательные движения связей, соединяющих коллагеновые цепи. При достижении температуры сваривания колебательные движения разрывают связи между цепями, что сопровождается уменьшением размеров и предела прочности образца при растяжении.

На термостойкость кож существенно влияет характер связей в структуре коллагена и связей, возникающих в процессе дубления. Установлено, что температура сваривания сухого коллагена не зависит от метода дубления, но под влиянием дубления момент появления текучести коллагена при нагревании сдвигается в область более высоких температур, так как разрушение образовавшихся при дублении более прочных связей требует большей температуры. Тепло- и термостойкость кожи зависят от продолжительности термообработки, метода дубления, содержания влаги и жира, других факторов.

Кривые термической усадки кожи приведены на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Кривые термической Рис. 2.18. Термомеханические усадки голья (/) и кожи кривые синтетических При воздействии тепла на сухую кожу решающее влияние на усадку оказывает время начального периода термообработки. Например, основная усадка кожи при ее нагревании в течение 60 мин при постоянной температуре происходит на первой минуте – 40…80% общей усадки. Увлажнение кожи снижает температуру сваривания и увеличивает усадку, так как гидратация ослабляет силу связи между цепями. Температура сваривания кожи зависит от метода дубления и количества дубящего агента. Наибольшую устойчивость к нагреванию сообщают коже основные соли хрома, причем при увеличении содержания хрома термостойкость кожи возрастает. При комбинированном методе дубления наибольший эффект дает сочетание солей хрома с алюминиевыми квасцами. Температура сваривания кожи таннидного дубления составляет 70...85°С, жирового – -65...-70°С. Свойства кожи зависят от температуры сваривания. Например, кожи с повышенной температурой сваривания имеют более высокий модуль упругости, малую остаточную деформацию и меньшую истираемость.

Увеличение содержания жира в коже снижает ее усадку. Кроме температуры сваривания характеристикой термостойкости кожи является гигротермическая устойчивость. Ее определяют как отношение пределов прочности при растяжении группы образцов, подвергнутых гигротермической обработке (намокание 1 ч, выдержка в эксикаторе над водой при температуре 60°С 4 ч, повторное намокание 0,5 ч), и группы образцов, только увлажненных в воде в течение 18 ч. Для подошвенных кож этот показатель должен быть не менее 80%.

Тепло- и термостойкость резин зависят от природы каучука, состава резиновой смеси и структуры вулканизующей группы. Наиболее высокой тепло- и термостойкостью обладают резины на основе силиконовых каучуков. Удовлетворительна теплостойкость бутадиеннитрильных каучуков типа СКН-40М, на основе которых изготовляют подошвы спецобуви для рабочих горячих цехов металлургической промышленности. Низка теплостойкость подошв на основе бутадиенстирольных каучуков СКС-30, БС-45К, из которых изготовляют подошвы для большинства видов обуви. Наличием звеньев стирола в бутадиен-стирольных каучуках объясняется легкая формуемость подошв при нагревании. В результате возникает дефект «вылегание следа обуви», для предотвращения которого в резиновую смесь добавляют смолы с высокой температурой размягчения. Поведение резин при действии тепла зависит от типа вулканизатора. При использовании в рецептуре тиурама и термореактивных смол образуются углерод – углеродные поперечные связи, обеспечивающие более высокую термостойкость, чем полисульфидные в серных вулканизатах. Повышению теплостойкости способствует замена углеродных наполнителей (технический углерод) минеральными (асбест).

При литье подошв и каблуков из полимеров (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, капрон) последним необходимо обеспечить переход в вязкотекучее состояние при возможно более низкой температуре, которая и будет определять теплостойкость изделия, т.е. сохранение его формы при нагревании. Температура плавления полиэтилена БД составляет 105...115°С, полиэтиленаНД – С, полипропилена – -160...170°С, композиций поливинилхлорида – -120°С, капрона – -215°С.

Искусственные кожи для верха обуви испытывают действие повышенных температур в основном в процессах термофиксации, когда материал вытягивается на определенную величину (6...9%), а затем при постоянной деформации подвергается термофиксации при температуре 150...200°С в течение 5...10 мин. Н.Ф. Вороновым получены термомеханические кривые деформации искусственных кож СКи СК-8 (рис. 2.18), различающихся наличием у СК-2 промежуточного слоя подлицевой ткани. Образцы были предварительно вытянуты усилием, составляющим 10 % нагрузки при разрыве. Для кожи СК- характерно интенсивное увеличение удлинений с повышением температуры с точкой перегиба при температуре 78°С, обусловленной размягчением материала. У кожи СК-2 наличие подлицевой ткани обусловливает постепенное нарастание удлинений при увеличении температуры без перегиба кривой. Увеличение предварительной вытяжки приводит к возрастанию максимальной термической усадки, особенно при более высоких температурах термофиксации. Теплостойкость тканей зависит в основном от их волокнистого состава. Целлюлозные волокна при нагревании до температуры 100°С снижают свою прочность на 20…30%, но восстанавливают ее при охлаждении. Повышение температуры до 140...150°С приводит к необратимым химическим изменениям целлюлозных волокон. Полиэфирные волокна выдерживают длительное нагревание при температуре 160°С, а полиакрилонитрильные - до температуры 180°С. Эти волокна плавятся при температуре 250...260°С, а асбестовые волокна – при температуре 1450...1550°С. При контакте ткани с нагретой поверхностью повреждается наружный слой волокон. Если ткань увлажнена, то тепло распределяется на большую глубину и повреждение волокон будет меньшим.

При действии на материалы изделий из кожи пониженных температур (от 0 до -40°С) их свойства, прежде всего механические, существенно изменяются: повышаются показатели истираемости, жесткости, разрывная нагрузка возрастает в ряде случаев на 20...40%, снижаются разрывные удлинения на 10...30 %, сопротивление многократному изгибу. Многократное охлаждение-нагревание изменяет структуру и свойства материалов. Характер изменения свойств материала при действии пониженных температур зависит от вида полимера, степени его гидрофильности и влажности материала. При пониженных температурах уменьшается тепловая подвижность полимеров.

У гидрофобных материалов, содержащих небольшое количество влаги, влияние охлаждения-нагревания менее существенно, чем у гидрофильных. Это объясняется тем, что при фазовом переходе вода – лед объем льда увеличивается на 9 %. В гидрофобных материалах изменение сказывается лишь на макроструктуре материала, а у гидрофильных, содержащих во много раз больше влаги, распространяется и на молекулярный уровень.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ

ТЕКСТИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН

Цель работы. Изучение аппаратуры и методики определения теплозащитных свойств полотен.

Задание 1. Изучить характеристики теплопроводности текстильных полотен, аппаратуру и методику испытаний.

Задание 2. Определить показатели теплозащитных свойств полотна методом регулярного или стационарного теплового режима.

Теплозащитные свойства полотен зависят от их теплопроводности-способности проводить тепло от более нагретой среды к более холодной. Основными характеристиками теплопроводности являются:

– коэффициент теплопроводности, [Вт/(м°С)], показывающий тепловой поток, который проходит за 1 ч через 1 м полотна толщиной 1 м при разности температур 1°С:

где Q – тепловой поток, Вт; b – толщина полотна, м; S – площадь полотна, м2; – время прохождения теплового потока, ч; Т1,Т2 – температура сред, °С;

Коэффициент теплопередачи К [Вт/(м °С)], показывающий тепловой поток, который проходит за 1 ч через 1 м2 полотна при его фактической толщине и разности температур сред 1 °С:

1Вт=0,86ккал/(чм°С).

Удельное тепловое сопротивление р (м·°С/Вт) -характеристика, обратная коэффициенту теплопроводности; показывает, на сколько градусов охлаждается среда с более высокой температурой при прохождении через 1 м2 полотна условной толщины теплового потока в Вт:

Тепловое сопротивление R(м2°С/Вт) – характеристика, обратная коэффициенту теплопередачи; показывает, на сколько градусов охлаждается среда с более высокой температурой при прохождении через 1 м2 полотна фактической толщины b теплового потока в 1 Вт:

Удельное тепловое сопротивление р и тепловое сопротивление R характеризуют способность полотен препятствовать прохождению через них тепла, т.е. их теплозащитные свойства. Для текстильных полотен в качестве основной характеристики теплозащитности используют суммарное тепловое сопротивление Rсум (м2 ·°С/Вт):

где Rв – сопротивление переходу тепла от более теплой среды к внутренней поверхности полотна; Rм – тепловое сопротивление полотна; Rп – сопротивление переходу тепла от наружной поверхности полотна в окружающую среду.

Коэффициент теплопередачи К, определяют как обратную величину суммарного теплового сопротивления: К= 1/К.

Суммарное тепловое сопротивление определяют методами регулярного стационарного режима.

Метод регулярного режима основан на измерении скорости (темпа) охлаждения нагретого до заданной температуры тела, изолированного от окружающей среды испытуемой пробой. Темп охлаждения V (с-1) определяю по формуле:

где ln N i, ln N k – натуральные логарифмические функции показаний гальванометра, соответствующие перепадам температур; – время охлаждения пластины прибора (Т1 - Т2) в заданном перепаде температур, На основании темпа охлаждения Rсум (м°С/Вт) рассчитывают в зависимости от применяемой аппаратуры по следующим формулам:

где Ф – фактор прибора, Дж/(м2°С); Е – коэффициент, учитывающий соотношение теплоемкостей пластины и полотна, Дж/°С; К – коэффициент, учитывающий рассеяние теплового потока в пробе; В – поправка на рассеяние теплового потока в приборе, с-1.

Коэффициент Е вычисляют по формуле:

где С1, С2 – полная теплоемкость соответственно пластины прибора и полотна, Дж/°С (С2 = 1,675-103· mS, где m - поверхностная плотность полотна, кг/м2; S - площадь пластины, м2).

Коэффициент К вычисляют по формуле:

где b – толщина пробы, мм; c – толщина воздушной прослойки между пластиной и пробой, мм (при плотном прилегании bc = 0); d – диаметр пластины прибора, мм.

Метод стационарного режима основан на определении количества теплоты, необходимого для поддержания постоянной разности температур двух сред, изолированных друг от друга испытуемой пробой. Коэффициент теплопроводности К [Вт/(м°С)] в стационарном режиме при работе на приборе ИТ-3 определяют из соотношения:

q - плотность теплового потока, Дж/м2 [д = ед/Кд, где ед – где теплоэлектродвижушая сила (ТЭДС) теплового потока, мВ; Кд – коэффициент преобразования теплового потока в ТЭДС, мВ·м2/Вт (паспортная характеристика датчика)]; ДГ – разность температур поверхностей пробы, °С ГДГ = Де/Ст, где Де - разность ТЭДС термопар е1 и е2 «горячей» и «холодной» поверхностей пробы, мВ; Кт – чувствительность термопары, °С (паспортная характеристика термопары).

