КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

СУПРУН НАТАЛІЯ ПЕТРІВНА

УДК 687.03(075.8)

НАУКОВІ ОСНОВИ ВИЗНАЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПАКЕТІВ БАР’ЄРНОГО ОДЯГУ З УРАХУВАННЯМ ОСОБЛИВОСТЕЙ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

Спеціальність

05.02.01 “Матеріалознавство”

АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТАЦІЇ

на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ–2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор

Метковський Юзеф Леонович,

Київський національний університет технологій

та дизайну, професор кафедри фізики

Офіційні опоненти:

-

-

-

Провідна установа: Хмельницький національний університет Міністерства

освіти і науки України (м. Хмельницький)

Захист відбудеться 31.05.2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.03 в Київському національному університеті технологій та дизайну (КНУТД) за адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КНУТД за адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розісланий 30.04.2006р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Первая Н.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вихід України на світовий ринок неможливий без дотримання умови випуску товарів та надання послуг згідно існуючих світових стандартів. Особливо це відноситься до таких галузей виробництва, як електронна, фармацевтична та харчова, а також медицини. Саме в цих галузях широко використовуються чисті технології, які здійснюються в чистих приміщеннях з регламентованим рівнем концентрації аерозольних часток у повітрі. Для роботи в умовах чистих приміщень жорсткі вимоги пред’являються до припустимого рівня викиду з підодягового простору в оточуюче середовище продуктів життєдіяльності організму людини, що викликає необхідність використання спеціального одягу. Основною функцією такого одягу є бар’єрна, що забезпечує захист технологічного середовища і продукту, який виробляється, від забруднень. Такий одяг, який складається, як правило, з декількох шарів матеріалів, створюючи пакет, називається бар’єрним.

Визначення оптимально-можливого сполучення захисних властивостей бар’єрного одягу і характеристик, що забезпечують достатню комфортність його експлуатації протягом періоду робочого часу, є актуальною задачею. У її рамках потрібне вирішення питання про способи найбільш раціонального компонування матеріалів у пакет, тобто, визначення числа і виду його окремих шарів з необхідними властивостями, застосування яких би відповідало основним вимогам до бар’єрного одягу. Тому розробка адекватних моделей пакетів бар’єрного одягу, які описують процеси тепломасообміну, що протікають в таких комбінованих пористих структурах, є надзвичайно важливою.

Незважаючи на безсумнівну актуальність задачі моделювання властивостей пакетів бар’єрного одягу, у вітчизняній і зарубіжній літературі практично відсутні роботи з комплексним підходом до даної теми. При побудові моделі процесів тепломасообміну в пористих середовищах автори не завжди приділяють належну увагу питанню перевірки теоретичних передбачень, отриманих для моделі, на реальних текстильних матеріалах в реальних умовах їхньої експлуатації. Дана робота виконана з метою заповнити наявний розрив між теоретичним моделюванням динамічних процесів переносу вологи і вологого повітря в текстильних пористих середовищах і потребами в обгрунтованих рекомендаціях з питань формування складу пакетів бар’єрного одягу. Для досягнення цієї мети результати розроблених теоретичних моделей доповнені експериментальними дослідженнями, проведеними на реальних зразках пакетів. Цей шлях дозволяє не тільки одержати об'єктивні дані про реальні властивості пакету матеріалів, але і вказати можливі напрямки варіювання зазначених властивостей із метою пошуку оптимального сполучення бар'єрної функції і вимог комфортності бар’єрного одягу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до напряму №1 науково-дослідної роботи Київського національного університету технологій та дизайну (КНУТД) “Нові наукомісткі технології виробництва матеріалів, виробів широкого вжитку та спеціального призначення”; відповідно до перспективних планів науково-дослідної роботи кафедри матеріалознавства та технології переробки текстильних волокон КНУТД; у рамках науково-дослідних робіт “Теоретичні основи та розробка екологічно чистих захисних текстильних матеріалів та виробів медичного призначення” (держбюджетна тематика 6.18 ДБ відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України, номер ДР 0100 U 003057, 2000–2002р.); “Розробка та організація виробництва медичних текстильних матеріалів та виробів для охорони здоров’я та безпеки праці персоналу в медичних установах, ветеринарних та комунальних службах” (госпдоговірна тематика 438 ГБ між КНУТД та Головним управлінням охорони здоров’я м. Києва, номер ДР 0101 U 001790 (2000-2003 рр.); “Теоретичні основи створення поліфункціональних біотекстильних матеріалів та виробів на їх основі” (держбюджетна тематика 6.25 ДБ відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України, номер ДР 0103 U 000850, 2003–2005 рр.); “Теоретичні засади і експериментальні дослідження створення комфортного бар’єрного одягу різного функціонального призначення” (держбюджетна тематика 16.07.03 ДБ відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України, номер ДР 0105 U 002386, 2005–2007 рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка науково обгрунтованих критеріїв визначення властивостей пакетів матеріалів, в яких кожен шар спеціалізовано за своїми функціями, для забезпечення необхідних функціональних вимог та комфортності бар’єрного одягу.

