Modelowanie procesów wymiany ciepła w dzianinach futerkowych

• Autorzy: Więzowska Anna

Identyfikatory

DOI

10.34658/tex.2019.75.39-75

Warianty tytułu

EN

Modelling of heat transfer processes in knitted fur fabrics

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ciepłochronność jest podstawowym parametrem determinującym praktyczne zastosowanie dzianin futerkowych. Analiza wymiany ciepła oraz metodyka określenia podstawowych parametrów struktury do optymalizacji konstrukcji z uwagi na wymagany poziom izolacyjności cieplnej nie zostały jeszcze dotychczas opisane dla dzianin futerkowych. Brak rozwiązań problemów ciepłochronności dla tego typu dzianin wskazuje na celowość podjęcia rozważanej tematyki. Celem prac prowadzonych w ramach dysertacji doktorskiej było opracowanie modelu przepływu ciepła, który może być wykorzystany do projektowania dzianin futerkowych o wymaganych właściwościach termofizycznych. Zaprezentowany model opisu zjawiska przepływu ciepła ma uzasadnienie praktyczne w odniesieniu do dzianin futerkowych. Przyjęta metoda pozwala uniknąć badań wielu parametrów, ograniczając je do minimum: udział objętościowy poszczególnych składników w stosunku do każdej warstwy oraz stosunek grubości poszczególnych warstw do grubości całego wyrobu. Do badań wykorzystuje się powszechnie dostępne urządzenia pomiarowe. Uzyskuje się ponadto możliwość symulacji eksperymentu, bez konieczności wytwarzania dzianiny futerkowej. Metoda ta pozwala na dowolne modelowanie warunków brzegowych i początkowych, co nie zawsze jest możliwe dla metod empirycznych ze względu na ograniczenia sprzętowe. Opracowany model obliczeniowy przepływu ciepła przez dzianiny futerkowe umożliwia uzyskanie rozkładu temperatury w tej konstrukcji oraz może stanowić punkt wyjścia doboru optymalnego struktury dla osiągnięcia 40 Anna Więzowska wymaganych właściwości wyrobów. Projektowanie dzianiny futerkowej o wymaganym poziomie izolacyjności cieplnej, z zastosowaniem przedstawionego modelu, może posłużyć do powstania rzeczywistego materiału o określonych właściwościach ciepłochronnych.

