Ćwiczenie 7

Metody i techniki badań materiałów
Ćwiczenie 7
Przenikanie ciepła przez wyroby włókiennicze
poddane oddziaływaniu promieniowania cieplnego
Cel ćwiczenia: Ocena efektów termicznych w czasie ekspozycji wyrobów włókienniczych na promieniowanie
cieplne w zależności od składu surowcowego, struktury i obecności materiałów przemiany fazowej
(PCM) w wielowarstwowych pakietach odzieżowych. Ocena izolacyjności cieplnej tekstyliów.
Wprowadzenie
Przenikanie ciepła przez materiały, w tym wyroby tekstylne, jest zagadnieniem uniwersalnym
o istotnym znaczeniu praktycznym w wielu dziedzinach techniki, a także w życiu codziennym. Jest bezpośrednio
związane z izolacyjnością termiczną produktów tekstylnych stosowanych do wytwarzania odzieży, a także
tekstyliów technicznych wykorzystywanych w budownictwie, motoryzacji i różnych obszarach techniki.
Ważnym parametrem wszystkich wyrobów odzieżowych jest ich zdolność do zapewnienia
użytkownikowi możliwie najbardziej korzystnych warunków termicznych. Cecha ta jest szczególnie istotna
w przypadku odzieży przeznaczonej dla osób podejmujących duży wysiłek fizyczny w warunkach wysokiej
temperatury otoczenia. Dotyczy to m.in. służb ratowniczych, strażaków, pracowników zatrudnionych na
niektórych stanowiskach w energetyce, przemyśle metalurgicznym, a także osób wykonujących swą pracę na
otwartej przestrzeni (w warunkach silnego nasłonecznienia), bądź w pomieszczeniach, w których – niezależnie
od panującej tam temperatury – pracownicy narażeni są na oddziaływanie promieniowania cieplnego.
Metodyka badania odzieży chroniącej przed promieniowaniem cieplnym, opisana w normie PN-EN
ISO 6942, przewiduje – w zależności od przewidywanego przeznaczenia odzieży – uwzględnianie różnych
intensywności promieniowania cieplnego: od 5 kW/m2 do 40 kW/m2.
Przekazywanie energii cieplnej przez promieniowanie jest jednym z trzech mechanizmów przenoszenia
ciepła od źródła do obiektu nagrzewanego. Pozostałe dwa mechanizmy to: przewodzenie i konwekcja.
Źródłem promieniowania cieplnego są wszystkie ciała, których temperatura jest wyższa od zera
bezwzględnego. Promieniowanie cieplne, można określić jako część widma promieniowania elektromagnetycznego, odpowiadającą promieniowaniu podczerwonemu (podczerwieni). Zakres podczerwieni ograniczony
jest od strony krótkofalowej granicą promieniowania widzialnego (przyjęta umownie długość fali λ = 0,76 µm),
zaś od strony długofalowej osiąga zakres submilimetrowych fal radiowych (przyjęta długość fali λ = 1000 µm).
W zastosowaniach technicznych i w urządzeniach powszechnego użytku źródłami promieniowania są
promienniki podczerwieni. Tym mianem przyjęto określać źródła, w których element emitujący promieniowanie
wykazuje temperaturę o wartości powyżej 300 ºC.
Prawa opisujące zależności pomiędzy mocą promienistą emitowaną przez ciało, jego temperaturą oraz
długością fali promieniowania zostały sformułowane w odniesieniu do tzw. ciała doskonale czarnego. Jest to
ciało idealne (nie występujące w przyrodzie), które całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie,
niezależnie od temperatury ciała i składu widmowego padającego promieniowania.
Terminy i definicje:
Gęstość powierzchniowa natężenia promieniowania (gęstość strumienia cieplnego, GSC) (W/m2 lub
kW/m – ilość energii padającej w jednostce czasu na powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się
promieniowania.
2
Wskaźnik przenikania ciepła, WPC – miara ciepła przenikającego przez próbkę poddaną działaniu
promieniowania cieplnego; wskaźnik ten jest równy liczbowo stosunkowi gęstości strumienia cieplnego
przenikającego przez próbkę (GSCp) do gęstości strumienia cieplnego padającego na próbkę (GSC0).
Aparatura
Pomiary przeprowadzane są na stanowisku badawczym, spełniającym wymagania normy
PN-EN ISO 6942. Stanowisko zbudowane jest z następujących podzespołów:
- pro miennik elekt ry czny umożliwiający wytworzenie promieniowania cieplnego o gęstości
strumienia od 5 kW/m2 do 80 kW/m2 (źródłem promieniowania są pręty z węglika krzemu o temp. ~ 1100 ºC),
- ukła d do po mia ru i rej est ra cj i t empera t ury składający się z kalorymetru, termometru
cyfrowego i komputera,
- ko nst rukcj a mecha niczna (stelaż) umożliwiająca bezstopniową regulację odległości pomiędzy
promiennikiem, badaną próbką i kalorymetrem.
