технологій та дизайну

ЗАСОРНОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ

УДК 687.03:687.17:677.017

РОЗРОБКА МЕТОДУ І ОЦІНКА

ТЕПЛОЗАХИСНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛІВ

ДЛЯ СПЕЦОДЯГУ

Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Хмельницькому державному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Сарана Олександр Миколайович,

Хмельницький державний університет,

доцент кафедри технології та конструювання

швейних виробів

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Ментковський Юзеф Леонович,

Київський національний університет

технологій та дизайну

кандидат технічних наук, доцент

Гаріна Світлана Михайлівна,

Міжнародний Соломонів

Університет (м. Київ)

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться “ 19 травня 2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.03 у Київському національному університеті технологій та дизайну, 01601, м. Київ–11, вул. Немировича– Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01601, м. Київ–11, вул. Немировича–Данченка, 2.

Автореферат розісланий “ 16 квітня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради к.т.н., доц. Первая Н.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В зв’язку з інтенсифікацією процесів виробництва виникає необхідність у розробці нових видів спецодягу. Створення теплозахисного спецодягу здійснюють на основі вибору матеріалів, який базується на об’єктивній оцінці їх властивостей (за допомогою методів і приладів, що моделюють умови експлуатації). Розвиток техніки й технології зробили можливим широке використання в дослідженнях швидкодіючих персональних ЕОМ, які значно розширюють можливості методів, приладів і безпосередньо дослідження. Проте, методів і приладів, що дозволяють комплексно та об’єктивно оцінити теплозахисні властивості матеріалів з можливістю моделювання умов експлуатації й використанням комп’ютерних технологій, існує недостатньо. Це ускладнює оптимальний вибір матеріалів і, в кінцевому підсумку, створення високоефективного спецодягу.

Актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена необхідністю вивчення теплозахисних властивостей нових матеріалів для спецодягу, а також обмеженою кількістю спеціальних методів і приладів, які б дозволяли проводити такі дослідження комплексно, з можливістю моделювання умов експлуатації та використанням комп’ютерної техніки.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з розділом “Достандартизаційні дослідження нових методів та засобів метрологічного забезпечення випробувань і контролю фізико–механічних і хімічних властивостей сучасних матеріалів та діагностики виробів і складних систем з їх застосуванням” зведеного плану НДДКР Міністерства освіти і науки України в межах держбюджетних тем: “Дослідження теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу із застосуванням перспективних засобів вимірювання” (номер держ. реєстрації 0199U003040) та “Розробка макета установки та методики для багатоциклового випробування матеріалів при дії високих температур” (номер держ. реєстрації 0193U033808), планом науково–дослідної роботи викладачів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) на 1995 – 2003 р.р., договором про творчу співдружність, укладеним між Технологічним університетом Поділля та НВП “Індекс” (м. Сєвєродонецьк).

Мета дослідження. Розробити комплексний метод, який дозволяє визначити ефективні теплофізичні і теплозахисні характеристики та виконати оцінку теплозахисних властивостей матеріалів.

Задачі дослідження. Для досягнення мети роботи в процесі досліджень поставлені наступні взаємопов’язані задачі:

- виконати порівняльний аналіз існуючих методів оцінки теплозахисних властивостей матеріалів (ОТЗВМ) при дії високотемпературних факторів;

- запропонувати фізичну і математичну моделі процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу при завданні законів зміни температур на лицевій і виворітній поверхнях матеріалу або пакета;

- розробити методику та прилад для визначення теплозахисних і ефективних теплофізичних характеристик матеріалів;

- розробити спеціальне програмне забезпечення для керування приладом, моделювання процесу теплової дії, вирішення теплофізичних задач і обробки даних;

- визначити показники і оцінити теплозахисні властивості матеріалів для спецодягу та розробити рекомендації щодо їх використання.

Об’єкт дослідження – процес розробки методу оцінки теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу.

Предмет дослідження – метод оцінки теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу.

Методи дослідження. Методичною та теоретичною основою досліджень є положення класичної теплофізики і роботи з вивчення теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу, що виконані вітчизняними та закордонними вченими.

У роботі використані стандартні методики для визначення показників теплофізичних характеристик матеріалів на приладах ИТ–400, РК–С–20 та розроблені автором метод та прилад ОТЗВМ для комплексної оцінки теплозахисних властивостей матеріалів. Обробка результатів експериментів та вирішення теплофізичних задач виконані за допомогою ЕОМ, яка входить до складу приладу ОТЗВМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- отримала подальший розвиток чисельна математична модель процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу, створена на основі рівняння Фур’є, що дозволило автоматизовано визначити кількість рівнянь в системі, місця розташування вузлів просторової сітки та розрахувати температури в них в будь–який момент теплової дії, залежно від кількості шарів матеріалів, їх товщини і сировинного складу;

- розроблено комплексний метод, який відрізняється тим, що дозволяє виконати оцінку теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу на основі автоматизованого визначення їх теплозахисних і ефективних теплофізичних характеристик (деклараційний патент України на винахід за № 2000127064 від 15.06.2001 р.);

- вперше отримані експериментальні залежності характеристик теплозахисних властивостей від температури джерела теплової дії та емпіричні рівняння, що їх описують: термінів підвищення температури до 37С на виворітній поверхні проб матеріалів; термінів підвищення температури до 50 С на виворітній поверхні проб матеріалів; температури на виворітній поверхні проб через 10 с теплової дії; термінів початку і кінця руйнування проб; захисного індексу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблено прилад комплексної оцінки теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу на основі автоматизованого визначення їх теплозахисних і ефективних теплофізичних характеристик;