Таким образом, формула для определения коэффициента теплопроводности полотна, испытанного на приборе ИТ-3, принимает вид:

Тепловое сопротивление полотна определяют по формуле (2.58). Средняя температура полотна (°С):

где Т1,Т2 – графические значения температур, полученные по ТЭДС термопар и соответствующие поверхностям пробы, обращенным к нагревателю и холодильнику.

Для проведения испытаний по методу регулярного режима используют бикалориметр и прибор ПТС-225 (ГОСТ 20489-75). Бикалориметр представляет собой полый стальной цилиндр 4, торцы которого изолированы эбонитовыми колпачками 3 с теплоизоляционным материалом. Термоизоляционные колпачки имеют крючки для подвески бикалориметра. Температуру цилиндра и окружающей среды измеряют термопарой 2, рабочие спаи которой припаяны к внутренней стенке цилиндра; вторые спаи, вмонтированные в специальную трубку, находятся в окружающей среде. Концы термопары подключены к гальванометру 7. Нагрев бикалориметра с надетой пробой 6 осуществляется токами Фуко с помощью индукционной катушки до температуры приблизительно 40 °С. В процессе охлаждения пробы по делениям шкалы гальванометра ведут отсчет разности температур бикалориметра.Принципиальная схема прибора ПТС-225 показана на рис.

2.19. Пробу ткани 9 с помощью прижимного и игольчатого устройств закрепляют на передней крышке корпуса 2, В центре крышки расположена пластина 10 диаметром 225 мм, подогреваемая электронагревателем И до заданной температуры. Для образования между пробой и пластиной воздушного зазора до 5 мм используют текстолитовое кольцо. Прижимной механизм 1 служит для создания определенного давления на пробу (при испытании меха ворсом к пластине). При испытании проб на воздушном потоке определенной скорости используют аэродинамическое устройство, состоящее из трубы 5 и вентилятора 6, частота вращения которых регулируется автотрансформатором 7. Температуру окружающей среды определяют термопарой 3, а для измерения перепада температур между поверхностью пластины и окружающим воздухом используют гальванометр 8 с термопарой 4.

Рис. 2.19. Схема прибора ПТС-225 для определения суммарного

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Для испытаний на бикалориметре выкраивают единичную пробу, длина которой равна окружности бикалориметра плюс 20миллиметровый припуск на шов, а ширина – высоте бикалориметра.

Пробу сшивают в виде рукава и надевают на бикалорнметр, который подвешивают в камеру спокойного воздуха. Снизу на бикалориметр с пробой надевают индукционную катушку, подвешивая ее на крючки.

Катушку подключают в электросеть для нагревания бикалориметра и, включив осветитель гальванометра, проверяют нулевое положение его указателя. Проверку и установку нулевого положения указателя гальванометра производят перед каждым испытанием. После проверки гальванометр подключают к бикалориметру. Указатель гальванометра в виде светового квадрата фиксирует происходящий процесс.

Нагревание ведут до остановки указателя на делении шкалы «500».

Затем индукционную катушку выключают из электросети и удаляют из камеры. Указатель начинает перемещаться в обратном направлении. При достижении им деления шкалы «450» включают секундомер и снимают его показания в 10 точках шкалы с интервалом между ними 10 мм.

Результаты первичных измерений записывают в таблицу 2.14.

По данным замеров строят график темпа охлаждения бикалориметра, откладывая по оси абсцисс время охлаждения (Т1), а по оси ординат – натуральные логарифмические функции показаний гальванометра (lnN). По координатам двух наиболее удаленных друг от друга точек, лежащих на прямолинейном участке графика, определяют темп охлаждения бикалориметра как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, а затем по формулам (2.57) и (2.60) определяют коэффициент теплопередачи и суммарное тепловое сопротивление.

Для определения теплозащитных свойств изделия на приборе ПТС-225 выкраивают пробу размером 300X400 мм. Испытания можно проводить как в условиях естественной конвекции воздуха, так и при действии воздушного потока со скоростью 5 м/с, направленного по отношению к поверхности пробы под углом 45*. Пластину нагревают до перепада температур 60°С между пластиной и окружающим воздухом, затем электронагреватель отключают. При испытании в воздушном потоке включают вентилятор. Пластину охлаждают до перепада температур 55оС, а затем замеряют ее время охлаждения до перепада температур 45°С. Расчеты проводят по формулам (2.59), (2.61), (2.63), (2.64). Полученные данные записывают в отчетную таблицу 2.15.

При испытаниях по методу стационарного режима используют прибор ИТ-3. На приборе моделируются реальные условия эксплуатации текстильных материалов, которые в процессе носки изготовленных из них изделий одежды и обуви контактируют одной стороной с нагретой поверхностью тела человека, передавая тепло более холодной окружающей среде. Прибор ИТ-3 (рис. 2.20, а) состоит из двух пластин 2 и 7 с резиновыми прокладками, в которые вмонтированы термопары.

Рис. 2.20. Схема прибора ИТ-3 для определения коэффициента теплопроводности текстильных полотен (а) и тарировочная кривая для определения температуры пробы на приборе ИТ-3 (б) Испытуемую пробу 5 закладывают между резиновыми прокладками 4 к 6 так, чтобы рабочие спаи 13 и 14 термопар касались поверхностей пробы. Термопара 15 служит для замера температуры нагретой поверхности пробы, а термопара 16 – холодной поверхности пробы. «Холодные» спаи термопар помещены в термостат 17 с тающим льдом, который поддерживает нулевую температуру с точностью ±0,5 °С. Рабочая проба имеет диаметр 100 мм при толщине не более 10 мм. Опускание и подъем верхней пластины на пробу 5 осуществляется маховиком 10.

Ультратермостат 1 подает к нижней пластине 2 воду, нагретую до температуры окружающего воздуха. Верхняя пластина 7 обогревается электрическим нагревателем от стабилизированного источника напряжения 12. Мощность тока, подаваемая на пластину, регулируется в пределах 5-15 Вт. С помощью съемных грузов 11, расположенных на маховике, устанавливают давление верхней (горячей) пластины на рабочую пробу, толщину которой определяют толщиномером 9, вмонтированным в корпус прибора. Проверку и установку толщиномера на нуль производят с помощью кольца 8 до заправки пробы.

Тепло от нагретой пластины 7 через пробу с прокладками передается на нижнюю пластину 2 и с помощью датчика теплового потока 3 регистрируется на шкале потенциометра 19. Вода, циркулирующая с помощью ультратермостата, поглощает тепло, охлаждает нижнюю пластину. Стабилизированный источник напряжения и ультратермостат автоматически поддерживают постоянную разницу температур нагретой и холодной поверхностей пробы. Через 30 мин после включения нагрева верхней пластины с потенциометра поочередно снимают показания ТЭДС термопар и датчика теплового потока.

При этом подача соответствующих напряжений на потенциометр осуществляется переключателем 18.

Температура окружающего воздуха, °С Мощность нагревателя, Вт Температура воды в ультратермостате, °С ТЭДС «горячей» термопары е, мВ ТЭДС «холодной» термопары е, мВ Коэффициент теплопроводности К, Вт/(м·°С) Тепловое сопротивление К9, м2 ·°С/Вт Средняя температура пробы, °С Зная значение ТЭДС (мВ), по рис. 2.20, б находят соответствующие им значения температур Л и Гз, а также среднюю температуру пробы. Затем по формулам (2.56) и (2.59) определяют коэффициент теплопроводности и тепловое сопротивление полотна. Полученные данные и результаты расчетов заносят в таблицу (таблица 2.16).

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать: определение характеристик теплопроводности; краткое описание температуры и методики определения теплозащитных свойств полотна; результаты испытания полотен одним из методов; график темпа охлаждения, первичные результаты и расчеты.

При эксплуатации человек взаимодействует с обувью. В процессе носки обувь воздействует на организм человека. При этом возможно отрицательное влияние нерациональной конструкции обуви на здоровье и трудоспособность человека.

С гигиенической точки зрения систему «человек – обувь – среда» следует рассматривать более детально, а именно «человек (нога человека) – воздушный слой между ногой и так называемой внутренней обувью – внутренняя обувь – воздушный слой между внутренней обувью и внутренними деталями обуви – детали обуви – среда».

Внутриобувной микроклимат – это воздушный слой, прилегающий к поверхности кожи и непосредственно влияющий на физиологическое состояние человека.

Внутриобувной микроклимат значительно отличается по своим параметрам от климата окружающей среды. Он может создаваться как естественным (обмен компонентов через пространство между ногой и обувью, зазоры между деталями обуви и через материалы), так и искусственным путем. Его показателями являются относительные температура и влажность, а также содержание диоксида углерода СО2.

Наиболее благоприятными являются следующие относительные показатели внутриобувного микроклимата: температура 21-33°С, влажность 60-73% (в обуви из натуральной кожи 64,3%), содержание СО2Некоторые специалисты считают удовлетворительным Внутриобувной микроклимат, когда относительная влажность воздуха внутри нее не превышает 90%. При носке обуви с верхом из синтетической кожи такая влажность достигается за 1,5 – 2 ч, а в обуви с верхом из натуральной кожи – за 5ч. Характер изменения температуры внутри обуви аналогичен характеру изменения относительной влажности.

Установлена зависимость между условиями внутриобувного микроклимата и изменениями объема стопы [4].

Температура воздуха внутри обуви имеет большое значение для физиологических функций человека, его самочувствия и работоспособности.

Нормальная температура тела человека 36,8°С. Однако, по некоторым данным, поверхность стопы утром при температуре окружающего воздуха 14-16°С имеет температуру 28-32°С, которая днем понижается и на поверхности, обращенной к стопе, она равняется 19С, а в тыльной части 20-25°С.

Когда человек надевает обувь, температура поверхности стопы вначале несколько повышается, затем понижается и становится даже ниже температуры обнаженной стопы.

Это свойство характеризует способность обуви проводить тепло. При анализе данного свойства возникает необходимость рассматривать сложную связь и зависимость действия двух тепловых потоков: из внутреннего пространства обуви наружу, в окружающую среду и из окружающей среды внутрь обуви. Теплопроницаемость - это гигиеническое свойство обуви, обеспечивающее выведение тепла, выделенного стопой, из внутриобувного пространства наружу в окружающую среду.

