СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА И СКОРОСТИ ИСПАРЕНИЯ ВЛАГИ В СИСТЕМЕ "ЧЕЛОВЕК - ОДЕЖДА - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА" Российский патент 2003 года по МПК G01N33/36 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для определения численных значений величины конвективного теплообмена и скорости испарения влаги с поверхности тела человека при взаимодействии с атмосферным воздухом.

Количественно процесс теплообмена физического тела в атмосфере, в том числе человека, определяется плотностью радиационно-конвективных тепловых потоков и затрат тепла на испарение влаги, участвующей в теплообмене. При этом в интегральном процессе конвективная составляющая теплообмена и так называемая скрытая теплота, затрачиваемая на испарение влаги, в большинстве случаев становится решающей в формировании параметров теплового состояния и тепловых ощущений человека.

Известны устройства для определения паровлагопередачи через текстильные материалы (SU 241083 А1, 01.04.1969) и паропроницаемости пористых материалов (SU 1029051 А1, 15.07.1983), с помощью которых можно измерить количество паров воды, проходящих через образец в стационарных условиях опыта.

Известны устройства (SU 643787 А1, 25.01.1979, SU 1188591 А1, 30.10.1985), с помощью которых определяют кинетику влагопередачи через текстильные материалы и массообменные характеристики пористоволокнистых материалов и их пакетов.

Анализ данных изобретений показывает, что авторы лишь декларируют тезис о приближении условий тепломассобмена при испытаниях образцов швейных изделий к условиям их реальной эксплуатации в конструкциях одежды, так как ни в одном из описанных изобретений не рассматривается в целом система "элемент тела человека - элемент одежды - окружающая среда". Авторы ограничивают себя рассмотрением прохождения тепла и паров воды через материалы одежды, игнорируя большинство требований теории подобия. В этой связи не случайным представляется практически полное отсутствие экспериментальных данных о теплозащитных свойствах отечественных материалов для швейной промышленности с учетом возможного влияния на эти свойства агрегатного состояния влаги и его изменений как на поверхности тела человека, так и в самих материалах и пакетах одежды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности представляется способ и устройство для определения динамики тепловлагопередачи через текстильные материалы в пакетах одежды, в котором с позиций теплообмена совместно рассматриваются элементы, имитирующие кожу тела человека и пакета одежды, а также средства для имитации атмосферных условий окружающей среды. Кроме того, данное устройство имеет вертикальные стенки и приборы для измерения температуры и влажности воздуха, участвующего в процессе теплообмена (SU 1000909 А1, 28.02.1983).

Способ и устройство позволяют определять количество влаги, прошедшей через образец, и поглощенной образцом, а также суммарную теплопередачу образца.

Недостатки данного изобретения заключаются в том, что авторы не рассматривают отдельно конвективную составляющую теплообмена в системе "человек - одежда - окружающая среда", а при рассмотрении динамики прохождения воды через швейные материалы никак не учитывают ее агрегатное состояние внутри образцов. Кроме того, при создании искусственной атмосферы в замкнутом теплоизолированном корпусе практически невозможно адекватное моделирование комбинированного теплообмена сложной биотехнической системы "человек - одежда - окружающая среда" в атмосфере Земли.

Это связано с тем, что скорость воздуха при теплообмене в данной системе может изменяться почти от 0 м/с при естественной конвекции до 20 м/с и более при воздействии ветра на открытой местности, где ветер создает сложную аэродинамическую ситуацию не только вокруг, но и внутри одежды человека. При этом наружный воздух может проникать в пространство под одеждой как вследствие воздухопроницаемости материалов, так и конструктивных особенностей изделия, имеющего различные зазоры, из-за чего конвективная составляющая в ряде случаев становится доминирующей в теплообмене рассматриваемой системы, являясь ярко выраженной функцией скорости ветра, а также температур поверхности тела и воздуха.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности определения составляющих теплообмена в системе "человек - одежда - окружающая среда".

Указанная задача достигается в способе определения комбинированного теплообмена в системе "человек - одежда - окружающая среда", в котором для определения конвективной составляющей теплового потока, скорости и интенсивности испарения влаги с поверхности физической модели тела человека используют аэродинамическое устройство с воздухозаборниками, оснащенными приборами для измерения расхода, температуры и влажности воздуха до и после контакта с поверхностью теплообмена, при этом коэффициент конвективной теплоотдачи α, Вт/(м²•К) вычисляют по формуле
α =Q/(t-t₂)/F,
где суммарный конвективный тепловой поток, Вт;
Q_i= G_iс_р(t₁-t₂) - конвективный тепловой поток, в i-м воздухозаборнике, Вт;
G_i=V_iS_iρ - расход воздуха в i-м воздухозаборнике, кг/с;
V_i - скорость воздушного потока в выходном отверстии i-го воздухозаборника, м/с;
S_i - площадь поперечного сечения выходного отверстия i-го воздухозаборника, м²;
ρ - плотность воздуха, кг/м³;
с_р - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг•К);
t_1i - температура воздуха на выходе из i-го воздухозаборника К;
t₂ - температура воздуха вдали от устройства, К;
n - число воздухозаборников аэродинамического устройства;
t и F - соответственно температура, К, и площадь поверхности теплообмена, м²;
интенсивность испарения J, г/(м²•с), рассчитывают по формуле