EN

The fundamental function of the knitted fur fabrics, which are commonly used to manufacture the clothes and shoes, is to protect the human body against heat loss in low environmental temperature. Thus, the heat-insulating properties of fur fabrics are the basic criterion for their functional characteristics. The aim of this work is to determine the heat transfer model, which can be applied to design the knitted fur fabrics of the required thermophysical properties. The mathematical model of heat transport within knitted fur fabrics allows to obtain the temperature distribution in the structure and can be a starting point to optimize the structural shape in respect of the requested properties. The available literature does not introduce the heat transport problems in the knitted fur fabrics. A few works describe in general form some parameters of the structure whereas the corresponding standards are inaccessible. To explain the nature of heat transfer inside the knitted fur fabrics, the dissertation describes the basic phenomena of heat transfer. The heat conduction is defined more precisely as the dominant heat transport mechanism in textiles. The material properties influencing the heat flux density transferred in textile product are also described. The particular cases of heat conduction mechanisms in the single layer and the multi-layer structure have been analysed and next applied to determine the heat transfer in the homogenized fur fabric. The solution methodology of simple and complex heat transfer problems has been explained. The literature pertaining to the measurements of heat isolation in textiles has been reviewed in respect of the measurement methods, character of processes, measured parameters and field of their application vs. both structure of examined material as well as the layers arrangement. Assuming the complex structure of knitted fur fabrics (i.e. the multilayer arrangement, participation of glue in bottom layer, air inside the void spaces under inclined fibers), we have rejected the measurements methods influencing the material structure during the test. Heat transport within knitted fur fabrics is described by means of the heat conduction coefficient tested in steady conditions. The measured conduction coefficient is often of substitute nature and can additionally include the convective and radiative heat transport. The thermal properties of knitted fur fabrics are determined by means of the test device Tilmet 75. The preliminary investigations were conducted using the device Tilmet 75 for different knitted fabrics made of homogenous materials with the diversified thickness and surface mass. The fur fabrics were characterized using the same standard indexes which are tested for the knitted fabrics i.e. the thickness and surface mass. There are tested the heat conduction and heat permeability as well as determined the structure of knitted fabrics samples vs. the characteristics of thermal properties. The empirically determined heat conduction coefficient and heat resistances vs. basic structural parameters do not describe the influence of raw material in the knitted fur fabrics on the material heat characteristics. Both growing surface mass and growing fabric thickness does not determine unequivocally the gradation of these features in respect of thermal properties. According to the preliminary test results, it is necessary to change the factors determining the complex knitted fur fabrics in respect of the structure and raw material composition. The description of the knitted fur fabric can cause difficulties in heat transport correlations. Parameters of fur fabrics of the complex, space and multilayer structure are hard to determine and investigate using the standard test methods. The structure consists of the bottom layer and the fleece layer which are made of different raw materials: the yarn, band and glue as well as considerable volume fraction of air inside. Thus, the description of physical model is troublesome. Let us introduce the following assumptions concerning the fur fabric: (i) the same height of fleece layer; (ii) the uniform distribution of fibres density in cover layer; (iii) the uniform distribution of yarn, fibres and air in bottom layer; (iv) the void spaces between the yarn in bottom layer are filled by both air and glue; (v) the glue does not penetrate the cover layer. Under the above assumptions, the space 3D description can be simplified to the plane 2D problem introducing the homogenized particular layer of fabric. The structure is defined by the volume fraction and heat conduction coefficient of each layer. The heat conduction coefficient is determined using the rule of mixture which limits the domain of study of corresponding parameters to the volume fractions of particular component in every layer. The principal investigations were conducted for the knitted fur fabrics of the diversified both length of fleece and basis weight, subjected to the different finishing processes. The test methods applicable for the different textile materials were analysed in respect of the measurement characteristics i.e. applicable for thickness, density, mass related to materials / textile products and their particular layers. The complex structure of knitted fur fabrics can be characterized by the innovative, non-standard test methods as well as the standard methods, which are not usually applied for those materials. The thickness of knitted fur fabric tested for the various pressures strongly depends on the load applied. The presented model of heat transfer description is practically motivated for the knitted fur fabric. The adopted method can avoid the large number of tests of required parameters and restricts the analysis to the following cases: the volume fraction of particular component within each layer and thickness fraction of particular layer to the complete thickness of product. The commonly available test equipment is used during the tests. Additionally, the experiments are simulated which substitute the manufactured knitted fur fabric. This method allows to model 75 optionally the boundary and initial conditions which is not always applicable for empirical methods due to equipment limitations. Design of knitted fur fabric of the requested thermal isolation level, based on the model presented in this work, can help to create the real material of the prescribed heat-insulating properties. The next stage of the current investigations can be focused on determination of indexes characterizing the knitted fur fabrics in presented model vs. technological parameters necessary to manufacture the designed product.

Słowa kluczowe

PL

dzianina futerkowa; modelowanie; temperatura; przewodzenie ciepła; przenikanie ciepła; opory cieplne; ciepłochronność

EN

knitted fur fabrics; modeling; temperature; heat conduction; heat transfer; thermal resistance; heat insulation

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Włókiennictwo / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2019
• Tom: z. 75
• Strony: 39--75
• Opis fizyczny: Bibliogr. 67 poz.

Twórcy

autor

Więzowska Anna

• Wydział Technologii Materiałowych i Wzornictwa Tekstyliów Politechniki Łódzkiej, Katedra Mechaniki i Informatyki Technicznej