Теплопроницаемость зависит от химического состава, строения и влажности материалов. Наибольшую теплопроницаемость имеют материалы малопористые и с высокой влажностью. Теплопроницаемость будет выше при наличии крупных, прямых, сообщающихся и сквозных пор, обеспечивающих более свободный перенос тепла средой (потоками воздуха, пара и влаги) при увеличении скорости воздушного и теплового потока и давления. Низкой теплопроницаемостью обладает воздух. Поэтому пористые материалы, в порах которых находится воздух, имеют меньшую теплопроницаемость, чем пористые. Потери тепла через обувь слагаются из двух различных процессов: потери тепла через низ и верх обуви.

Из 700-800 см2 площади ног, покрытой обувью, на опорную поверхность приходится всего 150 см2, то есть 15-20%. Кроме того, между опорной поверхностью ноги и стелькой отсутствует воздушная прослойка, которая имеется между тыльной частью стопы и верхом обуви. Опорная поверхность стопы непосредственно соприкасаются с низом обуви, и через систему материалов тепло уходит в опору, грунт.

Способность тела проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроницаемости, Вт/(мК), равным количеству энергии, проходящей за 1ч через 1м 2 тела толщиной 1м при разности температур на его гранях 1°С.

С повышением влажности материала теплопроницаемость возрастает, так как теплопроницаемость влаги в 24 раза выше теплопроницаемости воздуха [4].

Одной из основных функций обуви является защита ног человека от охлаждения под влиянием слишком низкой температуры окружающей среды.

Хладозащитные свойства обуви. Значительное количество бытовой и производственной обуви, используется для носки в зимний период при пониженной температуре воздуха и опоры.

Некоторые данные показывают, что на Севере 70-90% всех случаев отморожения составляет отморожение конечностей, что обусловлено недостаточными хладозащитными свойствами обуви.

Резкое охлаждение конечностей приводит к общему охлаждению организма, а также к возникновению простудных и других заболеваний.

Как известно, наиболее подверженной действию холода является область пальцев, которые при стоянии и частично при ходьбе человека плотно прилегают к низу обуви. Отдача тепла поверхностью обуви в опору (снег, мокрая почва) при плотном прилегании низа происходит более интенсивно, чем в воздух. Верх по сравнению с низом обуви менее плотно прилегает к стопе и не подвергается сжатию, поэтому имеющиеся воздушные прослойки способствуют повышению изоляции стопы от холода [4].

Необходимым условием возникновения потока теплоты является наличие разности (т.е. градиента) температур отдельных частей тела или системы тел (твердых, жидких и газообразных).

Температура обозначена буквами Т или t, и измеряется соответственно, в Кельвинах (К) или градусах (°С) (ТК= t,°С=273).

Тепловой поток через площадь F (м2), перпендикулярную этому потоку, обозначим через Q (Вт); плотность теплового потока, т.е.

поток теплоты сквозь единицу площади, через q 2, где Следовательно, градиент температуры в теле есть та движущая сила, которая определяет перенос теплоты.

В природе различаются три вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение.

Под теплопроводностью понимается процесс переноса теплоты через соприкосновение структурных частиц тела (атомов, молекул, электронов и др.).

В разных системах механизм передачи теплоты различен. Например, перенос энергии теплопроводностью в газах обусловлен, так называемым, двойными и тройными столкновениями молекул.

Другой механизм теплопроводности - перенос тепловых колебаний микрочастиц в виде упругих волн. Он характерен для твердых диэлектриков.

В металлах передача теплоты осуществляется в основном вследствие диффузии свободных электронов.

В дальнейшем будет использоваться феноменологическая теория теплопроводности, т.е. тела будут рассматриваться как сплошные системы, не вдаваясь в молекулярный механизм переноса.

Итак, процесс переноса теплоты и его направление связаны с характером распределения температур (t) в теле. В общем случае t=t (х, у, z, ). Эта скалярная функциональная зависимость носит название температурного поля. Здесь, х, у, z — декартовы координаты, а время (с). Если t зависит от времени, то поле называется неустановившимся (или нестационарным). В противном случае – установившимся (стационарным).

Температурное поле может быть 3-х, 2-х-и одномерным в зависимости от числа координат, определяющих его. В пространстве все точки с одинаковой температурой образуют изотермическую поверхность. Любая кривая, принадлежащая этой поверхности, является изотермой. Изотермические поверхности либо замыкаются сами на себя, либо выходят на границы рассматриваемого тела [6].

В качестве характерного примера приведем картину поля температуры вокруг стопы человека, имеющей температуру более высокую, чем температура окружающей среды (Приложение Б).

Цель основных методов оценки тепловых свойств обувных материалов – определить коэффициент теплопроводности и температуропроводность, а также показатели свойств материалов, учитывающих их толщину, тепловые сопротивления и коэффициент внутренней теплопередачи.

Рис. 2.21. Поле температуры вокруг стопы человека К наиболее важным факторам, влияющих на человека, которые следует учитывать при разработке требований к материалам обуви для защиты от воздействий низких температур, необходимо отнести температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как давление и влажность воздуха, в обычных условиях имеют второстепенное значение, однако при большой влажности воздуха заметно повышается равновесная влажность материалов обуви и их теплопроводность.

Мокрый снег или тающий лед создает условия высокой теплоотдачи от поверхности обуви во внешнюю среду и могут приводить к значительному охлаждению стопы человека в обуви. Данные условия можно охарактеризовать двумя показателями: коэффициентом теплоотдачи и влажностью материалов обуви.

При носке обуви в зимний период (при наличии снега) должна быть исключена возможность попадания снега внутрь обуви через верхний край, а также прилипания снега к поверхности обуви, т.к. при входе в теплое помещение снег тает и увлажняет обувь.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состояния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, характеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю среду (шероховатости внешней поверхности, цвета и т.д.).

При изучении процесса перехода тепла от стопы человека к внутренней поверхности обуви стопа рассматривается как тело с более высокой температурой, отдающее тепло. Температура кожного покрова стопы определяется соотношением количества поступающего к ней тепла и интенсивности отдачи его в окружающую среду при определенной теплоизоляционной способности обуви и ее конструктивных элементов (верха и низа, утепления отдельных участков обуви).

Температура кожи на разных участках стопы изменяется во времени.

В зимний период обувь используют с внутренней обувью: носками, чулками. Часто применяются специальные утеплители, входящие в комплект обуви. Обычно обувь обеспечивает возможность некоторого изменения стопы, что необходимо для нормального функционирования кровеносных сосудов при передвижении и покое человека.

Таким образом, пространство между стопой и обувью всегда заполнено прослойками из волокнистых материалов (трикотаж, текстильные, нетканые или войлочные материалы, натуральный или искусственный мех и др.).

Структура этих материалов включает в себя большое количество воздушных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими материалами, между слоями материалов, а также между поверхностью материалов и внутренней поверхностью обуви образуются воздушные прослойки различной толщины и протяженности, способствующие сохранению тепла в обуви.

Территория Российской Федерации расположена в различных климатических зонах. Для защиты человека от воздействия низких температур должна изготавливаться специальная обувь, которая обеспечивала бы создание комфортных условий в течение того периода носки, который обусловлен технологическим режимом нахождения человека в этих условиях.

При изготовлении обуви материалы, входящие в конструкцию верха, подвергаются различным обработкам, что оказывает влияние на тепловые свойства конструкции верха обуви. Соединение деталей между собой, метод их крепления также вносит определенный дополнительный эффект, влияющий на тепловые свойства верха, вследствие образования утолщения, уплотнения, а также воздушных прослоек и пр.

Влияние всех этих факторов учесть весьма трудно. Подсчет суммарных тепловых сопротивлений верха обуви, как многослойной системы, можно произвести только приближенно.

К тому же баланс теплообменных процессов человека с окружающей средой, характеризующиеся равенством количества тепла, образующегося в организме и поступающего извне, и всех его теплопотерь наблюдается достаточно редко. При быстро меняющихся условиях внешней среды и режиме физической нагрузки поддерживать состояние тепловой уравновешенности практически невозможно.

Поэтому при разработке конструкции обуви величина показателя теплозащитных свойств и рациональная величина соотношений тепловых сопротивлений низа и верха должны быть выявлены из обобщенных экспериментальных данных по гигиенической оценке разных видов обуви при носке ее человеком в различных метеорологических условиях.

Технологический процесс производства комфортной обуви представляет собой сложную систему со многими факторами, изучение которого продолжает выполняться традиционными методами проведения Комфортность является сложным эргономическим свойством обуви, характеризующим её способность обеспечивать нормальное состояние стопы и всего организма человека при различных условиях и в течение всего срока эксплуатации, определяемых назначением обуви. Составляющие комфортности обуви - это соответствие внутренней формы и размеров обуви форме и размерам стопы при отсутствии чрезмерного давления на стопу при носке, и гигиеничность способность поддерживать нормальный влаго-температурный режим стопы и всего организма при отсутствии вредных и токсических воздействий. [10] Обувь создаёт вокруг стопы человека определённый микроклимат, на состояние которого оказывает влияние три основных фактора:

• условия внешней среды;

• организм носчика;

• конструкция и свойства материалов обуви.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состояния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, характеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю среду. К наиболее важным факторам, влияющим на человека, которые следует учитывать при разработке требований к обуви для защиты от воздействий низких температур, необходимо отнести температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как давление, влажность воздуха, в обычных условиях имеют второстепенное значение, однако при большой влажности воздуха заметно повышается равновесная влажность материалов обуви и их теплопроводность.

Окружающей средой для человека в обуви являются воздух, твёрдый грунт или снег и вода. Обувь должна обладать комплексом теплозащитных свойств, смягчающим неблагоприятное воздействие на человека внешней среды. Поэтому её теплозащитные свойства имеют исключительное значение для защиты ног и создания при пониженных температурах окружающей среды комфортных условий для всего организма.

Влияние организма носчика определяется его тепловым состоянием и интенсивностью потовыделения, зависящими от уровня физической нагрузки и индивидуальных особенностей человека. Одной из важнейших зон терморегуляторных реакций у человека являются дистальные отделы конечностей, особенно стопы. Так, у человека, находящегося в комфортной зоне, уровень теплообразования в организме изменяется в прямой связи с термическими воздействиями на стопу. В частности, при холодовом раздражении стоп у человека, тело которого находится в условиях высокой температуры окружающей среды, теплообразование усиливается. Наоборот, активное нагревание ног извне при общем холодовом воздействии на тело приводит к уменьшению теплообразования.