где J_i=V_iS_i(ω_ti1-ω_t2) - скорость испарения, г/с;
ω_ti1 - концентрация водяного пара на выходе из i-го воздухозаборника, г/м³;
ω_t2 - концентрация водяного пара вдали от устройства, г/м³;
ω_t = E100μ/R/T,
где ω_t - концентрация водяного пара в воздушной смеси, г/м³;
μ - молекулярный вес воды, 18 г/моль;
R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль•К);
Т - температура влажного воздуха по сухому термометру, К;
Е=10^k-0,7947•(t_с-t_вл)•(1+0,00115•t_вл);
где Е - давление, мбар;

t_с - температура воздуха по сухому термометру психрометра, ^oС;
t_вл - температура воздуха по смоченному термометру психрометра, ^oС.

Указанная задача достигается также в аэродинамическом устройстве для определения конвективного теплообмена и скорости испарения влаги в системе "человек - одежда - окружающая среда", включающем вертикальные стенки, верхний и ряд боковых воздухозаборников, на вершинах которых установлены приборы для измерения скорости, температуры и влажности воздуха, участвующего в процессе теплообмена.

Вертикальные стенки аэродинамического устройства выполнены из прозрачного для теплового излучения материала.

Стенки воздухозаборников аэродинамического устройства имеют тепловое сопротивление не ниже 1 м²•К/Вт.

Для определения конвективного теплообмена и скорости испарения влаги в системе "человек - одежда - окружающая среда" используют измерительное устройство, оснащенное аэродинамическим приспособлением. Это устройство, обеспеченное метеорологическими приборами, поясняется чертежами. На Фиг.1 представлен общий вид устройства, на Фиг.2 - горизонтальное сечение, проходящее через ось симметрии бокового воздухозаборника.

Устройство включает в себя физическую модель элемента тела человека, выполненную в виде вертикального цилиндра 1, установленного в центре аэродинамического приспособления 2, состоящего из двух вертикальных стенок 3, одного верхнего 4 и нескольких боковых 5, 6 измерительных воздухозаборников.

Поверхности воздухозаборников у основания представляют собой боковые грани пирамид 7, которые у вершины трансформируются в поверхности усеченного конуса 8. В выходное отверстие каждого конуса устанавливается анемометр 9 для определения скорости составляющих воздушного потока 10, 11, участвующего в конвективном теплообмене, а также - аспирационный психрометр 12 для определения температуры и влажности воздуха на выходе из воздухозаборника.

В условиях естественной конвекции, когда горизонтальная составляющая скорости воздушного потока 11 равна нулю, воздух, участвующий в теплообмене 10, нагреваясь от рабочей поверхности цилиндра 1, поднимается вверх и проходит сквозь отверстие верхнего конуса измерительного воздухозаборника 4, вращая крыльчатку анемометра 9, ось вращения которого совпадает с осью цилиндра 1.

При появлении горизонтальной составляющей 11 набегающий воздушный поток 13, нагреваясь от рабочей поверхности цилиндра 1, разделяется на две части. Первая составляющая 10 продолжает проходить через отверстие верхнего конуса воздухозаборника 4, характеризуя интенсивность естественной конвекции за счет Архимедовых сил. Вторая часть воздушного потока 11, характеризующая интенсивность вынужденной конвекции, нагреваясь после контакта с рабочей поверхностью, будет проходить через отверстия в вершинах боковых воздухозаборников 5, 6.

Необходимое для достоверных измерений количество боковых воздухозаборников будет определяться скоростью набегающего воздушного потока, площадью приемного сечения аэродинамического приспособления, а также чувствительностью и пределами измерения скорости воздуха каждого анемометра.

Для исключения возможного влияния на конвективный теплообмен лучистой составляющей стенки аэродинамического устройства должны быть прозрачными в соответствующей области спектра излучений. Кроме того, стенки воздухозаборников должны иметь достаточное тепловое сопротивление для уменьшения погрешностей измерения от контакта с ними воздуха, нагретого рабочей поверхностью.

