Ćwiczenie 6

Metody i techniki badań materiałów
Ćwiczenie 6
Ocena właściwości termoizolacyjnych i paroprzepuszczalnych materiałów
przy użyciu modelu skóry
Cel ćwiczenia: Ocena właściwości odpowiadających za komfort fizjologiczny odzieży (termoizolacyjność,
paroprzepuszczalność). Poznanie technik badawczych służących do oceny komfortu
fizjologicznego materiałów (model skóry, manekin).
Komfort użytkowania – całkowite odczucie związane z użytkowaniem odzieży, w ramach którego wyróżnia się:
a) komfort fizjologiczny – związany z zachowaniem przyjaznego mikroklimatu w bezpośrednim
otoczeniu człowieka;
b) komfort sensoryczny – związany z odczuciami receptorów dotyku;
c)
komfort psychiczny – będący wypadkową dwóch poprzednich, a także odczuć estetycznych
(najtrudniejszy do zdefiniowania).
Komfort fizjologiczny jest określany właściwościami odzieży, które decydują o zachowaniu równowagi
bilansu cieplnego, a więc o regulacji temperatury i transportu wilgoci pomiędzy organizmem człowieka
a otoczeniem. Komfort fizjologiczny jest zachowany, gdy bilans cieplny, opisany równaniem 1, wynosi zero.
±∆Q = M – E ± C ± R – Z
(1)
gdzie:
∆Q – ogólny bilans cieplny, M – metabolizm, E – parowanie,
C – unoszenie, R – promieniowanie, Z – energia pochłaniana na czynności życiowe.
Dla zdefiniowania komfortu fizjologicznego materiałów i analiz porównawczych pomiędzy materiałami
wprowadzono pojęcia oporu cieplnego (termoizolacyjności) i oporu pary wodnej (paroprzepuszczalności).
Opór cieplny materiału (Rct) – iloraz różnicy temperatur między dwoma stronami materiału
i wynikającej z tej różnicy wartości przepływu strumienia ciepła przez jednostkową powierzchnię w kierunku
zgodnym z gradientem temperatury. Strumień ciepła może składać się z ciepła unoszenia, przewodzenia
i promieniowania ciepła. Przepływ strumienia cieplnego przez materiał wywołany jest różnicą temperatur.
Jednostka: (m2 . K)/W– metr kwadratowy razy kelwin na wat.
Opór pary wodnej (Ret) – iloraz różnicy ciśnień pary wodnej miedzy dwoma stronami materiału
i wynikającej z tej różnicy wielkości przepływu strumienia ciepła parowania przez jednostkową powierzchnię
materiału w kierunku zgodnym z gradientem ciśnienia. Strumień ciepła parowania może składać się z dyfuzji
i unoszenia (konwekcja). Jednostka: (m2 . Pa)/W – metr kwadratowy razy paskal na wat
Wskaźnik przenikania pary wodnej (Imt) (wielkość bezwymiarowa)
I mt = S ⋅
Rct
Ret
(2)
gdzie: S = 60 Pa/K
Wskaźnik Imt przyjmuje wartości 0 ÷ 1. Wartość 0 oznacza nieskończony opór pary wodnej (materiał
nie przepuszcza pary wodnej). Wartość 1 – materiał ma zarówno opór cieplny jak i opór pary wodnej
odpowiadający warstwie powietrza o tej samej grubości.
Przepuszczalność pary wodnej (Wd):
Wd =
1
,
Ret ⋅ φTm
g/(m2.h.Pa)
(3)
gdzie:
ΦTm – utajone ciepło parowania wody w temperaturze Tm płyty pomiarowej (np. dla Tm=35oC: ΦTm = 0,672 (W.h/g)).
Opracowanie: doc. dr inż. Marek Idzik
Metody i techniki badań materiałów
Aparatura badawcza
Urządzenie o nazwie „model skóry” służy do wyznaczania oporu cieplnego i oporu pary wodnej
płaskich wyrobów włókienniczych w warunkach ustalonych w oparciu o normę PN-EN 31092: 1998 „Tekstylia:
Wyznaczenie właściwości fizjologicznych. Pomiar oporu cieplnego i oporu pary wodnej w warunku stanu
ustalonego (metoda pocącej się zaizolowanej cieplnie płyty)”.
Pomiary prowadzone są na płycie grzejnej do oceny materiałów tekstylnych – tzw. „pocąca się płyta”
model SGHP-8.2 firmy Measurment Technology – umieszczonej w komorze klimatyzowanej zapewniającej
odpowiednie warunki pomiarowe (20 ± 0,5°C, 65 ± 3% wilgotności względnej, przepływ powietrza – 1m/s).