В организме человека поддерживается оптимальная температура - около 37°С, лишь при этой температуре гармонично осуществляются жизненные процессы. При охлаждении кровеносные сосуды кожи сужаются и, следовательно, снижаются теплопотери, то есть теплопередача уменьшается. Кроме того, уменьшается поступление крови в капилляры кожи, что также снижает теплоотдачу. Тепловой баланс организма в основном зависит от количества выработанного им тепла. Возникновение тепловой энергии в организме является результатом усвоения кровью продуктов питания. На коже человека располагаются многочисленные (примерно 5000000) рецепторы, раздражение которых вызывает тактильную чувствительность. Общее количество рецепторов, воспринимающих тепло и холод, составляет 280000, из них 30000 реагируют на тепло, а 250000 - на холод. Резкое охлаждение конечностей приводит к общему охлаждению организма, а также к возникновению простудных и других заболеваний. Несмотря на относительно небольшие размеры стопы (масса стопы составляет 2% от веса, а площадь - 3,2% от общей поверхности тела человека), температурное поле её неоднородно. Характер распределения температуры на поверхности стопы представлен в таблице 2.17.

Температурная топография стопы в условиях комфорта Наиболее подверженной действию холода является область пальцев, которые при стоянии и частично при ходьбе человека плотно прилегают к низу обуви. Отдача тепла поверхностью обуви в опору (снег, мокрая почва) при плотном прилегании низа происходит более интенсивно, чем в воздух. Верх по сравнению с низом обуви менее плотно прилегает к стопе и не подвергается сжатию, поэтому имеющиеся воздушные прослойки способствуют повышению изоляции стопы от холода.

Изучая действие охлаждения на организм человека, можно отметить, что процесс охлаждения происходит в несколько стадий, различающихся характером и напряжённостью работы нервной и сосудистой систем, компенсаторных терморегуляторных механизмов, вызванных действием внешней среды, степенью отклонений деятельности важнейших органов от нормы и нарушениями их деятельности.

Ещё на начальной стадии охлаждения тепловое состояние организма не нарушается, хотя отмечается начало снижения температуры, и активная деятельность компенсаторных терморегуляторных механизмов только развивается. На следующей стадии охлаждения тела чётко проявляются колебания температуры кожи, более заметные на большом пальце, подошве, тыльной части стопы при выполнении человеком физической работы. Меньше заметны колебания средневзвешенной температуры кожи стопы человека, находящегося в состоянии относительного покоя.

После прекращения охлаждения организма и обогрева температура кожи стопы ног восстанавливается. На дальнейших стадиях охлаждения ощущается недостаточность компенсаторных терморегуляторных функций организма, постепенно усиливается травмирующее действие холода. Охлаждение конечностей до такой степени недопустимо. При ещё большем охлаждении ног происходит нарушение функционирования и омертвление тканей, отморожение ног. Границы между охлаждением стопы носят, естественно, условный характер.

При комфортном состоянии температура кожи стопы не должна быть ниже 25-29°С, уже при температуре кожи большого пальца 15-17°С большая часть людей начинает ощущать охлаждение, а при ниже 15°С около 80 % людей ощущают холод [2].

Поддержание стопы в нормальных пределах достигается путём подбора материалов с определёнными теплофизическими характеристиками. Особо большое влияние на комфортность обуви оказывают гигиенические свойства материалов, используемые для изготовления деталей и узлов. Вполне естественным является использование для изготовления заготовки верха материалов, обладающих высокими гигиеническими показателями, к которым относятся натуральные кожи, тканые и нетканые материалы на основе натуральных волокон.

Комфортность обуви достигается путём правильного подбора материалов верха и низа обуви, методов крепления деталей [1].

2.13 Теоретические предпосылки для оценки тепловых свойств материалов В металлах передача теплоты осуществляется в основном вследствие диффузии свободных электронов.

В дальнейшем будет использоваться феноменологическая теория теплопроводности, т.е. тела будут рассматриваться как сплошные системы, не вдаваясь в молекулярный механизм переноса.

Цель основных методов оценки тепловых свойств обувных материалов – определить коэффициент теплопроводности и температуропроводность, а также показатели свойств материалов, учитывающих их толщину, тепловые сопротивления и коэффициент внутренней теплопередачи.

Существуют две группы методов исследования теплофизических материалов и изделий из них: методы стационарного теплового режима и методы нестационарного теплового режима.

Итак, проанализировав факторы, влияющие на оценку комфортности обуви при воздействии на стопу низких температур, следует учесть их важность при конструировании и выборе материалов. К наиболее важным факторам необходимо отнести температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как влажность воздуха и давление имеют второстепенное значение. При разработке рекомендаций по оценке комфортности обуви при воздействии на стопу низких температур необходимо учитывать температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки, характер опорной поверхности.

При стационарных режимах с помощью источника тепла постоянной мощности в исследуемом объекте создается стационарное температурное поле. Измеряют температуру в характерных точках, геометрические параметры и пересчитывают их с помощью уравнения Фурье для определения коэффициента теплопроводности. Оценки теплозащитных свойств обуви можно произвести при этом либо по количеству теплоты, переносимому через обувь в единицу времени, либо по относительному охлаждению нагревательного ядра обуви, соответствующего внутренней его форме (без обуви и с обувью), либо сравнением потерь теплоты обувью с ее эталоном [6].

Из методов стационарного теплового режима при испытании обуви получил набольшее распространение метод регулярного теплообмена при помощи бикалориметра, который заключается в регулярном охлаждении некоторой составной системы, состоящей из теплового ядра и окружающей его теплозащитной оболочки, помещенной в среду с постоянной температурой. Важным условием этого метода является возможность проводить исследования при коэффициенте теплоотдачи =.

Наличие ядра – эталона позволяет установить расчетные формулы для определения коэффициента теплопроводности ( ), коэффициента объемной теплоемкости (С), коэффициента температуроспособности (а), коэффициента теплоотдачи (), термического сопротивления теплопроводности R обуви и обувных пакетов [6].

Регулярный теплообмен – нестационарный процесс теплопроводности, при котором поле избыточной температуры = t-tf автомодельно по времени, т.е. остается подобным при изменении времени.

Избыточной называется температура любой точки тела t, находящегося в регулярном теплообмене со средой, отсчитываемая от любой характерной для данного процесса температуры. В нашем случае такой температурой является температура окружающей среды tf.

Для понимания существа регулярного режима рассмотрим решение задачи об охлаждении произвольного тела в среде с постоянной температурой. Общее решение одномерного уравнения нестационарной теплопроводности имеет следующий вид где Ак - постоянные коэффициенты, зависящие только от начальных условий; k (x) - функции, зависящие от координат и числа БИО Число БИО Bi = характеризует интенсивность теплообмена на поверхности тела. Здесь - коэффициент теплопроводности теплопроводимости тела, м2/с Можно ввести еще безразмерный критерий времени, называемый чиcлом Фурье F0 = a/c2 в решении (2.70) F0 есть коэффициент при nk2. Обычно множитель при обозначают буквой m.

Поведение температуры в теле во времени, т.е. процесс охлаждения тела можно разбить на две стадии - начальную и регулярную.

Начальная стадия охлаждения тела характеризуется неупорядоченностью процесса, зависящего от многих случайных факторов, когда процесс охлаждения захватывает все новые и новые области тела.

С течением времени влияние начального поля ослабляется и во второй стадии нестационарный теплообмен регулируется (упорядочивается). Математически это означает, что все члены уравнения (2.70), кроме первого, становятся малыми и ими можно пренебречь. В связи с этим закон изменения поля температуры в этой стадии принимает наипростейшую экспоненциальную форму Из (6.4) следует, что в регулярном режиме теплообмена ln изменяется с течением времени по линейному закону Показатель m в конечных разностях характеризует быстроту регулярного охлаждения (или нагревания) тела и называется теплом регулярного режима. Из (2.71) следует, что где ni - первое значение собственного числа nk.

По известной величине темпа m можно определить некоторые конкретные физические параметры и величины, например коэффициенты теплопроводности () и температурности (а), теплоемкость (с), коэффициент теплоотдачи () и др.

В связи с этим необходимо выразить важные для обуви величины (температуропроводность и коэффициент теплоотдачи) через темп регулярного теплообмена m.

Связь между а и m вытекает непосредственно из общего решения (2.70) и (2.71). Представим ее в следующем виде:

где K = - коэффициент формы тела, зависящий от его конфигуn рации и размеров тела, поскольку n1 зависит от формы тела и числа В1 (т.е. от ) Например, для тела простейшей формы – шара К определен и имеет следующее значение где l - R - радиус шара, а, n1= [6].

Получим выражение для темпа охлаждения тела через коэффициент теплопередачи.

Для этого рассмотрим систему, состоящую из нескольких плотно соприкасающихся между собой тел с различными теплофизическими свойствами, которая находится в теплообмене с окружающей средой, имеющей постоянную температуру tf=const.

Рассуждения будет проводиться на примере системы, которая состоит из нагретого ядра (Я), окруженного со всех сторон, плотно прилегающей к нему тонкой оболочкой (В) толщиной и помещенной в среду с температурой tf=const. При этом предполагается, что оболочка обладает малой теплоемкостью (Соб) по сравнению с теплоемкостью ядра (Ся),(СобСя), а также Fя и F ввиду тонкости оболочки.

Ядро находится в регулярном теплообмене со средой через оболочку.

Коэффициент теплопередачи между ядром и средой, усредненный по поверхности F, равняется где R = - термическое сопротивление теплоотдачи от системы полное внутреннее термическое сопротивление теплопроводности оболочки, состоящей из п слоев.

Согласно закону сохранения энергии изменение внутренней энергии всей системы (ядро + оболочка) за любой промежуток времени равно количеству тепла, отданного ядром через оболочку окружающей среде в регулярном режиме охлаждения.

Исходя из определения темпа регулярного охлаждения тела, имеем где - безразмерный параметр, характеризующий неравномерность распределения температуры в системе ядро-оболочка.

Для системы без оболочки К= -, тогда Темп m и параметр зависит от условий теплообмена на поверхности системы.

Формула (2.79) отражает основную суть регулярного охлаждения ядра в оболочке. Её работоспособность подтверждена опытным путем. Данную формулу можно использовать для различных практических целей.

Важное применение описанная выше теория нашла в исследовании процессов регулярного охлаждения двух составных тел (ядро + оболочка), условно названных «бикалориметрами».

Бикалориметр представляет собой тело, состоящее из ядра с равномерно распределенной температурой ( =1) и плотно облегающего оба слоя исследуемого теплоизоляционного материала в виде оболочки.

Чтобы ядро имело однородное поле температур ( =1), его обычно изготавливают из хорошо проводящего тепло металла.

Оболочка может состоять из одного или нескольких слоев разных материалов различной толщины (1, м) [6].

