УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТКАНЕЙ Советский патент 1934 года по МПК G05D23/30 

Предлагаемый прибор имеет своей первой целью определить теплопроводность тканей и теплопередачу через них. Помимо тканей на предлагаемом приборе могут быть испытаны кожа, мех, бумага и прочие материалы, идущие на пошивку одежды и обуви.

Это определение может быть выражено в виде коэфициентов теплопроводности и теплопередачи как для отдельных слоев ткани, так и для комплектов одежды.

Вторая цель прибора - наглядно показать на самом приборе степень защиты от внешней температуры тела человека при испытуемом материале или комплекте одежды.

И третья цель прибора - определение кондиционных коэфициентов теплопроводности и теплопередачи как для отдельных тканей, так и для комплектов одежды.

Последние две цели очень важны для заготовительных органов и в особенности при испытании специальных тканей. Испытания этого порядка дают заготовительным органам возможность проверки индивидуальных заключений по опытным .

На чертеже изображено устройство согласно изобретению.

Прибор представляет собой круглый калориметр с двумя камерами (верхней и нижней), соприкасающимися друг с другом и разделенными испытуемой тканью или комплектом одежды.

Верхняя камера А значительно меньшая, чем нижняя камера В, отображает собою помещение с "искусственным климатом", который образуется между тканью одежды и телом человека.

Так как с санитарно-гигиенической точки зрения целесообразным комплектом одежды считается такой комплект, который поддерживает температуру нашего "искусственного климата" в 30°, то для отображения этого температура в верхней камере (над тканью) поддерживается также в 30°.

Нижняя камера В (под тканью) отображает атмосферные условия, в которых приходится быть человеку в той или иной одежде, в различное время года (зимой, летом и т.д.), для чего воздуху, заключенному в этой камере, должна быть придаваема температура от +50° до -30°, различная влажность воздуха и различная скорость его движения.

Такой большой предел различных температурных установок атмосферы (от +50° до -30°) дает возможность испытывать ткани в условиях летнего периода Средней Азии и зимнего периода нашего севера, а применение различных влажности и скорости движения воздуха существенно дополняет самый опыт, подвергая ткань различным атмосферным влияниям.

Как в верхней, так и в нижней камере наблюдение за температурой воздуха и температурой поверхности ткани производится посредством ряда очень чувствительных последовательно (по 6 штук) включенных термоэлементов 1, 2, 3, 4 (медь - константан), соединенных с гальванометрами с точностью одного деления в 0,01° (для определения температуры над тканью) и с точностью одного деления в 0,5° (под тканью). Верхний воздушный термоэлемент 1 находится на расстоянии 0,5 см от поверхности ткани и характеризует температуру "искусственного климата" с пределами измерения температур от 20° до 60°, а нижний воздушный термоэлемент 4, находясь на расстоянии 1 см от ткани, характеризует температуру атмосферного воздуха в пределах от 30° до 60°. Термоэлементы 2 и 3 на поверхностях ткани присоединены к первому чувствительному гальванометру с точностью 0,01° (через его переключатели). Эти термоэлементы могут быть соединены попарно, так что на гальванометре можно прочитать разницу температур на двух поверхностях ткани. Термоэлемент 3 для измерения низкой температуры присоединен также к гальванометру. Воздушные термоэлементы вделаны в основание прибора, а термоэлементы на поверхности ткани направляются в фибровый (или пертинаксовый) подвижной сектор: 2 - в крышку сектора, 3 - в основание кольца шайбы.

Сам прибор имеет круглую форму, изготовлен из латуни с двойными стенками толщиной в 2-3 мм с внутренним диаметром в 10 см.

Чтобы предохранить утечку тепла из прибора, обе камеры имеют между его стенками пробковую изоляцию (прессованная мелко накрошенная пробка без каких-либо связующих веществ) толщиной 4-5 см. Помимо этого в верхней изоляционной части прибора выкачан воздух для уменьшения теплопотери прибором.

Нагревание воздуха в верхней камере производится электрическим нагревателем C с переменным сопротивлением. В цепь питания нагревателя включены амперметр и вольтметр. Нижняя же камера представляет собою камеру с приточной вытяжной системой теплого или холодного, влажного или сухого, с той или другой скоростью движения, воздуха. Достижение соответствующей температуры, влажности и скорости воздуха осуществляется при помощи дополнительной к прибору теплоохладительной, вентиляционно-увлажнительной установки.