Для досягнення поставленої мети було визначено і вирішено такі задачі:

–

–

–

–

–

–

Об’єктом дослідження є пакети матеріалів, кожен з яких виконує певні функції і має відповідні властивості, для бар’єрного одягу чистих приміщень.

Предметом дослідження є наукові основи визначення властивостей пакетів бар’єрного одягу з урахуванням особливостей експлуатації.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії тепломасоперенесення, теорії математичного моделювання нерівноважних процесів, теорії фільтрації газу і рідин через пористі середовища, а також на основних положеннях матеріалознавства швейних виробів та конфекціювання матеріалів. Експериментальні дослідження впливу складу пакетів бар’єрного одягу на їх властивості проводилися в лабораторних умовах і на реальних виробництвах.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Новизна отриманих результатів підтверджується 6 патентами на винаходи.

Практичне значення одержаних результатів:

-

-

-

-

-

-

Практична цінність розроблених методів прогнозування та оцінки гігієнічних властивостей бар’єрного одягу підтверджена двома патентами на спосіб оцінки мікроклімату та спосіб оцінки комфортності. Результати досліджень впроваджено в навчальний процес та використовуються при виконанні науково-дослідних робіт.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці теми та задач дисертаційної роботи, вирішенні основних теоретичних та експериментальних завдань. Розвинуто наукові основи визначення властивостей пакетів бар’єрного одягу з урахуванням особливостей експлуатації. Авторові належать основні ідеї опублікованих праць, отриманих патентів, а також аналіз та узагальнення результатів роботи.

Апробація дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на наукових конференціях професорсько – викладацького складу КНУТД (1998–2005 рр.); засіданнях кафедри матеріалознавства та технології переробки текстильних волокон (1998–2005 рр.); міжнародній конференції “Химволокна–2000” (м. Тверь, Росія, 2000 р.); межвузівській науково – технічній конференції “Современные проблемы текстильной и легкой промышленности” (м. Москва, Росія, 2000р.); 4-ому міжнародному симпозіумі “EL-TEX 2000” (м. Лодзь, Польща, 2000 р.); 1-й міжнародній конференції “International Textile, Clothing and Design” (м. Дубровнік, Хорватія, 2000р.); міжнародних конференціях “Texsci-2003”, “Texsci-2005” (м. Либерець, Чехія); міжнародній конференції “Волокнистые материалы – XXI век”, (м. Санкт-Петербург, Росія, 2005р.); 12-й та 13-й міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” СІЕТ–2002, СІЕТ–2003 (Україна); 12-й міжнародній конференції “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (м. Севастополь – м. Москва, Росія, 2002р.); ІІ-й міжнародній науково-технічній конференції “Материаловедение – 2002. Актуальные проблемы создания и использования новых материалов и оценки их качества” (м. Черкізово: Росія, 2002); міжнародній науково-практичній конференції “Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности” ПРОГРЕСС – 2002, ПРОГРЕСС – 2005, (м. Іваново, Росія); Українсько-Польській науковій конференції “Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва” (м. Хмельницькій, Україна, 2003); ювілейній міжнародній конференції “Інноваційні технології – майбутнє України” (м. Київ, Україна, 2005р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 53 роботи, з яких 33 – статті в фахових журналах, 1– навчальний посібник, 3 галузевих стандарти, 6 патентів України, 10 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку. Дисертацію подано на 308 сторінках друкованого тексту, із них 55 ілюстрацій, 53 таблиці, 262 літературних джерела на 22 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 317 сторінок, включаючи додаток на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, поставлено мету та сформульовано завдання досліджень, показано наукову новизну і практичне значення роботи.