- розроблено спеціальне програмне забезпечення для керування приладом, моделювання процесу теплової дії, вирішення теплофізичних задач;

- визначені ефективні теплофізичні характеристики, матеріалів для спецодягу, які підлягали дослідженню залежно від їх середньої температури;

- сформована база даних для моделювання процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу, що підлягали дослідженню;

- виконана комплексна оцінка теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу та розроблені рекомендації щодо їх використання при величині теплового потоку не більше 80 кВт/м2.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці та вирішенні основних теоретичних та експериментальних задач. Безпосередньо автором: доопрацьована математична модель процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу; розроблено комплексний метод визначення і оцінки теплозахисних властивостей матеріалів; розроблено спеціальне програмне забезпечення для керування приладом, моделювання процесу теплової дії, вирішення теплофізичних задач і обробки даних; визначені ефективні теплозахисні і теплофізичні характеристики; виконана оцінка теплозахисних властивостей матеріалів та розроблені рекомендації щодо їх використання. Автору належать основні ідеї, узагальнення та висновки роботи. Конкретний персональний внесок здобувача в опублікованих наукових працях у співавторстві з науковим керівником полягає у вирішенні основних теоретичних, експериментальних та прикладних задач.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та окремі її результати доповідались: науково–технічній конференції країн СНД “Якість і конкурентна здатність товарів широкого вжитку” (м. Хмельницький, 1993р.); науково–практичній конференції з нагоди презентації технологічного університету Поділля “Наукові основи сучасних прогресивних технологій” (м. Хмельницький, 1994р.); ювілейній науковій конференції професорсько–викладацького складу, присвяченій 65–річчю заснування ДАЛПУ (м. Київ, 1995р.); 3–ій науково–технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва” (м. Хмельницький, 1995р.); науково–практичній конференції “Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності подільського регіону” (м. Хмельницький, 1995р.); науково–технічній конференції професорсько–викладацького складу за підсумками науково–дослідної роботи (м. Хмельницький, ТУП, 1996–2003рр.).

Робота обговорювалась та була схвалена на засіданні кафедри технології та конструювання швейних виробів Технологічного університету Поділля (м.Хмельницький) і на міжкафедральному науковому семінарі КНУТД (м. Київ).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано: 5 статей в фахових наукових журналах, що входять до переліку, затвердженого ВАК України; 2 деклараційні патенти України; 6 тез доповідей, 2 інформаційних листки.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’ятьох розділів з висновками, загальних висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Робота виконана на 158 сторінках машинописного тексту, містить 48 рисунків, 22 таблиці. Список використаних джерел містить 169 найменувань. Додаток вміщує 87 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета, основні задачі та методи досліджень, сформульовані наукова новизна роботи та її практична цінність.

В першому розділі виконана загальна характеристика досліджень щодо розробки і вдосконалення спецодягу. Удосконалення теплозахисного одягу проводять за такими основними напрямками: цільова розробка нових матеріалів; розробка методів і виконання оцінки теплозахисних властивостей матеріалів; оптимізація пакетів матеріалів; розробка раціональної конструкції спецодягу. Провідну роль у створенні спецодягу відіграє правильний вибір матеріалів.

Для створення теплозахисного спецодягу випускають нові перспективні термостійкі матеріали різного сировинного складу. Використання тих чи інших матеріалів залежить від умов праці людини. Правильний вибір матеріалів може бути зроблений тільки на основі об’єктивної оцінки їх властивостей з врахуванням дії певних високотемпературних факторів.

Методів і приладів, які б дозволяли адекватно моделювати умови теплової дії (умови експлуатації) та виконувати комплексну оцінку теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу за критеріями, що використовуються Європейськими стандартами в Україні, розроблено недостатньо. Це утруднює розробку науково–обґрунтованих рекомендацій з вибору оптимального складу матеріалів при створенні високоефективного захисного одягу.

Інтенсивний розвиток техніки і технологій зробив можливим широке використання в дослідженнях швидкодіючих персональних ЕОМ, які значно розширюють можливості методів, приладів і самого дослідження.

Аналіз літературних джерел дозволив визначити напрямок, конкретизувати мету та сформулювати основні задачі дослідження. В зв`язку з вище викладеним, робота присвячена створенню комплексного методу оцінки теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу з використанням комп’ютерної техніки.

В другому розділі виконано теоретичне обґрунтування методу оцінки теплозахисних властивостей матеріалів для спецодягу.

Для пояснення фізичної сутності процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу запропонована фізична модель. Вектор градієнта температур всередині матеріалу спрямований в напрямку збільшення температури, перпендикулярно лицевій поверхні. Поперечні розміри досліджуваних матеріалів значно менші поздовжніх, теплова дія здійснюється з лицевої поверхні. В цьому випадку процес теплопередачі описується одномірним диференційним рівнянням теплопровідності. Останнє замінено кінцево–різницевим аналогом (метод неявних кінцевих елементів), при числовому вирішенні якого можливо отримати наближене рішення в кінцевій множині точок (вузлів).