Испытуемая ткань а накалывается на кольцо b с иглами g и вместе с наложенными на ткань термоэлементами 2 и 3 кольцом-шайбой d и спиральной пружиной, прижимающей ткань к корню иглы, закладывается в фибровый сектор ƒ, где весь прибор закрепляется, а концы проводов от термоэлемента 2 зажимаются в зажимах. Для испытания одиночных тканей (в один слой) берутся кольца b с иглами g, имеющими высоту 3 мм; для испытания комплекта одежды берутся другие кольца с иглами высотою 0,5 см, 1 см, 2 см и 3 см.

В зависимости от длины игол толщина съемных секторов будет равна 1; 1,2; 1,7; 3,7 см.

Имея по два сектора каждого размера, можно, не нарушая установки прибора, сектор, находящийся в работе (заложенный в аппарате), сменить другим сектором того же номера (того же размера), выталкивая последним первый. Вращение секторов происходит вокруг оси, на которую сектор устанавливается и с которой снимается в определенном положении по отношению к оси, вследствие соответствующей формы ее среза.

Такое механическое заряжение аппарата запасными секторами дает большую экономию во времени опыта, сохраняя прежние температуры над и под тканью.

При наличии секторов различной толщины установка аппарата должна изменяться с изменением номера рабочего сектора. Для установки аппарата на тот или иной сектор имеются два винта Е, а на оси m имеются отметки, указывающие степень подъема верхней части аппарата винтами Е. Для соблюдения же параллельности подъема верхней части по отношению к нижней в правой части прибора имеется ось n с пометками, подобными оси m.

После вставления сектора в прибор верхняя часть аппарата подтягивается к нижней как винтами Е, так и барашками откидных болтов (на чертеже не указанными).

С целью приблизить тепловую работу прибора к тепловой работе человеческого организма в камере над тканью в начале создается "конденционная" температура "искусственного климата" в 30°. Если бы вместо ткани верхняя и нижняя камеры прибора были разделены абсолютным непроводником тепла, то при окружении верхней камеры со всех сторон таким же абсолютным непроводником температура воздуха в этой камере все время сохраняла бы эту полученную от электрического нагревателя температуру в 30°, при условии прекращения дальнейшего нагревания при выключении электрического нагревателя.

Но, так как в действительности, помимо устремления тепла из верхней камеры через ткань в нижнюю камеру, может происходить утечка тепла через пробковую изоляцию прибора, то электрический нагреватель должен додать такое количество тепла, чтобы в верхней камере при абсолютном непроводнике между камерами сохранялась постоянно температура в 30°.

Для этого, получив температуру над тканью в 30°, выключают электрический нагреватель и вновь включают, но уже на постоянную добавку тепла p в верхнюю камеру с учетом утечки тепла через стенки.

Для определения постоянной добавки тепла p принимается в расчет то обстоятельство, что человеческий организм регулярно выделяет своим телом определенное количество тепла, а именно: суточная потеря тепла человеком среднего веса в 70 кг составляет 2500 б. кал. Теплопотеря телом в 2 кв. м поверхности составляет 85% от всей суточной потери, т.е. 2125 б. кал. С 1 кв. см в 1 сек. теплопотеря телом равняется 0,00125 м. кал. Из них: 80% - на проведение и излучение, т.е. 0,00100 м. кал., 20% - на испарение воды, т.е. 0,00025 м. кал. При обозначении поверхности испытуемой ткани через s кв. см, на основании приведенных положений необходимо, чтобы за 1 сек. к испытуемой ткани подавалась еще регулярная тепловая добавка на проведение и излучение:

q=0,001. s м. кал.

Так как добавочное количество тепла p и q постоянно, то можно высчитать, какой силы ток при определенном напряжении его надо пропустить через нагреватель, чтобы постоянная (p+q) величина строго сохранялась за все время опыта после получения первоначальной температуры в 30°. Для поддержания в сети определенного напряжения в нее включаются водородные реостаты.

