Устройство для определения интенсивности теплообмена в системе "человек-одежда-окружающая среда"

 

Изобретение относится к измерительной техникe. Технический результат состоит в повышении точности определения интенсивности теплообмена в биотехнической системе "Человек - одежда - окружающая среда". Сущность определения численных значений интенсивности теплообмена заключается в измерении и регистрации импульсов энергии, подводимой к рабочему телу и рассеиваемой в окружающую среду с цилиндрической рабочей поверхности устройства, оснащенного управляемой системой обеспечения и контроля теплового режима, включая подачу и распределение воды для имитации потоотделения. При испытаниях используется близкий к стационарному (квазистационарный) режим теплообмена рабочей поверхности с окружающей средой. Изобретение позволяет получать численные значения суммарной величины действующих одновременно всех или ряда составляющих теплообмена в зависимости от теплофизических характеристик материалов, геометрических параметров элемента конструкции одежды, метеорологических факторов окружающей среды, а также температуры и оптических характеристик различных поверхностей, находящихся в тепловом взаимодействии с рассматриваемой системой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для определения интенсивности теплообмена, а именно теплопроводности, теплового излучения, конвекции и затрат тепла на испарение влаги с поверхности физической модели элемента тела человека в одежде при взаимодействии с окружающей атмосферой, солнечным излучением, а также результирующим излучением от различных поверхностей.

Количественно процесс теплообмена на поверхности и внутри физического тела, в том числе - человека, определяется тепловыми потоками и их плотностью. При этом температура атмосферного воздуха, а также его влажность и скорость движения (ветер) при неблагоприятных условиях теплообмена не являются главными факторами формирования теплового состояния человека. Чаще всего решающая роль в рассматриваемых процессах принадлежит соответствующей одежде. В настоящее время принято, что теплозащитные свойства одежды, в первую очередь, зависят от характеристик швейных материалов - утеплителей.

Известны способ и устройство (ГОСТ 20489-75, а.с. СССР 347645) [1], с помощью которых после ряда измерений получают для исследуемого образца численное значение так называемого суммарного теплового сопротивления материала для одежды. Образцы материалов испытывают при плотном прилегании и при наличии воздушного зазора между образцом и поверхностью пластины (сердечника) как при естественной конвекции, то есть без воздействия набегающего воздушного потока, так и при искусственном обдуве образца воздухом с заданной скоростью (по ГОСТ 20489-75 это ≈5 м/с под углом к плоскости образца 45^o).

Однако данный способ регулярного режима охлаждения сердечника в заданном интервале температур и скорости воздушного потока, при фиксированной толщине воздушной прослойки между сердечником и испытуемым образцом или без воздушной прослойки свидетельствует о том, что авторы реализовали в устройстве лишь несколько частных случаев теплообмена. При этом теплообмен в рассматриваемом способе и устройстве не предусматривает учета влияния на теплообмен возможного испарения и конденсации влаги, что не позволяет обоснованно говорить о приближении условий испытаний швейных материалов и пакетов к основным неблагоприятным условиям их дальнейшей эксплуатации.

Известны также более поздние частные решения, позволяющие учитывать внешнюю и внутреннюю конвективные составляющие теплообмена при периодических движениях человека в одежде (а.с. СССР 425093 и 718773).

Но и в этих решениях нет учета теплообмена при фазовых переходах влаги в рассматриваемой системе.

Известны устройства для определения паровлагопередачи через текстильные материалы (а. с. СССР 241083) и паропроницаемости пористых материалов (а.с. СССР 1029051), с помощью которых можно измерить количество паров воды, проходящих через образец в стационарных условиях опыта.

Однако эти условия не соответствуют интегральному теплообмену в системе "Человек - одежда - окружающая среда".

Известны устройства (а.с. СССР 643787, 1000909, 1188591 [2]), с помощью которых определяют кинетику влагопередачи через текстильные материалы, динамику тепловлагопередачи через текстильные материалы в пакетах одежды и массообменные характеристики пористо-волокнистых материалов и их пакетов.

Анализ данных изобретений показывает, что авторы лишь декларируют тезис о приближении условий тепломассообмена при испытаниях образцов швейных изделий к условиям их реальной эксплуатации в конструкциях одежды. Так, например, в формуле изобретения а.с. 643787 авторы считают, что именно наличие блоков регистрации и регулирования теплового потока через образец, связь их с нагревателем, резервуар для жидкости и пористая пластина, имеющая гидрофобный и гидрофильный слой, а также наличие термопар, расположенных на поверхностях гидрофильного и гидрофобного слоев пористой пластины, на дне и стенках резервуара для жидкости и термопары для измерения температуры образца, почему-то приближают условия влагопередачи в материалах одежды к реальным.