Перший розділ присвячено огляду та детальному аналізу вітчизняної і зарубіжної літератури, за якими вивчено стан питань, що відносяться до теми. Огляд здійснювався системно, відповідно до цілі і задач дослідження з наступних питань: визначення умов функціонування чистих приміщень, основні вимоги до бар’єрного одягу та його роль в системі “оточуюче чисте середовище – бар’єрний одяг – людина”, аналіз особливостей тепло–масообміну, які впливають на забезпечення комфортності бар’єрного одягу, огляд сучасних методів оцінки комфортності, аналіз існуючих моделей пористої структури текстильних матеріалів та адекватності описання за їх допомогою процесів масо- і теплопереносу. Проведений огляд дає підстави прийти до висновку щодо відсутності комплексного підходу до проблеми вивчення властивостей пакетів бар’єрного одягу, а також відсутності адекватних динамічних моделей переносу сухого і вологого повітря, спроможних вирішити зазначену проблему. Основними недоліками більшості запропонованих моделей можна вважати зайве спрощене уявлення про геометричну структуру багатошарових пакетів тканин і процесів тепломасообміну, а також відсутність чітких рекомендацій із системою визначальних параметрів, які дозволяють використовувати модельні результати при вивченні властивостей реальних пакетів. Крім того, експериментальне моделювання, найчастіше, обмежується розглядом одношарових текстильних матеріалів із наступним використанням відомих, але не завжди адекватних співвідношень, за допомогою яких прогнозуються властивості пакетів. При вивченні пакетів одягу не приділялося належної уваги урахуванню буферного впливу повітряних прошарків між окремими шарами матеріалів на властивості пакета, у цілому. Дослідження на реальних текстильних матеріалах і їх пакетах, зазвичай, проводяться для вивчення певних специфічних задач, що не вирішують взаємозалежну проблему забезпечення прийнятного рівня комфортності бар’єрного одягу і виконання ним захисних функцій.

В другому розділі розвита динамічна модель ізотермічної фільтрації повітря малої відносної вологості через матрицю трьох пористих плоско –паралельних шарів товщиною: l1 (білизна), l2 (проміжний шар), l3 (зовнішній шар), розділених двома внутрішніми повітряними прошарками товщиною: l12 і l23 при наявності двох зовнішніх повітряних прошарків: l01 (мікрокліматичного, тобто між шкірою людини і білизною) і l3В (зовнішнього, тобто того, що контактує з оточуючим середовищем чистого приміщення). Загальна товщина пакета l , таким чином, вважається рівною:

, (1)

У роботі також використовується модель двох плоско–паралельних шарів:

, (2)

у тих випадках, коли задачею було з'ясовування ролі проміжного шару в пакетах типу (1). Порівняння властивостей пакетів (1) і (2) при однакових умовах дозволяє одержати корисну інформацію про зазначену роль і про її вплив на властивості одягу для чистих приміщень, у цілому.

Порівняно невеликий перепад температур між температурою тіла людини Т0 310 К і повітрям чистого приміщення: Тв 295 К робить основне допущення моделі ізотермічної (при Т0>Т=const>Тв) фільтрації прийнятним у тих ситуаціях, коли відносна вологість повітря у приміщенні підтримується на рівні 40% або менше того. Це також істотно спрощує модель переносу повітря через комбіноване пористе середовище, виключаючи із системи рівнянь балансу рівняння для внутрішньої енергії і ентропії. Звідси, у моделі ізотермічної фільтрації розглядалася система, яка складається з одномірного, в напрямку, перпендикулярному до зовнішніх площин, рівняння руху, рівняння суцільності і рівняння стану, у якому відносна вологість була параметром.

Виконаний у рамках даного підходу аналіз призводить до важливого висновку про можливу невідповідність часто застосовуваної моделі ламінарної фільтрації, яка базується на лінійному законі Дарсі:

, (3)

де: Iv м3/с – дійсна об’ємна витрата; А м2 – площа шарів; m – повна пористість; К м2 – проникність пористого середовища; м2/с – кінематична в’язкість флюїду; кг/мс – динамічна в’язкість флюїду; Р=(Р2 - Р1), Н/м2 –перепад тиску при фільтрації, який виникає за рахунок того, що в підодяговому просторі в результаті випарування поту з поверхні тіла утворюється волога, і додається парціальний тиск цієї вологи до атмосферного