Полученные теоретически результаты используются при построении и калориметра, который изображен на рисунке 1В (Приложение В), для определения теплозащитных свойств обуви в целом.

В качестве ядра использована подогретая до 370C вода, помещенная в тонкий каучуковый баллон, выполненный по форме внутренней обуви. Оболочкой является сама исследуемая обувь. Верхняя часть баллона надежно изолируются от потерь тепла теплоизоляционной крышкой. В крышке крепятся дифференциальная термопара для измерения избыточной температуры = t я t f и винтовая мешалка.

Мешалка позволяет хорошо выравнивать температуру по всему объему ядра, что необходимо для выполнения условия =1. Составная оболочка бикалориметра (сама испытуемая обувь) удовлетворяет требованию малой толщины, т.е. условие / l 1 / 8 для обуви выполняется всегда. Здесь - полная толщина оболочки, l – характерный размер ядра бикалориметра. Теплоемкость обувной оболочки много меньше теплоемкости ядра.

Поскольку в описанном бикалориметре выполняются основные требования теории регулярного охлаждения ядра, то, следовательно, к нему можно применить уравнение баланса энергии в форме Большой практический интерес представляет выражение для темпа охлаждения ядра в форме где Фя = Ся/Fя – «фактор» ядра. Учитывая однородность поля ядра ( =1), имеем где в качестве показателя теплозащитных свойств обуви принимается полное термическое сопротивление теплопередачи обуви, равное = R +, а также внутреннее термическое сопротивление теплоR= проводности обуви Фактор ядра зависит от геометрии обуви. Для стандартной Следовательно, для определения полного термического сопротивления теплопередачи (R) необходимо определить при известном факторе ядра Фя Темп m регулярного режима охлаждения ядра бикалориметра в обувной оболочке.

Тогда согласно (2.83) Темп m определяется по опытным данным регулярного охлаждения ядра в обувной оболочке.

Процедура определения темпа m упрощается, если проводить эксперименты при вполне определенных избыточных температурах И все измерения в опыте сведутся лишь к определению отрезка времени, за которое происходит заданное изменение ln я.

Для определения внутреннего термического сопротивления теплопроводности обувной оболочки R без внешнего термического сопротивления теплоотдачи (1/-) необходимо организовать весьма интенсивную теплоотдачу ( ) от поверхности обуви. Тогда R примет следующую форму:

Для организации такого предельного теплообмена обувной бикалориметр погружают в резервуар со смесью воды и тающего льда. Обувь при этом одевают в тонкий малотеплоемкий резиновый чехол, плотно облегающий бикалориметр. Термическим сопротивлением чехла можно пренебречь. Чехол предохраняет бикалориметр от размокания.

Коэффициент теплоотдачи - можно определить экспериментально по известным опытным значениям m и m Сравнение расчетных и экспериментальных значений -а позволяет судить о правильности постановки экспериментальных исследований теплозащитных свойств обуви при помощи бикалориметра.

В среднем для стандартной обуви на открыто воздухе По значению m можно определить коэффициент температуропроводности, усредненный по всей обувной оболочке.

Коэффициент формы оболочки Коб можно определить из двух сравнительных опытов темпа охлаждения mоб двух ядер без оболочки, выполненных в форме обуви и шара одинаковых объемов. Для шара – эталона K m =. Тогда аоб=Коб·mоб – для обуви; аш=Кш·mш – для шара. Полагая аоб=аш, находим И, следовательно, Окончательно получаем:

Как известно, обувь имеет разнообразные формы, которые определяются, с одной стороны, ее функциональным назначением, с другой, диктуются модой. Поэтому фактор ядра бикалориметра, будет иметь различное значение, а соответственно, и скорость охлаждения бикалориметра также будет меняться.

Теплозащитные свойства обуви определяется, во-первых, используемыми материалами и, во-вторых, конструктивным оформлением.

R = R + для различных композиций материалов и конструкций обуви находится в пределах 0,15 0,29. Для обуви тяжелого вим2 К Наиболее высокими теплозащитными свойствами обладает обувь с верхом из толстых пористых, ворсовых и рыхлых материалов.

Например, драпы с подкладкой из искусственного и натурального меха и ворсовой полушерстяной байки, с подошвой из пористой резины и пористого полиуретана.

Организация пакетов из композитных материалов, обладающих высокими R требует знания физических механизмов теплопередачи, и поэтому в каждом конкретном случае требует глубокого специального анализа.

В таблице 2.18 приведены допустимые тепловые сопротивления обуви для различных периодов ее эксплуатации.

Расчет внешнего термического сопротивления теплоотдачи обуви R =, а также непосредственные экспериментальные оценВт ки его дают величину R = 0.11 0.13 для стандартной уличной обуви в условиях естественной конвенции. Для обуви массивного тиВт па R = 0.07 0.11. Это средние показатели внешнего термичем2 К ского сопротивления. Обувь с верхним слоем из плотных материалов с глянцевой поверхностью имеет более низкое внешнее термическое сопротивление, что соответствует теоретическим представлениям.

Наоборот, более высокие показатели R имеет обувь с наружной поверхностью из ворсовых материалов, которые располагают более толстым тепловым пограничным слоем. Наиболее высокой величиной внешнего термического сопротивления теплоотдачи обладает утяжеленная обувь с меховым ворсом наружу.

Допустимые тепловые сопротивления обуви для различных Величина R может составлять половину и более величины теоретического сопротивления теплопередачи R для некоторых конструкций.

Термическое сопротивление обуви также зависит от различных конструкций обуви. Анализ опытных и расчетных данных показывает, что термические сопротивления верха обуви различных конструкций различаются в несколько раз. Для обуви одного вида это различие определяется используемыми материалами.

К примеру, анализ некоторых данных показывает, что при прочих равных условиях кожаные материалы верха оказывают слабое влияние на термическое сопротивление верха. При переходе на матерчатый верх это влияние становится весьма существенным.

Влияние подкладки и поднаряда весьма значительно и может изменять величину термического сопротивления верха обуви в 2- раза.

В последнее время разрабатываются различные конструкции сетчатых миниподкладок из хлопчатобумажного и хлоринового волокна, которые при правильном подборе толщины и композиции значительно улучшают теплозащитные свойства обуви. С другой стороны, повышается долговечность и формоустойчивость.

Подошвенный материал оказывает большое влияние на термическое сопротивление теплопередачи низа обуви, но в меньшей мере на полное термическое сопротивление всей обуви из-за сравнительно небольшой доли поверхности подошв в общей площади поверхности обувной оболочки.

На термическое сопротивление низа обуви большое влияние оказывает способ ее крепления (рантовый, клеевой, горячей вулканизации, винтовой гвоздевой), а также специальные детали, вводимые для тех или иных целей в состав подошвенного пакета (фурнитура, подложки, гвозди и т.д.).

В зимний период широко используются дополнительные вкладные утеплители в виде стелек, носков и чулок. Эти детали играют большую роль, поскольку позволяют регулировать влажность и загрязненность внутриобувного пространства. Конструкции стелек и используемые для них материалы весьма разнообразны. Обычно они бывают двухслойные. Например, войлок плюс формоустойчивый материал.

Тепловое сопротивление низа обуви можно в значительных пределах (до 2 раз) менять при помощи вкладных стелек различной конструкции. Лучшими показателями обладают стельки, конструкция которых учитывает потери теплоты излучения при помощи соответствующих экранирующих пленок. Хороший эффект утепления обуви дают и специальные вкладные утеплители в виде чулок и носков.

На теплозащитную способность обуви оказывает влияние также вынужденная конвекция (ветер).

Анализ некоторых данных показывает, что с увеличением скорости ветра средний коэффициент теплоотдачи (- ) от поверхности обуви увеличивается сначала быстро, а затем это увеличение становится небольшим.

Данные по для верха обуви из рыхлых и ворсовых материалов лежат несколько выше, чем для гладких кожаных материалов.

Увеличение внешней теплоотдачи обуви в потоке воздуха с ростом по скорости приводит к соответствующему падению полного термического сопротивления за счет увеличения среднего коэффициента теплоотдачи обуви, т.е. уменьшения ее внешнего термического сопротивления теплоотдачи R = [6].

Оценкой тепловых свойств материалов служат следующие теплофизические характеристики: коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности а, объемная теплоемкость с = /а и тепловая активность или теплоусвояемость b = / a.

Известно большое число методов экспериментального определения теплофизических характеристик материалов.

Наряду с методами, исследующими тепловые свойства материалов при высоких и низких температурах, а также при различных давлениях, имеется большая потребность в методах, предназначенных для теплофизических исследований материалов в условиях производственных лабораторий при обычных температурах 1540°С. При этом желательно, чтобы экспериментальные установки и техника измерений были бы достаточно простыми. Обработка опытных данных не должна быть громоздкой. Исследование различных материалов удобно проводить при единой технике измерений и на одной и той же установке. Методы должны быть скоростными. Методы должны быть также комплексными, чтобы в одном опыте и на одном образце можно было получать значения всех тепловых характеристик. Методы должны иметь критерий, позволяющий судить о степени достоверности полученных результатов.

Волькенштейн В.С. предложил различные варианты скоростного метода определения теплофизических характеристик, в которых по возможности учтены перечисленные выше требования. Эти варианты получили название «Методы двух температурно-временных интервалов». Все методы этой группы основаны на различных температурных полях, но связаны между собой единством техники измерения и общими расчетными формулами.

Рассмотрим систему тел, состоящую из полуограниченного цилиндра В (теплоприемника) и плоскопараллельных пластин. Начальная температура системы равна t0, температура нагревателя tн постоянна. Один из слоев дифференциальной температуры помещен в теплоприемнике, другой – в нагревателе. При этом начальное показание N0 гальванометра G, включенного в цепь термопары, соответствует разности температур tн - t0, При соприкосновении нагревателя со свободной поверхностью системы температура в точке О системы начнет увеличиваться и показания гальванометра будут уменьшаться с течением времени. Изменение показаний N гальванометра G со временем связано с изменением относительной температуры = t / t н в точке О системы соотношением:

Уравнение = f ( ), описывающее процесс изменения относительной температуры в точке О системы, будет иметь различный вид в зависимости от состава тел, входящих в систему. Методы двух температурно-временных интервалов соответствуют различному составу тел системы.

Первый метод. Если система состоит только из одной исследуемой пластины и теплоприемника В, то метод основанный на такой двухсоставной системе, носит название первого метода двух температурно-временных интервалов.

Второй метод. Если система состоит из двух пластин и теплоприемника, то метод, основанный на такой трехсоставной системе, называется вторым методом двух температурно-временных интервалов.

Второй метод предназначен для исследования таких материалов, которые необходимо помещать в сосуд.

