автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Исследование термического сопротивления и тепловой расчет стеганых одеял с различными наполнителями

______На правах рукописи

РАЗБРОДИН Андрей Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕПЛОВОЙ

РАСЧЕТ СТЕГАНЫХ ОДЕЯЛ С РАЗЛИЧНЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в ОАО Научно-производственном комплексе «ЦНИИ-Шерсть»; в научио-испытательном центре «Одежда» (НИЦ «Одежда») Открытого акционерного общества «Центральный научно-исследовательский институт швейной промышленности ОАО «ЦНИИШП»; в Обществе с ограниченной ответственностью «Торговый дом Даргез».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Ведущая организация

Разумеев Константин Эдуардович

Плеханов Алексей Федорович Павлюченко Елена Вячеславовна

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности

Защита состоится «27» июня 2006 г. в /У часов на заседании диссертационного совета К.212.139.01 в Московском государственном текстильном университете им. А.Н. Косыгина по адресу: 119071, Москва, улица Малая Калужская, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина.

Автореферат разослан «¿^5» /И£1&,_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Шустов Юрий Степанович

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на определение теплового сопротивления и разработку методики теплового расчета стеганых одеял с различными наполнителями.

Проведена систематизация и разработана классификация стеганых одеял с различными видами наполнителей.

Построены модели теплопередачи от человека через стеганое одеяло в окружающую среду. Основополагающим для математического описания процесса передачи тепла принят закон Фурье, а для расчета теплопередачи на границе между текстильным материалом и воздухом окружающей среды - закон Ньютона.

В качестве основной характеристики теплозащитных свойств стеганых одеял принята величина суммарного теплового сопротивления и предложен удельный коэффициент теплозащиты. Проведены экспериментальные исследования теплозащитных свойств стеганых одеял с волокнистым (искусственным и натуральным) и перопуховым наполнителями и расчет теплового баланса человеческого организма.

Разработана методика и порядок расчета теплового сопротивления стеганого одеяла в зависимости от пола, возраста, отдельных морфологических данных человека, а также тепловлажностных характеристик воздуха, окружающего человека во время сна.

Автор защищает:

1. Классификацию стеганых одеял по основным общим признакам: 1 класс -«свойства»; подклассы: физические, механические, геометрические; 2 класс - «структура»; подклассы: наполнитель, чехол, конструкция.

2. Модели теплопередачи от человека в состоянии полного покоя через стеганое одеяло в окружающую среду и их описание.

3. Удельный коэффициент теплозащиты поверхностной плотности продукта.

4. Методику расчета теплопродукции и теплопотерь человека в состоянии полного покоя (сна).

5. Результаты экспериментальных исследований суммарного теплового сопротивления стеганых одеял с различными видами наполнителей (волокнистыми и перопуховым и).

6. Теоретические и практические основы теплового расчета стеганых одеял.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

К наиболее важным свойствам постельных принадлежностей, в первую очередь стеганых одеял, относятся теплоизоляция, эластичность, гигроскопичность, масса, упругость. Проблема заключается в том, что до се] ленные свойства практически не измерялись.

3

жтаждт

БИБЛИОТЕКА С.-Петербург _

ОЭ 200 Т -Г

Подбор одеял осуществляется органолептически, визуально с учетом информации, представляемой предприятиями и торговыми фирмами.

Учитывая, что каждый человек отличается от другого массой признаков (по возрасту, полу, морфологическим и другим характеристикам) подобрать для него расчетным путем, спроектировать и изготовить стеганое одеяло с оптимальными именно для него свойствами - является актуальной задачей. При этом необходимо учесть температурно-влажностные характеристики окружающего воздуха в помещении, где спит человек.

Цель и задачи исследования

Целью данной диссертационной работы является разработка научных основ методики расчета суммарного теплового сопротивления стеганых одеял и исследование их теплозащитных свойств при различных наполнителях.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: S Проведение аналитических исследований ранее выполненных работ в области

расчета и проектирования теплозащитных свойств верхней одежды; S Разработка классификации стеганых одеял с различными наполнителями; S Разработка моделей теплопередачи от человека через стеганое одеяло в окружающую среду;

S Проведение экспериментальных исследований теплозащитных свойств стеганых одеял с волокнистыми и перопуховым наполнителями; Разработка теоретических и практических основ теплового расчета стеганых одеял.

Общая методика исследования

Работа включает в себя теоретические и экспериментальные исследования.

В основу теоретических исследований теплозащитных свойств стеганых одеял положены законы Фурье по переносу тепла в твердом теле и обобщенный закон Ньютона о потере тепла наружной поверхностью твердого тела в окружающую среду.

Передача тепла в таких материалах осуществляется теплопроводностью через порообразующий волокнистый скелет, теплопроводностью и конвекцией через поры и излучением между стенками пор.

На основе исследований Г.М. Кондратьева принято, что математически суммарный процесс теплопередачи и в технических материалах происходит по закону Фурье. При этом коэффициент теплопроводности - X численно характеризует свойство материалов передавать тепловую энергию всеми указанными способами.

В основу расчета теплопродукции на единицу поверхности тела человека в зависимости от его морфологических признаков положена теория A.A. Покровского, согласно которой нормальная масса тела человека определяется в зависимости от сочетания различных факторов: пола, возраста, длины тела и наиболее распространенных типов телосложения.

В основу экспериментальных исследований положены известные методики оценкй теплозащитных свойств текстильных материалов по методу регулярного режима с использованием отечественного прибора ПТС-225, а также для оценки

4

толщины продукта на приборе СМ-2, воздухопроницаемости на приборе ВПТМ-2. использованы математико-статистические методы обработки результатов аналитических и экспериментальных исследований.

Работа выполнена на предприятиях ООО «Торговый дом Даргез», в том числе на Зарайской фабрике перопуховых изделий, ОАО НПК «ЦНИИШерсть». Лабораторные исследования проведены в ОАО «ЦНИИШП», ОАО НПК «ЦНИИ-Шерсть» и лабораториях предприятий.

Научная новизна работы

Впервые в отечественных исследованиях текстильных материалов в качестве объекта исследований теплозащитных свойств приняты стеганые одеяла с различными видами наполнителей.

Проведена разработка и обоснование: ^ Классификации стеганых одеял на базе их систематизации по основным общим признакам, а именно свойствам и структуре; ^ Возможности использования для оценки распространения тепла от человека

через стеганое одеяло в окружающую среду законов Фурье и Ньютона; ^ Моделей теплопередачи от человека, находящегося в состоянии полного покоя (сна), в окружающую среду через стеганое одеяло;

Экспериментальных зависимостей теплозащитных свойств стеганых одеял (суммарное тепловое сопротивление) с различными видами наполнителей от их толщины и поверхностной плотности;

Теплового расчета стеганых одеял на базе теплового баланса организма человека с учетом его морфологических признаков (пола, возраста, массы тела и др.) и тепловлажностных характеристик воздуха в помещении, где спит человек.

Практическая значимость работы

^ Разработанная классификация стеганых одеял дает возможность их системного исследования по основным признахам (свойствам и структуре) с последующей оптимизацией;

^ Выявление модели теплопередачи от человека в окружающую среду через стеганое одеяло позволяет оптимально рассчитать необходимые теплозащитные параметры стеганого одеяла;

Экспериментальные исследования позволили выявить взаимосвязь Между теплозащитными свойствами стеганых одеял с различными наполнителями и их поверхностной плотностью; ^ Разработанные этапы и порядок теплового расчета стеганых одеял являются основой для проектирования стеганых одеял адресно для каждого человека в зависимости от теплового баланса его организма и температурно-влажностных параметров окружающего воздуха.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на:

^ Заседаниях Ученого совета НПК ЦНИИШерсть, Москва, 2005-2006 гг.

5

•S Международной текстильной выставке Heimtextil, январь 2005 г.

S Международной текстильной конференции IWTO Country Summit, Москва,

сентябрь 2005 г.

S Заседании НТС фабрики «Перопух», г. Зарайск, март 2006 г.