Зная скорость воздуха V_i (м/с) и площадь поперечного сечения S_i (м²) отверстия воздухозаборника, через которое проходит воздух, участвующий в теплообмене, можно определить его расход G_i (кг/с) в каждом воздухозаборнике по формуле
G_i= V_i•S_iρ, (1)
где ρ - плотность воздуха при заданной температуре, кг/м³.

Измерив температуру воздуха на выходе из воздухозаборника и вдали от рабочей поверхности, а также задавая удельную теплоемкость воздуха, можно рассчитать конвективный тепловой поток, нагревающий воздух после контакта с поверхностью теплообмена, по формуле
Q_i= G_i•c_p•(t_1i-t₂), (2)
где Q_i - тепловой поток, Вт,
С_р - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг•К),
t_1i - температура воздуха на выходе из i-го воздухозаборника, К,
t₂ - температура воздуха вдали от аэродинамического устройства, К.

После этих измерений и расчетов средний коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности цилиндра α, Вт/(м²•К), вычисляют по формуле
α =Q/(t-t₂)/F, (3)
где
n - число воздухозаборников аэродинамического устройства,
t и F - соответственно температура, К, и площадь цилиндрической поверхности теплообмена, м².

Для расчетов влагосодержания воздуха ω_t[г/м³] используют аналитические зависимости парциального давления водяного пара и его концентрации в воздушной смеси от температур сухого и влажного термометра аспирационного психрометра.

При этом в соответствии с "Техническим регламентом Всемирной Метеорологической Организации", когда на батисте смоченного термометра аспирационного психрометра вода, давление водяного пара в воздухе рассчитывают по формуле
E=10^k-0,7947•(t_c-t_вл)•(1+0,00115•t_вл), (4)
где Е - давление, мбар;

t_с - температура воздуха по сухому термометру психрометра, ^oС;
t_вл - температура воздуха по смоченному термометру психрометра, ^oС.

Концентрацию водяного пара рассчитывают по формуле
ω_t = E•100μ/R/T, (6)
где ω_t - концентрация водяного пара в воздушной смеси, г/м³;
μ - молекулярный вес воды, 18 г/моль;
R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль•К);
Т - температура влажного воздуха по сухому термометру, К.

Далее интенсивность процесса испарения J, г/(м²•с), рассчитывают по формуле

где J_i=V_i•S_i(ω_t2-ω_t1) - скорость испарения, г/с;
ω_t2/- влагосодержание воздуха на выходе из i-го анемометра, г/м³;
ω_t1 - влагосодержание воздуха окружающей среды, г/м³.

Для определения интенсивности рассматриваемых процессов на рабочей поверхности цилиндра, оснащенной имитатором системы потоотделения, задают и поддерживают определенную температуру и скорость подачи влаги. При необходимости на поверхность надевают рукав из исследуемого текстильного материала или элемент конструкции одежды.

На выходе из воздухозаборников устанавливают анемометры и аспирационные психрометры. Вдали от аэродинамического приспособления размещают аспирационный психрометр и анемометр для контроля исходной температуры, влажности и скорости воздуха окружающей атмосферы.

Если опыты проводятся в условиях воздействия ветра, то плоскость приемного сечения аэродинамического приспособления ориентируют перпендикулярно набегающему ветровому потоку.

После выхода устройства на стационарный режим теплообмена, то есть после того, как перестанут изменяться показания всех его анемометров и психрометров, производят измерения соответствующих температур и скоростей движения воздуха, участвующего в рассматриваемом процессе.

Далее по формулам (3) и (7) определяют конвективный теплообмен, скорость и интенсивность испарения влаги с поверхности, моделирующей элемент тела человека.

Предложенные способ и устройство позволяют разделять составляющие сложного процесса теплообмена в системе "человек - одежда - окружающая среда" и с достаточной точностью определять численные значения интенсивности испарения влаги с поверхности, а также внешнего конвективного теплообмена в рассматриваемой системе. Это обеспечивает уточненное прогнозирование теплового состояния человека в условиях эксплуатации одежды при экстремальных ситуациях, а также позволяет обосновывать принципиально новые конструктивные решения спецодежды для индивидуальной защиты человека от неблагоприятных охлаждающих и нагревающих воздействий.