Третий метод соответствует четырехсоставной системе, в которой пластины металлические. Метод применяется при исследовании толстых слоев материалов, помещенных в сосуд (пакеты тканей).

Четвертый метод соответствует также четырехсоставной системе, но пластины - неметаллические. Материал пластин одинаков, но отличен от материала теплоприемника.

Все методы двух температурно-временных интервалов связаны единством техники измерений [7].

Работы по созданию метода оценки теплозащитных свойств обуви и исследование указанных свойств обуви различных конструкций показывают, что рациональным методом оценки теплозащитных свойств является метод бикалориметра.

По изложенным методам можно рассчитывать теплозащитные свойства обуви на стадии проектирования и подготовки производства, установить оптимальные сочетания материалов в конструкции верха и низа, их необходимую толщину и сформулировать требования к тепловым свойствам разрабатываемых материалов.

При проектировании рациональной комфортной теплозащитной обуви необходимо обеспечить:

• износоустойчивость;

• применение минимального количества металлических деталей (супинаторов, гвоздей, шпилек), поскольку все они аккумулируют холод;

• комфорт внутриобувного пространства (за счёт подбора пакетов материалов верха и низа с учётом их физико-гигиенических свойств, метеорологических факторов окружающей среды);

• увеличение толщины стелечно-подошвенного пакета;

• герметизация швов верха и низа обуви;

• уменьшение массы обуви.

При разработке конструкции обуви учитываются теплозащитные свойства и тепловые сопротивления низа и верха обуви при носке её человеком в различных метеорологических условиях. Интенсивность теплоотдачи через низ обуви выше, чем через верх. Поэтому особое внимание при моделировании обуви уделяют подбору материалов подошвы, общей толщине низа обуви. Для утепленной обуви широко применяются пористые резины. Значительным преимуществом пористых резин перед другими является их малая масса, высокая теплозащитность, сохраняющаяся во влажную погоду, хорошие фрикционные и амортизационные свойства, гибкость и относительно малая цена. Использование пористых резин позволяет выпускать более лёгкую и эластичную обувь с низкой температуропроводностью, а, следовательно, с хорошей комфортностью, что имеет немаловажное значение при климатических условиях нашей страны.

Для утеплённой обуви применяются также термоэластопласты (ТЭП). Наличие полидиеновых блоков определяет эластичность и морозостойкость ТЭП, а ПС-блоков – высокие прочностные свойства материала. Оптимальными свойствами обладают трёхблочные полимеры с содержанием стирола до 20-З0%. Пористые формованные подошвы на основе ТЭП отличаются стабильностью размеров (в отличие от пористых резин), износостойкостью (уступают лишь ПЭУподошвам), более высоким сопротивлением скольжению по сравнению с ПЗУ, морозостойкостью (до -60°С) и стойкостью к изгибам. Их большим преимуществом является способность отходов производства и изношенных изделий перерабатываться вторично. В принципе, может быть организовано безотходное производство. Однако существуют определённые трудности, связанные с качественным приклеиванием подошв на основе бутадиен-стирольных ТЭП. Эффективным средством улучшения прочности крепления подошв является галогенирование их поверхности перед нанесением полиуретанового клея.

Подошва из полиуретана для утеплённой обуви применяется реже, чем пористые резины и ТЭП. Они обладают хорошими физикомеханическими свойствами: их истираемость в два раза меньше по сравнению с пористой резиной, химической стабильностью, морозостойкостью (до - 20 °С).

Подошва должна обладать высоким сопротивлением скольжению. В настоящее время разработана система безопасности антискольжения «ОС SYSTEM» (Италия) с подвижной скобой, которая может быть использована в двух положениях: Grip-on, Grip-off. Система создаёт удобство и уверенность при передвижении на обледенелой поверхности. В положении «Grip-on», благодаря наличию шипов, система позволяет передвигаться по обледенелой поверхности, предотвращая при этом скольжение и падение. В положении «Grip-off»

поверхность с шипами «убирается» (переворачивается), ходовая поверхность становится плоской, сто позволяет передвигаться по традиционному напольному покрытию без нанесения каких-либо повреждений. [6] Теплообмен через низ обуви осуществляется за счёт теплопроводности материалов низа и зависит от теплопроводящей способности материала опоры: чем она выше, тем быстрее отводится тепло от обуви. Так, например, на мокром снегу, металлических плитах стопа охлаждается гораздо быстрее, чем на сухом снегу, деревянном полу, при прочих равных условиях среды и площади опоры обуви о поверхность. Но это вовсе не означает, сто при теплоизолирующей подошве в утеплённой обуви можно применять для её верха материалы с высокой теплоотдачей.

Выделяют следующие группы обуви:

- с верхом из хромовых кож (хромовая обувь);

- с верхом из юфтевых кож (юфтевая обувь);

Группа хромовой обуви имеет ряд положительных свойств:

паро- и воздухопроницаемость, надёжность и пластичность, сравнительную лёгкость и эластичность.

Для утеплённой обуви наиболее распространённая группа – с верхом из юфтевых кож. Она предназначается для носки в наиболее трудных условиях. Тяжёлые условия эксплуатации определяют и требования, которым должна соответствовать юфтевая обувь по конструкции и свойствам материалов. Она характеризуется прочной конструкцией, высокой износостойкостью и водонепроницаемостью. Последнее качество зависит не только от свойств материалов верха (лучшими обладают яловочная и конская юфть), но и от степени водонепроницаемости конструкции в местах соединения отдельных деталей друг с другом. Она наиболее тяжёлая, жёсткая на изгиб, видовое разнообразие её ограничено, декоративные элементы практически не используются.

Обувь с верхом из меха – это унты. Для них применяют мех оленя, собак, мехового опойка и жеребка. Применение шерстяных тканей и фетра позволяет получать изделия с высокими теплозащитными свойствами. Данная обувь сравнительно лёгкая, характеризуется хорошей способностью поглощать и выводить влагу, имеет высокие гигиенические показатели по паро- и воздухопроницаемости. Но верх такой обуви быстро промокает и легко пропускает воду. По показателям надёжности обувь с верхом из меха уступает обуви с верхом из кожи, так как износ ткани наступает значительно быстрее [9].

При изготовлении обуви материалы, входящие в конструкцию верха, подвергаются различным обработкам, что оказывает влияние на тепловые свойства конструкции верха обуви. Дубление – это основной процесс, который формирует тепловые свойства кож. Для утеплённой обуви наиболее часто применяют комбинированное дубление. При этом одновременно или последовательно применяют различные дубители. Поскольку каждый вид дубителя имеет свой эффект, то в результате получают кожи, которые имеют большую толщину, наполненность, устойчивость к действию влаги. Наиболее часто применяют: хром-танидное, хром-титано-циркониевое и хромрастительное дубления. По сравнению с комбинированным, растительное дубление довольно длительное и малоэффективное. Хромовое дубление чаще применяется для тонких обувных кож. Свойства хромовых кож (пористость, повышенные паро- и воздухопроницаемость) таковы, что их возможно использовать для классической обуви.

Однако не только дубление оказывает влияние на тепловые свойства верха обуви, но и отделка. Процесс жирования повышает гидрофобность и влагонепроницаемость кож. В разные виды кож вводят различное количество жира, в обувной юфти его должно содержаться не менее 26 % [14].

Для утеплённой обуви необходима герметизация швов для обеспечения влагостойкости, которая осуществляется с помощью специальной мастики [6].

Особенно сказываются на теплозащитных свойствах верха обуви свойства материалов подкладки. Число слоев в пакете материалов имеет большое значение. Исследования показали, что включение в многослойную систему обуви хотя бы одного слоя с высоким термическим сопротивлением приводит к резкому уменьшению теплопроводности всей системы. В утеплённой обуви обязательно применяются специальные утеплители, входящие в комплект обуви. Пространство между стопой и обувью всегда заполнено прослойками из волокнистых материалов (трикотаж, текстильные, нетканые или войлочные материалы, натуральный или искусственный мех и другие).

Структура этих материалов включает в себя большое количество воздушных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими материалами, между слоями материалов, а также между поверхностью материалов и внутренней поверхностью стопы образуются воздушные прослойки различной толщины и протяжённости, способствующие сохранению тепла в обуви.

В качестве утеплителя используют полушерстяные ткани, имеющие определённую теплозащитность. Для подкладки в обуви также применяют ткани типа тик-саржи, репса, тик-ластика, байку, фланель. Наиболее часто в качестве утеплителей используют трикотажный мех. Ворсовый покров образуется ввязыванием в петли грунта пучка волокон. Трикотажный мех имеет следующие свойства:

- гигроскопичность;

- влагопоглощение (впитываемость);

- воздухопроницаемость;

- паропроницаемость.

В утеплённой обуви воздухопроницаемость должна быть невысокой, чтобы нога «дышала» и в то же время, чтобы не было потери тепла. Высота ворса влияет на внешний вид, сминаемость и сваливаемость меха, а от густоты ворса зависят его сопротивление истиранию и теплозащитные свойства.

Современная наука создала новые синтетические волокна, которые с успехом применяются в смесках с натуральными. Для обувного меха оптимальным составом является 70-80 % шерсти и 20-30 % синтетики. Её наличие позволяет сохранить все преимущества натурального волокна и сделать материал более носким. Всё более широкое применение шерстяного меха вызвано красивым внешним видом, лёгкостью, высоким сопротивлением истиранию, значительно меньшей стоимостью по сравнению с натуральным.

В качестве утеплителя используется мех на основе кожи спилка. Это материал, который может воспринимать двухстороннюю функциональную нагрузку. Поэтому его можно рекомендовать для изготовления утепленной обуви.

Использование такого материала- утеплителя исключает применение подкладки и межподкладки. Названный утеплитель получают склеиванием руна меховой овчины со спилком. Новый материал - мех на основе кожи из спилка превосходит существующий аналог – мех на тканевой основе – по утилитарным и эстетическим свойствам. В процессе склеивания руна со спилком или кожей формируется готовый пакет для производства и утеплённой обуви. Мех на основе кожи из спилка, в отличие от меха на тканевой основе, по своим теплозащитным свойствам приближен к натуральной овчине. При этом уменьшение высоты волосяного покрова меха на основе кожи из спилка не оказывает существенного влияния на теплозащитные свойства материала [8].