S Заседании кафедры технологии кожи и меха Казанского государственного

технологического университета, апрель 2006 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа имеет объем 265 страниц машинописного текста, из которых 229 страниц основного текста, состоящего из введения, 5 глав с выводами, основных выводов. Работа содержит 31 рисунок, 48 таблиц, список литературы, включающий 61 наименование, 11 приложений.

Содержание работы

В введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе определены медико-гигиенические аспекты требований к созданию стеганых одеял. Человек треть жизни проводит во сне. Обеспечение комфортности сна является важнейшей задачей для жизнедеятельности человека. Профессор К.Н. Umbach определяет комфорт сна как равновесное регулирование температуры человеческого тела во время сна, приравнивая это к хорошему, достаточному нагреванию тела и управлению влажностью микроклимата в пространстве между одеялом и укрываемым им человеком.

Наиболее важными факторами, которые определяют комфортность сна (рис. 1), являются: температура окружающего воздуха в помещении, где спит человек; относительная влажность окружающего воздуха; температура тела человека; теплоотдача тела человека; тепловое сопротивление одеяла (в комплекте с пододеяльником и с учетом наличия нижнего белья у человека во время сна); воздухо- и паропроницаемость одеяла.

Уровень температуры тела (Тт), соответствующий комфортным теплоощу-щениям и комфортный уровень средневзвешенной температуры кожи (Тк) применительно к уровню энергозатрат человека, могут быть определены из следующих уравнений:

Тт = 36,61+0,007 -А; (1) Тк = 36,07 + 0,0354- А; (2)

где А - энерготраты человека во время сна на единицу поверхности его тела (различны в зависимости от возраста и пола), Вт/м2.

Средние энерготраты на единицу поверхности тела человека в состоянии покоя лежа равны 41 Вт/м2.

Таким образом, температуры Тт = 36,9°С иТк = 34,6°С должны поддерживаться во время сна.

Влажность кожи должна быть в пределах 10-20% по Куличенко А.В.

Рис. 1. Взаимодействие тела человека и постели

Качественный сон обеспечивается при его продолжительности 7-8 часов и следующих параметрах воздуха в помещении, где спит человек: температуре воздуха: зимой 12-17°С; весной и осенью 17-22 °С; летом 22-25 °С; относительной влажности воздуха - 40-60%.

Влажность воздуха в пододеяльном пространстве между телом человека и одеялом — 30-60% при выделении испарением с кожи человека около 300 мл влаги за время сна при температуре 28-32 °С. При этом предельное содержание углекислоты (СОг) в пододеяльном пространстве составляет - 0,8%.

Во второй главе на основе аналитических исследований стеганых одеял с волокнистыми и перопуховыми наполнителями, производимых отечественными (ТД «Даргез», ООО «Бритс Текстиль СД», «Мостекс» и др.) и зарубежными (Centa-Star, Billerbeck, Dan F leep, Paradis др.) фирмами, проведена систематизация стеганых одеял по отдельным признакам (поверхностной плотности, виду наполнителя, назначению и др.).

На базе проведенной систематизации разработана классификация стеганых одеял по двум общим основным признакам («свойствам» и «структуре»)

На рис. 2 представлен общий вид схемы классификации стеганых одеял по общим признакам, объединенным в два различных класса: 1 класс - «Свойства», 2 класс - «Струкгура».

Рис. 2. Классификация стеганых одеял (общий вид). Классы делятся на 3 подкласса каждый.

1 класс «Свойства» на подклассы:

1.1. - физические

1.2. - механические

1.3. - геометрические и материалоемкость.

2 класс «Структура» на подклассы:

2.1. - наполнитель (рис. 3)

2.2. - чехол ( ткани)

2.3. - конструкция

Подклассы в свою очередь делятся на группы, а группы на разновидности и

виды.

2.1.1.1.1.4. 2.1.1.1.2.4.

Рис. 3. Классификация стеганых одеял по наполнителю.

В качестве теплозащитной характеристики может быть принят коэффициент теплового сопротивления — И [м2 • °С/Вт].

По теплозащитным свойствам стеганые одеяла подразделяем на пять групп (три - основные и две - дополнительные внутри основных), в том числе:

1. Сверхлегкие (летние) - дополнительная группа

2. Легкие (летние) - основная группа

3. Облегченные (весенне-осенние), стандартные - основная группа

4. Теплые (зимние) - основная группа

5. Очень теплые (зимние) - дополнительная группа

Вид чехла стеганого одеяла (одеяло состоит из чехла с двух сторон и заключенного внутри наполнителя) и свойства чехла определяются характеристиками ткани, из которой оп состоит. Классификация стеганых одеял по конструкции определяет как конструкцию собственно одеял, так и конструкцию стежка.

Третья глава посвящена построению модели теплопередачи от человека через стеганое одеяло в окружающую среду.

Условно принято, что математически суммарный процесс теплопередачи в технических материалах происходит по закон Фурье, но под X коэффициентом теплопроводности - А, следует понимать условный коэффициент, характеризующий свойство материалов передавать тепловую энергию теплопроводностью, конвекцией через поры и излучением между стенками пор.

0-8

-[м2 • °СУВт]; (3)

где О - количество тепла, проходящего через слой однородного материала, ВТ;

в - площадь материала, м2; Т - время прохождения теплового потока, час;

_ *2 - разность температур обеих поверхностей слоя, °С; 8 - толщина слоя материала, м. Для простого одинарного слоя тепловое сопротивление - й,,, определяется из уравнения:

8

Им=- ,[м2 • °С/Вт]; (4)

к

Стеганое одеяло представляет собой сложный слой, состоящий из трех слоев (двух слоев ткани и слоя наполнителя между ними, сумма сопротивлений всех слоев может быть заменена на сопротивление некоторого эквивалентного слоя -

= К" + И'"; (5)

где тепловое сопротивление тканей верха и низа чехла;

й:"- тепловое сопротивление наполнителя;

При наличии воздушных прослоек между тканями чехла и наполнителя тепловое сопротивление воздушных прослоек - Кв.од. находим из уравнения:

£8»

к,.оа.=--; (6)

к

где йв и \в — соответственно суммарная толщина воздушных прослоек и теплопроводность воздуха. Тепло от тела человека, пройдя частично через стеганое одеяло, рассеивается с его поверхности в окружающую среду. Величина теплового сопротивления поверхности одеяла - К„.с. определяется из равенства:

!*„.„.= 1/а,[м*-°С/Вт]; (7) где а - коэффициент теплоотдачи материала.

Таким образом, суммарное тепловое сопротивление стеганого одеяла -"сум.ет.од. можно выразить уравнением:

RcyM.cn,,д. = Rэ+ Rв+ Rn.o. = 11"'+ Е8»А.в + 1/а; (8)

По литературным источникам

1/а= 0,1 [м2 • °С/Вт], а X, = 0,02 [Вт/м2 - вС] 8' 8" 18в

^ум.ст,.д. = 2 • — _ +---+ 0,1; [м2 • вС/Вт]; (9)

X' А," 0,02

При определении расчетного суммарного теплового сопротивления -RcyM.pi.c4. учитывали следующие три фактора:

1 - наличие пододеяльника

2 - наличие во время сна на человеке нижнего нательного белья

3 - конструкцию одеяла.

Рассмотрены основные 14 моде пей передачи тепла от человека через стеганые одеяла во внешнюю среду.

В обобщенном виде модели описываются уравнением:

Rcyм.p«cч. = RcyM.c-r.oj. + Rн.б. + Кцод. + Rю [м • °С/Вт]; (10)

где Н^и.р.сн. - расчетная суммарная теоретическая величина теплового сопротивления.

Ксум.ст.од.= Rэ+ Rп о. - суммарное тепловое сопротивление стеганого одеяла;

Rв.б. - тепловое сопротивление нательного белья;

1^под. - тепловое сопротивление двух слоев ткани пододеяльника;

Кв - суммарное тепловое сопротивление воздушных прослоек.

Проведя определенные преобразования с формулой Фурье, получаем:

Нсум.р.сч =- [м2 °С/Вт]; (11)

ч

где (] - тепловой поток, проходящий от человека через стеганое одеяло, т.е.