В авторском свидетельстве 1000909 целью изобретения является "повышение точности определения" динамики тепловлагопередачи через текстильные материалы в пакетах одежды. Авторы считают при этом, что именно наличие искусственного источника света для облучения, заслонки между пористой пластиной и держателем, датчиков влажности и средства для взвешивания образца вместе со средством для создания воздушного потока являются условиями повышения точности определения теплообмена через текстильные материалы.

Целью изобретения В. Е. Романова и др. а.с. 1188591 является повышение "достоверности определения" массообменных характеристик пористо-волокнистых материалов и их пакетов.

Эта цель, по мнению авторов, может быть достигнута снабжением устройства воздухозаборником с отверстиями, расположенными между вертикально установленной пористой пластиной и кассетой для образцов, напротив которой "размещен вентилятор". Кроме этого, устройство должно иметь термогигристоры, расположенные с обеих сторон образца со смещением одного относительно другого.

Все эти изобретения, рассчитанные на получение интегральных величин тепломассобмена, не содержат никаких формул, необходимых для проведения соответствующих расчетов по результатам измерений. Вместе с тем, не выдерживают критики тезисы авторов о повышении точности или достоверности определения рассматриваемых величин, так как ни в одном из приведенных нами изобретений не рассматривается в целом система "элемент тела человека - элемент одежды - окружающая среда". Авторы ограничивают себя рассмотрением прохождения тепла и паров воды через материалы одежды в условиях, чаще всего не соответствующих теплообмену человека, так как в приведенных устройствах игнорируются требования теории подобия. В этой связи не случайным представляется практически полное отсутствие экспериментальных данных о теплозащитных свойствах отечественных материалов для швейной промышленности с учетом возможного влияния на эти свойства агрегатного состояния влаги и его изменений как на поверхности тела человека, так и в самих материалах и пакетах одежды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению представляется способ и устройство определения физиологических свойств одежды путем измерения стационарного термического сопротивления и сопротивления паропроводности (паропередаче или паропроницаемости) текстильных материалов с использованием физического имитатора кожи человека. (Стандарт DIN 54101 (1984 год) и ISO 11092 (1993 год). От ранее проанализированных нами способов и устройств немецкий и международный стандарты выгодно отличаются своей технической завершенностью и доведением до широкого внедрения в практику швейного и текстильного производства стран Западной Европы.

Устройство позволяет раздельно определять тепловое сопротивление текстильных материалов и пакетов одежды, аналог российскому термину "суммарное тепловое сопротивление", и их паропроницаемость, которая рассчитывается с помощью определяемого по стандарту соответствующего коэффициента сопротивления паропроводности (аналогов в России термин не имеет).

Недостатки данных стандартов заключаются в том, что авторы детально анализируют лишь две составляющие теплообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда", а именно термическое сопротивление и сопротивление прохождению водяных паров через швейные материалы. Конвективная и лучистая составляющие теплообмена в системе, хотя и представлены в соответствующих опытах, но количественно не оцениваются.

Для учета конвективной составляющей теплообмена авторы предлагают задавать и поддерживать постоянным в процессе проведения опытов вектор скорости воздушного потока в климатической камере на высоте 1 см "над центром измеряемой поверхности". При этом воздушный поток скоростью 1 м/с должен быть параллельным поверхности измерительной головки.

Если принять во внимание плоскую поверхность теплообмена, то можно утверждать, что авторы допускают серьезные погрешности в определении как теплового сопротивления, так и сопротивления паропередаче (паропроводности или паропроницаемости) материалов для одежды и пакетов на их основе. Это связано с тем, что скорость воздуха при теплообмене в системе "Человек - одежда - окружающая среда" может изменяться почти от 0 м/с при естественной конвекции, например, в помещении до 20 м/с и более при воздействии ветра на открытой местности. Кроме того, вектор скорости воздушного потока, обтекающего поверхность одежды человека лишь при естественной конвекции, можно считать совпадающим с условиями испытаний швейных образцов по зарубежным стандартам. На открытой местности ветер создает достаточно сложную аэродинамическую ситуацию вокруг и внутри одежды человека. При этом конвективная составляющая в теплообмене рассматриваемой системы может стать доминирующей.

