автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка методов оценки и измерения теплофизических показателей нетканых текстильных материалов

003450009

На правах рукописи

СОКОЛОВСКАЯ ТАТЬЯНА СТЕПАНОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НЕТКАНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05 19 01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ОКТ 200В

МОСКВА- 2008

003450009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А Н Косыгина» на кафедре физики

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Шаблыгин Марат Васильвич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Капитанов Анатолий Федорович

доктор технических наук,

профессор Изгородин Анатолии Кузьмич

Ведущая организация АООТ «Всероссийский теплотехнический институт»

Защита состоится «ОЦ>_¿L_2008 года в «' часов на заседании диссертационного совета Д 212 139 02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А Н Косыгина» по адресу 119071, г Москва, ул Малая Калужская, д 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственною об-разовагельного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А Н Косыгина»

Автореферат разослан _Г^_2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 139 02 дтн, проф

Ю С Шустов

ч

Общая характеристика работы Актуальность работы.

Широкое развитие в мире получило производство нетканых материалов на основе различных технологий В настоящее время выпускается большой ассортимент нетканых материалов с широким спектром свойств для различных областей применения, в том числе и для защиты от внешних тепловых воздействий окружающей среды как тела человека, так и различных аппаратов и жилища Современные технологии изготовления нетканых текстильных материалов дают возможность создавать новые материалы с заранее определенными свойствами Материалы, используемые при изготовлении одежды, должны иметь высокие теплоизоляционные качества, которые зависят не только от состава, технологии изготовления и структуры материалов, входящих в состав покрытия, но и от оптических и топологических свойств их поверхностей Влияния теплофизических свойств нетканых материалов на общие теплозащитные свойства теплоизоляционных покрытий представляет собой одну из актуальных задач проектирования новых материалов Как правило, применяются многослойные покрытия, составленные из материалов с различными теплофизи-ческими и оптическими свойствами Установление аналитических зависимостей, связывающих показатели этих свойств с определяющими их факторами, является актуальной задачей проектирования новых теплоизоляционных материалов Решение этих задач невозможно без разработки методов оценки и измерения теплофизических показателей нетканых текстильных материалов

Не менее актуально исследование связи теплофизических характеристик материалов с динамикой распространения в них тепловых потоков Решение этой задачи позволит разработать принципиально новые методы измерения теплофизических постоянных нетканых текстильных материалов

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

Цель и задачи работы

Целью работы является исследование закономерностей распространения нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах и разработка на их основе новых методов измерения теплофизических постоянных нетканых текстильных материалов

На основе решения нелинейных задач нестационарной теплопроводности совместно с дистанционными методами теплотехнических измерений разработать теоретические основы нестационарных методов измерения теплофизических постоянных нетканых текстильных материалов, дополняющих и уточняющих известные методы измерения Предложить

схемы установок для измерения теплофизических постоянных нетканых текстильных материалов новыми методами

Научная новнзна работы:

-дано адиабатическое решение нелинейной задачи теплопроводности, описывающее квазирегулярный режим охлаждения образца нетканого текстильного материала, и установлены границы его применимости,

-развит метод интегральных уравнений решения нелинейных задач теплопроводности, описывающий распространение нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах, моделирующих нетканые текстильные материалы,

-найдены аналитические выражения, описывающие полученные закономерности распространения нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах из нетканых текстильных материалов,

-предложены методы измерения теплофизических параметров нетканых текстильных материалов, основанные на найденных закономерностях распространения нестационарных тепловых потоков,

-проанализировано влияние ворсистости поверхности нетканого материала на ее коэффициент теплоотдачи

Практическая значимость и реализация результатов работы1

-разработаны методы анализа процессов распространения нестационарных тепловых потоков в плоскослоистых средах, составленных из нетканых текстильных материалов, позволяющие их контролировать и изменять,

-разработаны методы измерения теплофизических параметров нетканых текстильных материалов на основе найденных решений нестационарных нелинейных задач теплопроводности и созданы соответствующие установки

Основные защищаемые положения:

-теоретически и экспериментально изучено влияние структуры поверхности нетканого текстильного материала на его коэффициент теплоотдачи Показано, что наличие ворсистости поверхности приводит к возникновению поправочного множителя в известной формуле для числа Нуссельта, значение которого зависит от числа Релея и отношения теплового сопротивления слоя ворса к среднему тепловому сопротивлению потока теплоносителя,

-дано приближенное решение нелинейной задачи теплопроводности (квазирегулярный режим), описывающее результаты экспериментальных исследований процесса охлаждения плоских образцов нетканых текстильных материалов в условиях естественной конвекции,

-теоретически обоснован процесс распространения нестационарного теплового потока в плоскослоистой среде Найдены формулы, связывающие временные характеристики температур поверхностей слоев с теп-лофизическими постоянными нетканых текстильных материалов, составляющих теплоизоляционный пакет,

-на основе найденных решений нелинейных задач теплопроводности предложены новые методы измерений теплофизических постоянных нетканых текстильных материалов Проведены измерения теплофизических постоянных ряда нетканых теплоизоляционных материалов

Апробация работы.