реальному механізму переносу навіть при порівняно великих градієнтах тиску фільтрації (Р/l) і відповідних швидкостях фільтрації uф:

, (4)

де uф і u м/с, відповідно, ефективна (4) і реальна (u > uф) середня швидкість протікання флюїду в порах. Виключення із (3, 4) площі А призводить до локальної форми закону:

, (5)

віднесеної до одиниці площі пакета. У роботі показано, що жодна з характеристик, які входять у вираз для ефективної провідності пакета з n шарів однакової товщини l0:

, (6)

не може вважатися, строго кажучи, постійною при збільшенні дійсного перепаду тиску (Р/n), що припадає на ефективну товщину l0 кожного із шарів. Для даних випадків пропонується застосовувати квазілінійне узагальнення локальної форми закону Дарсі (6):

, (7)

Тут припускається залежність проникності К не тільки від структурних особливостей досліджуваних текстильних матеріалів, але і від умов досліду (тобто від комбінації факторів Р/n), у яких повітропроникність вимірюється. Одержання явного виду залежності (Р/n) у (7) на основі власних експериментальних даних по однорідним і різнорідним пакетам бар’єрного одягу розглядається в третьому розділі дисертації.

Однієї з важливих у практичному відношенні задач є розробка співвідношень для оцінки таких основних параметрів текстильного матеріалу, як загальна пористість і її окремі види (відкрита пористість mвід, наскрізна пористість mнаск, внутришньониткова пористість mвн, і т.д.). Це питання пов'язане з використанням різних методів оцінки діапазону між найменшим dmin і найбільшим dmax розмірами пор у даному матеріалі, а також оцінки значення їх найбільш ймовірного розміру d.

У рамках моделі ізотермічної фільтрації був запропонований ефективний метод визначення пористості m за допомогою значення найбільш ймовірного розміру пор d:

, (8)

Тут l є величиною, що задається на основі дослідних даних, а d розглядається в роботі, як певна функція від значення пористості: d(m), вид якої визначається прийнятою моделлю пористої структури матеріалу. Якщо залежність d(m) встановлена в явному виді для прийнятої моделі, то можна, використовуючи (8), знайти спочатку пористість m, а потім – ефективне число шарів текстильного матеріалу n, які мають тільки наскрізні пори. З визначень рівнянь (6) і (8) випливає, що для окремих ефективних шарів приймається умова: l0=d, що, у сукупності з допущенням для площі перетину окремої пори: А=d2, призводить до геометричної моделі ефективних кубічних пор.

Принцип побудови моделі плоско-паралельних шарів (ППШ) показаний на рис.1. Її перевагою є те, що наявність капілярів довжиною l, що пронизують усю товщину текстильного матеріалу, а також регулярної (гратової) структури, показаної, наприклад, на рис.1а, не є обов'язковим. Тим самим підхід, що розвивається, придатний для моделювання як тканих, так і нетканих матеріалів. У його рамках було виведено наступне узагальнення відомої формули Козені для максимального значення проникності:

, (9)

В окремому випадку, приймаючи d=2r із (9), можна отримати вираз, який часто використовується для прямих кругових капілярів однакового радіуса. Корисним представляється також співвідношення, знайдене в моделі кубічних пор, яке зв'язує dmin із dmax:

, (10)

а) b) c)

Рис. 1 Можливі варіанти взаємного розташування ефективних кубічних пор у декількох сусідніх ППШ, що моделюють реальну відкриту поверхню: а) – прямі (наскрізні) квадратні капіляри і регулярна структура розташування пор у кожному з ППШ; b) – зсунуті, нерегулярно розташовані в кожному з двох ППШ, капіляри, що відбивають реальну звивистість пор; c) – сполучення регулярної структури верхнього ППШ із нерегулярною структурою нижнього ППШ

Загальна пористість не дуже істотно впливає на це співвідношення. Змінюючи m , формально, від 0 до 1, можна встановити, що dmin змінюється від 0,884 dmax до 0,707 dmax, тобто дуже незначно. Іншими словами, можна очікувати, що при реалістичному значенні пористості: 0m1, найбільше ймовірне значення розміру пор d, яке входить у (8), із достатньою точністю буде відповідати середньому від значень dmin і dmax:

, (11)

