Приближенный тепловой расчет одежды
Г. М. Кондратьев [6] предложил уравнения для приближенного теплового расчета комфортной одежды:
R = 0,175I; (
1) I = 0,15 x ((33 - tв)/N) - 5,7/α; (
2) N = 0,78 x M/100, (
3) где R - суммарное тепловое сопротивление одежды, м² · ч · град/ккал; N - показатель тепловой нагрузки одежды; чем больше N, тем напряженнее борьба организма с холодом; I - показатель теплоизоляционной способности одежды; чем больше I, тем теплее одежда; М - теплопродукция организма человека (метаболизм), ккал/ч (значение М для различных условий труда берется по данным физиологов)*¹; α - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности одежды к окружающей среде, ккал/м² · ч · град.*²; 33 - постоянная температура поверхности кожи, необходимая для ощущения комфорта, 'С; tв - температура окружающей человека среды, 'С;
Пользуясь уравнениями проф. Г. М. Кондратьева, можно определить, каким тепловым сопротивлением R должна обладать одежда, обеспечивающая человеку ощущение комфорта при известной теплопродукции М и состоянии окружающей среды tв и α.
Рассмотрим один из предложенных Г. М. Кондратьевым [6] примеров применения приближенного теплового расчета одежды.
Пример. Определить тепловое сопротивление одежды для условий медленной ходьбы при пониженной температуре tв = + 10'С в безветренную пасмурную погоду.
Для этих условий можно принять коэффициент теплоотдачи α = 10 ккал/м² · ч · град. Метаболизм, согласно данным физиологов, М = 200 ккал/ч.
По формуле (3) находим значение N: N = 0,78 x M/100 = 0,78 x 200/100 = 1,56.
По формуле (2) находим значение I: I = 0,15 x ((33 - tв)/N) - 5,7/α = 0,15 x ((33 - 10)/1,56) - 5,7/10 = 1,64.
Учитывая тренированность субъекта, можно значение I снизить до 1,5, тогда суммарное тепловое сопротивление одежды R равно R = 0,175I = 0,175 x 1,5 = 0,26 м² · ч · град/ккал.
Следующим этапом после определения необходимого теплового сопротивления при проектировании теплозащитной одежды является решение вопроса, как можно получить одежду с таким тепловым сопротивлением.
Комплект одежды человека представляет собой многослойный «пакет», включающий изделия (белье, сорочку, пиджак, пальто) и воздушные прослойки между ними. Кроме того, отдельные изделия сами по себе представляют многослойный «пакет», состоящий из тканей верха, подкладки и прокладки. Величина воздушных прослоек в таком пакете невелика, так как слои скреплены между собой. В пакете, образуемом изделиями нескольких видов, величина воздушных прослоек более значительна. Высокие теплозащитные свойства воздуха в «инертном» состоянии заставляют учитывать воздушные прослойки при определении теплового сопротивления одежды.
Суммарное тепловое сопротивление одежды Rсум*³, по определению Г. М. Кондратьева, представляет собой сумму эквивалентного Rэ*⁴ и поверхностного Rп*⁵ тепловых сопротивлений [6] Rсум = Rэ + Rп. (
4) Для простейшей однослойной одежды это же уравнение можно представить в следующем виде [7]: Rсум = ̅δв/ ̅λв + ̅δт/ ̅λт + 1/ ̅α, (
5) где ̅δв - средняя толщина воздушной прослойки между одеждой и кожей человека, мм; ̅λв - коэффициент теплопроводности воздуха, ккал/м² · ч · град; ̅δт - средняя толщина ткани, мм; ̅λт - коэффициент теплопроводности ткани, ккал/м² · ч · град; ̅α - коэффициент теплоотдачи, ккал/м² · ч · град.
Первых два слагаемых представляют собой величину эквивалентного теплового сопротивления, а последнее - поверхностного теплового сопротивления.
Для пакета одежды это уравнение будет иметь вид [7]
где
- сумма тепловых сопротивлений n воздушных прослоек в одежде;
- сумма тепловых сопротивлений m слоев тканей, входящих в одежду.
Решение этого уравнения - весьма сложная задача вследствие того, что все слагаемые в нем - переменные величины.