Пакети з матеріалів спецодягу мають у своєму складі декілька видів матеріалів, різних за теплофізичними і фізико–механічними властивостями. Тому необхідно визначити місця розташування точок (вузлів просторової сітки) по товщині пакета, які мають відповідати таким умовам: перший вузол повинен співпадати з лицевою поверхнею матеріалу (пакета) і початком осі ОХ; наступний вузол має бути розташований на однаковій відстані (крок просторової сітки) від попереднього; останній вузол повинен співпадати з виворітною поверхнею матеріалу (пакета); крок просторової сітки обирають кратним товщині кожного з шарів матеріалів, які входять до складу пакета. Визначення місць розташування вузлів просторової сітки при математичному моделюванні, запропоновано виконувати автоматизованим способом, який полягає в розрахунку найбільшого спільного дільника товщині матеріалів, що входять до складу пакета.

В моделі (рис.1) запропоновано варіант пакета, який вміщує шари з матеріалів, що значно відрізняються за теплофізичними показниками. Тому першим шаром є метал (алюміній), інші шари пакета складають текстильні матеріали.

Математична модель процесу теплопередачі крізь матеріали являє собою систему рівнянь теплопровідності з приєднаними до них умовами однозначності:

, (1)

де – середній коефіцієнт температуропроводності, м2/с; – коефіцієнт теплопровідності i–го вузла шару пакета, Вт/(мК); – масова питома теплоємність i–го вузла шару пакета, Дж/(кгК); – об’ємна густина i–го вузла шару пакета, кг/м3; n– число вузлів просторової сітки.

Кількість рівнянь системи дорівнює числу вузлів . Індекси і означають моменти часу, яким відповідають значення температур в –му вузлі: – температура в момент часу ; – температура в момент часу .

Систему послідовно вирішують для кожного кроку часу. При цьому рішення повторюють стільки разів, скільки кроків у розрахунковому проміжку часу. Систему рівнянь (1) перетворюють у вигляд:

, (2)

де ; ; ; .

З системи (2) визначають коефіцієнти ,,і:

(3)

Тоді коефіцієнти різницевої факторизації дорівнюють:

(4)

Рівняння системи вирішують послідовно, обраховуючи коефіцієнти різницевої факторизації і з , по , .

Температури між шарами матеріалів розраховують в зворотному порядку:

. (5)

Для рішення системи рівнянь за допомогою ЕОМ розроблена програма (рис.2). Згідно з програмою, після її активізації ЕОМ відкриває файли, зчитує попередньо введені дані (блоки –1,2):

f – кількість шарів матеріалів пакета; t; Дt; Tн; матрицю фізичних характеристик (МФХ) матеріалів. Один рядок МФХ характеризує один шар матеріалу (до складу кожного рядка входять: товщина д(z); коефіцієнт теплопровідності л(z); масова питома теплоємність с(z); об’ємна густина матеріалів (z)). Кількість рядків МФХ дорівнює кількості шарів матеріалів. Далі ЕОМ розраховує загальну товщину матеріалу (блок 3); обирає найменшу товщину шару матеріалу (блок 4); виконує пошук найбільшого спільного дільника товщині всіх шарів (блок 5); розраховує мінімальну кількість вузлів (блок 6); присвоює вузлам моделі початкові температури і теплофізичні характеристики (блоки 7,8,9). В основному циклі розрахунку (блок 10,11,12,13) ЕОМ виконує покроковий розрахунок зміни температур залежно від часу дії. Результати розрахунків температур реєструються в файли на диску для подальшого використання (блок 12). Програма дозволяє розрахувати розподіл температур у вузлах пакета залежно від значень вхідних даних.

Обґрунтовані основні критерії оцінки теплозахисних властивостей матеріалів спецодягу: терміни підвищення температури на виворітній поверхні проби до значень 37 і 50С; температура на виворітній поверхні проби через 10с теплової дії; захисний індекс – відношення кількості тепла, що блоковане пробою, до кількості тепла, що діє за термін в 10 с; термін початку руйнування проби; термін кінця руйнування проби. Оцінка за допомогою перелічених критеріїв дозволяє розробити рекомендації щодо застосування матеріалів.

Для математичного моделювання процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу необхідні теплофізичні показники матеріалів. Їх визначення запропоновано виконувати в двох стадіях нагрівання проби: регулярній і стаціонарній. Коефіцієнт теплопровідності і тепловий опір запропоновано визначати в стаціонарній і регулярній стадіях експерименту, а коефіцієнт теплоємності – в регулярній стадії. Початок стаціонарної стадії експерименту встановлюють шляхом порівняння величин теплових потоків крізь допоміжні керамічні пластини, а початок і кінець регулярної стадії – за мінімальною прямолінійною ділянкою залежностей температур від часу теплової дії. Подальші розрахунки теплофізичних характеристик здійснюють за класичними формулами.

У третьому розділі розроблена структура приладу оцінки теплозахисних властивостей матеріалів (ОТЗВМ), вибраний пристрій завдання граничних умов, обґрунтовані засоби вимірювання, розроблена конструкція деталей, вузлів та приладу в цілому, визначений порядок роботи на приладі та порядок обробки результатів випробувань, створено програмне забезпечення для управління приладом.

Прилад ОТЗВМ вміщує тепловий 1 та електровимірювальний 2 блоки. До складу теплового блоку входять пристрої: завдання граничних умов 1.1, закріплення проби 1.2, кріплення перетворювачів температури і датчика руйнування 1.3 (рис.3).