ч/мшииш^ диплцдошшшьо па * науидпим ^ио^Щй

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

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

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 63 наименований и 3 приложений Работа изложена на 144 страницах и содержит, в том числе приложения на 17 страницах

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и ее связь с развитием технологии изготовления новых нетканых текстильных материалов с требуемыми теплофизическими свойствами Сформулированы цели и задачи исследования Дана аннотационная характеристика работы по главам

В первой главе диссертации дан обзор литературы по проблемам, связанным с использованием и проектированием нетканых текстильных материалов (раздел 1 1), и методам измерения теплофизических параметров нетканых материалов (раздел 1 2) На основании обзора и анализа литературных источников сформулирована цель и основные задачи диссертации (раздел 1 3)

Вторая глава диссертации посвящена исследованию предложенного автором квазирегулярного режима охлаждения нетканых текстильных материалов и его обоснованию как теоретически, так и экспериментально В разделе 2 1 изложены основные представления, положенные в основу теории распространения тепловых потоков в плоскослоистых средах, моделирующих нетканые текстильные материалы

В разделах 2 2-2 3 обсуждаются особенности протекания регулярного режима охлаждения в плоскослоистых нетканых текстильных материалах при значениях критерия Био (В/), меньших 10 Показано, что при 1 <В1< 10 темп охлаждения плоского образца т связан с его температуропроводностью а, толщиной 6 и критерием Био приближенным соотношением (с точностью до 2%)

т = —^—(1,307 + 1,39 (1)

д2

В разделе 2 4 обсуждается применение формулы (1) к анализу экспериментальных данных для определения коэффициента температуропроводности по темпу охлаждения и степени черноты поверхности образца

В разделе 2 5 анализируется влияние конечных размеров образцов в виде квадрата и плоского диска на связь коэффициента температуропроводности с темпом охлаждения и устанавливается критерий применимости модели плоского безграничного слоя

В разделе 2 6 излагаются физические основы теории квазирегулярного режима охлаждения, и дается его математическое описание В процессе охлаждения образца теплоотдача окружающему воздуху уменьшается быстрее, чем разность температур между его поверхностью и воздухом из-за уменьшения коэффициента теплоотдачи В результате процесс охлаждения происходит значительно медленнее, чем при реализации регулярного режима Большое различие времен охлаждения и установления регулярного режима позволяет применить к решению нелинейной задачи теплопроводности адиабатическое приближение Процесс охлаждения образца разбивается на ряд стадий, в каждой из которых имеет место регулярный режим охлаждения, соответствующий постоянному коэффициенту теплоотдачи, равному его значению в конце предыдущей стадии Такой режим охлаждения образца является квазирегулярньш Проведены расчеты кривой охлаждения плоского образца, в предположении, что критерий Био изменяется с температурой практически по линейному закону

В1 = Ъ (1 + А©), (2)

где А - его значение при 0 = 0 , а Ь - безразмерный параметр, характеризующий темп изменения критерия Био с температурой В частности, для образца нетканого материала из полипропилена, Ь -величина порядка 0,05

В формуле (2) © = — безразмерная температура, где и - температура по-'0

верхности образца, отсчитанная от температуры окружающей среды, 1п -температура окружающей среды. Зависимость безразмерной температуры поверхности образца для квазирегулярного режима охлаждения хорошо аппроксимируется формулой

0 = ©Оехр{-иг(1-/и-г/)п}. (3)

На рис.1 точками изображена кривая охлаждения, рассчитанная по теории квазирегулярного режима для Ш = 1,2 и Ь = 0,4. Кривая 2 на рис. 1 построена по формуле (3) при т =3,375, ¡л =0,2518

Таким образом, квазирегулярный режим охлаждения обладает такой же общностью, что и регулярный режим, но уже определяется двумя па-

1П0

0,5

•0,5

\

\ 2 К

к V

\ \

ч ч

0,2

0,6

Рнс.1

раметрами т и ¡л, т.е. темпом охлаждения т и падением темпа охлаждения ц. Связь этих параметров, полученная в результате выполнения серии расчетов, сведена в таблицы 2.3 и 2.4 (см. текст диссертации). С помощью этих таблиц при известной зависимости

коэффициента теплоотдачи от температуры, можно найти зависимость темпа охлаждения образца от времени и обратно. В разделе 2.7 приводятся экспериментальные обоснования квазирегулярного режима

охлаждения и обсуждаются

пределы применимости

предложенного режима.

