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凉感织物测试的影响因素分析

2020/07/06

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高于环境温度的人体和织物接触时,人体热量经织物散失,使得人体产生凉爽的感觉[1]。前期研究中,对人体接触织物的瞬态和稳态传热过程、传热量的理论计算公式、热流密度-时间曲线、织物热吸收量、织物凉感的影响因素、热流式织物凉感测试仪器的研制及原理等进行了系统研究,并提出采用接触瞬间热流密度最大值qmax(W/m2)、接触瞬间织物吸热量Qs(J/m2)、稳态热流密度qbal(W/m2)作为织物凉感的评价指标。
从织物样品自身而言,织物表面状态、高导热丝的含量和细度、组织结构[2-3]、接触热阻等是决定凉感的根本因素[4]。从测试条件而言,同一试样,环境温湿度、风速、测试试样面积、探头温度、稳态传热平衡时间的确定条件、绝热保温板类型等不同,也会导致凉感测试结果的差异。因此,为了形成通用的织物凉感测试方法标准,还需进一步明确测试条件和参数对测试结果的影响。
 
1 试验部分
1.1 测试原理
1.1.1 原理
如图1所示,将试样放置于绝热保温板上。将内置有恒温热源和热流传感器且具有一定压强的测试探头加热至规定温度后,迅速放在试样表面。由于温差的存在,模拟人体温度的测试探头内恒温热源的热量将以一定的热流密度通过热流传感器传导到试样,被试样吸收并传递出去[5-6]。记录通过热流传感器的热流密度q随时间t变化的曲线,如图2所示。
 
1.1.2 理论计算
根据前期研究,图2中曲线下方面积为恒温热源通过织物散失的总热量Q,包括织物作为一个热容吸收的热量Q1、接触瞬间由织物传导出的热量Q2和平衡态由织物持续传导到外界的热量Q3,即Q=Q1+Q2+Q3。
式中:A为人体和织物的接触面积(cm2),ρ为织物的体积质量(g/m2),d为织物厚度(cm),c为纱线比热容[J/(g·℃)],m为织物质量(g),a为人体和织物试样接触的矩形长边(cm),kf为高导热长丝的热导率[W/(m·K)],df为高导热长丝的直径(cm),ρf为纱线的体积质量(g/cm3),T0为织物初始温度(℃),Ts为皮肤温度(℃),lx为热流传递的距离(cm),t1为传热达到平衡的时间(s)。
 
1.2 评价指标
瞬时热流密度最大值qmax为接触瞬间获得的热流密度峰值,即图2曲线上的热流密度峰值,表示接触瞬间凉感。接触瞬间总传热量为通过积分计算获得单位面积初始传热量Qs,即Q1+Q2。稳态热流密度qbal是传热达到平衡时的热流密度,即图2曲线上时间t1对应的热流密度值,表征织物的稳态传热能力。
 
2 织物凉感测试的影响因素
2.1 试验样品
测试仪器为FFZ415型热流式凉感测试仪[7]。测试前,所有试样均在温度(20±2)℃、相对湿度(65±5)%的条件下预平衡24 h。试样及其参数如表1所示。
打开仪器进行预热。当测试探头的温度稳定在35 ℃时,将试样放在绝热保温板上,将测试探头置于试样正中央,开始测试。联机软件可以设置测试参数、探头温度、终止条件、测试时间以及平衡变化率,采集热流密度随时间的变化数据,并显示热流密度-时间曲线。
 
2.2 试验方案
在探讨下列测试参数对测试结果的影响时,稳态传热平衡时间的确定需要通过大量试验确定,因而针对稳态平衡时间这一参数进行选择时,需要有厚薄不同的机织物和针织物,各试样的组织结构、单位面积质量等应不同。
对于其他影响因素,试验发现不同试样测试所反映的结果类似。故为减少变量的影响,方便讨论,选择其中一种试样进行分析与讨论,以下统一选择试样1。
 
2.2.1 测试环境温湿度
将试样1分别放在温度27 ℃、相对湿度43%和温度21 ℃、相对湿度63%两种温湿度条件下进行测试。通过比较以确定合适的环境温湿度。
 
2.2.2 试样面积
试样面积要由探头尺寸以及实现试样和环境充分热量交换所需要的传导距离(lx)来确定[8-9]。测试仪的探头面积为100 mm×50 mm。将试样1分别裁成尺寸为100 mm×50 mm 、200 mm×100mm、200 mm×200 mm、400 mm×200 mm大小进行测试比较,以确定合适的试样尺寸。
 