количество тепла, теряемое единицей поверхности тела человека за единицу времени, Вт/м2;

t| - температура поверхности кожи человека, °С;

tB0M. - температура окружающего воздуха в помещении, где спит человек, °С.

Правильно подобранное одеяло сохраняет равенство между теплопродукцией и теплоотдачей человека в окружающую среду.

По данным P.A. Дель, Р.Ф. Афанасьевой, П.А. Колесникова и др., тепловое сопротивление тканей, ватных прокладок и пакетов материалов определяется в основном их толщиной и в значительно меньшей степени объемным весом и видом материала.

Однако толщина представляет собой показатель, который сложно и неоднозначно связан со структурой пакета материалов. В связи с этим нормативно-техническая документация на многие изделия, в том числе на стеганые одеяла, и ткани не содержит требований по толщине.

Более устойчивой, в сравнении с толщиной продукта, является такая *

структурная характеристика как поверхностная плотность [r/м2] продукта (материала, ткани, изделия). В качестве дополнительной сравнительной оценки теплозащитных свойств стеганых одеял вводим коэффициент - j, который назовем удельным коэффициентом теплозащиты поверхностной плотности (сокращенно - удельным коэффициентом теплозащиты). Для стеганого одеяла: К^м.ст.од. м2 • "С/Вт

j с™,,. = - [--]; (12)

m „.„д. кг/ /и2

Ксум.ст.од - тепловое сопротивление стеганого одеяла, м2 • "С/Вт; тсгт.од._ поверхностная плотность стеганого одеяла, кг/м2

Коэффициент - j для определенного вида наполнителя является коэффициентом пропорциональности между теплозащитной характеристикой R и поверхностной плотностью - Ш.

В четвертой главе представлены материалы экспериментальных исследований теплозащитных свойств образцов-пакетов стеганых одеял с различными видами наполнителей, Проведена оценка воздухопроницаемости ^ исследуемых образцов одеял.

Оценка теплозащитных свойств образцов проводилась в ОАО «ЦНИ-ИШП» на приборе ПТС-225 по методу регулярного режима. Толщина образцов замерялась на приборе СМ-2 (по каждому образцу оценка проводилась по средней величине из 5 испытаний). I

Оценка воздухопроницаемости проводилась на приборе ВПТМ-2 при I

температуре воздуха (20±2)°С, относительной влажности воздуха (65±2)% и '

разряжение 49 Па.

Для оценки равномерности распределения поверхностной плотности, толщины, коэффициента теплового сопротивления по площади одеяла было подготовлено полотно размером « 1,5 м х 4 м (рис. 4), разрезанное на 12 образцов-пакетов размером 60 см х 60 см (размер пробы для испытания - 300 х 400 мм).

1. 3. 5. 7. 9. 11.

1.5 м ■ 2. 4 6. 8. 10. 12.

4 м

Рис. 4. Слоеное попотно (наполнитель между тканями чехла), подготовленное для изготовления стеганого одеяла. Размер вырезанных образцов 60 см х 60 см

Масса образцов, г

№ п/п 1 : 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Масса, г 244 | 244 242 258 258 266 260 262 240 258 252 248

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ пакета Состав пакета Поверхностная плотность, г/м2 Толщина, мм (среднее) Суммарное тепловое сопротивление, м2 • "С/Вт Воздухопроницаемость, дм3/м2 С

Образца Наполнителя

1 2 3 4 5 6 7

1 _ __ 2 слоя ткани + синтетический наполнитель 767 541 35,2;34,2;37,7,38,7 ;36,1 (36,4) 1,344 20-21

767 541 36,8;36,2;39,0,39,4 ;36,6 (37,6) 1,350 22-24

3 767 541 37,5;37,8:38,5,38,7 ;36,0 (37,7) 1,324 20-21

4 767 541 35,7;34 6;38,0,38,7 ;34,8 (36,4) 1,473 23-25

5 789 563 36,3;36,3;38,1 ;39,0 ;38,2 (37,6) 1,368 22

6 778 552 37,3,34,6:35,7; 36,0;34,3 (35,6) 1,374 22-24

7 778 552 35,4;35,5;36,8; 37,4;35,5 (36,1) 1,466 21-22

8 767 541 31,2;31,8;33,3; 34,5;33,6 (32,9) 1,331 23-24

9 778 552 36,2;36,8;38,8; 38,8:36,8 (37,5) 1,441 20

10 789 563 37,5;38,0;38,6 39,1;35,5 (37,7) ' 1,537 23-24

11 772 546 35,5;35,4;37,5; 37,4:35,8 (36,3) 1,394 18-19

12 778 552 33,5,32,6;34,4; 35,7,34,2 (34,1) 1,293 23

+ №4 2 слоя ткани + синтетический 1534 «69,3 5,207 -

+ №6 1556 «71,7 5,986 -

+ №1 1556 | «74,0 5,319 -

Пакет 2 слоя марли + синтетический наполнитель 550 35,9,36,5;37,4; 36,6;35,2 (36,3) 1,615 510-675

Пакет 555 36,6;33,3;32,6; 36,6;31,8 (34,2) 1,468 585-745

марля 1 слой 30,1 0,3 0,176 -

марля 2 слоя 60,3 0,6 0,196 -

Слой ткани - 0,2 - 29-38

2 слоя ткани - 0,5 - 15-17

По материалам таблицы найдены коэффициент вариации испытывае-

мых образцов пакетов (0,6 х 0,6 м) по массе См s 1%, по массе наполнителя С„ „ =1,4%, по толщине См = 4%, по суммарному тепловому сопротивлению Cvr = 5%, что говорит о достаточно равномерном распределении наполнителя по площади одеяла и достоверное™ оценки по образцам исследуемых вариантов.

В таблице 2 представлены материалы испытания 15 образцов-пакетов одеял с полиэфирным наполнителем. Испытываемые образцы простегнуты, Между поверхностной плотностью наполнителя (полиэфирное волокно) и коэффициентом теплового сопротивления имеется прямолинейная зависимость, выражаемая эмпирической формулой:

Ксум.ст.од.(пэф)= 0,803 • тнап(ПЭф)+ 0,288; (13) Исследование образцов-пакетов одеял с хлопковым наполнителем показало более низкие по сравнению с полиэфирным наполнителем результаты.

Таблица 2

Материалы испытаний 15 простеганных образцов (пакетов) материалов с синтетическим полиэфирным наполнителем в виде прочесанного пла-

ста

№ пакетов Поверхностная плотность, г/м2 Толщина, мм, при давлении Суммарное тепловое сопротивление, м2 • °С/Вт. Расчет проведен при давлении

образца наполнителя 98 Па (1 г/см2) 196 На (2 г/см2) 980 Па (10 г/см2) 98 Па г/см2 (1 196 Па (2 г/см2) 980 Па (10 г/см2)

образца наполнителя

1.2 2.2 3.2 4.2 5.2 505 505 500 522 500 267 267 262 284 262 16,6 15,8 16,3 17,6 15,8 13,1 12.7 13,0 13.8 13,0 12,9 12.5 12,8 13.6 12,8 6.5 6,0 6,2 6.6 6,2 0,539 0,529 0,533 0,504 0,494 0,523 0,515 0,519 0,490 0,483 0,493 0,484 0,488 0,459 0,4574

Средн. 506,4 268,4 53% 16,4 13,12 13,2 16,4 = 0.8; 80% 12,92 98,5% 6,3 6,3 13,: х 100 = 40% 0,520 0,506 0,506 0,520"» 97% 0,476 0,476 0,506= 94% 92%

1.3 2.3 3.3 4.3 5.3 583 578 677 611 589 345 340 439 373 351 19,9 19,3 22,3 22,6 20,5 15,9 14.7 18.8 18,3 16,3 15,7 14.5 18.6 18,1 16.1 7,9 7,3 7,9 8,8 7,9 0,595 0,544 0,611 0,627 0,575 0,576 0,524 0,596 0,607 0,556 0,536 0,489 0,541 0,544 0,515

Средн. 607,6 396,6 60.8% 20,9 16,8 80% 16,6 98,8% 8,0 48% 0,590 0,572 97% 0,525 91% 88%

1.4 667 429 20 8 18,7 18,5 10,1 0,618 0,607 0,564

2.4 700 462 24.1 21,1 20,9 11,5 0,677 0,663 0,611

3.4 622 384 20.2 17,5 17,3 9,4 0,608 0,595 0,554

4.4 667 429 22.8 20,1 19,9 11,3 0,676 0,668 0,614

5.4 678 440 23.7 22,8 10,9 0,683 0,677 0,614

Средн. 666,8 428,8 22,32 20,0 19,8 10,6 0,652 0,642 98% 0,591 90%

64,3 89% 99% 53% 92%

Ткань верха - 1 слой 0,1 0,160 97% 90%

Ткань верха - 2 слоя 0,3 0,200

Уравнение связи между коэффициентом теплового сопротивления и поверхностной плотностью хлопкового наполнителя имеет вид:

■^сум.ст.од.(хлопок) 0,371- ГГ1 f(Х.1 nпо-<) ^ 0,358; (14)

При одном и том же виде наполнителя в зависимости от поверхностной плотности тепловое сопротивление в непростегнутых образцах-пакетах выше, чем в простегнутых, что объясняется большим количеством инертного воздуха между волокном наполнителя, причем связь между величинами ш|1ап и RcyM-ст.од обычно параболическая.