В разделе 2.8 приводятся результаты численных расчетов нелинейной задачи теплопроводности и устанавливаются границы применимости теории

квазирегулярного режима

охлаждения. Численные решения системы уравнений, описывающей зависимость температуры от времени при охлаждении предварительно

в 1 0,5 0

-0,5 -1 -1,5

2

+ Г-

1

0,2

0,4 0,6 Рис. 2

0,8

равномерно прогретого образца, представлены на рис 2 Даны два графика зависимости безразмерной температуры поверхности плоского слоя от времени при двух значениях параметра Ь Для удобства сравнения результатов численных расчетов вместо параметров Вт Ь выбраны параметры В1т и ¿о Первый параметр дает значение критерия Био в момент начала процесса охлаждения при температуре 0т, равной начальной температуре прогретого образца Это максимально возможная температура. Второй определят темп уменьшения критерия Био с уменьшением температуры Связь этих параметров определяется формулами

Ь

В1т=В,(\ + Ьвт), ¿о =-

(4)

Кривые рассчитаны для В1т =1,7 и двух значений 60=0,17 (кривая 1)и ¿0 = 0,34 (кривая 2) Крестиками изображены результаты расчетов этих же температур по теории квазирегулярного режима Из рисунка видно, что если за безразмерное время Ро = 1 критерий Био изменяется на величину не более 50% от первоначального значения, то результаты совпадают с точностью до 1% При большем темпе падении В/ расчеты по теории квазирегулярного режима обладают меньшей точностью (сравни кривые 1 и 2 на рис 2) Изменение В< для кривой 2 превосходит 75% Полученный результат практически не зависит от значения числа В/ Таким образом, область применения теории квазирегулярного режима - сравнительно большой интервал изменения коэффициента теплоотдачи

поверхности образца с изменением температуры В интервале

температур от 20°С до 100°С для существующих нетканых

материалов эти условия заведомо выполняются Иными словами, теория квазирегулярного режима охлаждения может быть положена в основу метода измерения теплофизических параметров нетканых материалов по особенностям их охлаждения в спокойном воздухе Третья глава диссертации посвящена изучению связи между температурами слоев и величиной воздействующего на внешний слой нестационарного теплового потока В разделе 3 1 обсуждается место нестационарной теплопроводности в теплофизике и в используемых теплотехноло-гиях Развиваемая в третьей главе теория основана на применении к зада-

чам теплопроводности метода граничных интегральных уравнений На примере нагрева прямоугольным тепловым импульсом плоской полубесконечной среды проводится обоснование этого метода путем сравнения полученного решения с известным в случае линейных потерь Использование интегральных уравнений в задачах нелинейной нестационарной теплопроводности обладает целым рядом преимуществ, связанных со скоростью счета на ЭВМ и простым контролем точности полученных результатов

В разделах 3 4 - 3 5 рассматоивается процесс нагрева поверхности плоского образца коротким тепловым импульсом Длительность импульса мала по сравнению со временем распространения тепловой волны в мате-риале_ Зависимость температуры поверхности от безразмерного времени Е=х/ т0, где т0 - длительность теплового импульса, представлена на рис 3 На рис 3 приведены зависимости безразмерной температуры 9 поверхности от времени при нагреве и охлаждении при различных значениях пара-

Ттпях атП

метра Дг = А — , где 1Т =2,1—— - тепловая длина, макси-

'г<7тах " л

мальная температура, достигаемая при нагреве поверхности, <?тах - максимальное значение воздействующего теплового потока Участок нагрева Т

поверхности (0 =-) выражается через единую функцию

^тах

0«) = .УО<-Дг.Р.во). (5)

слабо зависящую от нормированных линейных потерь /3 и начальной температуры 0п = График функции уо(£,,.0,0о) для ва =0,1 приведен на