Соединение деталей между собой, метод их крепления также вносят дополнительный эффект, влияющий на теплозащитные свойства обуви. Для утеплённой обуви применяют рантовый метод крепления. Он наиболее сложный и дорогой, но обувь имеет высокую износостойкость, влагозащитность, защиту верха от внешних механических повреждений вследствие расширенной подошвы. Обувь комбинированных методов крепления также имеет высокую теплозащитность. Литьевой и клеевой методы крепления также применяют для утеплённой обуви. Обувь литьевого метода крепления влагозащитная, надёжная, похожа на клеевую обувь, но имеет более монолитное крепление подошвы по периметру, часто имеет влагозащитный бортик.

При разработке утеплённой обуви необходимо учитывать массу изделия.

Эксплуатация тяжёлой обуви требует дополнительных физических нагрузок, поэтому при конструировании необходимо стремиться снизить массу обуви. Особо сильное влияние на неё оказывают толщина и вид материалов низа и верха обуви [14].

2.14 Исследование стационарного процесса теплообмена в системе «стопа – обувь – окружающая среда»

2.14.1 Математическое описание процессов теплопроводности Перенос теплоты теплопроводностью может происходить только при условии, что в различных точках тела температурное поле неоднородно, т.е. для того чтобы внутри тела возникал тепловой поток, необходимо наличие градиента температуры, отличного от нуля [16, 91]. Тепловой поток в отличие от температуры имеет определенное направление: от точек тела с более высокой температурой к точкам с более низкой температурой. Для характеристики векторного поля тепловых потоков вводится вектор q, называемый вектором плотности теплового потока. В произвольной точке P непрерывного температурного поля в изотропном теле вектор q направлен противоположно градиенту температуры, т.е. его направление совпадает с направлением переноса теплоты, а его значение определяется как количество теплоты dQ, проходящее в единицу времени d через единицу площади изотермической поверхности dS :

Согласно предположению Фурье, тепловой поток через элемент изотермической поверхности определяется значением температурного градиента в рассматриваемой точке. Опытные данные показали, что плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры, т.е. вектор плотности теплового потока определяется соотношением коэффициент пропорциональности, именуемый теплопроводгде ностью.

Это равенство и составляет содержание основного закона теплопроводности Фурье. Модуль вектора теплового потока q определяется по формуле Дифференциальное уравнение теплопроводности, выведенное на основе общих законов физики, устанавливает связь между временным и пространственным изменениями температуры в любой точке тела, в которой происходит процесс теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет в общем случае бесчисленное множество решений. Чтобы из этого множества выбрать решение, характеризующее конкретный рассматриваемый процесс, и дать полное математическое описание этого процесса, необходимо к основному дифференциальному уравнению присоединить дополнительные условия, включающие геометрические, физические и краевые условия.

Геометрические условия определяют форму и линейные размеры тела.

Физические условия определяют теплофизические параметры:

коэффициент теплопроводности (Вт/(м·С)), a коэффициент температуропроводности (м/ч), плотность тела (кг/м), c удельную теплоемкость тела (Дж/(кг·С)), qv объемную плотность теплового потока (Дж/(м·С)).

Краевыми условиями называют совокупность начальных и граничных условий. Начальные условия задаются только при изучении нестационарных процессов и состоят в задании распределения температуры внутри тела в момент времени, выбранный за начальный. Граничные условия отображают условия теплового взаимодействия между окружающей средой и поверхностью тела.

Граничные условия 1 рода. Задается распределение температуры на поверхности S тела как функция координат и времени К граничным условиям 1 рода можно отнести задачи разогрева и охлаждения системы при заданном изменении температуры на границе или при весьма интенсивном теплообмене на поверхности, когда температура поверхности близка к температуре среды.

Граничные условия 2 рода. Задается распределение плотности теплового потока на поверхности тела как функция координат и времени и согласно закону Фурье записывается в виде где n внутренняя нормаль к поверхности S.

Граничные условия 3 рода. На поверхности тела задается зависимость плотности теплового потока вследствие теплопроводности со стороны тела от температур поверхности тела TS и окружающей среды Tc.

В случае охлаждения (нагрева) тела имеем где коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи (теплообмена), Вт/(м·С). Он характеризует интенсивность теплового взаимодействия среды заданной температуры Tc с поверхностью тела. Уравнение (2.6) выражает закон Ньютона. Плотность потока, подводимая (отводимая) за счет теплопроводности к (от) поверхности тела, определяется по закону Фурье. Следовательно, на основании закона сохранения энергии с учетом уравнений (2.2), (2.6) имеем где n внутренняя нормаль к поверхности тела.

В отличии от коэффициент теплоотдачи не является физической постоянной, характерной для того или иного вещества. В общем случае он отражает совместное действие конвекции, теплопроводности и зависит от многих факторов.

Граничные условия сопряжения 4 рода соответствуют теплообмену поверхности тела с окружающей средой или теплообмену соприкасающихся твердых тел, когда температура соприкасающихся поверхностей одинакова. Задаются они как условия равенства температуры и плотностей теплового потока на поверхности соприкосновения двух сред (или тел):

где / n означает дифференцирование вдоль нормали к поверхности раздела. Условия (2.102)-(2.103) называют еще условиями идеального теплового контакта.

2.14.2 Прохождение тепла через многослойные системы обувных материалов при стационарном температурном процессе Математическая модель стационарного теплового процесса не дает, конечно, ответ на вопрос о времени, в течение которого возможно комфортное пребывание в той или иной обуви в условиях холода.

Но при некоторых предположениях можно рассчитать размеры системы теплоизоляционных материалов, обеспечивающие критическое (минимальное или максимальное) суммарное тепловое сопротивление отдельных участков обуви. В работе Кондратьевым Г.М. развивается теория критического размера «наихудшей» теплоизоляции для сферической и цилиндрической поверхностей, при котором тепловые потери будут максимальными.

Вишневским С.А. и Луцыком Р.В. в работе решается противоположная задача, в которой определяются критические размеры теплоизоляции утепленной обуви и одежды, соответствующие минимальному удельному тепловому потоку на поверхности стопы (тела) человека. Рассматривается задача о максимизации суммарных тепловых сопротивлений для двухслойных цилиндрической или сферической стенок, а также для двухслойной пластины конечных размеров (призмы), работающих в стационарном тепловом режиме.

Суммарные тепловые сопротивления для двухслойных цилиндрической и сферической стенок соответственно равны Здесь предполагается, что внутренний диаметр d1 является переменной величиной, внешние диаметры первого и второго слоев d 2 = const, d 3 = const ; коэффициенты теплопроводности слоев коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности стенки. Методами математического анализа находятся точки максимума соответственно функций Rц и Rc ( Bi = критерий БИО). Плотность теплового потока для цилиндрической стенки при таком значении внутреннего диаметра будет минимальной и равной Часто с количественной стороны теплозащитная функция обуви характеризуется величиной ее термического сопротивления теплопередачи R, которая определяет способность конкретной обувной оболочки сопротивляться переносу тепла от стопы во внешнюю среду с более низкой температурой. Способ определения величины термического сопротивления при помощи бикалориметра [10, 11, 58] достаточно трудоемок и используется в основном при конструировании обуви специального назначения. Белоусовым В.П. [14, 15] был разработан расчетный способ, основанный на знании теплофизических, геометрических и конструктивных характеристик конкретной обуви и внешних условий теплообмена, а также на закономерностях теплопередачи через сложносоставные пакеты обувных материалов при стационарном режиме. Обувь представляется в виде сложносоставной оболочки, состоящей из m многослойных пакетов различных материалов, сопряженных между собой каким-либо технологическим способом. Площадь поверхности j -го пакета теплообмена обозначается через F j, а общая площадь поверхности оболочки F = F j. Термиj = ческое сопротивление j -го пакета материалов определяется решением стационарной задачи с граничными краевыми условиями третьего рода:

где R1 = 1 и R 2 = 2 термические сопротивления внутренней эффициенты конвективной теплоотдачи соответственно от стопы к внутренней поверхности обувной оболочки и от внешней поверхности обуви к окружающей среде, Вт/(м·С); R = ij / ij термическое сопротивление теплопроводности j -ой зоны, число слоев ( n j ) в коij, ij соответственно толщины и торой зависит от номера зоны j;

коэффициенты теплопроводности i -го слоя материала из j -го пакета;

величина Rk есть среднее значение контактного сопротивления между соприкасающимися слоями материалов. Для практически важных случаев используется среднее значение коэффициента теплоотдачи R = 0,0667 0,2 м 2 o C / Вт. Также по данным Кедрова Л.В. для Rk = 0,01м 2 o C / Вт.

Выражение для термического сопротивления обуви получено в виде формулы Согласно закону Фурье, тепловой поток через поверхность рассматриваемого тела при стационарном процессе может быть определен по формуле:

где Q = const для любой изотермической поверхности; S (n) поверхность рассматриваемого тела; температура T (n) зависит только от одной координаты n нормали к изотермической поверхности;

коэффициент теплопроводности.

Тогда можно проинтегрировать дифференциальное уравнение, по T от T1 = T ( n1 ) до T2 = T (n2 ). Координаты нормали n1 и n2 соответствуют внутренней и внешней изотермическим поверхностям.

Конструкции верха и низа обуви состоят из нескольких слоев материалов, причем части конструкции различаются числом деталей и слоев. Такие конструкции рассматриваются в виде сложных и составных стенок. Стационарный режим теплообмена предполагает, что температура остается постоянной (не зависит от времени) для каждой точки сложной стенки, составляющих обувь.

Для многослойной стенки процесс прохождения тепла описывается системой уравнений, подобных (2.10) с учетом граничных условий.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |
 


Похожие работы:

«Межрегиональные исследования в общественных науках Министерство образования Российской Федерации ИНОЦЕНТР (Информация. Наука. Образование) Институт имени Кеннана Центра Вудро Вильсона (США) Корпорация Карнеги в Нью-Йорке (США) Фонд Джона Д. и Кэтрин Т. МакАртуров (США) Данное издание осуществлено в рамках программы Межрегиональные исследования в общественных науках, реализуемой совместно Министерством образования РФ, ИНОЦЕНТРом (Информация. Наука. Образование) и Институтом имени Кеннана Центра...»

«Российская Академия Наук Институт философии В.В. Старовойтов СОВРЕМЕННЫЙ ПСИХОAНAJIИЗ: ИНТЕГРАЦИЯ СУБЪЕКТ -ОБЪЕКТНОГО И СУБЪЕКТ-СУБЪЕКТНОГО ПОДХОДОВ Москва 2004 УДК 156.42 ББК88.5 С77 в авторской редаКЦИИ Рецензеtrrы: кандндат филос. наук Т. П.Лuфuнцева, доктор филос. наук В.И.Овчарено С77 Старовойтов В.В. Современный психоанализ: интеграция субъект-объектного и субъект-субъ­ ектного подходов. М., 2004. - 117 с. Монография посвящена анализу основных школ ор­ тодоксального. психоанализа на...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет А.Г. КУДРИН ФЕРМЕНТЫ КРОВИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ МОЛОЧНОГО СКОТА Мичуринск - наукоград РФ 2006 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com УДК 636.2. 082.24 : 591.111.05 Печатается по решению редакционно-издательского ББК 46.0–3:28.672 совета Мичуринского...»