Електровимірювальний блок вміщує: пристрій комутації 2.1; вимірювальний пристрій 2.2; пристрій узгодження з ЕОМ 2.3 та ЕОМ 2.4.

Складові приладу зв’язані між собою. Головною складовою електровимірювального блоку є ЕОМ, за допомогою якої і спеціального програмного забезпечення здійснюють керування всіма складовими приладу.

Пристрої закріплення проби, кріплення датчика руйнування і перетворювачів температури конструктивно об’єднані (рис.4).

Пробу 1 розміщують в отворі кронштейна 2 і закріплюють кільцем 3 за допомогою фіксаторів 4. На притис-кувальному кільці 3 закріплений датчик руйнування проби 1. Він складається з щупа навантаження 9, важеля щупа навантаження 10, упорної гайки щупа навантаження 11 та мікровимикача 12. Пристрій закріплення перетворювачів температури має чотири перетворювача 7. Теплову дію здійснюють з лицевої поверхні проби.

Автоматичне управління та контроль за роботою приладу здійснюють за допомогою ЕОМ. Пристрій комутації 2.1 здійснює послідовну комутацію перетворювачів температури з вимірювальним пристроєм 2.2. Для вимірювання температур використаний стандартний прилад А565–002–02. Узгодження роботи теплового та електровимірювального блоків з ЕОМ 2.4 виконує пристрій узгодження 2.3.

Керування блоками приладу OТЗВМ, реєстрацію та обробку даних виконують із застосування спеціального програмного забезпечення (ПЗ). До його складу входять: допоміжні, тестові, обробляючі, керуюча програми та програма теплової дії (рис.5).

Ієрархічно–модульний спосіб організації дозволяє змінювати або доповнювати окремі складові ПЗ, зберігаючи інші незмінними. Для підвищення гнучкості ПЗ приладу всі програми розроблені такими, що можуть виконуватись незалежно одна від одної. Зазначені програми активізують керуючою програмою (КП).

Тестове ПЗ необхідне для перевірки працездатності окремих пристроїв і тарування термопар. Допоміжне ПЗ забезпечує введення вхідних даних програми теплової дії і їх корегування. До його складу входять програми “Ввод данных” та “Просмотр и редактирование данных”.

Програма “Тепловое воздействие” призначена для забезпечення роботи приладу OТЗВМ в процесі проведення досліду. Розробка програми виконана на основі укрупненого алгоритму (УА) (рис.6).

Після активізації програми ЕОМ зчитує попередньо введені вхідні дані (ім’я файла результатів, загальний термін дії та програму дії) і виконує управління приладом згідно УА.

Результатом роботи є зареєстровані в файлі результати експерименту.

Для обробки даних автором розроблено спеціальне ПЗ. До його складу входять програми: визначення критеріїв оцінки теплозахисних властивостей матеріалів; визначення теплофізичних характери-стик матеріалів.

За програмою “Критерии оценки теплозащитных свойств” (рис.7) ЕОМ зчитує дані експерименту і послідовно визначає: 1 – термін підвищення температури на виворітній поверхні проби до значення 37 С; 2 – термін підвищення температури на виворітній поверхні проби до значення 50 С; t1 – підвищення температури на виворітній поверхні проби за наперед визначений термін дії – 10 с; Iзах – захисний індекс за термін 10 с, %; 3 термін початку руйнування проби, с; 4 – термін кінця руйнування проби, с. Результатом роботи програми є критерії оцінки теплозахисних властивостей матеріалів.

Програма визначення теплофізичних характеристик матеріалів вміщує дві підпрограми, призначені для обробки даних в регулярний або стаціонарній стадіях експерименту (рис.8).

За програмою “Расчет теплофизических характери–стик” ЕОМ виконує аналіз матриці даних, знаходить початок і кінець даних відповідної стадії експерименту і виконує їх обробку. Надалі ЕОМ послідовно розраховує теплофізичні показники матеріалу, отримані у відповідній стадії.

Для дослідження обрані матеріали, які можуть бути використані при виготовленні теплозахисного одягу.

Матеріали відрізняються один від одного своїм сировинним складом, видом покриття, товщиною, поверхневою густиною та іншими фізико–механічними властивостями. Залежно від способу виготовлення, механічних властивостей, області використання в спецодязі, матеріали поділені на основні, які використовують для виготовлення деталей і вузлів зовнішніх шарів одягу, та прокладочні. Фізико–механічні характеристики матеріалів (поверхнева густина, товщина, розривальне навантаження, розривальне подовження, жорсткість) визначені за стандартними методиками (табл.1).

Розрахунки показали, що для отримання результату із середнім значенням гарантійної помилки до 5 % і довірчою імовірністю 0,95 на приладі OТЗВМ достатньо провести по кожному виду матеріалу 4 експериментальних випробування. Для статистичного аналізу результатів експерименту передбачено: визначати похибки окремих дослідів, перевірку однорідності дисперсій; визначати коефіцієнти рівнянь регресії та адекватність отриманих рівнянь, а також кореляційні відношення.