Так, вид связи между тепловым сопротивлением образцов-пакетов и поверхностной плотностью полиэфирного наполнителя в виде пласта описывается эмпирическим уравнением параболы.

Ксум.сг.ол.ошишкст)= 10,6986 • m„J -1,936 • m„an + 0,4829; (15) Вид связи между тепловым сопротивлением непростегнутых образцов-пакетов и поверхностной плотностью потиэфирного наполнителя в виде шариков описывается уравнением параболической кривой:

Ксум.стод.([13ф-шарнкн) = 16,1622 • Шн (шарики^ " 3,1030 • ш„+ 0,5762; (16) Наибольшее тепловое сопротивление в одеялах обеспечивает пуховый наполнитель. Взаимосвязь между тепловым сопротивлением и поверхностной плотностью наполнителя примерно выражается в виде степенной зависимости:

^сум.ст.од.(перонух) 81,7 - Шн (п«ропух)9 (17) Для оценки достоверности и меры связности коэффициента суммарного теплового сопротивления 1*С)М.С1.Щ| и поверхностной плотностью полиэфирного наполнителя - ш„ проведен корреляционный анализ по 100 испытаниям. После обработки полученных материалов выявлена устойчивая связь между исследуемыми показателями. Величина корреляционного отношения взаимосвязи достоверна и равна т] = 0,753.

Все виды образцов-пакетов оценивались на воздухопроницаемость. В соответствии с исследованиями П.А. Колесникова все материалы по воздухопроницаемости делятся на 7 классов. I класс - ветрозащитные материалы с коэффициентом воздухопроницаемостью, дм3/(м2 • с) - 3,57+25, II класс с малой воздухопроницаемостью - 25+50, III класс со средней воздухопроницаемостью - 50-И25, IV-V1I классы с большой и очень большой (VII класс) воздухопроницаемостью - более 125.

Исследования образцов-пакетов дали следующие средние результаты по воздухопроницаемости, дм3/(м2 • с).

Образцы (9 штук) с наполнителем из хлопкового волокна - 26

Образцы (12 штук) с наполнителем из смеси шерстяного волокна и ПЭФ - 52

Образцы (15 штук) с наполнителем из пуховых волокон - 8

Образцы (15 штук) с наполнителем из 100% полиэфирного волокна в виде пласта - 32

образцы (9 штук) с наполнителем из 100% полиэфирного волокна в виде шариков - 33

Образцы (12 штук из одной пластины размером 1,5 х 4 м) с наполнителем из 100% полиэфирного волокна - 22

Наилучшие резулыаты у образцов с полушерстяным наполнителем, характеризуемые как средние. Наихудшие показатели имеют образцы с пуховым наполнителем, характеризуемые как ветрозащитные. Образцы-пакеты с хлопковым и полиэфирным наполнителями близки между собой и характеризуются как материалы с малой воздухопроницаемостью.

Глава пятая посвящена теоретическим и практическим основам теплового расчета стеганых одеял.

Рассмотрены подробно и проанализированы основные методы теплового расчета одежды, представленные в работах П.А. Колесникова, Р.Ф. Афанасьевой, P.A. Дель, Г.М. Кондратьева.

В основу теплового расчета стеганых одеял положен тепловой баланс организма человека, при котором тепловой поток, проходящий через стеганое одеяло - q с единицы поверхности тела человека определяется из равенства. Q, Qcr.oa.

q=- =- ,[Вт/м2]; (18)

SqQui S СТ.ОД.

где Q„- основной (стандартный) тепловой обмен организма человека со всей площади поверхности тела, Вт Socu, - площадь поверхности тела человека, м2

Qст.од." количество тепла (тепловой поток), проходящего через стеганое

одеяло от тела человека, Вт SCt.oä. - площадь стеганого одеяла, через которую проходит тепловой поток, равная площади тела человека, укрытого одеялом, м2 Схематично теплоотдача тепла, образованного организмом человека представлена на рис. 5, из которого видно, что основная часть тепла отдается с защищенных поверхностей тела - в том числе через стеганое одеяло -Осг.од., через маграц - QM.T., через подушку - Qncul. и частично через открытую незащищенную поверхность головы и части шеи - QHeMm..

Общая теплоотдача тепла определяется уравнением (при равенстве теплоотдачи - QT.o. и теплопродукции - QT.„..

Qt-л. = Qt.o. = Qmui. QiieMia." Qc г.од. Омаг. + Qnoa. Оне1ащ.?[Вт];(19) Проведенные расчеты показали, что во время сна поверхность тела человека защищена от окружающего воздуха на 95% (Slam).

SMe= 0,95 • S„eiu, [м2];(20) 16

Наиболее полно тепловой баланс представлен в работе P.A. Дель, Р.Ф.

Рис 5. Схема тепловых потоков человека в состоянии сна.

1. Голова человека

2. Подушка

3. Туловище, ноги, руки человека

4. Стеганое одеяло

5. Матрац

Q-г.п. Qt.b. - Оряд ^"Qkohb. "^"Оконд. Qhcimw*. Оисп.п. QdblX.h. i D [Вт]; (21)

где Qi.„.- теплопродукция человека, Вт;

QT.B. - внешняя тепловая нагрузка (например, вследствие солнечной радиации), Вт; Qpm. - потери тепла радиацией, Вт; Qxoh».- потери тепла конвекцией, Вт; Оконд. - потери тепла кондукцией, Вт;

Qbcim. - потери тепла вследствие испарения диффузионной влаги с поверхности кожи, Вт; Овсп-дьи - потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей, Вт; Оисл.п. - потери тепла вследствие испарения пота, Вт; Оды».п. - потери тепла вследствие надевания вдыхаемого воздуха, Вт; D - изменение теплосодержания организма относительно комфортного, Вт

Проведя определенные преобразования, получаем уравнение суммарного теплового сопротивления стеганого одеяла - Яр„Сч.суи.сг.од в следующем ВИДе: 0,95 • (tK — tBO]A.)So6iu (тела человека)

Красч.сум.ст.од =---) [м ' С/Вт] (22)

0,888 • Qo — Qtun.o. ~ Qhcii-дых. " Qaui.il "4,2

где tK - температура кожи человека, "С

Найдена эмпирическая формула зависимости основного (стандартного) обмена организма человека на 1 м2 поверхности тела - Q'0 от возраста человека - у. Q'0 = const • у-0,16, [Вт/м2]; (23)

Расчет величины поверхности тела человека - S06W в уточненных расчетах корректируется коэффициентом - К„, зависящим от возраста человека -Ъ

GM25-H0'725-71,84

Soeui=- Кв,[м2], (24)

10000

Потери тепла вследствие испарения диффузной влаги с поверхности кожи - оцениваются по модернизированной нами формуле Фангера: Q„c„„. = 3,06 • 10J • S^ (256 • tK - 3360 - К, • tK • 133,3); [Вт] (25)

где К, - коэффициент относительной влажности воздуха (кожи)

Р.