т

' шах

рис 4. Аргумент для нижней кривой изменяется от 0 до 2,5, для верхней -от 2,5 до 25 с соответствующим изменением масштаба по оси § Из рисунка 4 видно, что в интервале от 0 до 2 функция у0 резко возрастает, а затем в интервале от 2,5 до бесконечности меняется очень медленно, стремясь к предельному значению, равному единице Потери на тепловое излучение поверхности, пропорциональные четвертой степени у0 начинают играть роль при значениях аргумента больших 0,2 Следовательно, при Я,>2 их можно не учитывать Кривые охлаждения поверхности после окончания воздействия теплового импульса представлены на рисунке 3 при ¡;>1 Из рисунка 3 видно, что для Л,>1 работает привычное правило, что более нагретая поверхность медленнее остывает При Яг< 1 положение меняется Радиационные потери обеспечивают быстрое остывание поверхностных слоев и тем самым создают большой градиент температуры у поверхности, которому согласно закону Фурье пропорционален тепловой

поток (сравни кривые с Ят=0.2 и 1 на рис.З).Полученные в разделе результаты раскрывают ведущую роль радиационных потерь в процессе воздействия на поверхность теплового импульса.

В разделе 3.5 анализируется применимость модели плоской среды, при нагреве поверхности ограниченным в пространстве тепловым пото-

1 ■ . —1— |_ та 1

0,5

0.5

0,5 5

1 10

1,5 15

2 20

2,5 25

1

( / \

/ - \\

/ \ [ч

/ \

1/ \

1 2,

Рис.4

1

Рис.5

ч

ком. В разделе З.б исследуется нагрев тонкого плоскопараллельного слоя на теплоизолированной подложке. Из уравнения баланса тепла найдено интегральное уравнение, описывающее динамику нагрева слоя вплоть до порога его разрушения. Найдена связь между температурой плавления материала слоя и максимальным значением плотности теплового потока для прямоугольного теплового импульса. Проанализировано влияние формы теплового импульса на порог теплового разрушения. Полученные результаты сведены в таблицу 3.2.

В разделе 3.7 метод нелинейных интегральных уравнений обобщается на решение задачи нагрева плоского слоя нестационарным тепловым потоком. Типичные зависимости температур поверхностей слоя приводятся на рис.5. Температуры облучаемой поверхности изображены сплошными линиями, а тыльной -штриховыми линиями. Кривые построены при следующих значениях параметров:

Дг=0,5;/Ъ = 0,3; е=1; б» =0,15; /3=0,1 (1); /М (2).,

где /V) = —— - число Фурье. Из рис. 5 видно, что температура первой по-д2

верхности быстро возрастает и при Кг<0,5 достигает температуры лишь на единицы процентов отличающейся от максимально возможной (см. рис.5, кривая 1). После окончания падающего теплового потока следует сначала резкое, а затем все более медленное уменьшение температуры. Линейные

потери не изменяют формы температурных кривых, меняются только значения максимальных температур облучаемой и тыльной поверхностей

Температура тыльной поверхности монотонно возрастает и достигает максимума с некоторым запаздыванием Дг, зависимость которого от Ко приведена на рис 6 при Ят = 0,4,е = 1,0о = 0,12 На рис 6 также приведены зависимости температур облучаемой в/тах и тыльной 02тах поверхностей от Ко На рис 7 эти же величины построены в зависимости от ЯТ при Ко — 0,3,£ = 1,00 = 0,12 Зависимость величины запаздывания Дтот числа Фурье Ко позволяет использовать это явление для измерения коэффициента тстпсрату ропроаодности

После прекращения действия теплового потока в слое остается некоторый средний градиент температуры, который постепенно уменьшается Затем температуры поверхностей сравниваются, и далее слой охлаждается как однородно прогретое тело

В разделе 3 8 рассматривается прохождение гармонически модулированного теплового потока через плоский слой теплоизолятора Отмечается зависимость фазового сдвига прошедшей через образец тепловой волны от температуропроводности материала образца В разделе 3 9 кратко изложены основные выводы, полученные в главе 3

О 1 Ко 0,4 0,8 1,2

Рис б Рис 7

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям нестационарных тепловых процессов, связанных с распространением тепловых волн в плоскослоистых средах, и применением установленных закономерностей к измерениям теплофизических постоянных нетканых материалов В качестве прибора, регистрирующего температуру поверхности, используется инфракрасный пирометр, работающий в полосе прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн от 8 до 14 мкм В

разделе 4 1 дано описание экспериментальной установки и методики проведения измерений