Таблиця 1

Характеристика технологічних та фізико–механічних властивостей досліджуваних матеріалів

Назва матеріалу, артикул | Природа

матеріалу | Природа

покриття, вид

опорядження | Товщина, мм | Поверхнева

густина, г/м2 | Розривальне

навантаження,

даН | Розривальне

подовження,

% | Жорсткість, мкНсм2

позд. | попер | позд. | попер | позд. | попер

Основні матеріали

Парусина брезентова, арт.11119 | Льон 92; лавсан 8 | Вогнезахисне просочування | 0,82 | 610 | 85 | 60 | 40 | 43 | 36520 | 12692

Парусина напівлляна, арт.11201 | Льон 52; бавовна 48 | Вогнезахисне просочування | 0,92 | 630 | 71 | 63 | 38 | 39 | 28432 | 20780

Сукно сірошинельне, арт.6425 | Вовна | Без покриття | 1,44 | 540 | 33 | 26 | 38 | 42 | 90000 | 4660

Сукно, арт. 6426 | Вовна | Без покриття | 2,35 | 745 | 33 | 32 | 45 | 70 | 10780 | 8590

Тканина, арт.3246 | Вовна 60; фенілон 40 | Без покриття | 1,24 | 495 | 68 | 65 | 49 | 43 | 2930 | 1800

Полотно термостійке | Kevlar | Без покриття | 0,29 | 150 | 26 | 35 | 25 | 20 | 4690 | 4840

Саржа для одягу пожежних ТСТ–2 | Nomex | Без покриття | 0,43 | 230 | 75 | 67 | 58 | 62 | 8630 | 7980

Металізовані матеріали

Тканина лляна металізована | Льон | Алюміній | 0,55 | 375 | 30 | 32 | 18 | 20 | 33960 | 18395

Тканина фенілонова металізована | Фенілон | Алюміній | 0,42 | 285 | 37 | 37 | 18 | 32 | 52560 | 18340

Прокладочні матеріали

НУМ | Вуглець | Без покриття | 2,25 | 235 | 1 | 1 | 20 | 20 | 16818 | 14720

Випробування проводили при температурах джерела: 400, 500, 600, 700, 800оС, термін випробування складав 1500 с. Для цього проби матеріалів з лицевої поверхні нагрівали за допомогою джерела теплової енергії (що розташоване на відстані 10 мм від проби).

В результаті випробувань отримані масиви даних щодо розподілу температур в залежності від терміну теплової дії різної інтенсивності: на лицевій, виворітній поверхнях матеріалів і на керамічних пластинах.

У четвертому розділі визначені теплофізичні характеристики матеріалів. Для аналізу теплофізичних характеристик всі матеріали поділені на групи за сировинним складом. Отримані дані характеризують матеріали при різних значеннях середньої температури проб.

Обґрунтовано, що для виконання розрахунків за допомогою моделі, яка запропонована в другому розділі, необхідно знати, як залежно від середньої температури змінюються теплофізичні характеристики матеріалів.

Встановлені залежності коефіцієнтів теплопровідності від середньої температури матеріалів. З’ясовано, що не відбувається стрімкого зростання коефіцієнтів теплопровідності після наскрізного руйнування матеріалів (рис.9).

На рисунку залежності коефіцієнтів теплопровідності після термодеструкції позначено пунктиром.

Виявлено, що апроксимацію цієї теплофізичної характеристики до і після термодеструкції можна з достатньою точністю описати рівняннями першого ступеня, коефіцієнти регресії в яких залежать від виду матеріалу:

- парусина брезентова, арт.11119: | l(tср ) = 0,0871 + 0,0000157·tср; | - парусина напівлляна, арт.11201: | l(tср ) = 0,0837 + 0,0000179·tср; | - тканина лляна металізована: | l(tср ) = 0,0913 – 0,0000269·tср. |

Визначені залежності теплового опору від середньої температури матеріалів, які з достатньою точністю апроксимують поліном другого ступеня, коефіцієнти регресії в яких залежать від виду матеріалу:

- парусина брезентова, арт.11119: | R(tср ) = 0,0095–0,0000021·tср +3,81·10–10·tср2;

- парусина напівлляна, арт.11201: | R(tср ) = 0,0110–0,0000016·tср +2,01·10–10·tср2;

- тканина лляна металізована: | R(tср ) = 0,0063+0,0000003·tср+1,74·10–11·tср2;

- сукно сіро–шинельне, арт.6425: | R(tср ) = 0,0305–0,0000572·tср+4,78·10–8·tср2;

- сукно, арт. 6426: | R(tср ) = 0,0480–0,0000915·tср+8,04·10–8·tср2;

- тканина, арт.3246: | R(tср ) = 0,0227–0,0000156·tср+7,26·10–9·tср2;

- тканина фенілонова металізов.: | R(tср ) = 0,0046+0,0000001·tср+2,01·10–12·tср2;

- полотно термостійке: | R(tср ) = 0,0032–0,0000007·tср+1,32·10–10·tср2;

- ТСТ–2 з волокон “Nomex”: | R(tср ) = 0,0077–0,0000002·tср+4,18·10–12·tср2;

- НУМ: | R(tср ) = 0,0697–0,0000155·tср+1,66·10–9·tср2,

Тепловий опір вовняних тканин зменшується із зростанням температури.

У синтетичних матеріалів тепловий опір менше залежить від температури (рис.10). Тепловий опір металізованих матеріалів має стабільні значення незалежно від температури проби. Встановлено, що найвищий тепловий опір мають: нетканий вуглецевий матеріал НУМ; тканина арт.3246; тканина фенілонова металізована.

З’ясовані залежності питомої теплоємності від температури матеріалів.

