Разработка методов оценки и измерения теплофизических показателей нетканых текстильных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.01, кандидат технических наук Соколовская, Татьяна Степановна

• Соколовская, Татьяна Степановна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколовская, Татьяна Степановна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов оценки и измерения теплофизических показателей 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.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности», Соколовская, Татьяна Степановна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколовская, Татьяна Степановна, 2008 год

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.