Кф ,= -, (26)

1возд(кожи)

где Р, - парциальное давление пара в окружающем воздухе, в том числе над кожей, мм. рт. ст.

Потери гепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей - Оисп-ды*. определяем по модернизированной нами формуле, приведенной в работе P.A. Дель и др.:

Оисп.ды,.= 14,9 • 10^ • Q™. (5880 - Ра); (27) После модернизации, подставляя в формулу значение - в виде эмпирической зависимости от температуры и влажности воздуха, получим следующее уравнение:

Оисплы!.- 14,9 • 10"* • Q0 [5880- (0,00888 ■ <р - 0,005) • tB 133,3],Вт (28)

где ф - относительная влажность воздуха, %.

Для оценки потери тепла на нагревание воздуха при дыхании - Qaklx.„. найдена эмпирическая зависимость, выражаемая уравнением: <2ды,.и.= (0,041 - 0,0012- tBm,) Q0, [Вт]; (29) Расчеты показывают, что величина Q„uX.H. составляет при tB0W = =19°С Qmui.H. = (1,5-2^3%) Q0

Общая сумма теплопотерь человека - Q'„cn. на испарение диффузной влаги с поверхности кожи - Q„cnjl., испарение влаги с верхних дыхательных путей - (Теплых.* потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха -Одьи.и. составляют по отношению к основному обмену - Q0 в состоянии комфорта следующую величину:

Q'„cn. = Q„«,.a. + Q„c„.aWx + Qhc,.„. = 21% Q„+ 7,2% Q0+ 1,9% Q0 = = 30,1% Q„, т.е. Q' HC„ s 30% Q0; (30)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Важнейшей утилитарной функцией постельных принадлежностей, в первую очередь стеганых одеял, является обеспечение теплозащиты человека во время сна. Обзор и анализ опубликованных работ позволили определить факторы и параметры, обеспечивающие комфортные условия сна, в том числе температуру и влажность окружающего воздуха, температуру тела и кожи человека, температуру и другие показатели воздуха в пододе-яльном пространстве.

2. Особенности конструкции и назначения стеганых одеял при их функциональной схожести с верхней одеждой человека обусловливают особенности в теории и практике проектирования их теплозащитных и других свойств.

3. Разработана классификация стеганых одеял на основе систематизации материалов аналитических исследований их характеристик. Классификация стеганых одеял, массово выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами, проведена по двум основным общим признакам: «свойствам» -класс 1 и «структуре» - класс 2. Каждый класс делится на 3 подкласса. Далее идет деление на группы, виды и разновидности.

4. Основополагающим для математического описания процесса передачи тепла от тела человека в окружающую среду через стеганое одеяло являются законы Фурье для оценки теплопередачи в технических материалах и Ньютона для расчета теплопередачи на границе между твердым материалом и воздухом.

5. Расчет теплозащитных свойств пакета материалов разработанных моделей передачи тепла от человека во внешнюю среду включает в себя: тепловое сопротивление слоя материалов, эквивалентное сумме сопротивлений всех слоев стеганого одеяла; суммарное тепловое сопротивление всех воздушных прослоек; тепловое сопротивление поверхности стеганого одеяла при передаче тепла в окружающую среду; тепловое сопротивление нательного белья; тепловое сопротивление пододеяльника

6. Разработан и предложен в качестве вспомогательной характеристики теплозащитных свойств стеганого одеяла - удельный коэффициент теплозащиты, увязывающий теплозащитные свойства продукта (одеяла, чехла, наполнителя) с его поверхностной плотностью.

7. Экспериментальные исследования дали основание для утверждения наличия достоверной взаимосвязи между суммарным тепловым сопротивлением и поверхностью плотности различных видов наполнителей. Корреляционный анализ определил эту взаимосвязь корреляционным отношением "Пух = 0,753. Определены эмпирические уравнения взаимосвязи в образцах-пакетах одеял между суммарным тепловым сопротивлением - Ксум. и поверхностной плотностью наполнителя - ш„.. Для простеганных образцов эти взаимосвязи описываются прямыми линиями, для непростеганных образцов-пакетов - в виде параболических кривых.

Iß 1 1 90 9

8. По воздухопроницаемости лучшие результаты получены для образцов одеял с полушерстяным наполнителем. Образцы одеял-пакетов с полиэфирным и хлопковым наполнителями примерно равноценны. Низкую воздухопроницаемость имеют одеяла с пуховым наполнителем, который в то же время обеспечивает наилучшие теплозащитные свойства.

9. Разработана методика и этапы теплового расчета стеганых одеял с учетом теплового баланса организма человека. Найдены эмпирические формулы и математические зависимости для оценки суммарного теплового сопротивления стеганых одеял, для расчета основного стандартного теплового обмена организма, для оценки потерь тепла испарением диффузной влаги с поверхности кожи, с верхних дыхательных путей и на нагревание воздуха при дыхании.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Разбродин A.B. Систематизация и классификация стеганых одеял с различными видами наполнителей. Текстильная промышленность, М., 2003, № 7-8, с. 42-47.

2. Разбродин A.B. Медико-гигиенические аспекты требований к созданию стеганых одеял. Здоровье населения и среда обитания. Информационный бюллетень Минздрава РФ. Федеральный центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора № 11 (140), М., ноябрь 2004, с. 25-31.

3. Разбродин A.B. Теоретический расчет и экспериментальное нахождение термического сопротивления стеганых одеял на базе аналитического исследования материалов теплового баланса человеческого организма. Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦНИИШерсть». М., Издательство РУДН, 2005, с. 77-107.

4. Разумеев К.Э., Разбродин A.B. Аналитическое исследование формул теплового баланса человеческого организма для последующего расчета термического сопротивления стеганых одеял. Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, № 2,2006.

5. Разбродин A.B. Теплопередача от человека через стеганое одеяло в окружающую среду. Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦНИИ-Шерсть». М., Издательство «0ргсервис-2000», 2006, с. 81-106.

6. Разумеев К.Э., Разбродин A.B. Разработка коэффициента взаимосвязи теплозащиты и поверхностной плотности стеганого одеяла. Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦНИИШерсть». М., Издательство «Орг-сервис-2000», 2006, с. 107-116.

Подписано в печать 25.05.06 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,25 Заказ 250 Тираж 80 МГТУ им. А.Н. Косыгина, 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Медико-гигиенические аспекты требований к созданию стеганых одеял

1.1. Общая характеристика функций постельных принадлежностей

1.2. Комфортный сон

1.3. Гигиенические условия сна 26 Выводы по главе

Глава 2. Систематизация и классификация стеганых одеял с различными видами наполнителей

2.1. Систематизация стеганых одеял

2.2. Классификация стеганых одеял 60 Выводы по главе

Глава 3. Построение модели теплопередачи от человека через стеганое одеяло в окружающую среду

3.1. Теплофизические характеристики материалов стеганых одеял

3.2. Разработка коэффициента взаимосвязи теплозащиты и поверхностной плотности стеганого одеяла

3.3. Пути теплоотдачи человека в состоянии сна

3.3.1. Теплопередача кондукцией (теплопроводностью)

3.3.2. Теплопередача конвекцией.

3.3.3. Теплопередачи радиацией.

3.3.4. Теплоотдача испарением

3.3.4.1. Теплопотери испарением диффузной влаги

3.3.4.2. Теплопотери испарением влаги с верхних дыхательных путей

3.3.4.3. Теплопотери на нагревание воздуха при дыхании

3.4. Модели теплопередачи от человека, находящегося в состоянии полного покоя (сна), в окружающую среду через стеганое одеяло

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования теплозащитных и некоторых других свойств стеганых одеял

4.1. Методика проведения испытаний по оценке суммарного теплового сопротивления - RcyM.