Виявлено, що теплоємність синтетичних матеріалів з ростом температури практично не змінюється, у металізованих ASDматеріалах спостерігається зменшення теплоємності (від 8 до 13%), теплоємність натуральних матеріалів зростає в залежності від природи матеріалу від 1 до 11%.

У п’ятому розділі досліджені теплозахисні властивості спеціальних матеріалів, розроблені рекомендацій щодо їх використання .

Встановлено, що залежності температури руйнування та температури на лицевій поверхні матеріалів від температури джерела теплової енергії описують рівняннями регресії першого ступеня, а терміну руйнування – рівняннями другого ступеня. Матеріали НУМ, тканина фенілонова металізована, саржа ТСТ–2 з волокон “Nomex”, тканина (арт.3246) – витримують дію джерела теплової енергії з температурою від 400 до 800 0С без руйнування не менше 1500 с. Інші з досліджуваних матеріалів можуть бути використані з певними обмеженнями. Термін теплової дії не повинен перевищувати часу до початку руйнування лицевої поверхні проби. В результаті обробки експериментальних даних з’ясовано, що додатній або від’ємний приріст температури наскрізного руйнування не перевищує 5% від її абсолютної величини.

Показники терміну теплової дії, при якому можлива робота матеріалу без руйнування, мають закономірності, близькі до показників терміну наскрізного руйнування проби матеріалів.

Терміни досягнення температури 37 і 50 0С на виворітній поверхні, згідно з Європейським стандартом ЄN 367, є найважливішими характеристиками матеріалу при перевірці його теплозахисних властивостей. Залежності термінів досягнення температур 37 і 50 0С на виворітній поверхні проб від температури джерела описують рівняння другого ступеня, коефіцієнти регресії в яких залежать від виду матеріалу.

Стандарт ЄN 367 передбачає, як одну з характеристик теплозахисних властивостей використовувати різницю часу досягнення температур 37 і 50 0С на виворітній поверхні проб (рис.11).

Залежності різниці часу досягнення температур 37 і 50 0С на виворітній поверхні проб від температури джерела теплової дії можна описати рівняннями другого ступеня:

- парусина брезентова, арт.11119: | t(tд ) = 83,926 – 0,168·tд+ 0,00010·tд2;

- парусина напівлляна, арт.11201: | t(tд ) = 69,280 – 0,125·tд+ 0,00007·tд2;

- тканина лляна металізована: | t(tд ) = 108,840 – 0,206·tд+ 0,00012·tд2;

- сукно сіро–шинельне, арт.6425: | t(tд ) = 144,794 – 0,239·tд+ 0,00014·tд2;

- сукно, арт. 6426: | t(tд ) = 102,329 – 0,184·tд+ 0,00011·tд2;

- тканина, арт.3246: | t(tд ) = 42,094 – 0,062·tд+ 0,00004·tд2;

- тканина фенілонова металізована: | t(tд ) = 81,586 – 0,155·tд+ 0,00009·tд2;

- полотно термостійке: | t(tд ) = 112,348 – 0,239·tд+ 0,00013·tд2;

- ТСТ–2 з волокон “Nomex”: | t(tд ) = 65,614 – 0,134·tд+ 0,00008·tд2;

- НУМ: | t(tд ) = 55,417 – 0,112·tд+ 0,00009t2·tд2;

Дослідження показали, що в перші 10 с від початку теплової дії більшість тепла витрачається на нагрівання матеріалів. Тому температура на внутрішній поверхні проби збільшується повільно.

Загальним для всіх матеріалів є зниження захисного індексу і з зростанням температури джерела теплової енергії. Характер зміни цього показника залежно від температури джерела теплової енергії описує рівняння регресії другого ступеня. Різниця в абсолютних значеннях показників захисного індексу незначна і знаходиться в межах 2,2 % від загальної кількості тепла, що діє на матеріали. Цей критерій, розрахований на період часу 10 с, змінюється в інтервалі від 97,5 % для матеріалу типу Kevlar до 99,7 % у тканини (арт.6426).

Оцінювання, яке проведене за допомогою перелічених критеріїв і теплофізичних характеристик, дозволяє розробити необхідні рекомендації по застосування матеріалів.

Рекомендації що до використання матеріалів можливо виконати шляхом узагальнення результатів порівняльного аналізу досліджень з допомогою найбільш важливих характеристик властивостей матеріалів (табл.2) (температура джерела 800 0С). В табл. 2 характеристики матеріалів, які руйнуються, представлені на сірому фоні.

Таблиця 2

Узагальнена характеристика термостійких властивостей матеріалів

Назва характеристики | Назва матеріалу, артикул

Парусина брезентова, арт.11119 | Парусина напівлляна, арт.11201 | Тканина лляна металізована | Сукно сірошинельне, арт.6425 | Сукно, арт.6426 | Тканина арт.3246 | Тканина фенілонова металізована | Полотно термостійке з волокон “Kevlar” | ТСТ–2 з волокон “Nomex” | НУМ

Температура в момент наскрізного руйнування проби або після 1500с теплової дії, 0С | 305,2 | 295,9 | 240,3 | 180,8 | 224,6 | 396 | 366 | 231,5 | 406 | 325

Термін наскрізного руйнування проби, с | 320 | 307,3 | 291 | 200 | 191 | 1500 | 1500 | 80 | 1500 | 1500

Термін до початку руйнування лицевої поверхні проби, с | 216 | 178,3 | 184,3 | 60 | 50,5 | 1500 | 1500 | 46,8 | 1500 | 1500