Первое слагаемое - тепловое сопротивление воздушных прослоек зависит от величины воздушной прослойки и теплопроводности воздуха. Максимальное тепловое сопротивление одежды достигается за счет инертности воздуха, т. е. при передаче тепла только теплопроводностью. Установлено [9], что инертность воздуха зависит от толщины воздушной прослойки. В прослойках, толщина которых больше 1,27 см, вследствие разности температур, возникает естественная циркуляция воздуха. Тепловое сопротивление воздушной прослойки, а следовательно, и суммарное тепловое сопротивление одежды уменьшаются. Одевание одежды одного вида на другой вызывает определенное давление наружных слоев одежды на внутренние, деформацию тканей и уменьшение воздушных прослоек. Уменьшение воздушных прослоек происходит тем больше, чем ниже упругие свойства материалов одежды. По данным [7], величина воздушных прослоек в комплекте одежды, надетой на человека, колеблется в пределах от 0 до 0,5 - 0,6 см, т. е. значительно меньше величины 1,27 см.
Для установления количественного значения теплового сопротивления воздушных прослоек в «пакете» одежды необходимо проведение специальных исследований.
Второе слагаемое - тепловое сопротивление тканей и других материалов определяется прежде всего количеством содержащихся в их порах и волокнах неподвижного воздуха. Количество воздуха зависит от толщины, пористости и объемного веса тканей. Чем больше толщина ткани, меньше ее объемный вес и больше пористость, тем больше приближается ткань к «идеальному» теплоизолятору - инертному воздуху*⁶.
Технические и эстетические требования, предъявляемые к тканям одежды, а также их экономичность определяют границы изменения толщины и объемного веса материалов. По данным П. А. Колесникова [4], толщина большинства бельевых тканей колеблется в пределах от 0,1 до 0,5 мм, плательных - от 0,1 до 1,9 мм, костюмных - от 0,5 до 1,9 мм. Толщина пальтовых тканей весьма разнообразна (от 0,1 до 5,5 мм), но у большей части этих тканей (90%) она равна от 0,5 до 3,6 мм, Объемный вес тканей изменяется в пределах от 0,108 до 0,479 г/см³, коэффициент теплопроводности λ - от 0,033 до 0,070 ккал/м² · ч · град.
Л. И. Третьякова [7] рассчитала второе слагаемое в уравнении суммарного теплового сопротивления, приняв, что комплект одежды состоит из лучших в теплоизоляционном отношении тканей: белья из фланели, сорочки из бязи, суконного пиджака на сатиновой подкладке и драпового пальто на саржевой шелковой подкладке. Расчет показал, что при толщине «пакета» одежды 1,3 см обеспечивается тепловое сопротивление, равное 0,360 м² · ч · град/ккал.
При проектировании одежды с высокими теплоизоляционными свойствами большое место отводят специальным утепляющим прокладкам. Так, использование в вышеприведенном комплекте ватной прокладки толщиной 10 мм увеличит тепловое сопротивление пакета на 0,350 м² · ч · град/ккал и доведет его до 0,710 м² · ч · град/ккал.
Сопротивление одежды меняется вследствие возникновения естественной и принудительной (во время движений человека) циркуляции воздуха, при этом теплый воздух удаляется через «пакет», а холодный поступает в пододежное пространство из внешней среды. Тепловое сопротивление одежды еще более снижается в условиях ветра. По данным [8], тепловое сопротивление материалов одежды может быть снижено за счет движущегося воздуха окружающей среды в 3,5 - 4 раза.
Снижение теплового сопротивления зависит от воздухопроницаемости «пакета» одежды; чем больше его воздухопроницаемость, тем ниже тепловое сопротивление. Следовательно, в процессе проектирования теплозащитной одежды необходимо особое внимание уделять повышению теплового сопротивления за счет снижения воздухопроницаемости «пакета» одежды и теплопотерь конвекцией.
В связи с этим важное значение имеет рациональная конструкция теплозащитной одежды: глухие застежки, цельнокроеные детали, использование ветростойких прокладок и покрытий и др. [4].
Третье слагаемое суммарного теплового сопротивления одежды - поверхностное сопротивление - определяется коэффициентом теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи равен сумме коэффициентов теплоотдачи конвекцией и радиацией: αконв. + αрад. Изменение первого зависит главным образом от скорости движения воздуха и конструктивной формы одежды (фактора кривизны). Радиационная составляющая коэффициента теплоотдачи зависит от разности температур поверхности одежды и окружающей среды, а также от степени черноты поверхности одежды. Тканям соответствует высокая степень черноты, порядка 80 - 85% [6].
По данным зарубежных гигиенистов Бартона и Эдхолма[9], поверхностное тепловое сопротивление для одежды при различных условиях составляет 0,036 - 0,144 м² · ч · град/ккал.