З великою імовірністю можна стверджувати, що кожен зі струменів флюїду, що протікає через ТМ, потрапляє в деяке ефективне сопло. Переходячи з шару l1 у шар l2 , струмінь звужується за рахунок наявності застійних зон, а потім розширюється в зовнішньому (l3) шарі при виході з текстильного матеріалу. Дане припущення дає можливість ефективного моделювання такого параметра, як звивистість пор, що набагато подовжує реальний шлях струменю флюїду в порівнянні з товщиною шару. Результатом цього подовження є збільшення реальної швидкості струменя в порах u у порівнянні з вимірюваною експериментально швидкістю фільтрації uф у співвідношеннях (4-6). Використана в роботі можливість оцінки значення u на базі відомих співвідношень для сопла, забезпечує незалежну перевірку виразів (8-11), знайдених із геометричних міркувань. У роботі наведені профілі розподілу швидкості u і тиску Р по товщині трьохшарових (n=3) пакетів, що дозволяють одержати узгоджені динамічні і геометричні результати для пористості m і розмірів пор (dmin, d, dmax).

Були зроблені також оцінки можливого впливу на проникність текстильного матеріалу К перепаду тиску у вузькому повітряному прошарку l3в (1) (або l2в (2)), що примикає зовні до вихідного перетину ефективного сопла-пори. Тим самим перевірялося твердження, яке використовується при розробках теоретичних моделей переносу повітря через текстильні матеріали і пакети з них, згідно якого зазначений перепад тиску зумовлює великий градієнт, що істотно позначається на всіх характеристиках переносу повітря. Результати наших розрахунків подані у виді рис.2, де наведена залежність досліджуваного перепаду тиску від натурального логарифма для критерію Рейнольдса. Згідно даних роботи, існує граничне значення Rе 75,

Рис. 2 Залежність 200 від lnRe для повітря.

до якого аналізовану поправку можна не враховувати, оскільки вона залишається менше одного Паскаля. Відповідна гранична швидкість фільтрації складає, приблизно 1 м/с. Для менших значень швидкості урахування поправки є несуттєвим, оскільки інтервал загального напору тиску між мікрокліматичним прошарком l01 і повітрям приміщення, який реалізується на практиці, складає усього 50–200 Па. Звідси, тільки при наявності вимушених конвективних потоків повітря урахування аналізованої поправки може істотно впливати на результати; у інших випадках нею можна знехтувати.

У третьому розділі викладаються результати експериментального вивчення ізотермічної фільтрації повітря малої вологості через однорідні і неоднорідні пакети бар’єрного одягу при заданих значеннях загального перепаду тиску Р і числа шарів n. Використання співвідношень (6,7) при опрацюванні дослідних даних по об’ємній (або масовій) витраті повітря через відому площу тканини дозволяє надійно встановити таку важливу характеристику пакета, як проникність К , тільки в тих випадках, коли динамічна (з), або кінематична (н) в’язкість повітря може вважатися заданою величиною. Це зауваження ігнорується авторами більшості моделей протікання повітря в пористих середовищах, які ототожнюють його в’язкість із властивостями вільного повітря. Неповнота такої інтерпретації очевидна, якщо врахувати, що просочування повітря здійснюється в звивистих каналах – порах малого діаметра, при наявності зон стагнації і т.д. Іншим обмеженням даних по проникності, які наводяться в літературі, часто є те, що вони отримані в дослідах з одношаровими текстильними матеріалами. Поширення цих даних на оцінку проникності багатошарових пакетів із застосуванням рекомендованих формул не завжди призводить до задовільних результатів. З'ясовування причин таких розбіжностей є можливим на базі підходу, що розвивається в дисертації і з урахуванням отриманих у роботі дослідних даних. Вплив на проникність різниць у в’язкості повітря має бути найменш істотним саме для повітря малої вологості.