4.2. Оценка представительства образца-пакета стеганому одеялу при определении суммарного теплового сопротивления

4.3. Исследование суммарного теплового сопротивления образцов одеял с различными видами наполнителей

4.3.1. Исследование образцов одеял с синтетическим полиэфирным наполнителем

4.3.1.1. Простеганные образцы одеял с полиэфирным наполнителем в виде прочесанного пласта

4.3.1.2. Непростеганные образцы одеял (пакеты) с полиэфирным наполнителем в виде прочесанного пласта

4.3.1.3. Непростеганные образцы одеял (пакеты) с полиэфирным наполнителем в виде шариков из полиэфирных волокон

4.3.2. Исследование образцов одеял с наполнителем из хлопковых волокон

4.3.3. Исследование образцов одеял с шерстяным наполнителем

4.3.4. Исследование образцов пакетов одеял с перопуховым наполнителем

4.4. Применение корреляционного анализа для оценки меры связности между величиной суммарного теплового сопротивления - RcyM.cT. од.и величиной поверхностной плотности наполнителя - шн

4.5. Оценка воздухопроницаемости образцов-пакетов стеганых одеял

4.6. Взаимосвязь между суммарным тепловым сопротивлением образов-пакетов - RcyM.cT. од. и поверхностной плотностью наполнителя - шн, описываемая в виде тангенциальной функции j = f (tg ф)

Выводы по главе

Глава 5. Теоретические и практические основы теплового расчета стеганых одеял

5.1. Методы приближенного теплового расчета одежды

5.1.1. Метод П.А. Колесникова

5.1.2. Метод Р.Ф. Афанасьевой, Р.А. Дель и др.

5.1.3. Метод Г.М. Кондратьева

5.2. Тепловой расчет стеганых одеял 186 5.2.1. Тепловой баланс организма человека

5.2.1.1. Основной (стандартный) тепловой обмен организма человека

5.2.1.2. Площадь поверхности тела человека

5.2.1.3. Расчет потери тепла вследствие испарения диффузной влаги с поверхности кожи

5.2.1.4. Расчет потери тепла вследствие испарения

5.2.1.5. Расчет потери тепла на нагревание воздуха при дыхании

5.3. Этапы теплового расчета стеганых одеял 225 Выводы по главе 5 229 Общие выводы по работе 231 Список используемой литературы 233 Приложения

В последнее десятилетие резко возрос спрос и производство стеганых одеял с различными видами наполнителей как за рубежом, так и в России. Стеганые одеяла должны быть высококачественными изделиями, а для этого необходимо определить специальные критерии качества, отвечающие требованиям потребителей.

Постельные принадлежности (в том числе и стеганые одеяла с различными видами наполнителей) являются товарами первой необходимости, и спрос на них остается стабильным, поэтому крайне важно активизировать научный и просветительский подход к свойствам этих товаров и возможности проектирования этих свойств.

Производство стеганых одеял, их качество не отделимы от проблем охраны здоровья человека, что предопределяет необходимость создания условий для комфортного сна человека.

Одна из важнейших функций постельных принадлежностей -обеспечение комфортности сна, т.е. обеспечение во время сна естественного и ненапряженного положения тела.

Стеганое одеяло должно хорошо сохранять тепло, хорошо впитывать и испарять влагу, обеспечивая тем самым здоровый сон для человека. Одеяло одновременно должно быть теплым и легким, т.е. иметь высокий показатель сохранения тепла на единицу поверхностной плотности.

Стеганое одеяло должно иметь хорошие драпирующие свойства, мягко облегая тело, не выпуская теплый и не впуская холодный воздух, тем самым, обеспечивая комфорт во время сна.

К наиболее важным свойствам постельных принадлежностей относятся теплоизоляция, эластичность, гигроскопичность, поверхностная плотность, упругость. Проблема заключается в том, что перечисленные свойства до сегодняшнего дня практически не измерялись. Не подлежит сомнению, что изучение свойств постельных принадлежностей и требований, предъявляемых к ним потребителем, должно быть поставлено на научную основу.

Результаты этих исследований должны использоваться при производстве готовых изделий, а полная информация об изделиях должна указываться на маркировке товаров при их продаже. Таким образом, подбор одеяла человеком до настоящего времени осуществляется органолептически и визуально с учетом незначительного объема информации, предоставляемой предприятиями-изготовителями и торговыми организациями.

Актуальность работы

Каждый человек отличается от другого массой признаков, в том числе по возрасту, полу, морфологическим и другим характеристикам. Обеспечить человеку комфортный, здоровый сон путем подбора расчетным путем на научной основе стеганого одеяла является актуальной задачей. При этом необходимо учесть температурно-влажностные характеристики окружающего воздуха в помещении, где спит человек.

Основным свойством стеганых одеял является - теплоизоляционное, которое оценивается суммарным тепловым сопротивлением. Отсюда проведенная нами работа по исследованию термического сопротивления стеганых одеял с различными наполнителями, с учетом теплового баланса организма человека и теплопотерь во время сна, является необходимой и своевременной.

Цель и задачи исследования

Целью данной диссертационной работы является разработка научных основ методики расчета суммарного теплового сопротивления стеганых одеял и исследование их теплозащитных свойств при различных наполнителях.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

S Аналитические исследования ранее выполненных работ в области расчета и проектирования теплозащитных свойств верхней одежды;

•S Проведение аналитических исследований характеристик (поверхностной плотности, вида наполнителя и чехла) стеганых одеял, выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами;

S Разработка классификации стеганых одеял с различными наполнителями; Разработка моделей теплопередачи от человека через стеганое одеяло в окружающую среду;

S Проведение экспериментальных исследований теплозащитных свойств стеганых одеял с волокнистыми и перопуховым наполнителями;

S Разработка теоретических и практических основ теплового расчета стеганых одеял. Общая методика исследования

Работа включает в себя теоретические и экспериментальные исследования.

В основу теоретических исследований теплозащитных свойств стеганых одеял положены законы Фурье по переносу тепла в твердом теле и обобщенный закон Ньютона о потере тепла наружной поверхностью твердого тела в окружающую среду.

Однако материалы, из которых состоят стеганые одеяла, не твердые тела, а представляют собой систему из очень большого числа волокон, отдаленных одно от другого порами различной формы и размеров, заполненных воздухом. Передача тепла в таких материалах осуществляется теплопроводностью через порообразующий волокнистый скелет, теплопроводностью и конвекцией через поры и излучением между стенками пор.

На основе исследований Г.М. Кондратьева [1] принято, что математически суммарный процесс теплопередачи и в технических материалах происходит по закону Фурье. При этом коэффициент теплопроводности - % численно характеризует свойство материалов передавать тепловую энергию всеми указанными способами.

В основу расчета теплопродукции на единицу поверхности тела человека в зависимости от его морфологических признаков положена общепринятая в последнее время теория А.А. Покровского [2], согласно которой нормальная масса тела человека определяется в зависимости от сочетания различных факторов: пола, возраста, длины тела и наиболее распространенных типов телосложения.

Рассмотрены и теоретически описаны основные модели (схемы) передачи тепла от человека через стеганые одеяла различной конструкции во внешнюю среду.

В качестве базовых, для оценки теплозащитных свойств стеганых одеял, приняты теоретические разработки отечественных и зарубежных ученых в области верхней одежды, в том числе Кондратьева Г.М., Колесникова П.А., Фангера П.О., Афанасьевой Р.Ф., Витте Н.К. , Беляевой С.А.идр. [1-8].

В основу экспериментальных исследований положены известные методики оценки теплозащитных свойств текстильных материалов по методу регулярного режима с использованием отечественного прибора ПТС-225, а также для оценки толщины продукта на приборе СМ-2, воздухопроницаемости на приборе ВПТМ-2 [9].

Использованы математико-статистические методы обработки результатов аналитических и экспериментальных исследований.

Работа выполнена на предприятиях ООО «Торговый Дом Даргез», в том числе Зарайской фабрике перовых изделий, ОАО НПК «ЦНИИШерсть». Лабораторные исследования проведены в ОАО «ЦНИИШП», НПК «ЦНИИШерсть» и лабораториях предприятий. Объект исследований

В качестве объекта исследований приняты стеганые одеяла с волокнистыми и перопуховым наполнителями; в отдельных экспериментах также и составляющие стеганых одеял, т.е. ткани чехла и материал наполнителя.