Термін досягнення температури 370С на виворітній поверхні проб матеріалів, с | 16,8 | 19,0 | 42,3 | 30,3 | 64,3 | 22,3 | 26,0 | 6,3 | 8,8 | 29,8

Терміни досягнення температури 500С на виворітній поверхні проб матеріалів, с | 28,3 | 30,3 | 60,0 | 42,5 | 88,0 | 40,0 | 42,0 | 8,5 | 17,3 | 52,5

Таким чином, можна рекомендувати використовувати досліджувані матеріали для захисту людини протягом часу, зазначеного в таблиці 2 (величина теплового потоку не більша 80 кВт/м2, що відповідає температурі джерела 786 0С). Кращі теплозахисні властивості має сукно (арт.6426), а з матеріалів, що не руйнуються при тепловій дії 800 0С – НУМ, тканина арт.3246 і тканина фенілонова металізована. Отримані масиви даних теплофізичних та теплозахисних характеристик властивостей матеріалів можна використовувати при створенні теплозахисного одягу.

Процес теплопередачі крізь матеріали спецодягу може бути досліджений шляхом математичного моделювання. Математичне моделювання дозволяє виконати: оптимізацію складу пакета спецодягу; апроксимацію або екстраполяцію температурних залежностей матеріалів з відомими теплофізичними показниками і отримати необхідні дані (про розподіл температур на поверхнях матеріалів або пакетів) без проведення додаткових досліджень при мінімальних витратах часу і коштів. За допомогою програми математичної моделі процесу теплопередачі можливо виконати моделювання процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу, які вміщують декілька різних за своїми теплофізичними властивостями шарів матеріалів.

Графічна модель температурного поля пакета, який складається з трьох шарів матеріалів: шару металу (алюміній); тканини лляної; НУМ, дозволяє наглядно побачити розподіл температур в пакеті матеріалів (рис.15).

Рис. 12. Графічна модель температурного поля пакета матеріалів

З рисунку 15 видно що шар металізації практично не знижує температуру (зниження температури складає 0,0003 0С в стадії стаціонарного режиму). Це пов’язано з великим коефіцієнтом теплопровідності алюмінію і малою товщиною шару металу (0,06 мм). Наступний шар (тканина лляна) знижує температуру на 6,06 0С, однак, найбільше зниження температури (на 64,53 0С) дії здійснює третій шар пакета (стаціонарний режим). Модель перевірена за допомогою пакета матеріалів, до складу якого входять тканина лляна металізована і НУМ. При порівнянні значень температури на виворітній поверхні пакета максимальне відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищує 4,89 %; середнє відхилення складає 3,76 %; кореляційне співвідношення залежностей – 0,953. Результати перевірки моделювання процесу теплопередачі крізь досліджувані матеріали дозволили зробити висновок про те, що кореляційне співвідношення розрахункових залежностей температур та експериментальних даних складає не менше 0,944 при достовірності результатів 95%.

Результати досліджень і прилад ОТЗВМ впроваджені в навчальний процес Хмельницького державного університету і в науково–дослідний лабораторії Львівського інституту пожежної безпеки МНС України.

ВИСНОВКИ

1. В процесі розробки комплексного методу, який дозволяє виконати оцінку теплозахисних властивостей матеріалів, вирішені три групи питань. Перша група об'єднує питання, пов'язані з створенням теоретично–методичних основ методу. При розв’язанні питань другої групи розроблений прилад, обґрунтовані засоби вимірювання, розроблена конструкція деталей та вузлів приладу. При вирішенні питань третьої групи визначений: порядок роботи на приладі і обробки результатів випробувань; створено програмне забезпечення.

2. Доопрацьована чисельна математична модель процесу теплопередачі крізь матеріали спецодягу, при завданні законів зміни температур на лицевій і виворітній поверхнях матеріалу або пакета, створена на основі рівняння Фур’є, яка представляє собою систему рівнянь з приєднаними до них умовами однозначності. Модель дозволяє автоматизовано визначити кількість рівнянь в системі, місця розташування вузлів просторової сітки та розрахувати температури в них в будь–який момент теплової дії, залежно від кількості шарів матеріалів, їх товщини і сировинного складу.

3. Розроблено комплексний метод, який дозволяє виконати оцінку теплозахисних властивостей матеріалів на основі визначення їх ефективних теплофізичних і теплозахисних характеристик і прилад ОТЗВМ для його реалізації (деклараційний патент України на винахід № 2000127064 від 15.06.2001). Розроблено спеціальне програмне забезпечення методу з урахуванням мети дослідження і яке вміщує програми: керуючу, теплової дії, допоміжні, тестові, обробляючі. Ієрархічно–модульний спосіб організації дозволяє змінювати або доповнювати окремі складові ПЗ, що, дозволяє його удосконалювати.

4. У процесі дослідження теплозахисних властивостей з’ясовано, що не відбувається різкої зміни коефіцієнтів теплопровідності в момент руйнування матеріалів для спецодягу. Тепловий опір матеріалів зменшується з ростом температури від 3 % в парусини брезентової до 13 % в сукна арт.6426, у металізованих матеріалів він збільшується на 5 %. Теплоємність синтетичних матеріалів з ростом температури практично не змінюється, у металізованих матеріалів спостерігається зменшення теплоємності (від 8 до 13 %), теплоємність натуральних матеріалів зростає залежно від природи матеріалу від 1 до 11%. Встановлені залежності коефіцієнтів теплопровідності, питомої теплоємності, теплового опору від температури. Коефіцієнти рівнянь регресії залежать від виду матеріалу.