С помощью стандартных хорошо разработанных методик оптическими методами определяют одну из трех условных температур радиационную, цветовую и яркостную Переход от измеренных величин к истинной температуре излучающей поверхности возможен лишь при знании дополнительных параметров излучающего тела и условий измерения Эти параметры оказываются весьма существенными в инфракрасной области спектра В этом диапазоне частот существует достаточно сильное фоновое тепловое излучение от окружающих тел Связь регистрируемого прибором потока излучения с температурой излучающей поверхности требует проведения отдельных измерений ряда параметров излучающего тела, таких как коэффициент теплового излучения е, геометрии расположения прибора относительно исследуемого объекта, относительной влажности воздуха и т д Эти величины вносятся в электронную систему регистрации сигнала до проведения измерений

В разделе 4 1 приводятся найденные коэффициенты температуропроводности для ряда нетканых материалов из полипропилена различной толщины и поверхностной плотности Описанная методика измерений была ограничена исследованием небольшого интервала температур при охлаждении образца в спокойном воздухе

Таблица 1

Нетканый материал б, мм Темп охлаждения образца а 107, м2с*' (эксп)

т0100 с 1 ш 100 с"1

110-1-400 5,19 1,49 2,09 1,71

110-5-400 3,40 1,50 2,40 1,16

80-1-300 5,41 2,00 2,44 1,79

80-3-400 4,89 1,49 2,00 1,25

80-5-300 4,71 1,99 2,58 1,45

50-1-400 7,11 1,50 1,74 2,00

50-3-300 6,01 2,00 2,36 1,93

50-5-400 5,78 1,49 2,09 2,06

В разделе 4 2 рассматривается область изменения температур поверхности образца от 80°С до 35°С, когда имеет место квазирегулярный режим охлаждения Этот режим очень чувствителен к выбору теплофизи-ческих постоянных исследуемого материала и к структуре его поверхности

На рис 8 приведена кривая охлаждения образца из войлока (кривая 1) и результаты теоретических расчетов (кривые 2,3) Видно, что в течении 100 с с момента начала регистрации режима охлаждения, когда температура поверхности образца уменьшается с 75°С до 50°С, процесс охлажде-

ния протекает в соответствии с предсказанием теории квазирегулярного режима охлаждения (кривая 2). На любом достаточно коротком ин тервале изменения температур внутри этого интервала можно считать режим охлаждения регулярным, и по кривой охлаждения найти значения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности. Путем коррекции найденных значений можно добиться совпадения теоретической и экспериментальных кривых охлаждения на всем интервале изменения температур вплоть от 80°С до 48°С. Этот интервал является наиболее пригодным для теплофизических измерений. Определенное по кривой охлаждения

ИГМЛ

1ГПМ 11ЯТ11МН

Т^М П^ГЧ'ЛТЛ/ПР

т^ст'А ипапг»

X,

(16,7±0,2)%. Дальнейшее теоретическое описание кривой охлаждения требует уточнения граничных условий (приложение 3), т.к. поверхность образца является ворсистой. Интервал изменения температур, на котором теоретическое описание кривой охлаждения (кривая 3 на рис.8) объясняется теплоотдачей ворсистой поверхности, простирается до 40°С. Соответственно время охлаждения продлевается до 160 с.

В разделе 4.3 изложены экспериментальные исследования воздействия на плоский слой импульсного теплового потока. Дано описание экспериментальной установки, на которой были проведены опыты, подтверждающие теоретические выводы, изложенные в главе 3. В приложения 1,2 вынесен вспомогательный материал, связанный с обработкой результатов измерений. В приложении 3 рассматривается влияние структуры поверхности нетканого материала на его коэффициент теплоотдачи. В предложенной модели из-за ворсистости материала вдоль поверхности происходит образование неподвижной тонкой пленки с некоторой толщиной 50 и тепловым сопротивлением /•„ , которая препятствует переносу тепла от образца окружающему теплоносителю. В результате возникает поправочный множитель

к известной формуле для числа Нуссельта в случае ламинарного по-

1п и

3,5

2.5

%

Чг.

2

1

0

40

80 120 РИС. 8

160

200

х, с

0,75

Г

тока (#=0,54), формула теперь имеет вид:

- Р,

Nи -

У\

(6)

Соответствующие поправки определяются интегралами

Г\ = Л

3 о

4 \(3г + 4г0)г

ск,

+ 5 (г + го)-3

величина которых зависит от числа Рэлея 11а и от отношения г0 теплово-„ го сопротивления слоя

ворса к тепловому сопротивлению слоя воздуха, движущегося вертикально вдоль поверхности образца. На рис. 9. изображены рассчитанные по формуле (6)

зависимости конвективной составляющей ак коэффициента теплоотдачи от

кривая I - 8о =0лш, 2 -

■ -'' 2

..... л?