Bibliografia

• [1] Korliński W.: „Naturalizacja” dzianin futerkowych, [w:] Materiały Konferencyjne ArchTex’99, Łódź, 1999, Architektura Tekstyliów Nr 1-2, 1999, str. 40-43.
• [2] Hes L.: Thermophysiological properties of artificial and animal furs, 2nd International Congress on Technical Textiles, UPC Terrassa, October 2004., Proc. of Internat. Congress on Technical textiles, (Ed. A. Naik), Oct. 2004, UPC Terrassa, ISBN 84-600-9667-X
• [3] Małachowska A.: Ocena asortymentu tkanin i dzianin futerkowych, Przegląd Włókienniczy 7/67, 1967, ss. 339-342.
• [4] Żyliński T.: Metrologia Włókiennicza. Tom III, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1979.
• [5] Korliński W.: Technologia dzianin rządkowych, WNT, Warszawa 1989.
• [6] El-Dakhloul A.: Wpływ parametrów technologicznych na przepływ powietrza w dzianinach futerkowych, Przegląd Włókienniczy 2002, nr 7, ss. 10-13.
• [7] Freedman H.A.: Pile fabrics and their flammability, based on paper presented at the Conference on Burns and Flame-Retardand Fabrics, held at the New York Academy of Medicine, December 2-3 1966New York Akademy of Medicine. Bulletin 43, No. 8, August 1967, 663-668.
• [8] Korliński W., Patyk B.: Physical and Mathematical Modeling of the Phenomenon of Fur Knitting Compression, Fibres & Textiles In Eastern Europe 2006, Vol. 14, nr 4 (58), ss. 48-51.
• [9] Korliński W., Patyk B.: Zależność między parametrami struktury dzianin futerkowych i parametrami procesu ściskania, 42 Kongres IFKT (International Federation of Knitting Technologists), Łódź 5-8.10.2004, Wyd. Instytut Technik i Technologii Dziewiarskich Tricotextil, Łódź, 2004, ISBN: 83-917476-2-X
• [10] Korliński W., Patyk B.: Preliminary Analysis of the Pile Properties of Fur Knitting’s During the Process of Compression, Fibres & Textiles in Eastern Europe 2002, nr 10(4), ss. 49-51.
• [11] Sławiński M.Z.: Programowanie udziału włókien okrywy w masie powierzchniowej dzianin futerkowych, Przegląd Włókienniczy 6/78, 1978, ss. 282-284.
• [12] Korliński W.: Wpływ niektórych parametrów struktury dzianin na ich ciepłochronność, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, nr 129, Włókiennictwo 1970, z. 21. str. 105-148.
• [13] Rogowska K., Raczyński J.: Urządzenia cieplne zakładów włókienniczych. Ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1987.
• [14] Więźlak W., Robakowski K.: Praca zbiorowa. Metrologia włókiennicza. Tom IV, [w:], red. W Szmelter, WNT, Warszawa 1973.
• [15] Jasińska I., Frydrych I., Sybilska W.: Parametry termoizolacyjności cieplnej wyrobów typu Gore-tex. Część I, Przegląd Włókienniczy - Włókno, Odzież, Skóra 2005, nr 6, str. 32-34.
• [16] Więźlak W., Elmrych-Bocheńska J., Zieliński J.: Odzież. Budowa, własności i produkcja, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Państwowy Instytut Badawczy, Łódź 2009.
• [17] Korliński W.: Analiza krytyczna metody pomiaru izolacyjności cieplnej tekstyliów w normie ISO 5085-1: 1989, Przegląd Włókienniczy1996, nr 5, ss. 8-11.
• [18] Wiśniewski S., Wiśniewski T.S.: Wymiana ciepła, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1997.
• [19] Kostowski E.: Przepływ ciepła, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.
• [20] Kmieć A.: Procesy cieplne i aparaty, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005.
• [21] Incropera F.P., De Witt D.P.: Fundamentals of heat and mass transfer, 5th ed., John Wiley&Sons, 2002., United States of America.
• [22] Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H.: A heat transfer textbook, 3rd ed., Published by Phlogiston Press, Cambridge, Massachusetts, U.S.A 2006.
• [23] Sondij F.: Termokinetyka. Zagadnienia wybrane. Część I. Wprowadzenie, Politechnika Lubelska, Lublin 1990.
• [24] Hering M.: Termokinetyka dla elektryków, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980.
• [25] Michiejew M.: Zasady wymiany ciepła, PWN, Warszawa 1953.
• [26] Kalinowski E.: Przekazywanie ciepła i wymienniki, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1995.
• [27] Staniszewski B.: Wymiana ciepła. Podstawy teoretyczne, PWN, Warszawa 1979.
• [28] Pudlik W.: Wymiana i wymienniki ciepła, Podręcznik dla studentów wydziałów mechanicznych specjalizujących się w technikach cieplnych i chłodniczych, Politechnika Gdańska, Wydanie IV cyfrowe, Gdańsk 2008.
• [29] Tomeczek J.: Termodynamika, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999.
• [30] Frydrych I., Porada A., Bilska J., Konecki W.: Parametry izolacyjności cieplnej tkanin. Część I. Przegląd metod i urządzeń pomiarowych, Przegląd Włókienniczy – Włókno, Odzież, Skóra 2003, nr 10, ss. 12-15.