Способ и устройство относятся к измерительной техники. Для определения конвективной составляющей теплового потока, скорости и интенсивности испарения влаги с поверхности физической модели тела человека используют аэродинамическое устройство с воздухозаборниками, оснащенными приборами для измерения расхода, температуры и влажности воздуха до и после контакта с поверхностью теплообмена. Коэффициент конвективной теплоотдачи α•Bт/(м²•K) вычисляют по формуле
α = Q/(t-t₂)/F,
где суммарный конвективный тепловой поток, Вт,
Q_i = G_ic_p(t_1i-t₂) - конвективный тепловой поток в i-м воздухозаборнике, Вт,
G_i = V_iS_iρ - расход воздуха в i-м воздухозаборнике, кг/с,
V_i - скорость воздушного потока в выходном отверстии i-го воздухозаборника, м/с,
S_i - площадь поперечного сечения выходного отверстия i-го воздухозаборника, м²,
ρ - плотность воздуха, кг/м³;
c_p - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг•К),
t_1i - температура воздуха на выходе из i-го воздухозаборника, К;
t₂ - температура воздуха вдали от устройства, К,
n - число воздухозаборников аэродинамического устройства;
t и F - соответственно температура, К, и площадь поверхности теплообмена, м²;
интенсивность испарения J, г/(м²•с), рассчитывают по формуле

где J_i = V_iS_i(ω_ti1-ω_t2) - скорость испарения, г/с;
ω_ti1 - концентрация водяного пара на выходе из i-го воздухозаборника, г/м³,
ω_t2 - - концентрация водяного пара вдали от устройства, г/м³,
ω_t = E100μ/R/T,
где ω_t - концентрация водяного пара в воздушной смеси, г/м³,
μ - молекулярный вес воды, 18 г/моль,
R - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(моль•К),
T - температура влажного воздуха по сухому термометру, К;
Е=10^k-0,7947(t_c-t_вл)(1+0,00115t_вл),
где Е - давление, мбар,
k=10,79574(1-273,16/(273,15+t_вл))-5,028lg₁₀((273,15+t_вл)/273,16)+1,50475•10^-4(1-10-8,2969((273,15+t_вл)/273,16-1))+0,42873•10^-3(104,76955(1-273,16/(273,15+t_вл))-1)+0,78614,
t_с - температура воздуха по сухому термометру психрометра, ^oС,
t_вл - температура воздуха по смоченному термометру психрометра, ^oС.

Данные способ и устройство отличаются повышенной точностью определения составляющих теплообмена. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения комбинированного теплообмена в системе "человек - одежда - окружающая среда", отличающийся тем, что для определения конвективной составляющей теплового потока, скорости и интенсивности испарения влаги с поверхности физической модели тела человека используют аэродинамическое устройство с воздухозаборниками, оснащенными приборами для измерения расхода, температуры и влажности воздуха до и после контакта с поверхностью теплообмена, при этом коэффициент конвективной теплоотдачи α, Вт/(м²•К), вычисляют по формуле
α == Q/(t-t₂)/F,
где суммарный конвективный тепловой поток, Вт;
Q_i= G_ic_p(t_1i-t₂) - конвективный тепловой поток в i-м воздухозаборнике, Вт;
G_i= V_iS_iρ - расход воздуха в i-м воздухозаборнике, кг/с;
V_i - скорость воздушного потока в выходном отверстии i-го воздухозаборника, м/с;
S_i - площадь поперечного сечения выходного отверстия i-го воздухозаборника, м²;
ρ - плотность воздуха, кг/м³;
c_p - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг•К);
t_1i - температура воздуха на выходе из i-го воздухозаборника, К;
t₂ - температура воздуха вдали от устройства, К;
n - число воздухозаборников аэродинамического устройства;
t и F - соответственно температура, К, и площадь поверхности теплообмена, м²;
интенсивность испарения J, г/(м²•с), рассчитывают по формуле

где J_i= V_iS_i(ω_ti1-ω_t2) - скорость испарения, г/с;
ω_ti1 - концентрация водяного пара на выходе из i-го воздухозаборника, г/м³;
ω_t2 - концентрация водяного пара вдали от устройства, г/м³;
ω_t = E100μ/R/T,
где ω_t - концентрация водяного пара в воздушной смеси, г/м³;
μ - молекулярный вес воды, 18 г/моль;
R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль•К);
T - температура влажного воздуха по сухому термометру, К;
Е= 10^k-0,7947(t_c-t_вл)(1+0,00115t_вл),
где Е - давление, ммбар;

где t_с - температура воздуха по сухому термометру психрометра, ^oС;
t_вл - температура воздуха по смоченному термометру психрометра, ^oС. 2. Аэродинамическое устройство для определения конвективного теплообмена и скорости испарения влаги в системе "человек - одежда - окружающая среда", включающее вертикальные стенки, отличающееся тем, что дополнительно содержит верхний и ряд боковых воздухозаборников, на вершинах которых установлены приборы для измерения скорости, температуры и влажности воздуха, участвующего в процессе теплообмена. 3. Аэродинамическое устройство по п. 2, отличающееся тем, что вертикальные стенки выполнены из прозрачного для теплового излучения материала. 4. Аэродинамическое устройство по п. 2, отличающееся тем, что стенки воздухозаборников имеют тепловое сопротивление не ниже 1 м²•К/Вт.