Температура в нижней камере аппарата (под тканью) назначается самим испытателем, причем создается либо комнатная температура, либо условия летнего, либо зимнего порядка. Но, раз она выбрана, она должна быть строго постоянной во все время опыта, так как отображает температуру атмосферы; это положение относится точно также к влажности и скорости движения воздуха.

После того, как будет создана определенная температура под тканью и установлен переключатель на постоянное истечение тепла в камере под тканью, тепло из камеры, более нагретой, потечет через ткань в камеру, менее нагретую, изменяя при этом температуру над тканью, т.е. температуру "искусственного климата".

Зная толщину ткани, наблюдая за временем опыта и за конечными температурами, по выведенным далее формулам определяют коэфициенты теплопроводности и теплопередачи; наблюдая же за колебаниями температуры воздуха над тканью, выводят заключение о степени предохранения испытуемой тканью тела человека от внешних температурных влияний. В случае повышения температуры "искусственного климата" за 35°, необходимо сделать заключение, что при выбранной внешней температуре влажности и скорости движения воздуха (в камере В) и при испытуемом комплекте одежды происходит перегревание организма человека ("потение, прение"). В случае же понижения этой температуры ниже 25° должно быть сделано обратное заключение - получается охлаждение организма человека, который чувствует при испытуемом комплекте одежды и при выбранной внешней температуре холод (озноб).

Наконец, в случае удержания температуры над тканью в пределах 25-35° надо признать испытуемый комплект одежды целесообразным для сохранения внутреннего тепла у человека и предохранения его от атмосферных влияний.

С целью устранения могущей быть погрешности при испытании тканей, различно натянутых, различно заправленных в прибор, наколка ткани на иглы производится следующим порядком. На специальном столе размером 20×20 см раскладывается испытуемая ткань размером 30×30 см так, чтобы основа и уток были направлены параллельно сторонам столика. Свисающие концы сжимаются зажимами и грузами по 50 г на каждом конце зажима; ткань, несколько растягиваясь, выпрямляется. После этого иглами в кольце b прокалывают ткань; этим фиксируется данное грузами натяжение. Особым круглым ножом, надевающимся на кольцо b с иглами, излишек ткани срезается, и кольцо с тканью вставляется в фибровый сектор; с той и другой стороны ткани закрепляются термоэлементы. При наколе нескольких тканей в виде комплекта одежды необходимо соблюсти порядок чередования тканей, начав накол с нижнего носильного белья.

Вывод формул определения коэфициентов теплопроводности и теплопередачи.

Для определения коэфициентов теплопроводности и теплопередачи необходимо различать два случая:

I. Когда момент установившегося равновесия температур не наступил.

Здесь различают также два варианта;

а) когда тепло проходит через ткань в одном каком-либо направлении (сверху вниз или наоборот) и

б) когда тепло проходит через ткань в различных направлениях, т.е. сначала тепло шло через ткань снизу вверх, а затем через некоторое время пошло обратно - сверху вниз (случая обратного, т.е. сначала направления сверху вниз, а затем наоборот, в предлагаемом приборе не бывает, в виду постоянства температуры под тканью).

II. Когда момент установившегося равновесия температур наступил.

Для случая I а) - тепло проходит через ткань в одном направлении.

Пусть начальные температуры опыта были: вверху +30°, внизу t°, и пусть t° значительно меньше 30°; тогда тепло сверху будет проходить через ткань в нижнюю камеру прибора и уноситься проточным воздухом.

Пусть t₁° - конечная установленная температура в верхней половине прибора,

τ - время опыта в секундах, в течение которого произошло изменение температуры в верхней половине прибора от 30° до t₁°;

δ - толщина ткани в сантиметрах,

ϑ₁ - температура верхней поверхности ткани в момент τ сек.

ϑ - температура нижней поверхности ткани в момент τ сек.;

а - вес воздуха верхней камеры в граммах;

с - теплоемкость его.

Такой путь тепла сверху вниз, когда тепло уходит и охлаждает искусственный климат, обозначается минусом, а обратный путь плюсом.