30 40

50

60 70 Рис. 9

90

100

ее

температуры при различных значениях 8 ^ 5о =0,3мм, 3 - 5(> =0,5мм. Из рис. 9 видно, что ворсинки размерами в доли мм заметно влияют на коэффициент теплоотдачи поверхности. Коэффициент теплоотдачи падает с увеличением их размеров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Теоретически и экспериментально исследованы нестационарные тепловые потоки в плоскослоистых средах нетканых текстильных материалов. Найдены аналитические выражения, описывающие закономерности распространения нестационарных потоков. Получены формулы, связывающие измеряемые величины с теплофизическими постоянными нетканых текстильных материалов.

2. При свободной конвекции, когда выполняется условия регулярного режима охлаждения, для нетканых текстильных материалов темп охлаждения плоского образца с достаточной точностью определяется формулой (1). Использование этой формулы для определения коэффициента температуропроводности предполагает, что известен комплекс, имею-

а

щий размерность темпа охлаждения =------ ,в который входит коре р «5

эффициент теплоотдачи а, для определения радиационной составляющей которого нужно провести независимое измерение коэффициента теплового излучения к поверхности образца.

3. Теоретически и экспериментально изучен квазирегулярный режим охлаждения нетканых материалов, в котором темп охлаждения т линейно

зависит от времени т т = т{\-р1т) Из кривой охлаждения образца, полученной на опыте, определяются два параметра Гп и // В случае линейной зависимости критерия ВI от температуры 5/ = .6/(1 + />/) связь между измеряемыми параметрами т и В1,Ь определяется с помощью таблиц

4 При квазирегулярном режиме кривая охлаждения поверхности плоского образца нетканого текстильного материала при незначительном из-

««ГЫХЗОИ*, Г.™ Т ^ Г. .. ^ 1 . г, ! 1ПЛ „ ---.---

^ i4.iijiinim.iti пи^штшшл I/и) 1\ипл(.ил нельма

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

5 Теоретически изучено и экспериментально подтверждено влияние ворсистости поверхности нетканого текстильного материала на ее коэффициент теплоотдачи Установлено, что зависимость коэффициента теплоотдачи от ворсистости поверхности нетканого материала проявляется в небольшом диапазоне разности температур поверхности и окружающей среды (и20°С)

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

7 При импульсном тепловом ударе, когда тепловая длина /г сравнима с толщиной образца (/г = 5), температура второй поверхности монотонно возрастает и достигает максимума с некоторым запаздыванием Ат по отношению к максимуму температуры первой поверхности, определяемым температуропроводностью материала слоя По времени запаздывания Дг можно найти коэффициент температуропроводности исследуемого нетканого материала

8 При прохождении через плоский слой теплового потока, меняющегося но гармоническому закону, между переменными компонентами температуры на поверхности плоского слоя наблюдается сдвиг по фазе Величина сдвига по фазе определяется коэффициентом температуропроводности и ее измерение сводится к измерению разности времен, в которые достигаются максимумы температур

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

Основное содержание работы отражено в публикациях: ,

1 Шаблыгин М В , Соколовская Т С Модель теплопроводности нетканых материалов Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004) -М МГТУ, 2004 //Тез докладов - С 176-177

2 Соколовская ТС Измерение коэффициента теплопроводности текстильных материалов методом регулярного режима охлаждения //Химические волокна 2005 №1 -С 54-56

3 Соколовская Г С Квазирегулярный режим охлаждения нетканых материалов при естественной конвекции // Известия вузов Технология текстильной промышленности 2006 №6С - С 74-77

4 Соколовская Т С Влияние ворсистости нетканых материалов на коэффициент теплоотдачи поверхности при естественной конвекции //Химические волокна 2007 №5-С 37-41

5 Соколовская Т С Измерение теплофизических параметров нетканых материалов методом квазирегулярного режима охлаждения Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2005) -М МГТУ, 2005 //Тез докладов - С 205-206

6 Соколовская Т С Квазире! улярный режим охлаждения и его применение при определении теплофизических постоянных нетканых материалов Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2006)-М МГТУ, 2006 //Тез докладов - С 185-186

7 Соколовская Т С Применение гармонически модулированных тепловых потоков для измерений теплофизических постоянных теплоизоля-юров Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Тек-стиль-2006) -М МГТУ, 2006 //Тез докладов - С 237-238

8 Соколовская Т С , Соколовский Р И Измерение при тепловом ударе теплофизических постоянных теплоизоляционных покрытий оптическими методами 7-я специализированная Выставка «Изделия и технологии двойного назначения Конверсия ОПК» сб науч тр / М ИМАШ им А А Благонравова РАН, 2006 -С 133-137

9 Соколовская Т С Связь параметров квазирегулярного режима охлаждения с теплофизическими постоянными теплоизолятора VII Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию проблемы и новые решения» //Сб научных докладов -М , 2007 -С 590594

Подписано в печать 18 09 08 Формат бумаг» 60x84/16 Бума1ампож Уел печ л 1,0 Заказ 289 1праж80 ЮУВИО«МГ 1Уим АН Косыпша», 119071, Москва, ул Малая Калужская, 1

Содержание.