Opracowanie: doc. dr inż. Marek Idzik
Metody i techniki badań materiałów
Zadania do wykonania
1.
2.
3.
4.
Przygotować stanowisko do badań. Wykonać pomiary wstępne.
Określić gęstość strumienia cieplnego padającego na próbkę (GSC0).
Określić gęstość strumienia cieplnego przenikającego przez próbkę (GSCp).
Opracować wyniki pomiarów. Wyznaczyć wskaźniki przenikania ciepła (WPC) przez badane układy.
Przygotowanie stanowiska do badań, wykonanie pomiarów wstępnych – określenie gęstości strumienia cieplnego
(GSC0) w określonej odległości d od promiennika:
a) ustawić promiennik w odległości d od czoła kalorymetru,
b) opuścić ekran izolujący,
c) podłączyć układ rejestracji temperatury kalorymetru,
d) włączyć zasilanie promiennika (wybrać „stopień zasilania”),
e) po ustaleniu temperatury prętów sylitowych (ustabilizowanie się wskazań natężenia prądu
zasilającego), unieść ekran izolujący włączając jednocześnie układ rejestracji temperatury,
f) zakończyć pomiar, gdy temperatura kalorymetru wzrośnie o ok. 20 ºC,
g) zapisać wyniki pomiaru temperatury kalorymetru.
Określenie gęstości strumienia cieplnego przenikającego przez badany pakiet materiałów (GSCp):
a) badany pakiet o wymiarach 7 x 20 cm umieścić na kalorymetrze w taki sposób, aby
wewnętrzna strona pakietu przylegała dokładnie do miedzianej płytki kalorymetru,
b) ustawić promiennik w odl. d od zewnętrznej strony pakietu umieszczonego na kalorymetrze,
c) dalej postępować zgodnie z punktami b), c), d), e) jak przy wyznaczaniu GSC0,
d) zakończyć pomiar po 4 min ekspozycji badanego układu na promieniowanie,
UWAGA: jeśli przed upływem 4 min temperatura kalorymetru osiągnie wartość 50ºC, należy zakończyć badanie.
e) zapisać wyniki pomiarów temperatury kalorymetru.
Opracowanie wyników badań
a) wykonać wykresy zmian temperatury kalorymetru w funkcji czasu - T = f(t),
b) z przebiegu liniowego początkowego fragmentu wykresu określić wskaźnik R, wyrażający prędkość
wzrostu temperatury kalorymetru (ºC/s),
c) obliczyć wartość gęstości strumienia cieplnego, GSC0 (dla kalorymetru nieosłoniętego pakietem)
i wartości GSCp (dla każdego badanego pakietu), korzystając ze wzoru:
M ⋅c⋅ R
GSC p =
kW/m2
A ⋅α
gdzie:
M – masa miedzianej płytki kalorymetru [0,036 kg],
c – ciepło właściwe miedzi [0,385 kJ/kg ·°C],
R – szybkość wzrostu temperatury kalorymetru w analizowanej części wykresu [°C/s].
Wartość R równa jest liczbowo wsp. kierunkowemu aproksymacyjnej funkcji liniowej dla analizowanego odcinka krzywej T=f(t).
A – pole powierzchni miedzianej płytki [0,0025 m2],
α – współczynnik pochłaniania pomalowanej na czarno miedzianej płytki kalorymetru (α= 0,9).
Po podstawieniu wartości liczbowych do wzoru (1): GSCp = 5,8 · R (kW/m2).
Dla każdego pakietu obliczyć wartości wskaźnika przenikania ciepła (WPC) wg wzoru:
WPC =
GSC p
GSC0
Wyniki obliczeń zestawić w tabeli:
Gęstości strumienia cieplnego [kW/m2]
Badany układ
Kalorymetr (nieosłonięty pakietem)
Próbka 1
Próbka 2
R [ºC/s]
GSC0
GSCp
-
WPC =
GSC p
GSC 0
-
-
Krzywe obrazujące przebieg zmian temperatury kalorymetru w funkcji czasu T=f(t) uzyskane dla
badanych pakietów materiałów należy przedstawić na jednym wykresie.
Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań
Przeprowadzić dyskusję uzyskanych wyników, zwracając uwagę na parametry struktury elementów
składowych poszczególnych pakietów jako przyczyny wyraźnego zróżnicowania wartości wskaźnika WPC dla
tych pakietów. Ocenić jaki wpływ wywiera struktura powierzchni warstwy zewnętrznej pakietu, na którą pada
promieniowanie cieplne, na właściwości ochronne tego pakietu przed promieniowaniem.
Opracowanie: doc. dr inż. Marek Idzik