Расчет будет следующий. Температура верхней камеры вначале была доведена до 30°, затем амперметр и вольтметр устанавливаются на постоянные добавки p+q. Добавка p на теплопотерю через стенки прибора в расчет не входит, а добавка q=0,001·s м. кал. в 1 секунду, должна быть учитываема. Сопротивление нагревателя должно быть известно, пусть оно - r ом. Это сопротивление постоянное, а следовательно, при постоянной силе тока i в цепи напряжение V₁-V₂ у концов нагревателя должно быть постоянно, так как V₁-V₂=ir.

Во время опыта сила тока и напряжение должны быть все время постоянны, а для этого необходимо выбрать эти величины. Задаваясь, например, определенным напряжением у концов нагревательной проволоки, необходимо создать ток такой силы, чтобы он создавал в течение каждой секунды 0,001·s. м. кал. тепла.

Пусть V₁-V₂=V, тогда по закону Джауля q=0,239 i²rτ, где r - сопротивление нагревательной проволоки в омах; τ - время в секундах; i - сила тока в цепи в амперах.

Так как

то

и

При q=0,001·s имеем

0,001·s=0,239 iVτ,

откуда

Обозначая эту определенную силу тока в амперах А, имеем:

где А и V - определенные известные величины, выраженные в амперах и вольтах. Эти величины определятся после того, как будет известно сопротивление нагревательной проволоки.

Итак, формула: q=0,239 AVτ дает возможность определить то количество тепла, которое выделяется нагревательной проволокой С в течение τ сек. времени.

Теперь определим количество тепла, которое прошло через ткань в течение τ сек.

Так как в примере t₁<30°, то через ткань прошло все то тепло, которое выделил нагревательный проводник, равное q=0,239 AVτ, и плюс еще то количество тепла, в силу которого верхняя камера охладилась на (30-t°), т.е. q^l=aс (30-t), а всего через ткань прошло: Q=0,239·A·Vτ+ac (30-t)

или

где m=0,239·AV

n=ас

Зная Q, можно определить и λ и K по формулам:

где ϑ₁ и ϑ - температуры поверхностей ткани.

Последняя формула дана для случая, когда температура воздуха у одной поверхности ткани изменилась за известный промежуток времени τ сек. с температуры 30° до t₁, а у другой поверхности ткани температура воздуха оставалась постоянной во все время опыта.

Знак минус указывает, что тепло идет сверху вниз.

Коэфициент же теплопередачи K будет:

Для определения α₁ и α₂ имеем:

Обозначив сумму обратных величин α₁ и α₂ через , т.е. а поэтому

Зная K, δ, λ, определим и α₀

так как воздух в верхней камере представляет незначительный слой и так как он нагревается от нагревателя сверху, то тепло через такой слой проходит как через плотную среду, а поэтому можно написать, что:

где δ₁ - толщина воздушного слоя в сантиметрах (у нас δ₁=0,5 см), a λ₁ - коэфициент теплопроводности воздуха.

Зная δ₁ и λ₁ (который определяется из формулы или таблицы, ниже прилагаемой), можно определить и α₂

Коэфициент теплопроводности воздуха λ₁ определяется в зависимости от температуры его по следующей формуле, предложенной Нуссельтом:

где T=273+t.

Таблица теплопроводности воздуха λ₁/сек. (в долях 10^-7)

т.е. 0,0000511

Попутно с приведенным примером разберем и подобный ему пример, когда тепло идет снизу вверх (обозначим это направление +).

t>t₁>30°

Количество тепла q будет доставлено в верхнюю камеру в количестве:

q=0,239 AV

Но все это тепло не пойдет через ткань, так как теппература t>t₁.

Тепло идет снизу вверх, и воздух верхней камеры нагревается от этой теплопередачи и от тепла, доставляемого нагревателем.

Тогда:

Сравнивая с прежней формулой, видим полную аналогию, разница лишь в знаке.

Итак

Аналогично этому имеем:

Примечание: 1) Минимальное время опыта будет установлено дополнительно.

2) Температура t (нижней камеры), а также показания амперметра А и вольтметра V должны быть в течение всего опыта строго постоянны.

3) Влажность и скорость движения воздуха в нижней камере также должны быть строго постоянны в течение всего опыта.

Для случая I б) - тепло проходит через ткань в разных направлениях.