Также вызывает сомнение достоверность численных значений коэффициента сопротивления паропроводности (паропередачи), определяемого по рассматриваемым стандартам, так как в реальных условиях эксплуатации одежды крайне редко температура окружающего воздуха и поверхности кожи человека одновременно соответствует 35^oС. Следовательно, в слоях швейных материалов и пакетов одежды при ее эксплуатации чаще всего имеют место как процессы конденсации, так и процессы испарения жидкой фазы. Эти процессы принципиально влияют на теплообмен при изменении агрегатного состояния влаги в рассматриваемой биотехнической системе.

Кроме этого, следует отметить, что выбранный авторами стандарта DIN 54101 и ISO 11092 стационарный режим испытаний потребовал от них строгой стабилизации не только внутренних, но и внешних условий теплообмена. То есть для проведения соответствующих опытов по данным стандартам необходимо использование специальной микроклиматической камеры. Это значительно удорожает процесс получения надлежащей информации и приводит к увеличению затрат времени на определение характеристик теплообмена в швейных материалах.

Безусловно, получаемые за рубежом численные значения рассматриваемых величин позволяют сравнивать между собой характеристики испытанных материалов. Однако эти значения могут порой вводить в заблуждение разработчиков одежды, так как по нашим данным, например, при изменении горизонтальной скорости воздушного потока, набегающего на вертикальный цилиндрический образец, от 0 до 4,5 м/с, тепловое сопротивление и отечественных, и зарубежных швейных утеплителей, изолирующих рабочую поверхность от окружающей среды, изменялось более чем в два раза.

Вместе с тем, приборы DIN 54101 и ISO 11092 не позволяют в полной мере определять теплообмен в элементах конструкции одежды с учетом влияния воздушных прослоек как в пакете одежды, так и между одеждой и телом человека, так как геометрические размеры и горизонтальное расположение исследуемых образцов не соответствует условиям эксплуатации одежды.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, что для рассмотрения процессов теплообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда" вместо плоского имитатора кожи человека применяется физическая модель усредненного элемента его тела, исходя из условий теории подобия. При этом физическая модель может размещаться в том числе непосредственно на рабочих местах операторов производства или на открытой местности, где происходит процесс труда или отдыха человека, подвергаясь интегральным воздействиям всей совокупности метеорологических факторов окружающей среды.

Определение интенсивности теплообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда" заключается в измерении плотности теплового потока с рабочей поверхности физической модели элемента тела человека, оснащенной имитатором системы потоотделения. При этом модель элемента тела может быть изолирована от окружающей среды исследуемым текстильным образцом, выполненным в виде элемента конструкции одежды.

Устройство, моделирующее элемент тела человека, выполнено в виде герметичной вертикальной цилиндрической емкости из металла с высокой теплопроводностью и толщиной стенки 3-5 мм, внешним диаметром 0,12 и высотой 1 метр. При этом емкость заполнена рабочей жидкостью и имеет внутренний нагреватель мощностью не менее 1,5 кВт, расположенный в нижней части емкости с системой регулирования рабочей температуры.

Устройство, моделирующее элемент тела человека, на внешней поверхности емкости имеет размещенный без зазора капиллярно-пористый элемент толщиной 0,1 - 0,4 мм с системой смачивания для имитации процессов потоотделения.

Система смачивания капиллярно-пористого элемента состоит из термостатированного резервуара с жидкостью, моделирующей пот человека, насоса, подающего жидкость на рабочую поверхность с помощью трубопровода, коллектора и шприцевых распределительных игл, расположенных в верхней части пространства между капиллярно-пористым элементом и наружной поверхностью цилиндрической емкости.

Для определения интенсивности теплообмена тела с окружающей средой используется квазистационарный режим испытаний при граничных условиях первого рода. Сущность этого режима определяется тепловой инерцией физического рабочего тела, нагреваемого внутренним источником тепла и охлаждаемого окружающей средой.

Обладая теплоемкостью, тело, нагреваясь от внутреннего источника энергии в заданных пределах температуры, накапливает строго определенное количество тепла. При отключении внутреннего источника энергии тело, остывая до заданной температуры, отдает накопленное тепло в окружающую среду. Если использовать в качестве внутреннего источника тепла электрический нагреватель с позиционным регулятором температуры, то, измеряя напряжение, силу тока и длительность импульса подачи электрического питания нагревателю от момента его включения до момента выключения, можно определить количество энергии, передаваемой от нагревателя рабочему телу за один рабочий цикл.