Удельный вес отдельных составляющих суммарного теплового сопротивления одежды, как видим, неодинаков. Бесспорна главенствующая роль эквивалентного теплового сопротивления «пакета» одежды.
Максимальная величина эквивалентного теплового сопротивления зависит от максимально допустимой толщины «пакета». По данным гигиенистов [9], эта толщина не должна превышать 4 см*⁷, что соответствует эквивалентному тепловому сопротивлению приблизительно 1,000 м² · ч · град/ккал.
Рассматривая белье и платье или костюм в комплекте теплой одежды как постоянные компоненты, тепловое сопротивление которых примерно равно 0,1 м² · ч · град/ккал, расчет конкретной теплозащитной одежды упрощается и сводится к определению суммарного теплового сопротивления только верхней одежды.
Для этого по формулам (1 - 3) находят необходимую величину теплового сопротивления одежды (R), которая может обеспечить человеку комфорт при соответствующих условиях деятельности организма человека (М) в условиях окружающей среды (tв, α).
Подставляя значение суммарного теплового сопротивления в уравнение (6), можно путем подбора определить, какой именно «пакет» одежды обеспечит нужное тепловое сопротивление.
Теплозащитную одежду необходимо проектировать с учетом климатических условий различных районов СССР и различной интенсивности труда.
П. А. Колесниковым [4] подробно рассматриваются требования к одежде в каждом из 6 климатических районов, на которые медицинская климатология делит всю территорию СССР. В соответствии с приведенными в его книге данными, теплозащитная одежда должна иметь тепловое сопротивление от 0,27 м² · ч · град/ккал для мягкой зимы (летнее пальто или плащ и костюм) до 1,08 м² · ч · град/ккал, для очень суровой зимы (в утепленной арктической одежде). Для умеренно холодной зимы тепловое сопротивление одежды должно быть равно 0,45 - 0,54 м² · ч · град/ккал.
При подборе «пакетов» одежды можно пользоваться ориентировочными данными о тепловом сопротивлении отдельных видов одежды, приведенными в [4], которое колеблется от 0,5 (легкое летнее платье) до б,0 кло (утепленная арктическая одежда) (1 кло = 0,18 м² · ч · град/ккал). Костюм и плащ имеют тепловое сопротивление в среднем 1,5 кло, демисезонное пальто 2,0 - 2,5 кло, зимнее пальто - 3,0 кло [4].
Принципы подбора «пакета» теплозащитной одежды
Наиболее рациональной теплозащитной одеждой принято считать меховую одежду. Высокие теплозащитные свойства меха обусловливаются низкой воздухопроницаемостью его мездры (воздухопроницаемость меха в большинстве случаев не превышает 1 л/м² · сек) и значительной по толщине воздушной прослойкой, образуемой волосяным покровом.
Однако сырьевые ресурсы меха ограничены, стоимость его высока, поэтому ориентироваться только на мех при производстве теплозащитной одежды нельзя. Основная масса теплозащитной одежды давно изготовляется из тканей и других немеховых материалов.
Современная теплозащитная одежда представляет собой сложную конструкцию и состоит из нескольких слоев: ткани верха, теплоизоляционного слоя (вата, ватин и др.) и подкладки.
Анализ теплоизоляционных свойств современной зимней одежды, проведенный ЦНИИШП [10], показывает, что она имеет в ряде случаев существенные недостатки: большую материалоемкость, значительный вес, снижение теплового сопротивления в процессе эксплуатации вследствие сваливания ватных прокладок и их утонения. Для некоторых районов страны с холодным климатом теплозащитные свойства существующей одежды явно недостаточны.
Низкие теплозащитные свойства зимней одежды объясняются в значительной мере ее большой воздухопроницаемостью, которая достигает, по данным П. А. Колесникова [4], 40 - 50 л/м² · сек. Поэтому для улучшения теплозащитных свойств зимней одежды необходимо найти средства для снижения ее воздухопроницаемости. Воздухопроницаемость применяемых до сих пор тканей верха, ватных прокладок и ватина очень велика и колеблется для большинства тканей верха (78%) в пределах от 50 до 250 л/м² · сек, а ватных прокладок и ватина - от 90 до 100 л/м² · сек и более.
Попытки снизить воздухопроницаемость и увеличить тепловое сопротивление зимней одежды за счет увеличения толщины и повышения плотности ткани верха приводят к неоправданному увеличению веса и стоимости этих тканей, но не дают желаемых результатов.
