способ и устройство для определения конвективного теплообмена и скорости испарения влаги в системе "человек - одежда - окружающая среда"
Классы МПК: | G01N33/36 текстильных материалов |
Автор(ы): | Уваров Г.А., Уваров А.В. |
Патентообладатель(и): | Орловский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-06-06 публикация патента:
27.05.2003 |
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 
Bт/(м2
K) вычисляют по формуле
= Q/(t-t2)/F,
где
суммарный конвективный тепловой поток, Вт,
Qi = Gicp(t1i-t2) - конвективный тепловой поток в i-м воздухозаборнике, Вт,
Gi = ViSi
- расход воздуха в i-м воздухозаборнике, кг/с,
Vi - скорость воздушного потока в выходном отверстии i-го воздухозаборника, м/с,
Si - площадь поперечного сечения выходного отверстия i-го воздухозаборника, м2,
- плотность воздуха, кг/м3;
cp - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг
К),
t1i - 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 Ji = ViSi(
ti1-
t2) - скорость испарения, г/с;
ti1 - концентрация водяного пара на выходе из i-го воздухозаборника, г/м3,
t2 - - концентрация водяного пара вдали от устройства, г/м3,
t = E100
/R/T,
где
t - концентрация водяного пара в воздушной смеси, г/м3,
- молекулярный вес воды, 18 г/моль,
R - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(моль
К),
T - температура влажного воздуха по сухому термометру, К;
Е=10k-0,7947(tc-tвл)(1+0,00115tвл),
где Е - давление, мбар,
k=10,79574(1-273,16/(273,15+tвл))-5,028lg10((273,15+tвл)/273,16)+1,50475
10-4(1-10-8,2969((273,15+tвл)/273,16-1))+0,42873
10-3(104,76955(1-273,16/(273,15+tвл))-1)+0,78614,
tс - температура воздуха по сухому термометру психрометра, oС,
tвл - 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.
Рисунок 1, Рисунок 2




где

Qi = Gicp(t1i-t2) - конвективный тепловой поток в i-м воздухозаборнике, Вт,
Gi = ViSi

Vi - скорость воздушного потока в выходном отверстии i-го воздухозаборника, м/с,
Si - площадь поперечного сечения выходного отверстия i-го воздухозаборника, м2,

cp - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг

t1i - 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


где Ji = ViSi(






где


R - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(моль

T - температура влажного воздуха по сухому термометру, К;
Е=10k-0,7947(tc-tвл)(1+0,00115tвл),
где Е - давление, мбар,
k=10,79574(1-273,16/(273,15+tвл))-5,028lg10((273,15+tвл)/273,16)+1,50475


tс - температура воздуха по сухому термометру психрометра, oС,
tвл - 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.
Формула изобретения
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


где

Qi= Gicp(t1i-t2) - конвективный тепловой поток в i-м воздухозаборнике, Вт;
Gi= ViSi

Vi - скорость воздушного потока в выходном отверстии i-го воздухозаборника, м/с;
Si - площадь поперечного сечения выходного отверстия i-го воздухозаборника, м2;

cp - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг

t1i - 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


где Ji= ViSi(






где


R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль

T - температура влажного воздуха по сухому термометру, К;
Е= 10k-0,7947(tc-tвл)(1+0,00115tвл),
где Е - давление, ммбар;

где tс - температура воздуха по сухому термометру психрометра, oС;
tвл - 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

Описание изобретения к патенту
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


где

Qi= Giср(t1-t2) - конвективный тепловой поток, в i-м воздухозаборнике, Вт;
Gi=ViSi

Vi - скорость воздушного потока в выходном отверстии i-го воздухозаборника, м/с;
Si - площадь поперечного сечения выходного отверстия i-го воздухозаборника, м2;

ср - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг

t1i - 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


где Ji=ViSi(






где


R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль

Т - температура влажного воздуха по сухому термометру, К;
Е=10k-0,7947



где Е - давление, мбар;

tс - температура воздуха по сухому термометру психрометра, oС;
tвл - 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

Gi= Vi


где

Qi= Gi


где Qi - тепловой поток, Вт,
Ср - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг

t1i - 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



где

n - число воздухозаборников аэродинамического устройства,
t и F - соответственно температура, К, и площадь цилиндрической поверхности теплообмена, м2. Для расчетов влагосодержания воздуха

E=10k-0,7947



где Е - давление, мбар;

tс - температура воздуха по сухому термометру психрометра, oС;
tвл - температура воздуха по смоченному термометру психрометра, oС. Концентрацию водяного пара рассчитывают по формуле



где


R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль

Т - температура влажного воздуха по сухому термометру, К. Далее интенсивность процесса испарения J, г/(м2


где Ji=Vi





Класс G01N33/36 текстильных материалов