Далее тело, остывая до заданной температуры, отдает это тепло в окружающую среду. Циклические процессы нагрева и охлаждения вследствие тепловой инерции тела будут протекать в течение определенного времени до момента повторных включений - выключении внутреннего нагревателя. Время, проходящее между повторными включениями внутреннего нагревателя, будем называть временем рабочего цикла. При "избыточной" мощности внутреннего нагревателя, то есть такой мощности, которая наверняка превышает теплоотдачу тела в окружающую среду, рабочие циклы можно повторять любое заданное число раз. При этом процесс отдачи тепла от более нагретой рабочей поверхности в окружающую среду будет происходить непрерывно как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения рабочего тела в соответствии с физическими законами теплообмена. Так как теплоемкость тела может быть достаточно высокой, то на наружной рабочей поверхности при ее соответствующей теплопроводности колебания температуры могут быть незначительными. Это позволяет нам считать процесс теплообмена рабочей поверхности с окружающей средой близким к стационарному режиму первого рода, то есть вполне адекватно соответствующим теплообмену в системе "Человек - окружающая среда".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено устройство для определения комбинированного теплообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда", состоящее из рабочей поверхности (1), образованной вертикально ориентированной цилиндрической емкостью из металла (2) и капиллярно-пористого элемента толщиной от 0,1 до 0,4 мм (3), прилегающего к поверхности металла без зазора.

Цилиндрическая емкость заполнена рабочим телом с внутренним электронагревателем, в качестве которого в предлагаемом устройстве выступают дистиллированная вода (4) и ТЭН (5), размещенный в нижней части емкости.

Верхний и нижний торец емкости снабжены герметизирующими дисковыми тепловыми компенсаторами (6) для исключения торцевых потерь тепла из рабочего цилиндра.

В центре внутреннего объема цилиндрической емкости, а также внутри тепловых компенсаторов (6) установлены первичные преобразователи температуры (7) для ее непрерывного контроля и регулирования в процессе проведения опытов. Верхний тепловой компенсатор оснащен предохранительным клапаном (8), предотвращающим неконтролируемый рост давления внутри емкости, заполненной рабочим телом.

Устройство обеспечено системой подачи жидкой фазы на рабочую поверхность, состоящей из термостатированного резервуара (9), насоса (10), трубопровода (11) и распределительной системы, включающей в себя коллектор (12) и шприцевые распределительные иглы (13).

Для управления экспериментами и измерения интенсивности теплообмена устройство обеспечено дистанционным электрическим блоком питания и регулирования (14), соединенным с соответствующими элементами рабочего цилиндра коммутационными проводами (15). При этом в электрическую цепь питания нагревателя (5) включены вольтметр (16) и амперметр (17) для осуществления непрерывного контроля потребляемой мощности, а первичные преобразователи (7) включены в соответствующие цепи регуляторов температуры (18).

Перед началом измерений емкость (2) заполняют водой, регуляторы температуры (18) устанавливают в заданное положение, на соответствующие нагреватели (5, 6) подают напряжение питания, на рабочую поверхность надевают рукав из исследуемого текстильного материала.

При достижении заданной температуры рабочей жидкости, которая должна соответствовать допустимой температуре поверхности тела человека, то есть находиться в пределах от 298 до 318К с точностью 1К, после 2-3 циклов включений - выключений нагревателя предохранительный клапан закрывается, на рабочую поверхность (1) из резервуара (9) с помощью насоса (10) и распределительной системы при необходимости подается вода или соответствующий раствор для имитации потоотделения.

Во время опытов непрерывно контролируются и регистрируются метеорологические факторы окружающей среды. Прежде всего температура (К), скорость (м/с) и относительная влажность воздуха (%), а также интенсивность теплового и видимого излучения (Вт/м²).

С помощью прибора времени с надлежащей точностью измеряется длительность каждого импульса (τ₁) подачи напряжения питания нагревателя (5) и время между моментами повторных включений нагревателя (τ₂). Кроме того, во время работы нагревателя регистрируется напряжение его питания (U - вольт) и ток в рабочей цепи (I - ампер).