Urządzenie posiada izotermiczną testową płytę grzejną zaopatrzoną w osłony: boczną i spodnią, zapewniające,
że całe ciepło wyprodukowane przez płytę testową przechodzi przez materiał poddawany analizie. Efekt pocenia
uzyskuje się za pomocą zbiornika o zasilaniu grawitacyjnym połączonego z zestawem płyty grzejnej. Płyn
ogrzewany jest wewnątrz płyty, po czym dostarczany do porowatej metalowej powierzchni poprzez układ
małych dziurek.
Części składowe pocącej się osłoniętej płyty grzejnej obejmują:
1. Zestaw płyty grzejnej
2. Wyciąg powietrza z wentylatorami z regulacją prędkości
3. Czujniki temperatury otoczenia, wilgotności względnej i prędkości wiatru
4. System sterowania i zapisu danych
5. Komorę o kontrolowanej atmosferze (nie pokazana na rysunku)
Schemat blokowy urządzenia „model skóry”
Zestaw płyty grzejnej składa się z trzech oddzielnie ogrzewanych stref zamontowanych na tacy ze stali
nierdzewnej. Układ posiada jedną strefę aktywną termicznie (płytę testową) i dwie osłony termiczne,
uniemożliwiające ucieczkę ciepła na boki. Wszystkie strefy kontrolowane są niezależnie przy osiąganiu tej
samej pożądanej temperatury, dzięki czemu cała moc grzewcza doprowadzona do płyty przechodzi przez
materiał badany w formie jednokierunkowej fali cieplnej.
Aby uzyskać efekt pocenia się, do płyty testowej i osłony pierścieniowej przymocowana jest na stałe
cienka porowata warstwa metalowa. Porowaty metal zasilany jest poprzez szereg małych dziurek umieszczonych
pod powierzchnią płyt. Dopływ płynu oparty jest na systemie regulacji poziomu za pomocą zasilania
grawitacyjnego, w którym źródłem płynu doprowadzanego do płyty w miarę jego wyparowywania jest główny
zbiornik. Ta zasada działania pozwala, aby system doprowadzania płynu sam utrzymywał stan równowagi,
dostarczając objętość płynu wymaganą do utrzymania powierzchni w stanie nasycenia.
Opracowanie: doc. dr inż. Marek Idzik
Metody i techniki badań materiałów
W urządzeniu zamontowane są cztery czujniki do mierzenia warunków otoczenia: dwa czujniki
temperatury otoczenia, jeden czujnik wilgotności względnej i jeden czujnik prędkości wiatru. Wszystkie czujniki
warunków otoczenia zamocowane są w otworach wyciągu powietrza.
Urządzenie kontrolowane jest poprzez oprogramowanie ThermDAC. Program umożliwia sterowanie
systemem, zapis danych i wyświetlanie numeryczne i graficzne temperatur stref płyty w czasie rzeczywistym.
„Pocąca się płyta” umieszczona jest w klimatyzowanej komorze z możliwością regulacji temperatury
w zakresie 5÷30°C ± 0,5°C, ustawienia wilgotności – do 90% ± 2%, zapewniającej symulację naturalnych
warunków otoczenia.
Zadania do wykonania:
1.
2.
Wykonać badanie komfortu fizjologicznego wybranych materiałów w oparciu o „model skóry”:
a) wyznaczyć opór cieplny,
b) wyznaczyć opór pary wodnej.
Wykonać sprawozdanie.
Wyznaczenie oporu cieplnego
Badaną próbkę umieścić na płycie grzejnej, tak by ukierunkowany strumień klimatyzowanego
powietrza przepływał równolegle do jej powierzchni. W celu wyznaczenia oporu cieplnego przepływ ciepła
przez próbkę zmierzyć po osiągnięciu warunków stanu równowagi. W celu obliczenia oporu cieplnego badanego
materiału należy od oporu cieplnego wyznaczanego dla płyty z próbką odjąć wartość oporu cieplnego dla płyty
bez próbki zmierzonego w tych samych warunkach.
Wyznaczenie oporu pary wodnej
Płytę grzejną należy pokryć porowatą membraną przepuszczającą parę wodną, lecz nie przepuszczającą
wody. Woda doprowadzona do płyty grzejnej paruje i przechodzi przez membranę w postaci pary, tak aby
próbka nie miała bezpośredniego kontaktu z wodą. Warunki te pozwalają odtworzyć zachowanie pocącej się
skóry. Przepływ ciepła pozwalający utrzymać stałą temperaturę płyty jest miarą ilości odparowanej wody, na
podstawie czego określa się opór pary wodnej badanej próbki. W celu obliczenia oporu pary wodnej materiału,
odejmuje się opór pary wodnej dla płyty bez próbki od oporu pary wodnej dla płyty z próbką mierzony w tych
samych warunkach.
Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań
Opracowanie: doc. dr inż. Marek Idzik