Припущення ламінарності потоку і лінійності рівняння (6) може призводити, як відзначалося у другому розділі, до хибної оцінки значень К, якщо в умовах досліду виникають турбулентність і молекулярний режим протікання газу. Слід зазначити, що зараз практично відсутні оцінки критичного значення числа Рейнольдса: Rec = ucl/ (або Recф = ucфd/), яке дозволяє відокремити в різноманітних типах пакетів текстильних матеріалів ламінарний режим протікання від турбулентного. Досліди по визначенню повітропроникності вихідних матеріалів верхнього, проміжного та білизняного шарів бар’єрного одягу проводилися за стандартною методикою на приладі FF-12. Спочатку вивчалися однорідні пакети з поліефірної тканини верху (Avila) з різною кількістю шарів (n=1,2,..7) і при різних значеннях перепаду тиску: (= 50, 60…200 Па). Аналіз отриманої гістограми вірогідності виявлення значень провідності (ДР/n) у заданих інтервалах: (0,200,25) 10-2 , (0,250,30) 10м2с/кг і т.д., дозволив установити негаусову форму розподілу вірогідності, що складається з основного і додаткового (розташованого зліва від нього) піків; а також значну “розмитість” розподілу, що свідчить про неможливість описання експерименту в межах його абсолютних похибок єдиним середнім значенням , як це передбачається у рівнянні (6). Обидва факти вказують на можливе порушення умов виконання лінійного закону Дарсі.

Подальший аналіз отриманих даних по дозволив установити, у цілому, монотонну зміну цього показника на ізолініях n=const і P=const. Виявилося, що у колонках з постійним значенням кількості шарів матеріалів у пакеті n провідність монотонно зменшується зі збільшенням значень P, хоча при ламінарному протіканні тенденція мала б бути зворотною. Навпаки, в рядках з постійним значенням загального перепаду тиску P було знайдено, що має тенденцію до збільшення (у межах розкиду експериментальних точок). Обидва види залежності (P) і (n) суперечать уявленням про струйчастий, ламінарний потік повітря через текстильний матеріал. Розв’язання цих протиріч складається у відмові від безумовних допущень про ламінарність протікання потоку повітря через будь-які пакети і при будь-яких умовах.

При опрацюванні дослідних даних л(P/n) за допомогою методу найменших квадратів було знайдено, що, із довірчою вірогідністю 0,95, провідність л м2с/кг є оберненою (а не лінійною; як при ламінарності протікання) функцією відношення P/n і може бути представлена залежністю виду:

(12)

де величина л0:

л0 = К0/(з l0) = K0/(з d) (13)

передбачається пов'язана з такими структурними характеристиками, як пористість m і найбільш ймовірний розмір пор d із рівнянь (8,9). При розрахунку цих величин значення поправочного фактора лТ (12) повинно бути виключеним з експериментальної оцінки провідності л. У роботі показано, що подібне уточнення проникності К істотно впливає на описання усієї сукупності процесів тепломасообміну через пакети бар’єрного одягу.

Опрацювання отриманих дослідних даних за допомогою залежностей (7, 12, 13) дозволило одержати для однорідних пакетів з n = 1, 2, 3, 4 наступні формули для розрахунку швидкості фільтрації uф [м/с] (розкид експериментальних точок складав величину 10%):

uфn=1 = 0,18(/n)+11,510-2 , (14)

uфn=2 = 0,22(/n)+710-2 , (15)

uфn=3 = 0,32(/n)+410-2 , (16)

uфn=4 = 0,32(/n)+310-2 , (17)

Відзначимо, що структурні характеристики пакетів з n = 3 і 4, які визначаються через л0 = 0,3210-2 [м2с/кг], виявилися однаковими і змінювалася тільки поправка на турбулізацію потоку лТ.. З ростом n вона поступово зменшувалася і при n = 4 можлива турбулізація потоку повітря переставала відігравати скільки-небудь істотну роль. Для однорідних пакетів із тканини Avila у роботі запропонована така узагальнююча залежність л

від n:

, м2с/кг, (18)

Пакети з n4 можуть бути описані лінійним законом Дарсі (6) для ламінарних потоків:

, (19)

В роботі показано, що знайдене значення: л0=0,4·10-2 [м2с/кг] є найбільше ймовірним і близьким до середнього значення: = 0,44·10-2 [м2с/кг], визначеного для всього масиву з 112 експериментальних точок. Проведений аналіз дозволив установити межу, що відокремлює область стійко – ламінарного протікання при значеннях швидкості фільтрації: uф 18,510-2 м /с від області: uф ? 18,510-2 м /с, де можлива турбулізація потоку. Звідси, знайдена оцінка критичного числа Рейнольдса складає: Rec 12.