5. З’ясовано, що: матеріали з підвищенням температури джерела теплової енергії зберігають тенденцію незначного зростання температури руйнування; синтетичні матеріали мають більш високу швидкість зростання температури на виворітній поверхні проби; в нестаціонарній стадії нагрівання у матеріалів з низькою теплопровідністю товщина слабко впливає на швидкість зростання температури на виворітній поверхні проби. Встановлені залежності: температури руйнування; термінів початку та кінця руйнування проби; термінів підвищення температури на виворітній поверхні проб до значень 37 і 50 С; підвищення температури на виворітній поверхні проби через 10 с теплової дії; захисний індекс від температури джерела теплової енергії. Визначені коефіцієнти рівнянь регресії, які залежать від виду матеріалів.

6. В результаті дослідження матеріалів за характеристиками термостійкості встановлено, що матеріали НУМ, тканина фенілонова металізована, саржа для бойового одягу пожежних ТСТ–2 з волокон “Nomex”, а також шерсть–фенілонова тканина (арт.3246) при дії джерела теплової енергії з температурою від 400 до 800 0С можуть працювати без руйнування не менше 1500 с. Інші з досліджуваних матеріалів при дії теплової енергії зазначеної інтенсивності можуть бути використані з певними обмеженнями. Термін теплової дії зазначеної інтенсивності не повинен перевищувати часу, протягом якого матеріали витримують теплову дію до початку руйнування лицевої поверхні проби.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Троян О.М., Засорнов О.С., Сарана О.М. Вивчення впливу теплового випромінювання на механічні властивості матеріалів // Вісник Технологічного університету Поділля. – 1998. – № 4. Ч.1.– С. 33–35.

2. Сарана О.М., Засорнов О.С. Класифікація методів визначення термостійких властивостей матеріалів // Вісник Технологічного університету Поділля. – 1998. – № 4. Ч.2.– С. 122–123.

3. Засорнов О.С., Сарана О.М. Методичні аспекти розробки установки для дослідження термозахисних властивостей матеріалів для спецодягу // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1999. – № 3. – С. 161–163.

4. Засорнов О.С., Сарана О.М., Мичко А.А. Розробка установки для дослідження термозахисних властивостей матеріалів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1999. – № 4. – С. 139–141.

5. Троян О.М., Сарана О.М., Засорнов О.С. Визначення оптимального складу пакета матеріалів при проектуванні термозахисного спецодягу // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2000. – № 3. Ч.2.– С. 86–89.

6. Пат. 39669 Україна, МПК G01N3/18 Спосіб оцінки термостійкості матеріалів / О.М.Сарана, О.С.Засорнов, О.М.Троян, А.А.Мичко. – №2000127064; Заявл. 08.12.2000; Опубл. 15.06.2001; Бюл. №5.

7. Пат. 40386А Україна, МПК G01N3/18 Установка для оцінки термозахисних властивостей матеріалів при дії теплових випромінювань / О.С.Засорнов, О.М.Сарана, О.М.Троян, А.А.Мичко. – №2000127586; Заявл. 27.12.2000; Опубл. 16.07.2001; Бюл. №6.

8. Сарана А.Н., Засорнов А.С., Троян А.М., Мычко А.А. Способ оценки термостойкости материалов // Информационный листок Министерство образования и науки Украины УкрИНТЭИ, – Хмельницкий: ЦНТЭИ, 2002. № 10–02. – 4 с.

9. Сарана А.Н., Засорнов А.С., Троян А.М., Мычко А.А. Установка для оценки теплозащитных материалов при действии тепловых излучений // Информационный листок Министерство образования и науки Украины УкрИНТЭИ, – Хмельницкий: ЦНТЭИ, 2002. № 09–02. – 4 с.

10. Засорнов О.С., Сарана О.М. Разработка установки ТСМ–МС для оценки термозащитных свойств материалов при многоцикловом воздействии высоких температур // Якість і конкурентна здатність товарів широкого вжитку: Наукові праці учасників науково–технічної конференції країн СНД: Тези допов. наук.–практ. конф. – Хмельницький: ТУП. – 1993. – С. 104–106.

11. Сарана А.Н., Засорнов А.С., Укрупненный алгоритм оценки термозащитных свойств специальных материалов // Наукові основи сучасних прогресивних технологій: Тези допов. наук.–техн. конф. – Хмельницький: ТУП. – 1994. – С. 20.

12. Засорнов А.С., Сарана А.Н., Троян А.М. Определение энергии разрушения единицы массы материала // Наукові основи сучасних прогресивних технологій: Тези допов. наук.–техн. конф. – Хмельницький: ТУП. – 1994. – С. 24.

13. Засорнов А.С., Троян А.М., Сарана А.Н. Универсальная установка контроля температурных параметров КТП–1 // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва: Тези допов. наук.–техніч. конф. – Хмельницкий: ТУП. – 1995. – С. 55–56.

14. Засорнов А.С., Сарана А.Н. Оценка термозащитних свойств материалов при многоцикловых испытаниях // Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільского регіону: Тези допов. наук.–практ. конф. – Хмельницький: ТУП. – 1995. – С. 394–395.

15. Засорнов О.С. Розробка приладу