Исследования [10, 11, 13] привели к выводу, что создать рациональную конструкцию «пакета» теплозащитной одежды нельзя без пересмотра требований, предъявляемых к отдельным ее слоям.
Исходя из того, что теплозащитные функции разных слоев одежды неодинаковы, их структура и физико-механические свойства должны быть также разными.
От ткани верха (покровной) не требуется высоких теплозащитных свойств; она должна быть красивой, легкой, износостойкой, несминаемой, с минимальной водопоглощаемостью.
В настоящее время уже успешно применяются в качестве тканей верха облегченные шерстяные и полушерстяные ткани рыхлых структур, а также различные хлопчатобумажные ткани (типа репса), ткани из синтетических волокон (капрон, лавсан и др.) с водоотталкивающей и несминаемой отделкой - (пропиткой). Это позволяет значительно снизить потребность в шерстяных тканях.
Вторым слоем в зимней одежде должна быть легкая, мягкая, дешевая ветростойкая прокладка, обладающая малой воздухопроницаемостью и необходимой прочностью.
Необходимость в ветростойкой прокладке отпадает, если в качестве ткани верха используется тонкая и плотная ткань, имеющая достаточно малую воздухопроницаемость (в пределах 6 - 10 л/м² · сек).
Третий слой, собственно теплоизоляционный, теплозащитной одежды должен обладать достаточной толщиной, малой теплопроводностью, высокой упругостью при сжатии, быть легким, пористым и гигроскопичным. Толщина теплоизоляционной прокладки должна устанавливаться различной в зависимости от климатических условий, времени года (осень - зима), условий труда, возраста потребителей и конструкции одежды.
Теплоизоляционные прокладки применяются главным образом для производства зимней одежды. Однако область их применения может быть значительно расширена. При правильном подборе тонкие и легкие прокладки могут с успехом применяться и для демисезонных пальто, лыжных костюмов, детской одежды и др. Разница между демисезонным и зимним пальто будет заключаться только в толщине теплоизоляционной прокладки.
Следующий слой одежды -
подкладка - должен иметь гладкую поверхность с малым коэффициентом трения, чтобы одежду можно было легко надевать и снимать, и повышенную устойчивость к сухому и мокрому трению.
Таким образом, задача подбора рационального «пакета» теплозащитной одежды сводится к тому, чтобы достигнуть возможно большего теплового сопротивления при возможно меньших толщине и весе «пакета».
Одним из основных элементов конструкции теплозащитной одежды, как отмечалось, являются теплоизоляционные прокладки. Вопросы рациональной структуры теплоизоляционных прокладок изучены еще недостаточно. Имеющиеся материалы исследований позволяют сформулировать два основных требования к теплоизоляционным прокладкам: стабильность заданной толщины и наличие неподвижного слоя воздуха внутри прокладки. ЦНИИШП совместно с другими научно-исследовательскими институтами проведена большая исследовательская работа [10] по подбору рациональных теплоизоляционных прокладок. Наиболее приемлемым оказался новый вид пластического пористого материала - пенополиуретан (поролон)*⁸.
Поролон имеет хорошие гигиенические свойства, паропроницаемость, воздухопроницаемость, высокое тепловое сопротивление и упругость при сжатии по толщине (поролон практически несминаем).
Поролон обладает очень высокой пористостью, причем часть пор закрыты, благодаря чему при малом объемном весе он может иметь меньшую воздухопроницаемость, чем другие теплоизоляционные прокладки.
Поролон не поражается молью, легко очищается от загрязнений, морозостоек (до - 50' С), обладает значительной влагоемкостью, но при отжатии быстро высыхает.
Одежда, изготовленная с прокладками из поролона, имеет почти вдвое меньший вес и более высокие теплозащитные свойства, чем обычная теплозащитная одежда, что было выяснено при испытаниях в условиях ветра со скоростью 8 м/сек.
Сравнительные данные по вышеперечисленным свойствам поролона и других теплоизоляционных прокладок, а также «пакетов» зимней одежды приведены в табл. V-1.
Поролон нашел в настоящее время применение не только в виде прокладок, но и дублированный (склеенный) с тканями верха и трикотажем.
Хлопчатобумажные и капроновые ткани, дублированные с поролоном, широко используются для изготовления мужских и женских демисезонных пальто и полупальто, спортивных курток. Исследования свойств этих тканей [12] показали, что по теплозащитным свойствам они не уступают драпам и бобрикам, применяемым в качестве тканей верха для изготовления зимних и демисезонных пальто [13].