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Постановка задачи исследования

1.1. Проблемы использования и проектирования нетканых текстильных материалов.

1.2. Методы измерения теплофизических параметров нетканых текстильных материалов.

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

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

Практическая значимость и реализация результатов работы состоит в следующем:

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

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

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

Апробация работы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Нетканые материалы и их применение в народном хозяйстве: обзор/ Ходжаев М.А., Исаев А.И., Хайдаров A.A., Исматуллаева Г.З.-Ташкент:УзНИИНТИ, 1989.

2. Нетканые текстильные полотна: справочное пособие/Е.Н. Бершев и др. М.: Легпромбытиздат. 1987.400с.

3. Бершев E.H. Технология производства нетканых материалов. -М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982.-350с.

4. Гензер Н.С. Механическая технология нетканых текстильных полотен.-М.: Легкая индустрияД978.-200с.

5. Физико-химические и комбинированные способы производства нетканых материалов :учебник для студентов вузов по спец. «Технология нетканых материалов»/ E.H. Бершев, В.М. Горчакова, В.В. Курицына, С.А. Овчинникова.-М.: Легпромбытиздат, 1993 .-3 53с.

6. Нетканые текстильные материалы: обзор. информ./ЦНИИ информации и техн.-эконом. исследований легкой промышленности.-М. Вып.3(1990): Виды переплетений и их роль в формировании вязально-прошивных полотен,- 1990.-50с.

7. Методические указания по оценке качества и изучению свойств нетканых полотен/ Гос. ком. по лег. пром-сти при Госплане СССР. М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1991,69с.

8. Лаврушин Г.А., Серебрякова Л.А., Смолейчук И.М. Свойства иглопробивных нетканых материалов. Владивосток: Изд-во ДВГАЭУ, 1998.108с.

9. Нетканые материалы: получение, свойства, применение: уч. пос. по спец. 0616.00 «Товароведение и экспертиза товаров»/ Л.А. Серебрякова и др. -Владивосток: Изд-во ДВГАЭУ, 1999.-144с.

10. Ю.Сергеенков А.П. Цели и возможности проектирования нетканых материалов с заданными свойствами //Актуальные проблемы технологии нетканых текстильных материалов: сб.науч.тр. / М: МГТУ им. А.Н. Косыгина,2005.-с.23-27.

11. П.Соколовская Т.С. Влияние ворсистости ткани на коэффициент теплоотдачи поверхности нетканых материалов при естественной конвекции. Ст. в печати в ж. «Химические волокна»

12. Шитова Т.И. Разработка и технологии нетканых материалов для защиты высокотемпературных поверхностей от теплового излучения// Актуальные проблемы технологии нетканых текстильных материалов: сб.науч.тр. / М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина,2005.-С.200-206.

13. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1969.440с.

14. Ходакова И.Н. Нетканые материалы для поглощения радиоволн // Актуальные проблемы технологии нетканых текстильных материалов: сб.науч.тр. / М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина,2005.-С. 174-178.

15. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения М.,Л.:ГН-ТИМЛ, 1957, 244с

16. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. -М.: ГТТИ, 1954.

17. Пугачев Н.С., Туманов Ю.А. Теплотехнические измерения. М.: Издательство стандартов, 1978.96с.

18. Теплофизические измерения и приборы. Под общей редакцией Плату-нова. Л., 1986

19. Чистяков B.C. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергия, 1990

20. Теплометрия и теплосбережение: сб. науч. тр./ АН УССР. Ин-т проблем энергоснабжения. Редкол.: А.Е. Степанов (отв. ред.) и др.-Киев:б.и., 1991,88с.

21. Экспресс-метод и приборы для измерения теплопроводности. Беляев Ю.И. и др.Приборы.2003.№8,с.32-35.

22. Поскачей A.A., Черихов J1.A. Пирометрия объектов с изменяющейся излучательной способностью. М.: Металлургия, 1978,200с.

