Физическая культура и спорт.

1. Физическая культура и спорт: проблемы, исследования, предложения.

Кравцова Л.В., Мельничук Л.П.

Хмельницкий национальный университет

Исследование теплозащитных свойств материалов для детской спортивной одежды

Наличие на территории Подолья большого количества горных массивов обуславливает широкий интерес подрастающего поколения к лыжному спорту. Изучение и анализ потребительского спроса выявили необходимость в высококачественной спортивной теплозащитной детской одежде. Однако целый ряд вопросов, решение которых необходимо для проектирования рациональной детской спортивной одежды, требует своего уточнения и дальнейшего развития.

Целью данной работы является определение зависимости теплоизоляционных свойств детского спортивного костюма в целом от теплофизических параметров пакета его материалов: толщины, воздухопроницаемости, подвижности воздуха и др.

Пакет современной теплозащитной одежды представляет собой композиции из нескольких слоев текстильных материалов различных по структуре, свойствам и назначению, между которыми имеются воздушные прослойки. Отдельные слои одежды находятся в разных условиях по степени воздействия на них охлаждающих факторов внешней среды. Исследуемые пакеты материалов для детской спортивной одежды состоят из трех слоев: материала верха, утепляющей прокладки, подкладки [1].

Характеристика выбранных для исследований пакетов материалов представлена в таблице 1.

Определение коэффициента теплоотдачи со стороны наружной поверхности одежды к окружающему воздуху выполнено при свободной конвекции (температура воздуха принята t_н=-8⁰С). Расчет выполнен при характерном размере разности температур между пакетом материалов и окружающей средой Δt=1⁰С, критерии Прандтля Pr=0,712 [2].

Таблица 1. Характеристика пакетов материалов.

Номер пакета	Показатель	Ед. изм.	Ткань верха	Утепляющая прокладка	Ткань подкладочная
Пакет 1	Волокнистый состав толщина коэф.теплопро-водности	- мм Вт/(м К)	Полиамид-100% 0,17 0,049	ВШрс-40% 6 0,059	НВис-50%, Нх/б-50% 0,26 0,038
Пакет 2	Волокнистый состав толщина коэф.теплопро-водности	- мм Вт/(м К)	Шерсть-70%, полиамид-30% 0,27 0,42	ВШрс-40% 6 0,059	НВис-50%, Нх/б-50% 0,26 0,038
Пакет 3	Волокнистый состав толщина коэф.теплопро-водности	- мм Вт/(м К)	Спандекс-70%, вискоза-30% 0,24 0,048	ВШрс-40% 6 0,059	НВис-50%, Нх/б-50% 0,26 0,038

Найдено произведение критериев Грасгофа и Прандтля:

, (1)

где - ускорение свободного падения, м/с²; - коэффициент объемного расширения воздуха, К^-1; - разность температур между пакетом материалов и окружающей средой, ⁰С; - характерный размер, м;

- коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с.

⁸ – режим течения ламинарный, так как выполняется условие:

Для этого режима течения использовано критериальное уравнение:

(2)

Критерий Нуссельта

, (3)

откуда ; Вт/(м ² К)

Коэффициент теплоотдачи со стороны наружной поверхности одежды при поперечном обдувании потоком воздуха определен в зависимости от скорости ветра и представлен в таблице 2. Для расчета использовано критериальное уравнение:

, (4)

где - критерий Рейнольдса [2].

Данная зависимость характеризует теплоотдачу при поперечном обтекании одиночного цилиндра. Определяющей является температура набегающего потока, а за определяющий размер принимается эквивалентный диаметр. Условно считаем, что d_э=d_{н .} Расчет выполнен при d_н=0,153м.

(5)

Таблица 2. Коэффициент теплоотдачи в зависимости от скорости воздуха при поперечном обдувании пакета одежды

№ п/п	Скорость потока воздуха, , м/с	Критерий Рейнольдса, , 10^4	Критерий Нуссельта, Nu	Коэффициент теплоотдачи, , Вт/(м^2К)
1	2	2,46	75,69	11,7
2	4	4,92	131,81	20,3
3	6	7,39	182,40	28,2
4	8	9,85	229,62	35,4

Зимнюю спортивную одежду можно рассматривать, как многослойную стенку. Термическое сопротивление пакетов одежды при свободной конвекции при температуре воздуха t_н=-8⁰С определено по формуле [3] :

, (6)

где - толщина соответственно подкладки, утепляющей прокладки, верха изделия;

- коэффициент теплопроводности сответственно подкладки, утепляющей прокладки, верха изделия ( таблица 1).

Для первого пакета одежды термическое сопротивление при свободной конвекции составит - 0,753(м²К)/Вт, для второго пакета - 0,756 (м²К)/Вт и для третьего пакета одежды - 0,754 (м²К)/Вт.

Наибольшее термическое сопротивление пакета одежды, который включает слой (шерсть-70%, полиамид-30%), полотно иглопробивное полушерстяное и подкладочную саржу. Изменение термического сопротивления данного пакета материалов определено по формуле (6) при поперечном обдувании потоком воздуха в зависимости от его скорости (таблица 3).

Таблица 3. Термические сопротивления пакета материалов в зависимости от скорости потока воздуха

Наименование пакета материалов	Скорость воздуха, м/с	Термическое сопротивление теплоотдачи, (м^2К)/Вт	Термическое сопротивление пакета, R, (м^2К)/Вт
шерсть-70%, полиамид - 30%, полотно иглопробивное полушерстяное, саржа подкладочная	0	0,641	0,576
	2	0,085	0,200
	4	0,049	0,164
	6	0,036	0,150
	8	0,028	0,140

Таким образом, с увеличением скорости ветра до 8 м/с, термическое сопротивление пакета материалов снижается с 0,756 (м² К)/Вт до 0,14 (м² К)/Вт, то есть в 5,4 раза. Соответственно в 5,4 раза возрастают потери тепла с 1м² зимней спортивной одежды.

Исследования показали, что наибольшее термическое сопротивление имеет пакет одежды у которого ткань верха - шерсть 70%, полиамид 30%.

Для снижения тепловых потерь рекомендуется увеличить толщину утеплителя.

Литература

1. Кравцова Л.В., Мельничук Л.П. Исследование изменений прочности тканей для детской спортивной одежды от действия стирки. Матеріали II Міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні наукові дослідження – 2006».Том 44. Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006. - 32с.

2.Теплопередача : Учебник для вузов / Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. - 4-е изд., переработано и доп. – М. : Энергоиздат, 1981. - 416с.

3. Эксплуатационные свойства материалов для одежды и методы оценки их качества: Справочник (Гущина К.Г., Беляева С.А., Командрикова Е.Я. и др.) -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 312с..