Для определения мощности, рассеиваемой с поверхности теплообмена в окружающую среду за время данного рабочего цикла, используется формула: W = U•I•τ₁/τ₂, (1) где W - мощность, Вт, (U•I•τ₁) - импульс энергии, поступающей в рабочий объем от внутреннего нагревателя в течение одного рабочего цикла, Дж; τ₂ - время полного рассеивания энергии в окружающую среду за данный рабочий цикл (промежуток между повторными включениями нагревателя), с; U - напряжение питания нагревателя (Вольт); I - ток в цепи нагревателя (Ампер); τ₁ - время работы нагревателя в течение одного рабочего цикла.

При этом интенсивность теплообмена в рассматриваемой системе рассчитывается по формуле: q=W/S; [Вт/м²], (2) где q - плотность теплового потока, характеризующая интенсивность теплообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда",
S - площадь рабочей поверхности устройства - 0,377 м².

Если рабочая поверхность устройства изолирована от окружающей среды соответствующим образом, имитирующаим элемент одежды, то его тепловое сопротивление рассчитывают по формуле:
R=(t₁-t₂)/q; [м²•К/Вт], (3)
где R - суммарное тепловое сопротивление,
t₁ - температура рабочей поверхности, К,
t₂ - температура окружающей среды, К.

Предложенное устройство определения интенсивности теплоообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда" позволяет учитывать в рассматриваемом процессе изменения агрегатного состояния влаги как на поверхности тела, так и в материалах одежды при интегральном воздействии ветра, солнечного излучения и даже атмосферных осадков.

Для учета процессов испарения и конденсации в рассматриваемой системе на рабочую поверхность в процессе проведения опытов необходимо подавать жидкую фазу, моделирующую процесс выделения пота. При этом теплообмен рабочего цилиндра без исследуемого текстильного образца будет соответствовать теплообмену обнаженного участка тела человека.

В процессе определения теплозащитных свойств текстильных материалов требуется задавать их геометрические характеристики. Предлагаемое устройство позволяет определять тепловое сопротивление текстильного материала для одежды практически любой толщины. Кроме того, с помощью устройства можно определить тепловое сопротивление различных комбинаций текстильных утеплителей, тканей верха и подкладки, включая воздушные прослойки между ними и рабочей поверхностью устройства, в том числе законченные элементы конструкции одежды. Важно, чтобы испытываемые образцы при этом соответствовали размерам рабочего цилиндра и имели форму рукава.

При определении теплового сопротивления образца необходимо осуществлять контроль и регистрацию метеорологических факторов окружающей среды, в частности температуры, скорости движения и влажности воздуха. Кроме этого, в случае проведения опытов на открытой местности необходимо контролировать интенсивность возможных атмосферных осадков, а в дневное время суток - солнечного излучения.

Данное устройство позволяет определять не только интенсивность теплообмена, но и теплозащитные свойства материалов, а также элементов конструкции одежды в разнообразных метеорологических условиях, в том числе на рабочих местах операторов производства, подвергающихся воздействиям охлаждающего микроклимата. Это, в свою очередь, дает возможность точнее прогнозировать теплозащитные характеристики одежды уже на стадии ее проектирования и разрабатывать рекомендации по ее будущей эксплуатации в различных, в том числе и экстремальных, условиях.

Формула изобретения

1. Устройство для определения интенсивности теплообмена, содержащее физическую модель элемента тела человека, оснащенную внутренним нагревателем, регулятором температуры и системой моделирования потоотделения, отличающееся тем, что модель выполнена в виде герметичной вертикальной цилиндрической емкости из материала с высокой теплопроводностью, при этом внешний диаметр цилиндра 0,12 м, высота 1 м, источник нагрева выполнен с возможностью импульсной подачи энергии в рабочий объем емкости, заполненной рабочей жидкостью, система моделирования потоотделения представляет собой размещенный на внешней поверхности емкости без зазора капиллярно-пористый элемент толщиной 0,1-0,4 мм, снабженный системой смачивании, при этом в устройство введены вольтметр и амперметр для осуществления непрерывного контроля мощности, потребляемой нагревателем, первичные преобразователи температуры для ее непрерывного контроля, подключенные к регуляторам температуры, средства измерения длительности импульса подачи энергии в рабочий объем и времени между моментами повторных включений нагревателя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система моделирования потоотделения, снабженная системой смачивания капиллярно-пористого элемента, состоит из термостатированного резервуара с жидкостью, моделирующей пот человека, и насоса, подающего жидкость на рабочую поверхность с помощью трубопровода, коллектора и шприцевых распределительных игл.

РИСУНКИ

Рисунок 1