Проведення випробувань по визначенню повітропроникності багатошарових пакетів за допомогою стандартних приладів ВПТМ-2, ATL-2, FF-12 представляє собою достатньо трудомісткий процес, який потребує ретельного контролю умов досліду і методики вимірів. Практичний інтерес має перевірка надійності формули, що використовується для прогнозування повітропроникності пакетів матеріалів із різним числом шарів n:

, (20)

яка для однорідних пакетів має вид:

, (21)

де uф1 характеризує кожний із шарів матеріалу. Аналіз придатності формули (21) до обговорюваних вище даних по однорідним пакетам із тканини Avila показав, що відхилення розрахунку від експерименту носять систематичний характер і досягають в окремих випадках 40-50%, при тому, що вихідні дані для одношарового матеріалу uф1 (n=1) були визначені з високою точністю. Звідси, розходження розрахунку й експерименту тут носять принциповий характер і однозначно вказують на неадекватність фізичної моделі, яка призводить до (21) при описанні однорідних пакетів.

Навпроти, отримані в роботі дані по різнорідних пакетах, що складаються з декількох шарів, які значно розрізняються за показниками повітропроникності, добре описуються формулою (20). Важливою умовою була хороша точність при визначенні uф для верхнього шару, що досягалося особливою методикою експерименту для обраних тканин верху (Avila, Vektron, Aralka), яка дозволяє оцінити можливу неоднорідність розподілу повітропроникності по площі тканини. Наступним етапом вивчення можливостей формули (20) при описанні різнорідних пакетів було вивчення великого числа комбінацій різноманітних білизняних (нижніх) шарів l1 c різним матеріалом верха l2 у двошарових пакетах (2). У якості білизняних матеріалів використовувалися 11 видів трикотажних полотен різного сировинного складу і різної структури, які використовуються для виготовлення комплектів бар’єрного одягу для чистих приміщень. Полотна розрізнялися також за значеннями швидкості фільтрації повітря uф1, яка варіювалася від uф141см/с для трикотажу PP/PA-с2, до uф1700см/с для RM. Вибір тканини верха відбувався за принципом умови: uф1 uф2, і в міру зростання uф2 досліджувалися: Vektron (uф2 = 1,2 см/с), Optex (uф2 = 15 см/с), Torey-3 (uф2 = 20 см/с), Astra (uф2 = 27 см/с), Arnika (uф2 = 28 см/с), Torey-5 (uф2 = 35 см/с); перепад тиску при дослідженнях складав Р = 200 Па.

Аналіз даних таблиць, приведених у роботі, дозволяє дійти до висновку про адекватність формули (20) для різнорідних двошарових пакетів. Їхня особливість складається в різкій відмінності у повітропроводності шарів, що призводить до досить слабкого впливу нижнього шару на загальну величину повітропроводності пакета.

Цей же висновок було зроблено в результаті вивчення (при Р =200 Па) повітропроводності трьохшарових різнорідних пакетів матеріалів бар’єрного одягу, причому в якості верхнього шару послідовно використовувалися: Santоrin (uф3=20 см/с); Avila (uф3=48,5 см/с), Astra (uф3=27 см/с); Pike (uф3=95 см/с). В якості проміжного шару uф2 у всіх пакетах обиралися матеріали з повітропровідністю, що перевищує відповідне значення uф3: RM ( 250 см/с), Spolet ( 650 см/с), Interlock ( 250 см/с), ТО-4 ( 200 см/с), РРс.5 ( 63 см/с), РР/Рас.2. ( 41 см/с). Тим самим умова, що забезпечує більш надійне описання різнорідних пакетів, у порівнянні з однорідними, зберігалася. Проведений порівняльний аналіз отриманих експериментальних і розрахункових даних дає підставу стверджувати, що, коли замість задачі апроксимації дослідних даних ставиться задача прогнозу повітропроводності дво- або трьохшарових різнорідних пакетів, виходячи тільки з заданого значення: uф2 або uф3, відповідно, то точність може різко погіршитися. По наших оцінках, похибки прогнозу досягають, у цьому випадку, 15-20%, що перевищує в 1,5 – 2 рази максимальний розкид даних експерименту. Іншим чинником, який примушує із певною обережністю ставитися до використання формули (20) для прогнозу, є її непридатність (у виді співвідношення (21)) для описання однорідних пакетів, що обговорювалося вище.