В этом случае имеем t₁>t>30° Например: t=31°, t₁=33°. Вначале тепло идет через ткань снизу вверх до тех пор, пока температура над тканью не сравняется с температурой t под тканью.

При этом направление теплового потока снизу вверх обозначим знаком + Пусть для этого понадобилось время ε секунд; тогда фактически через ткань за этот промежуток времени прошло следующее количество тепла:

После уравнения температур, подача тепла снизу вверх прекращается, но вследствие получения постоянной тепловой добавки в камере над тканью температура в верхней камере продолжает повышаться, что вызовет переход части тепла в обратном направлении, т.е. сверху вниз, где поддерживается строго постоянная температура t₁.

Через некоторый период времени после уравнивания температур ε¹ сек.=τ-ε (где τ - время продолжительности опыта в сек.) температура в верхней камере будет выше температуры t (например: внизу t=31°, а вверху t₁=33°).

За этот период времени ε¹ тепло шло сверху вниз, а следовательно, и будет равно:

Общее количество тепла, прошедшее через ткань за время τ сек., определится суммой этих слагаемых: q₁ и q₂, но так как здесь интересует абсолютное значение всего количества тепла, то, игнорируя знаки у q₁ и q₂, имеем:

Тогда:

Определение α, α₁, α₂ проводится общим уже указанным способом.

Другого случая в этом примере, когда тепло шло бы сначала сверху вниз, а потом снизу вверх, в испытаниях на предлагаемом приборе не бывает, так как температура t всегда должна быть постоянной.

Для случая II, когда момент установившегося равновесия температур наступил.

Через некоторый промежуток времени (τ сек.) после начала опыта во всей испытуемой системе устанавливается равновесное состояние температур, и каждая точка ткани в течение всего времени существования потока тепла сохраняет свою температуру без изменений. Такое тепловое равновесие говорит за то, что с единицы поверхности ткани в единицу времени излучается такое количество теплоты, какое притекает в ту же единицу времени к единице поверхности ткани.

Элемент времени здесь при расчетах отпадает и формула значительно упрощается, в силу чего особенно приходится рекомендовать именно этот способ испытания и вычисления, хотя он несколько и более продолжителен, чем предыдущие.

Количество тепла, которое в 1 сек. притекает к ткани q=0,239 AV.

Это же количество тепла и проходит через ткань в течение каждой секунды, т.е. Q=0,239 AV

Тогда:

где ϑ′₁ и ϑ′ - установившиеся температуры на поверхности ткани.

Коэфициент теплопередачи здесь будет следующий:

где t₁′ и t - установившиеся температуры воздуха над и под тканью.

Выведенные формулы (10 и 11) очень просты, а производство самого опыта до установившихся температур облегчает самую работу, так как наблюдения за продолжительностью опыта здесь можно вовсе не производить. Необходимо лишь следить за постоянством температуры, влажности и скорости воздуха в нижней камере и за правильными показаниями амперметра и вольт, метра у нагревателя верхней камеры - и, наконец, необходимо установить постоянные температуры над и под тканью при установившемся тепловом потоке.

Необходимо отметить, что установившееся тепловое равновесие должно получиться при всех случаях, независимо от того, куда и как идет тепло - сверху вниз или снизу вверх, или и так и иначе.

Определение кондиционных коэфициентов теплопроводности теплопередачи. Кондиционной теплопотерей надо признать такую потерю тепла организмом человека через его одежду во внешнюю среду, когда установившийся тепловой поток произошел при нормальной температуре "искусственного климата" в 30°

При установившемся тепловом потоке количество теряемого во внешнюю среду тепла во всех случаях будет равно количеству тепла, вырабатываемого организмом человека (q=0,239 AV), но зато при различных комплектах одежды температура "искусственного климата", при которой произошло это равновесие, будет различна. Как уже указано для кондиционных в тепловом отношении комплектов одежды, необходимо, чтобы это равновесие произошло при температуре "искусственного климата", именно в 30°. Но теплопотеря зависит от разности температур, влажности и скорости движения внешней среды, и прежде чем испытывать комплект одежды или ткани на определение кондиционных цифр необходимо задаться для всех случаев определения кондиционных норм нормами влажности, скорости движения воздуха и температурой внешней среды для испытания комнатных, летних, зимних и прочих комплектов одежды.