2.2.3 稳态传热平衡时间
在大量的试验中,发现绝大部分试样的热流密度-时间曲线的峰值发生在接触瞬间,之后迅速回落[2]25。对于轻薄的试样,基本在60 s之内就达到了平衡时间t1;对于竹块凉席这种极为厚重的试样,时间会更长一点,大约在300 s时也基本达到平衡。因此,拟定测试终止时间为300 s。如何确定达到平衡传热的时间t1,将影响最后的测试计算结果。定义,平衡传热时间t1时刻的热流密度值为qt1,t1时刻后的第一次记录的热流密度为q(t1+1),则平衡传热时间t1时刻的热流密度变化率为(q(t1+1)-qt1)/qt1,又称为平衡热流密度变化率。
为了尽可能在短时间内获得准确的平衡热流密度,测试当t1时刻的热流密度变化率不大于0.5%时和测试时间达到300 s时的平衡热流密度,比较两种终止条件下的数据差异,以确定适宜的稳态传热平衡时间。对试样1~试样8,均在两种不同终止条件下进行测试。
 
2.2.4 绝热保温板
在探头与测试试样接触的瞬间,热流会沿着x、y、z三个方向传递,如图1所示,其中z方向为样品台(即绝热保温板)垂直方向。由于凉感织物一般用于夏季,织物较轻薄,除了接触瞬间织物自身作为一个热容体吸收热量外,织物会沿x、y方向继续传导热量并与环境实现热量交换。由此,放置试样的测试台的热学性能将对测试结果产生显着影响。如果样品台为热的良导体,则测试过程中,热量会大部分沿z方向传递,探头内的热流传感器获得的热流密度反映的是样品台的传热性能。因此,需要具有较好绝热作用的样品台,才能够反映出试样沿平面方向的传热性能。比较在不同绝热保温板测试得到的qmax、qbal值,以确定合适的绝热保温板。
 
2.2.5 风速
分别在风速为0.25 m/s、1.25 m/s和2.75 m/s的条件下对试样1进行测试,探讨风速大小对热流密度的影响,确定合适的风速条件。
 
2.2.6 探头稳定时与试样的垂直距离
测试过程中发现,探头达到设定温度并移动到试样表面的过程中,由于和环境温度存在温差,在移动过程中,探头的热流密度会发生较大变化,待热流密度稳定后,将探头快速放置到试样1上。为明确探头热流密度稳定后探头和试样的垂直距离对测试结果的影响,将探头分别在距离试样3 cm和7 cm时暂停,待测试探头的热流密度值稳定后,测试试样的qmax、qbal值,对比测试结果以确定探头稳定时与试样合适的距离。
 
3 结果与讨论
3.1 环境温湿度
试样1在不同温湿度条件下的测试结果为:温度27 ℃、相对湿度43%时,qmax平均值为268.5 W/m2,qbal平均值为53.7 W/m2;温度21 ℃、相对湿度63%时,qmax平均值为434.7 W/m2,qbal平均值为74.0 W/m2。不同的温湿度环境测得的试验数据有明显差异,尤其是环境温度的影响十分明显。根据理论计算公式(1)、公式(2)和公式(3)可知,探头和试样温差对qmax和qbal有显着影响,环境温度越低,影响越显着。这与试验结果相符。
 
3.2 试样面积
同一规格、不同尺寸试样的测试结果如表2所示。
当试样尺寸与探头尺寸相同时,试样温度在和探头达到平衡后,试样不能继续通过聚乙烯长丝向环境传递热量,导致qmax、Qs偏低,且qbal大幅度低于其他三个尺寸试样。由公式(1)、公式(2)和公式(3)可知,热流传递距离(lx)对总传热量Qs和稳态传热量qbal均有显着影响。随着试样尺寸的增加,qmax、qbal均增加,当试样尺寸为200 mm×100 mm,有足够的传导距离实现由探头传导给织物的热量和环境的热交换,此时,qmax、qbal基本稳定。由表2可知,试样尺寸超过200 mm×100 mm,试样的qmax和qbal值相差无异。结合样品台和仪器成台尺寸,最终确定试样的测试面积为400 mm×200 mm。
 
3.3 稳态传热平衡时间
同一试样在300 s终止时和热流密度变化率不大于0.5%的平衡时间t1终止时,得到的qmax、qbal值如表3所示。从表3中看出,试样2在热流密度变化率不大于0.5%时得到的qbal值为64.6 W/m2,比测试终止时间为300 s时得到的qbal值62.7 W/m2略大,热流密度变化率不大于0.5%时测得的Qs的值比测试终止时间为300 s测得的Qs值小,这是因为测试会在热流密度变化率不大于0.5%时终止,测试时间很短,即t1数值较小,由82热流密度曲线的积分面积Qs=width=14,height=23,dpi=110qtdt可知,当t1较小时,Qs值相应降低。试验结果和理论分析一致。
图5;
 