«Б.П. Белозеров Фронт без границ 1 9 4 1 - 1 9 4 5 гг. (Историко-правовой анализ обеспечения безопасности фронта и тыла северо-запада) Монография Санкт-Петербург 2001 УДК 84.3 ББК Ц 35 (2) 722 63 28 И-85 Л. 28 Белозеров Б.П. Фронт без границ. 1941-1945 гг. ( и с т о р и к о - п р а в о в о й а н а л и з о б е с п е ч е н и я б е з о п а с н о с т и ф р о н т а и тыла северо-запада). Монография. - СПб.: Агентство РДК-принт, 2001 г. - 320 с. ISBN 5-93583-042-6 Научный консультант: В.Ф. Некрасов —...»

«ГБОУ Московский городской психолого-педагогический университет ФГБУ Научный центр психического здоровья РАМН Медицинская (клиническая) психология: традиции и перспективы К 85-летию Юрия Федоровича Полякова Москва 2013 УДК 159.9:61 ББК 88.4 М42 Редакционная коллегия: Зверева Н.В. кандидат психологических наук, доцент (отв. ред.) Рощина И.Ф. кандидат психологических наук, доцент Ениколопов С.Н. кандидат психологических наук, доцент М42 Медицинская (клиническая) психология: традиции и...»

«Институт археологии Российской академии наук С.Ю.ВНУКОВ ПРИЧЕРНОМОРСКИЕ АМФОРЫ I В. ДО Н.Э. – II В. Н.Э. (МОРФОЛОГИЯ) Москва 2003 Институт археологии Российской Академии наук С.Ю.ВНУКОВ ПРИЧЕРНОМОРСКИЕ АМФОРЫ I В. ДО Н.Э. – II В. Н.Э. (МОРФОЛОГИЯ) Москва 2003 УДК 902/904 ББК 63.4 В60 Монография утверждена к печати на заседании Ученого совета Института археологии РАН 24.05.2002 Рецензенты: кандидат исторических наук А.А.Завойкин, кандидат исторических наук Ш.Н.Амиров Внуков С.Ю. В60...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ, ИНФОРМАЦИИ И БИЗНЕСА Н.А. Белобородова, Т.В. Канева СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ЭКОНОМИКОЙ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НА БАЗЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА УХТЫ) Ухта 2004 ББК 65.4 (Коми) УДК 681.3.06 Б43 Белобородова Н.А., Канева Т.В. Совершенствование механизма управления экономикой муниципального образования на базе информационных технологий (на примере города Ухты): Монография. – Ухта:...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАГЕСТАНСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ ИСТОРИИ, АРХЕОЛОГИИ И ЭТНОГРАФИИ ХАЛАЕВ ЗАХИД АЛИЕВИЧ ЭТНОПОЛИТИЧЕСКАЯ И КУЛЬТУРНО-РЕЛИГИОЗНАЯ ИСТОРИЯ ДАГЕСТАНОЯЗЫЧНЫХ НАРОДОВ АЛАЗАНСКОЙ ДОЛИНЫ В XVI- XVIII вв. МАХАЧКАЛА 2012 ББК 63.3(2Р-6Д)+63.3(2)5. УДК 94(100-87). Рекомендовано к изданию решением диссертационного совета ДМ 002.053.01 при Учреждении Российской академии наук Институте истории, археологии и этнографии Дагестанского научного центра РАН от 30 сентября 2009 года...»

«УДК 80 ББК 83 Г12 Научный редактор: ДОМАНСКИЙ Ю.В., доктор филологических наук, профессор кафедры теории литературы Тверского государственного университета. БЫКОВ Л.П., доктор филологических наук, профессор, Рецензенты: заведующий кафедрой русской литературы ХХ-ХХI веков Уральского Государственного университета. КУЛАГИН А.В., доктор филологических наук, профессор кафедры литературы Московского государственного областного социально-гуманитарного института. ШОСТАК Г.В., кандидат педагогических...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П. Астафьева В.А. Мальцев Гуманистическая этика: ИСТОРИЯ И ПРОБлЕМЫ Монография Электронное издание КРАСНОЯРСК 2013 ББК 87.7 М 215 Рецензенты: А.И. Таюрский, академик РАО, председатель Сибирского отделения Российской академии образования; А.И. Шилов, доктор медицинских наук,...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет Г. М. Другов А. И. Сизых В. А. Черемных Геология мусковитовых пегматитов Мамской слюдоносной провинции МОНОГРАФИЯ УДК 553.677(571.5) ББК 26.325.2(2Р54) Д76 Научный редактор профессор А. И. Сизых Рецензенты: профессор А. Н. Иванов, доцент В. А. Булнаев Другов Г. М. Геология мусковитовых пегматитов...»

«М.В. МАРХГЕЙМ ЗАЩИТА ПРАВ И СВОБОД ЧЕЛОВЕКА И ГРАЖДАНИНА В СОВРЕМЕННОЙ РОССИИ: системная конституционная модель, проблемы ее функционирования и совершенствования Ростиздат 2005 ББК 87.7 М 30 Научный редактор – Заслуженный работник высшей школы РФ доктор юридических наук профессор Ю.М. Прусаков Рецензенты: доктор юридических наук профессор Л.В. Акопов Заслуженный деятель науки РФ доктор политических наук профессор А.В. Понеделков ISBN 5-7509-0078-9 Мархгейм М.В. Защита прав и свобод человека и...»

«Г.А. Фейгин ПОРТРЕТ ОТОРИНОЛАРИНГОЛОГА • РАЗМЫШЛЕНИЯ • ПРОБЛЕМЫ • РЕШЕНИЯ Бишкек Илим 2009 УДК ББК Ф Рекомендована к изданию Ученым советом Посвящается памяти кафедры специальных клинических дисциплин №” моих родителей, славных и трудолюбивых, проживших долгие годы в дружбе и любви Фейгин Г.А. Ф ПОРТРЕТ ОТОРИНОЛАРИНГОЛОГА: РАЗМЫШЛЕНИЯ, ПРОБЛЕМЫ, РЕШЕНИЯ. – Бишкек: Илим, 2009. – 205 с. ISBN Выражаю благодарность Абишу Султановичу Бегалиеву, человеку редкой доброты и порядочности, за помощь в...»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова Центр научного сотрудничества Интерактив плюс Наука и образование: современные тренды Серия: Научно-методическая библиотека Выпуск I Коллективная монография Чебоксары 2013 УДК 001 ББК 72 Н 34 Рецензенты: Рябинина Элина Николаевна, канд. экон. наук, профессор, декан экономического факультета Мужжавлева Татьяна Викторовна, д-р. экон. наук,...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЛОЛОГИИ М. А. Бологова Современная русская проза: проблемы поэтики и герменевтики Ответственный редактор чл.-корр. РАН Е. К. Ромодановская НОВОСИБИРСК 2010 УДК 821.161.1(091) “19” “20” ББК 83.3(2Рос=Рус)1 Б 794 Издание подготовлено в рамках интеграционного проекта ИФЛ СО РАН и ИИА УрО РАН Сюжетно-мотивные комплексы русской литературы в системе контекстуальных и интертекстуальных связей (общенациональный и региональный аспекты) Рецензенты...»

«КУЗБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ СОХОНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАПОВЕДНИК П.В.Баранов МЛЕКОПИТАЮЩИЕ ЮЖНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ ( структура населения, мониторинг, рациональное использование и охрана редких видов) Новокузнецк, 2004 ББК 20.1 Печатается по решению Б 24 Редакционно-издательского УДК 351.77.3 Совета КузГПА Б 24 ISBN 5-85117-093 Рецензенты: Докт.биол.наук, проф. Н.Н.Михайлова, (Кузбасская государственная педагогическая Академия); докт. биол. наук, В.Н.Бочарников (Тихоокеанский...»

«Северный (Арктический) федеральный университет Northern (Arctic) FederalUniversity Ю.Ф.Лукин Великий передел Арктики Архангельск 2010 УДК – [323.174+332.1+913](985)20 ББК –66.3(235.1)+66.033.12+65.049(235.1)+26.829(00) Л 841 Рецензенты: В.И.Голдин, доктор исторических наук, профессор Ю.В.Кудряшов, доктор исторических наук, профессор А.В.Сметанин, доктор экономических наук, профессор Лукин Ю.Ф. Л 841Великий передел Арктики/Ю.Ф.Лукин. - Архангельск: Северный(Арктический) федеральный университет,...»

«А. И. ДРЫГА ВИБРОСТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ И ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ 1 Донбасская государственная машиностроительная академия А. И. ДРЫГА Академик Нью-Йоркской Академии Наук ВИБРОСТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ И ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ ТЕОРИЯ, ИССЛЕДОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ Краматорск 2004 УДК 620.178.5 ББК 34.47 Д 76 Рецензенты: А.Н.Михайлов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Технология машиностроения Донецкого национального технического университета....»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ НОВОСИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИМ. Н.Н. ВОРОЖЦОВА СО РАН К.П. ВОЛЧО, Л.Н. РОГОЗА, Н.Ф. САЛАХУТДИНОВ, Г.А. ТОЛСТИКОВ ПРЕПАРАТИВНАЯ ХИМИЯ ТЕРПЕНОИДОВ Часть 2 (1) Моноциклические монотерпеноиды: лимонен, карвон и их производные НОВОСИБИРСК ИЗДАТЕЛЬСТВО АРТ-АВЕНЮ 2008. УДК 547.597 ББК 24.2 П71 Рецензеиты: член-корреспондент, доктор химических наук В.и. Овчаренко доктор химических наук Э.э. Шульц. доктор химических наук В.А. Ралдугин...»

«Д.Е. Муза 55-летию кафедры философии ДонНТУ посвящается ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЩЕСТВО: ПРИТЯЗАНИЯ, ВОЗМОЖНОСТИ, ПРОБЛЕМЫ философские очерки Днепропетровск – 2013 ББК 87 УДК 316.3 Рекомендовано к печати ученым советом ГВУЗ Донецкий национальный технический университет (протокол № 1 от 06. 09. 2013 г.) Рецензенты: доктор философских наук, профессор Шаповалов В.Ф. (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова) доктор философских наук, профессор Шкепу М.А., (Киевский национальный...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.