23. Ковалев A.B., Федчишин В.Г., Щербаков М.И. Тепловидение сегодня// Специальная техника. 1999.ЖЗ

24. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел. универсал.2002,88с.

25. Соколовская Т.С. Измерение коэффициента теплопроводности текстильных материалов методом регулярного режима охлаждения.//Хим. волокна.2005.№1 .-С.54-56.

26. Соколовский Р.И., Соколовская Т.С. Квазирегулярный режим охлаждения. Всерос. научо-техн. конф. «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2005).-М.:МГТУ.2005.//Тез. докл. С.196-197.

27. Соколовская Т.С. Квазирегулярный режим охлаждения нетканых материалов при естественной конвекции./ ст. в печати в ж. Известия ВУЗов.

28. Механика. Новое в зарубежной науке, вып. 15/ Под ред. Ишлинского А.Ю., Черного Г.Г. «Метод граничных интегральных уравнений». — М.: Мир, 1978.

29. Лыков A.B. Теория теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1967.-599с.

30. Шаблыгин М.В., Соколовская Т.С. Модель теплопроводности нетканых материалов. Всерос. научо-техн. конф. «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004).-М.: МГТУ.2004.//Тез. докл. С. 176-177.

31. Смирнов В.А. Курс высшей математики, т.2 М.: ФИЗМАТГИЗ, 1957.

32. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы нестационарной теплопроводности. -М.: Высшая школа,1978.-328с.

33. Ривкин C.JI. Термодинамические свойства газов. М.: 1973.

34. Маделунг Э. Математический аппарат физики. —М.: ГИФ-МЛ,1961.-618.

35. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. -М.: ГИТ-ТЛ, 1953.-680с.

36. Теплоиспользующие установки в текстильной промышленности: Учеб. Для вузов/Танин Е.А., Корнеев С.Д., Корнюхин И.П., Щербаков В.И.-М.: Легпромбытиздат, 1989.-392с.

37. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Том IY.-M.: ГИТ-ТЛД957,-812с.

38. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. М.-Л.: ГИФ-МЛ,1962.-708с.

39. Невский A.C. Теплопередача в мартеновских печах. М.: Металлургиз-дат,1963.-230с.

40. Глинков М.А. Основы общей теории печей. М.: МеталлургиздатД962.-530с.

41. Новицкий М.А. Лазеры в электронной технологии и обработке материалов.- М.: Машиностроение, 1981. -152с.

42. Методы определения теплопроводности и температуропроводности/ Под ред. Лыкова A.B.-М.: Энергия,1973.-336с.

43. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа.- М.:Наука,1965.-287с.

44. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики.-М.:ГИТ-ТЛ,1953.

45. Ландсберг Г.С. Оптика.-М. :Наука, 1976.-927с.

46. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М.: Наука,1970.

47. Либенсон М.Н. ФХОМ,№2,1968

48. Лаврентьев М.А., Шабад Б.В. Методы теории функций комплексного переменного.-М.: ФИЗМАТГИЗ, 1958.

49. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т1,Механика.- М.:НаукаД974.-520с.

50. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике.- М.: Гит-ТЛ,1957.-375с.55.3оммерфельд А. Оптика. -М.: ИЛД953.-487с.

51. Курочкин И.А. Канд. дис. -М.:МГТУ,2004

52. Лыков A.B. Теория сушки. -М.-Л.:Госэнергоиздат, 1950.-416с.

53. Экспресс-метод и приборы для измерения теплопроводности. Беляев Ю.И. и др.,Приборы.2003.№8,с.32-35.

54. Моделирование процессов в тепловых датчиках на основе решения обратных задач теплопроводности. Столяров Е.П. Теплофиз. высок, тем-ператур.2005.43 .№ 1 ,с.71 -85.

55. Аналитические решения нелинейных задач теплопроводности. Бондарев В.А. Изв. вузов и энерг. об-ний СНГ. Энерг.,2005,№3,с.66-73.

56. Commensurability of measuring instruments for textile science and practice. Gniotek Krzystof, Kucharska-Kot Jadviga (Technical University of todz). Fibres and Text. East. Eur. 2004.12.N2,c.86-89

57. Transfer aktueller Forschungsergebnisse in die textile Industriepraxis. Fellmann A. Melliand Textilber.2004.85,Nl 1-12.C.822

58. Prufmoglichkeiten fur Schmalltextillen Test methods available for narrow fabrics. KlobesUlrike, Piehler Evelyn (Textile Research Institute Turingina-Vogtland.e.v.(TITV).Greiz/Germany). Band-und Flechtind.2005.42.N2c.36-38.