Вес одежды
На самочувствие человека оказывает существенное влияние вес одежды: тяжелая одежда вызывает усталость, от нее болят плечи и снижается работоспособность.
При отсутствии специальных требований к весу одежды она должна весить как можно меньше. Это достигается уменьшением площади деталей, а главное применением материалов с меньшим объемным весом (облегченных шерстяных и полушерстяных тканей, легких тканей из синтетических волокон, новых теплоизоляционных прокладок и т. д.). Вес одежды различных видов сильно колеблется (табл. V-2).
Из таблицы
видно, что средний вес зимней мужской одежды в 2,5 раза, а зимней женской - в три раза больше летней.
Вес мужской одежды почти в два раза больше женской.
Б. Ф. Церевитиновым [14] подсчитано, что по отношению к весу тела вес зимней одежды составляет в среднем: у мужчин - 1/9, у женщин - 1/12, в летнее время соответственно 1/22 и 1/39.
Особенно тяжела зимняя меховая одежда. Вес женских меховых пальто достигает 4,0 - 4,7 кг.
Зимняя одежда для детей мало отличается от одежды взрослых, а по отношению к весу тела ребенка еще более тяжелая. Так, отношение веса мехового пальто к среднему весу тела женщин составляет примерно 1/24, в то время как у детей 1/12 - 1/16. Большой вес одежды при большой подвижности и слабом развитии мышц у детей приводит к быстрому утомлению организма. Поэтому для детей создание легкой зимней одежды еще более важно, чем для взрослых.
-----------------------
*¹ По данным, приведенным Г. М. Кондратьевым [6], теплопродукция организма колеблется в широких пределах от 60 ккал/ч (сон) до 660 ккал/ч (самая напряженная мускульная работа).
*² Коэффициент теплоотдачи, по данным Г. М. Кондратьева [6], принимают от 7,15 ккал/м² · ч · град (в безветренную погоду или при нормальной естественной вентиляции внутри помещения) до 45 ккал/м² · ч · град и выше при сильном ветре.
*³ Суммарным тепловым сопротивлением называют полное сопротивление пакета одежды, соответствующее переходу тепла от кожи во внешнюю среду [4].
*⁴ Эквивалентное тепловое сопротивление состоит из суммы тепловых сопротивлений воздушных прослоек и слоев материалов, входящих в пакет одежды.
*⁵ Поверхностное тепловое сопротивление - сопротивление теплопереходу от наружной поверхности одежды во внешнюю среду - величина, обратная коэффициенту теплоотдачи Rп = 1/ ̅α.
*⁶ Коэффициент теплопроводности неподвижного (инертного воздуха) равен 0,00083 ккал/см · сек · град.
*⁷ Толщина <пакета» зимней современной одежды с ватной прокладкой равна 1,2 - 3,0 см [4].
*⁸ Швейная промышленность использует поролон в виде полотен шириной 100 см и длиной 15 - 17 м.
ЛИТЕРАТУРА
4. Колесников П.А. Теплозащитные свойства одежды. Изд-во «Легкая индустрия», 1965.
6. Кондратьев Г.М. Приближенный тепловой расчет одежды. Сборник трудов ЦНИИШП, 1957, № 6.
7. Третьякова Л.И. О тепловом расчете одежды. Известия вузов, Технология легкой промышленности, 1962, № 6.
8. Третьякова Л.И. Изучение теплозащитных свойств ватных прокладок. Известия вузов, Технология легкой промышленности, 1958, № 1.
9. Бартон и Эдхолм. Человек в условиях холода. Изд-во ИЛ, М., 1957.
10. Колесников П.А., Гущина К.Г. Сравнительный анализ теплоизоляционных материалов одежды. Научно-исследовательские труды ЦНИИШП, 1962, № 10.
11. Эксплуатационные свойства тканей и современные методы их оценки, под общей ред. П.А. Колесникова. Ростехиздат, 1960.
12. Михайлова М.С., Шаньгина В.Ф. Применение тканей, дублированных поролоном, при изготовлении верхней одежды, Журн. «Швейная промышленность», 1962, № 2.
13. Колесников П.А. Принципы построения рациональной теплозащитной одежды, ЛДНТП, 1961.
14. Церевитинов Б.Ф. Научные основы товароведения пушно-меховых товаров. Автореферат диссертации, МТИЛП, 1965. 
