Разработка метода прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен на основе численного моделирования теплопередачи

Актуальность темы

.

В настоящее время трикотажные изделия широко используются в одежде бытового и специального назначения, а также в специальных технических изделиях. В соответствии с их функциональной применимостью, для обеспечения комфортных тепловых ощущений при эксплуатации этот ассортимент одежды должен обладать определенным уровнем теплозащитных свойств (ТЗС).

Помимо чисто гигиенических аспектов интерес к ТЗС трикотажных материалов со стороны материаловедов-текстильщиков, товароведов, врачей-гигиенистов, физиологов и т. д. объясняется проблемами экономического характера. Решение проблемы оптимизации ТЗС одежды позволяет рационально использовать сырье и соответственно экономить энергоресурсы.

ТЗС одежды в значительной степени определяются теплофизическими характеристиками текстильных материалов, из которых изготавливается эта одежда. Определяющей теплофизической характеристикой является теплопроводность.

Современное трикотажное производство позволяет вырабатывать полотна разнообразных переплетений с использованием различного сырьевого состава. Достижение требуемого показателя ТЗС полотен достигается путем эмпирического подбора пряж и структурных характеристик, что является трудоемкой и дорогостоящей задачей, т.к. необходимо вырабатывать полны" набор образцов всех переплетений со всеми видами пряж и производить натуральный эксперимент. С другой стороны, развитие компьютерных технологий снижает стоимость численных экспериментов и делает доступным проведение их в производственных условиях. Численные методы прогнозирования эффективной теплопроводности трикотажных полотен отсутствуют.

Работа проводилась в рамках федеральной государственной программы Мин. Обр. РФ «Научное исследование методов анализа структуры трикотажа с целью прогнозирования его тепломассообменных и деформационных характеристик», ЛЕНТЕК 1.7.

Цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка метода прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен на основе численного моделирования теплопередачи в них.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

— разработать методику определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формы;

— определить значения эффективной теплопроводности трикотажной пряжи;

— разработать общую методику прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава, позволяющую создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойств.

— разработать программно-алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей, пряжи и структуре их переплетения рассчитать поля температур и эффективную теплопроводность материала;

Методы исследования.

В диссертационной работе использован математический аппарат теории теплопроводности. Математическое моделирование выполнено на базе вычислительной техники широкого применения с использованием систем для инженерных расчетов и алгоритмических языков программирования.

Экспериментальное исследование проводилось на установке реализующей метод двух температурно-временных интервалов, находящейся на кафедре «Безопасности жизнедеятельности» (бывшая кафедра «Теплотехника») Санкт-Петербургского Государственного Университета технологии и дизайна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формы.

2. Усовершенствована методика измерения теплопроводности на основе метода 2-х температурно-временных интервалов.

3. Разработана универсальная методика прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава, позволяющая создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойств, экспериментально проверена ее точность.

4. Впервые получены поля температур внутри трикотажных структур ластика 1+1 и глади.

5. Установлены количественные соотношения, связывающие эффективную теплопроводность основных видов трикотажных переплетений с теплопроводностью пряж, из которых они изготовлены.

6. Разработаны программно-алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей, пряжи и структуре их переплетения рассчитать поля температур и эффективную теплопроводность материала.

Практическая значимость:

— разработана методика определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формации;

— усовершенствована методика измерения теплопроводности на основе метода 2-х температурно-временных интервалов.

— найдены значения эффективной теплопроводности пряж, используемых в трикотажном производстве;

— разработана универсальная методика прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава, позволяющая создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойств, экспериментально проверена ее точность;

— предложены интерполяционные формулы для расчета эффективной теплопроводности главных трикотажных переплетений — кулирная гладь и ластик 1+1, позволяющие оптимизировать сырьевой состав трикотажных полотен.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: -Текстильном коллоквиуме. Оценка и прогнозирование текстильных свойств текстильных материалов. Доклад «Прогнозирование теплозащитных свойств трикотажа». Санкт-Петербург, 16 октября 1996 г.

— Научно-технической конференции «Дни науки». Санкт-Петербург, 1997 г. -Научно-технической конференции «Дни науки». Санкт-Петербург, 2001 г. -Текстильном коллоквиуме. Кругловязальной машине 200 лет. Доклад 'Проектирование полотен с учетом теплопроводности петельной структуры". Занкт-Петербург, 19 ноября 1998 г.

— на семинарах кафедры «Физика» СПбГУТД. о.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 9 статьей и 2 тубликаций в трудах конференций. Также выпущено два методических пособия.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка пггературы, включающего 138 наименования, и пять приложений. Основная часть щссертации изложена на 144 страницах машинописного текста. Работа содержит 12 рисунков и 16 таблиц, приложения содержат 186 страниц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проведенный анализ данных имеющихся в литературньп источниках по теплопроводности трикотажных переплетент показал большой разброс значений.

2. Разработаны программно-алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей, пряжи и структуре их переплетенш рассчитать поля температур и эффективную теплопроводности материала.

3. Установлено, что для определения эффективной теплопроводности трикотажных полотен при нормальных условиях достаточнс учитывать кондуктивную составляющую теплопроводности.

4. Разработана методика определения теплопроводности пряжи < помощью приборов, предназначенных для измерения образцм плоской формации.

5. Усовершенствована методика измерения теплопроводности ш основе метода 2-х температурно-временных интервалов.

6. По разработанной методике впервые получены значена" эффективной теплопроводности пряжи, используемой I трикотажном производстве.

7. Разработана универсальная методика прогнозирование теплопроводности трикотажных полотен широкого класс" переплетений и различного сырьевого состава, позволяющая создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойстг трикотажа, экспериментально проверена ее точность.

8. По результатам численных расчетов предложень интерполяционные формулы для расчета эффективно! теплопроводности главных трикотажных переплетений глади ластика 1+1:

2 2 лк.г. ~ Лгаза.

2 ^ лпряжи.

Л 2.

0.17 + 0.195-^21 + 1.26—Чр^— газа | ] .пряжи.

Лгаза У ^газа.

1 ^ Лпряжи.

0.45 + 0.24 ¦ ^ЕНЕ.+0.7 —.

1+.

Iряжи тгаза ;

К.г. ~ Л газа.

0.58+0.11.

0.26' К ряжи1 игаза К пряжщ^пряжи2 2 Лгаза.

1 + пряжи^ газа.

4+ 0.048-^пряжи1. ряжи^ газа газа газа ^пряжи^^пряжи2 газа ггаза.

К) гряжи2 чгаза.

1+ ряжи2 газа.

9. Экспериментально проверена точность предложенной методики не хуже 10%.

10. Впервые получены поля температур для репрезентативных объемог главных трикотажных переплетений глади и ластика 1+1.

11. По разработанной методике возможно создавать базы данных пс свойствам пряж и трикотажных переплетений, вырабатыватт рекомендации и экспертные оценки для оптимизации структур.