Научная новизна работы

Впервые в отечественных исследованиях текстильных материалов в качестве объекта исследований теплозащитых свойств приняты стеганые одеяла с различными видами наполнителей. Проведена разработка и обоснование: S Классификации стеганых одеял на базе их систематизации по основным общим признакам, а именно свойствам и структуре; ^ Возможности использования для оценки распространения тепла от человека через стеганое одеяло в окружающую среду законов Фурье и Ньютона, учитывая при этом теоретические и практические исследования отечественных и зарубежных ученых в области теплозащитных свойств одежды; S Моделей теплопередачи от человека, находящегося в состоянии полного покоя (сна), в окружающую среду через стеганое одеяло; S Экспериментальных зависимостей теплозащитных свойств стеганых одеял (суммарное тепловое сопротивление) с различными видами наполнителей от их толщины и поверхностной плотности; S Теплового расчета стеганых одеял на базе теплового баланса организма человека с учетом его морфологических признаков (пола, возраста, массы тела и др.) и тепловлажностных характеристик воздуха в помещении, где спит человек.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные при ее выполнении результаты позволяют решать следующие задачи:

S Разработанная классификация стеганых одеял дает возможность их системного исследования по основным признакам (свойствам и структуре) с последующей оптимизацией; S Выявление модели теплопередачи от человека в окружающую среду через стеганое одеяло позволяет оптимально рассчитать необходимые теплозащитные параметры стеганого одеяла;

S Экспериментальные исследования позволили выявить взаимосвязь между теплозащитными свойствами стеганых одеял с различными наполнителями и их толщиной и поверхностной плотностью;

S Разработанные этапе и порядок теплового расчета стеганых одеял являются основой для проектирования стеганых одеял адресно для каждого человека в зависимости от теплового баланса его организма и температурно-влажностных параметров окружающего воздуха. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на:

S Заседании Ученого совета НПК ЦНИИШерсть, Москва, 2005-2006 гг.

S Международной текстильной выставке Heimtextil, января 2005.

S Международной текстильной конференции IWTO Country Summit, Москва, сентябрь 2005 г.

S Заседании НТС фабрики «Перопух», г. Зарайск, март 2006 г.

S Заседании кафедры технологии кожи и меха Казанского государственного технологического университета. Основные теоретические и экспериментальные разработки автора представлены в пяти главах диссертации.

В первой главе определены медико-гигиенические аспекты основных требований к созданию стеганых одеял. Основная задача при проектировании стеганых одеял и дальнейшем их изготовлении состоит в придании им таких свойств, которые обеспечат комфортные условия сна человека. Аналитические исследования позволили определить температурно-влажностные и другие параметры воздуха, как в помещении, где спит человек, так и в пододеяльном пространстве, температуру тела и кожи человека во время комфортного сна.

Во второй главе на базе проведенной систематизации стеганых одеял, с учетом общей классификации текстильных материалов, разработана классификация стеганых одеял по двум общим основным признакам («свойствам» и «структуре»).

По основным теплозащитным свойствам стеганые одеяла делятся на пять групп, в том числе сверхлегкие (летние), легкие (летние), облегченные (весенне-осенние), теплые (зимние) и очень теплые (зимние).

В третьей главе построены модели теплопередачи от человека через стеганое одеяло в окружающую среду. Потери тепла теплопроводностью, конвекцией, радиацией и испарением представлены математически в виде уравнений. В виде дополнительной характеристики теплозащитных свойств разработан удельный коэффициент теплозащиты, теоретически увязывающий для определенных видов наполнителей величину теплозащиты стеганого одеяла с его поверхностной плотностью.

В четвертой главе представлены материалы экспериментальных исследований теплозащитных свойств стеганых одеял с наполнителями различного вида и поверхностной плотности, проведенных в лаборатории ОАО «ЦНИИШП».

В пятой главе разработана методология теплового расчета стеганых одеял, являющаяся основой для оценки их теплозащитных свойств.

Найдены формулы эмпирической зависимости основного (стандартного) обмена организма человека в зависимости от пола и возраста. Проведена модернизация формул, оценивающих потери тепла испарением влаги во время сна человека. Определены основные этапе расчета и подбора стеганых одеял.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Важнейшей утилитарной функцией постельных принадлежностей, в первую очередь стеганых, является обеспечение теплозащиты человека во время сна. Обзор и анализ опубликованных работ позволили определить факторы и параметры, обеспечивающие комфортные условия сна, в том числе температуру и влажность окружающего воздуха, температуру тела и кожи человека, температуру и другие показатели воздуха в пододеяльном пространстве.

2. Особенности конструкции и назначения стеганых одеял при их функциональной схожести с верхней одеждой человека обусловливают особенности в теории и практике проектирования их теплозащитных и других свойств.

3. Разработана классификация стеганых одеял на основе систематизации материалов аналитических исследований их характеристик. Классификация стеганых одеял, массово выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами, проведена по двум основным общим признакам: «свойствам» -класс 1 и «структуре» - класс 2. Каждый класс делится на 3 подкласса.

1 класс - «свойства» на подклассы: физические, механические, геометрические; 2 класс - «структура» на подклассы: наполнитель, чехол (ткани), конструкция.

Далее идет деление на группы, виды и разновидности.

4. Основополагающим для математического описания процесса передачи тепла от тела человека в окружающую среду через стеганое одеяло являются законы Фурье для оценки теплопередачи в технических материалах и Ньютона для расчета теплопередачи на границе между твердым материалом и воздухом.

5. Расчет теплозащитных свойств пакета материалов разработанных моделей передачи тепла от человека во внешнюю среду - Ырасч.сум.пак. включает в себя: расч.сум.пак.— R) Rb. Rn.o. Rh.6. Rnofl где R3 - тепловое сопротивление слоя материалов эквивалентное сумме сопротивлений всех слоев стеганого одеяла;

RB - суммарное тепловое сопротивление всех воздушных прослоек;

Rn.0< - тепловое сопротивление поверхности стеганого одеяла при передаче тепла в окружающую среду;

RH.6. - тепловое сопротивление нательного белья;

Кпод. - тепловое сопротивление пододеяльника.

6. Разработан и предложен в качестве вспомогательной характеристики теплозащитных свойств стеганого одеяла - удельный коэффициент теплозащиты, увязывающий теплозащитные свойства продута (одеяла, чехла, наполнителя) с его поверхностной плотностью.

7. Экспериментальные исследования дали основание для утверждения наличия достоверной взаимосвязи между суммарным тепловым сопротивлением и поверхностью, плотностью различных видов наполнителей. Корреляционный анализ определил эту взаимосвязь корреляционным отношением rjyx = 0,753. Определены эмпирические уравнения взаимосвязи в образцах-пакетах одеял между суммарным тепловым сопротивлением - R<.yM. и поверхностной плотностью наполнителя - ш„. Для простеганных образцов эти взаимосвязи описываются прямыми линиями, для непростеганных образцов-пакетов в виде параболических кривых.

8. По воздухопроницаемости лучшие результаты получены для образцов одеял с шерстяным наполнителем. Образцы одеял-пакетов с полиэфирным и хлопковым наполнителями примерно равноценны. Низкую воздухопроницаемость имеют одеяла с пуховым наполнителем, который в то же время обеспечивает наилучшие теплозащитные свойства.

9. Разработана методика и этапы теплового расчета стеганых одеял с учетом теплового баланса организма человека. Найдены эмпирические формулы и математические зависимости для оценки суммарного теплового сопротивления стеганых одеял, для расчета основного стандартного теплового обмена организма, для оценки потерь тепла испарением диффузной влаги с поверхности кожи, с верхних дыхательных путей и на нагревание воздуха при дыхании.

1. Г.М. Кондратьев. Регулярный тепловой режим, Гостехиздат, 1954.

2. Т.Н. Дунаевская, Е.Б. Коблякова, Г.С. Ивлева. Размерная типология населения с основами анатомии и морфологии. Москва, «Легкая индустрия», 1980.

3. П.А. Колесников. Теплозащитные свойства одежды. Издательство «Легкая индустрия», 1965.

4. П.А. Колесников. Основы проектирования теплозащитной одежды. Издательство «Легкая индустрия», Москва. 1971.

5. Р.Ф. Афанасьева. Гигиенические основы проектирования одежды для защиты от холода. Москва, «Легкая индустрия», 1977.