除竹条凉席外,其余试样在热流密度变化率不大于0.5%时得到的qbal值都比测试时间为300 s得到的qbal值大。以在较短时间内获得较准确数据为原则,将热流密度变化率不大于0.5%时所对应的时间作为稳态传热平衡时间。
 
3.4 绝热保温板
不同保温板的测试结果如表4所示。从表4中可以看出,不同材质不同厚度的绝热保温板qbal值在21 W/m2左右,试验数据差异较小。在测试时,由于操作上产生的误差,b-1和b-6绝热保温板的qmax值出现偏离平均水平的情况,但在可接受范围内。聚氨酯泡沫板的密度40 kg/m3比聚苯乙烯的密度38 kg/m3大,但是聚苯乙烯的导热系数0.029 W/(m·K)比聚氨酯的导热系数0.025 W/(m·K)大,绝热性能差异小。用手掌触摸两种泡沫板的表面发现,聚苯乙烯泡沫板表面光滑,聚氨酯泡沫板表面粗糙,为避免试样和泡沫板之间不能紧密贴合造成不必要的误差,选择表面光滑的聚苯乙烯泡沫板进行试验。为确保试验数据的准确性并结合仪器尺寸,考虑携带方便性等,最后选用厚度为2 cm的聚苯乙烯泡沫板作为绝热保温板。表4中,编号b-1至b-6的泡沫板均为聚苯乙烯泡沫板,导热系数为0.029 W/(m·K),厚度分别为2 cm、3 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm;b-1和b-2泡沫板密度为38 kg/m3;b-3至b-6泡沫板密度为33 kg/m3;b-7为聚氨酯泡沫板,导热系数为0.025 W/(m·K),厚度为2 cm,密度为40 kg/m3。
 
3.5 风速
在风速分别为0.25 m/s、1.25 m/s和2.75 m/s的环境下测得试样1的qmax值分别为437.4 W/m2、462.7 W/m2、493.1 W/m2,qbal值分别为76.2 W/m2、85.4 W/m2、90.1 W/m2。结果表明,风速对qmax、qbal均有一定程度的影响,在测试环境风速较大的情况下,会加速热量沿试样传导到环境中和试样与环境的对流散热,使得qmax、qbal值略大,由公式(1)、(3)知,风速不是影响qmax、qbal值的主要因素。
由前期仪器的灵敏性试验中可以看出,外界空气的流动变化就会导致试验数据偏离,造成试验误差,所以测试时需确保外界空气流动速度不超过0.25 m/s,参考国标GB/T 6529—2008《纺织品调湿和试验用标准大气》[10],以保证试验数据的准确性。
 
3.6 探头稳定时与面料的垂直距离
由于探头灵敏度较高,在拿起探头到将其放在试样上的移动过程中,通过探头的热流密度会发生变化。
在探头和试样垂直距离分别为3 cm和7 cm时,qmax的大小在450 W/m2左右,qbal的值在75 W/m2左右,两种垂直距离测得平均值间的差值分别为11.1 W/m2和1.1 W/m2,探头垂直距离试样为7 cm时的qmax、qbal值比探头垂直距离试样3 cm时的qmax、qbal值略大,由此,只要探头在移动过程中有一定的稳定时间,探头垂直距离试样的远近对测试结果影响略小。考虑到探头垂直距离试样较近时,会有部分热量通过热辐射传递到试样上,影响最终测试结果,可以选择垂直距离较远时(7 cm左右)进行测试。
 
4 结论
采用热流式凉感测试仪对织物进行凉感评价时,环境温湿度对测试结果影响显着;风速越大,热量就越易通过试样向外界环境散热;测试试样应能够提供足够的传导距离,通过聚乙烯长丝和环境实现热量交换;达到稳态传热的时间应该使测试在较短时间内获得准确的热流密度数据;应选用沿试样厚度方向无热量传导的泡沫板作为绝热保温板试样台。通过试验确定了上述各因素的具体指标,其中,环境温湿度为标准大气压下的温湿度,风速(空气流动速度)不超过0.25 m/s,测试试样尺寸400 mm×200 mm或以上,探头温度35 ℃,测试台使用的绝热保温板为聚苯乙烯泡沫板,以热流密度变化率不大于0.5%时到达的时间为稳态传热平衡时间。

 


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