Підводячи результат приведених дослідних даних, можна стверджувати, що поширена думка про можливість заміни трудомісткого експерименту з пакетами розрахунком по формулах (20) і, особливо (21), є недостатньо точною. Задачами значної практичної важливості варто вважати розвиток більш гнучких теоретичних моделей, які враховують не тільки властивості шарів, але і наявність буферних повітряних зон між ними, і розробку стратегії планування експерименту по пакетах, яка дозволяє з найменшими витратами одержувати результати, близькими до оптимальних;

У четвертому розділі розроблена нова модель переносу вологого повітря через двошарові різнорідні пакети текстильних матеріалів у неізотермічних умовах. Рішення подібних задач повинно базуватися на законах термодинаміки і системі фундаментальних рівнянь балансу. Для електрично–нейтрального середовища до них відносяться рівняння балансу маси, імпульсу, внутрішньої енергії й ентропії. Ряд умов, які відповідають функціональній діяльності людини в бар’єрному одязі, мають вважатися відомими.

З урахуванням сказаного, у роботі використовувалася вихідна система диференціальних рівнянь балансу для щільності маси r, щільності імпульсу ru , а також щільностей теплових перемінних – внутрішньої енергії e = с е (де е – питома внутрішня енергія) і ентропії у =с s (де s – питома ентропія). Дані визначення підкреслюють особливу роль щільності с при моделюванні властивостей квазісуцільного середовища. Використаний термін нагадує про те, що пориста матриця тканини і паро-рідинні компоненти вологого повітря, що заповнюють її, не є суцільним середовищем у розумінні безперервної зміни їхніх властивостей у залежності від координат . Коректна заміна такої структури ефективними характеристиками квазісуцільного середовища, як відомо, являє собою складну задачу. Поняття заповнення по масі (виражене у відсотках відношення щільності тканини до щільності текстильного матеріалу, із якого вона виготовлена), яке використовується в текстильному матеріалознавстві, навряд чи можна вважати вичерпним. Очевидно, для описання розходжень у структурах тканин більш раціонально скористатися поняттям фрактальної (масштабної) розмірності Д, яке використовуються при аналізі багатьох видів дискретних структур, пов'язаних в одне ціле (кластерів):

, (22)

де M(R) – маса, що поміщається в деякий об’єм V із характерним розміром R, а відношення Д/3 дорівнює одиниці тільки для суцільного середовища. В роботі для визначення Д виведена формула, яка зв'язує пористість m та об’єм рідини Vр , що заповнює пористу матрицю:

, (23)

Метод оцінки значення Vр, що використовує експериментальні дані для пакетів бар’єрного одягу, обговорюється в п’ятій главі. Фрактальна розмірність Д, поряд із пористістю m, входить у систему диференціальних рівнянь балансу, записаних у роботі для переносу вологи і вологого повітря в тонких пористих структурах.

Для рішення зазначеної системи потрібна наявність термічного і калоричного рівнянь стану паро-рідинної суміші, а також урахування реальних умов експлуатації бар’єрного одягу. Відомо, що температура поверхневого шару шкіри коливається в невеликому діапазоні у середнього значення порядку T0310 К. У відсутності одягу і помітної конвекції комфортною для людини є температура приміщення порядку Тв295 К. В умовах даної стаціонарної різниці температур: Т=15 К тіло швидко нагріває до деякої проміжної (але близької до Т0310 К) середньої температури Т01 мікрокліматичний прошарок повітря, що контактує зі шкірою. Повітря є хорошим теплоізолятором і має дуже низьке значення коефіцієнта теплопровідності: пов0,023Вт/мК, тобто має великий термічний опір: 1/пов=43,48мсК/Дж. Теплоізолюючі властивості будь-якого одягу визначаються його спроможністю утримувати нагрітий шкірою прошарок повітря l01, перешкоджаючи його заміні повітряними масами з іншими, ніж Т01=То–Т1, різницею температур. Іншими словами, тепловий комфорт забезпечується підтримкою значення То1 на деякому оптимальному рівні. Сама по собі тканина нижнього шару l1 має більш високу, ніж у повітря (в середньому, на порядок величини), теплопровідність: l1 l 01 lпов. Це сприяє достатньо швидкому вирівнюванню температури до деяких середніх значень у кожному із шарів пакета. За тепловими властивостями, різні тканини можна вважати “напівпровідниками”. У той же час їх доволі слабка спроможність проводити тепло (зрозуміло, тут не йде мова про конвекцію) може помітно змінюватися убік збільшення при зволоженні тканини. Це відноситься і до біологічних тканин шкіри людини. Так, суха шкіра має теплопровідність: l0= 0,2 Вт/мK, а волога має значення l0 у два – три рази більше, оскільки значення теплопровідності