6. Н.К. Витте. Тепловой обмен человека и его гигиеническое значение. Госмедиздат. УССР, 1956.

7. С.А. Беляева. Оптимальные пакеты швейных изделий различного ассортимента для обеспечения выпуска высококачественной одежды. Москва. Легпромбытиздат. 1989.

8. С.А. Беляева, Т.А. Павловичева, И.А. Денисенко, Л.И. Кириллова. Номенклатура показателей и методы контроля качества швейных изделий. Москва. Легпромбытиздат, 1989.

9. Лабораторный практикум по текстильному материаловедению. А.И. Кобляков, Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев и др. М. Легпромбытиздат, 1986.

10. В.П. Склянников. Потребительские свойства текстильных товаров. Москва, «Экономика», с.

11. Р.А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова. Гигиена одежды. Москва «Легкая индустрия», 1979.

12. Эксплуатационные свойства материалов для одежды и методы оценки их качества. Справочник. Под редакцией Гущиной К.Г. Москва. Легкая и пищевая промышленность. 1984.

13. Т.А. Модестова, Л.Н. Флерова, Б.А. Бузов. Материаловедение швейного производства. «Легкая индустрия». М., 1969.

14. Справочные материалы по перопуховым постельным принадлежностям. «История производства пуховых спальных принадлежностей», издание Ассоциации производителей пуховых спальных принадлежностей Японии, Токио, 1999.

15. Проспектный альбом фирмы "TREGA", по материалам международной выставки Heimtextil, Франкфурт, 2004.

16. Bram van Dam. Medizinische Grundlagen Der Schlaf. Buch 1. Tasso Betten. Industrie, 1997.

17. Luftschlaf-Sisteme. Heimtextil magazine. Frankfurt. Deutschland. 2004.

18. Программа выпуска стеганых одеял и подушек 2002 г. фирмы «Парадиз» (Paradies GmbH 47504/ Neu Kirchen), Германия.

19. П.П. Кокеткин, З.С. Чубарова, Р.Ф. Афанасьева. Промышленное проектирование специальной одежды. М. Издательство «Легкая и пищевая промышленность». 1982.

20. А.В. Куличенко. Разработка моделей и экспериментальных методов изучения воздухопроницаемости текстильных материалов. Диссертация па соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2005

21. Umbach К.Н. Physiological demands on duvets. Evaluation of sleep comfort. International Textile Research Centre. Hohenstein Institiutes, 2001.

22. B.A. Иванченко. Секреты вашей бодрости. Издательство «Знание», Москва, 1988.

23. International patents. SWESSFLEX, Matra AG SCHLAFSYSTEME, CH-4112 Flueh-Basel, 1996.

24. Здоровый сон под оригинальными пуховыми одеялами. Издано: Gesellschatr fur Forderung der Offentlichkeitsarbeit fur Federbetten mbH, Mainz.

25. П.И. Гуменер. Изучение терморегуляции в гигиене и физиологии труда. М., Медгаз, 1962.

26. Die neue Definition fur erholsam Schlaf. Firma „Sanders". Information-Programm, Heimtextil, 2004.

27. Mit Innovationen in die Zukunfit, s. 94. Haustex № 1. 2005. Messeausgabe Heimtextil, Frankfurt.

28. Г.Н. Кукин, A.H. Соловьев. Текстильное материаловедение. (Исходные текстильные материалы). Москва, Легпромбытиздат, 1985.

29. Разбродин А.В. Систематизация и классификация стеганых одеял с различными видами наполнителей. Текстильная промышленность. М. 2003. № 7-8, с. 42-47.

30. Коллекция постельных принадлежностей 2002 фирмы «Биллирбек» (Германия). Рекламный альбом 2002.

31. Программа выпуска стеганых одеял и подушек фирмой «Дан Флип» (Dan Fleep), Дания.

32. Программа выпуска продукции фирмой «Сента-Стар» (Senta-Star) и прейскурант цен с 01.03.2003. Германия.

33. Предложения фирмы "F.a.n. Frandenstolz", Германия. Heimtextil, 2002-2005.

34. Общая коллекция постельных принадлежностей фирмы "Heinrich Haussling Heimtextil", 2005.

35. Программы "Optimum" и "Premium" продукции Торгового дома «Даргез». 2005. е-mail: welcome@dargez.com, www.dargez.com.

36. Одеяла и покрывала стеганые с синтетическим наполнителем. Технические условия. ТУ 8547-033-0302190-95. Взамен ОСТ 17-301-84 в части стеганых одеял с синтетическим наполнителем.

37. Отраслевой стандарт. Одеяла и покрывала стеганые. Общие технические условия. ОСТ 17-301-84. ЦНИИТЭИЛЕГПРОМ. 1984. Продлен до 01.01.93. Ограничения срока сняты 05.02.96 г.

38. ГОСТ Р 50576-93. Изделия перопуховые. Общие технические условия.

39. Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев, А.И. Кобляков. Текстильное материаловедение. (Текстильные полотна и изделия), Москва, легпромбытиздат, 1992.

40. Т.А. Модестова, JI.H. Флерова, Б.А. Бузов. Материаловедение швейного производства. Гизлегпром. М., 1957.

41. С.Г. Зырин. Исследование теплопроводности шерстяных тканей с различным содержанием искусственных волокон. Труды научно-исследовательского института ЦНИИШерсти, выпуск 8, 1953, стр. 76-77.

42. Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев, А.И. Кобляков. Текстильное материаловедение (волокна и нити). Москва. Легпромбытиздат, 1989, с. 226. Формула взаимосвязи давления и толщины.

43. Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев. Текстильное материаловедение. Часть 3. «Легкая индустрия». Москва, 1967.

44. П.Д. Балясов. Сжатие текстильных волокон в массе и технология текстильного производства. Москва. «Легкая индустрия», 1975.

45. Ю.В. Додонкин, С.М. Кирюхин. Ассортимент, свойства и оценка качества тканей. Москва, «Легкая индустрия». 1979.

46. Ф.Х. Садыкова, Д.М. Садыкова, Н.И. Кудряшова. Текстильное материаловедение и основы текстильных производств. М. легпромбытиздат, 1989.

47. И.Н. Петрова, В.Ф. Андросов. Ассортимент, свойства и применение нетканых материалов. Москва. Легпромбытиздат, 1991.

48. А.В. Разбродин. Теплопередача от человека через стеганое одеяло в окружающую среду. Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦНИИШерсть». М., 2006, с. 81-106.

49. К.Э. Разумеев, Разбродин А.В. Разработка коэффициента взаимосвязи теплозащиты и поверхностной плотности стеганого одеяла. Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦНИИШерсть». М., 2006, с. 107-116.

50. Материалы для одежды. Метод определения суммарного теплового сопротивления. ГОСТ 20489-75.

51. Материалы текстильные. Полотна. Метод определения толщины. ГОСТ 12023-93 (ИСО 5084-77).

52. А.Н. Соловьев. Измерения и оценка свойств текстильных материалов. «Легкая индустрия». Москва, 1966.

53. И.Н. Бронштейн. К.А. Семендяев. Справочник по математике. М. Издательство «Наука», 1981.

54. Ю.С. Виноградов. Математическая статистика и ее применение к исследованиям в текстильном производстве. Гизлегпром. Москва, 1956.

55. К.Э. Разумеев, А.В. Разбродин. Аналитическое исследование формул теплового баланса человеческого организма для последующего расчета термического сопротивления стеганых одеял. Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2006, № 2.

56. Dr. Hans-Wilhelm Miiller-Wohlfahrt. Mein Programm fur neue Vitalitat. 240 c, Mtinchen, Deutschland, 2005. www.dtv.de.

57. Е.П. Мальцева. Материаловедение швейного производства. Москва, «Легкая и пищевая промышленность», 1983.

58. Б.А. Бузов, А.В. Никитин. Исследования материалов для одежды в условиях пониженных температур. Москва. Легпромбытиздат, 1985.

59. Г.М. Кондратьев. Приближенный тепловой расчет одежды. Научно-исследовательские труды ВНИИШП, № 6, Гизлегпром, 1957.