Такое установление норм переменных величин внесет большую ясность при сравнении полученных цифр.

Порядок ведения опыта виден из следующего примера:

Пример 1. Пусть имеется комплект зимней одежды и для определения тепловых норм взяты следующие цифры: температура наружного воздуха -10°, влажность 40% и скорость движения его 1 м/сек. Толщина комплекта - δ см.

Определить кондиционный коэфициент теплопрохождения.

Случай 1. Пусть установившийся тепловой поток произошел

при t₁=30° и t=-10°.

Тогда:

Этот коэфициент и есть кондиционный коэфициент теплопрохождения, так как при испытываемом комплекте одежды установившийся тепловой поток произошел при t₁=30°,

т.е.

Случай 2. Если бы имелся другой случай - когда установившийся тепловой поток произошел при t₁=20°, a t=-10°, то:

Так как температура "искусственного климата" здесь ниже 20°, то самочувствие человека при такой теплопотере будет хуже, нежели в первом случае, т.е. K здесь не кондиционно. Для нахождения его мы, меняя температуру внешней среды, находим такой момент, когда установившийся тепловой поток превзойдет 30°. Пусть эта стабилизация получилась при t=-3°, тогда

Это и есть кондиционный коэфициент теплопрохождения, так как вычисляется он при t₁=30°.

Достигнуть этим комплектом одежды кондиционного коэфициента теплопрохождения K=K₁, при разности t₁-t=20-(-10)=30°, понятно, невозможно. Для достижения этого, видимо, необходимо либо: а) увеличить толщину ткани δ₁>δ при том же λ, либо б) остаться при той же толщине ткани δ, но изменить внутренюю структуру ткани так, чтобы λ₁ было <λ. Следующие примеры пояснят как необходимо произвести эти расчеты.

Пример 2. Пусть имеется только что описанное положение, т.е. что установившийся тепловой поток произошел при t₁=20° и t=-10°.

а

Определим из уравнения (1)

Зная K, δ и λ, определяем α и вставляем в уравнение (2)

Зная λ (оно без изменения), α₀ (условно, в виду небольших колебаний температур, допускается как постоянная величина) определяют толщину δ_к:

При желании, можно найти не соответствующую для K_к толщину ткани, а соответствующий кондиционный коэфициент теплопроводности ткани, т.е. найти такую ткань, чтобы она при той же толщине δ см и при разности t₁-t₁=30-(-10)=40° давала теплопередачу K_к такую же, как и при разности температур в t₁-t=30-(-3)=33°. Расчет ведется аналогично только что произведенному.

Откуда

Итак, кондиционным коэфициентом теплопрохождения называется такое количество тепла в калориях, которое проходит в 1 сек. через 1 кв. см ткани от одной поверхности к другой ее поверхности при разности температур воздуха у этих поверхностей в 1°, в момент установившегося теплового равновесия при сохранении нормальной температуры "искусственного климата" в 30°. Или кондиционным коэфициентом теплопрохождения называется такое теплопрохождение через ткань, которое сохраняет температуру "искусственного климата" нормальной в 30°.

при установившемся потоке при t₁, равном 30°,

где t₁ - установившаяся температура над тканью, равная 30°, t¹ - установившаяся температура под тканью, K_к - кондиционный коэфициент теплопроводности.

Кондиционным коэфициентом теплопроводности называется коэфициент теплопроводности такой ткани, которая в момент установившегося теплового равновесия имеет кондиционную теплопроводность K_к при существующей толщине ткани.

Устройство для определения теплопроводности тканей, отличающееся тем, что для определения ее в условиях, приближающихся к естественным условиям использования тканей, применены две расположенные по разные стороны ткани камеры А и В, из коих малая камера А герметически закрыта и снабжена электрическим нагревателем С для создания в ней температуры, соответствующей температуре между телом человека и одеждой, а другая камера В открыта в сторону ткани и служит для пропускания мимо последней с определенной скоростью воздуха, для придания которому естественных свойств применены соответствующие осушающие или увлажняющие приспособления и нагревательные или охладительные камеры.