• [31] PN-P-04617:1986, Metody Badań wyrobów włókienniczych. Izolacyjność cieplna. Wyznaczanie gęstości strumienia energii.
• [32] Królikowska H., Dylik M., Janusz M.: Automatyzacja badania ciepłochronności wyrobów włókienniczych metodą walca, Prace Instytutu Włókiennictwa 1992/1993, str. 25-30.
• [33] PN-EN ISO 11092:2014-11, Tekstylia. Właściwości fizjologiczne. Pomiar oporu cieplnego i oporu pary wodnej w warunkach stanu ustalonego (metoda pocącej się zaizolowanej cieplnie płyty).
• [35] Frydrych I., Dziworska G.: Najnowsze przyrządy prof. Sueo Kawabaty: KESFBAUTO-A i THERMO LABO II, Przegląd Włókienniczy – Włókno, Odzież, Skóra 2000, nr 6, str. 9-11.
• [36] Matusiak M., Sikorski K.: Badania właściwości termoizolacyjnych cienkich tkanin odzieżowych. Cz. 1, Przegląd Włókienniczy – Włókno, Odzież, Skóra 2010, nr 3, ss. 42-44.
• [37] PN-P-04954:1975, Metody badań wyrobów włókienniczych. Wyznaczanie współczynnika przewodzenia ciepła.
• [38] ISO 5085-1:1989: Textile – Determination of thermal resistance – Part I: Low thermal resistance, Szwecja, Genewa.
• [39] Michalak M.: Bezkontaktowe badania właściwości cieplnych wyrobów włókienniczych. Część I, Przegląd Włókienniczy – Włókno, Odzież, Skóra 2010, nr 2.
• [40] Michalak M.: Bezkontaktowe badania właściwości cieplnych wyrobów włókienniczych. Część II, Przegląd Włókienniczy – Włókno, Odzież, Skóra 2010, nr 3 ss. 25-27.
• [41] Ziegler S., Kucharska-Kot J.: Estimation of the Overall Heat-transfer Coefficient Through a Textile Layer, Fibres & Textiles in Eastern Europe 2006, Vol. 14, No. 5 (59), str. 103-106.
• [42] Szargut J.: Modelowanie numeryczne pól temperatury, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1992.
• [43] Korycki R.: Identyfikacja i optymalne projektowanie kształtu wyrobów i konstrukcji włókienniczych przewodzących ciepło, Politechnika Łódzka, Zeszyty Naukowe 2003, nr 929, 2003.
• [44] Szmelter J.: Metody komputerowe w mechanice, PWN, Warszawa 1980.
• [45] Kleiber M., Ross C.T.F.: Incremental finite element modelling in non-linear solid mechanics, , Ellis Horwood Ltd., Harlow, United Kingdom 1989.
• [46] Grądzki R.: Wprowadzenie do metody elementów skończonych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2002.
• [47] Belytschko T., Liu W.K., Moran B.: Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures, Wiley 2000, Chichester.
• [48] Kleiber M.: Metoda elementów skończonych w nieliniowej mechanice kontinuum, PWN, Warszawa-Poznań 1985.
• [49] Brebbia C.A., Connor J.C.: Fundamentals of finite element techniques for structural engineers, Butterworth 1975.
• [50] Cook R.D.: Concepts and applications of finite element analysis, Wiley 1974 , New York.
• [51] Łodygowski T., Kąkol W.: Metoda elementów skończonych w wybranych zagadnieniach mechaniki konstrukcji inżynierskich, Politechnika Poznańska, Alma Mater, 2003.
• [52] Korycki R., Więzowska A.: Modelling of the Temperature Field within Knitted Fur Fabrics, FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2011, Vol. 19, nr 1(84).
• [53] Korycki R., Więzowska A.: Modeling of temperature field in knitted fur fabrics, IMTEX 2009, X International Conference, Conference Proceedings, Łódź 2009, ss. 132-135. adres wydawniczy: Łódź, Technical University, 2009, polski referat zjazdowy, język publikacji: EN.
• [54] Korycki R., Więzowska A.: Relation Between Basic Structural Parameters of Knitted Fur Fabrics and Their Heat Transmission Resistance, Fabrics, FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2008, nr 3(68), ss. 84-89.
• [55] PN-P-01724:1976, Wyroby futerkowe. Zestawienie wskaźników technologicznych i użytkowych.
• [56] PN-EN ISO 5084:1999, Tekstylia. Wyznaczanie grubości wyrobów włókienniczych.
• [57] EN ISO 9073-2:2002, Tekstylia. Metody badania włóknin. Część 2: Wyznaczanie grubości.
• [58] PN-ISO 1765:1998, Włókiennicze pokrycia podłogowe wytwarzane techniką maszynową. Wyznaczanie grubości.
• [59] EN 429:1993, Elastyczne pokrycia podłogowe. Wyznaczanie grubości warstw
• [60] PN-EN 1318:2006, Włókiennicze pokrycia podłogowe – Wyznaczanie umownej grubości efektywnej spodu
• [61] PN-ISO 10834:1999, Włókiennicze pokrycia podłogowe – Nieniszczący pomiar grubości okrywy – Metoda z zastosowaniem przyrządu WRONZ.
• [62] PN-ISO 1766:2006, Włókiennicze pokrycia podłogowe – Wyznaczanie grubości okrywy.
• [63] PN-P-04688:1985, Metody badań materiałów włókienniczych. Filce i włókniny. Wyznaczanie gęstości pozornej.
• [64] PN-EN 14900:2007, Włókiennicze pokrycia podłogowe. Wyznaczanie gęstości spodu z włókniny.
• [65] PN-ISO 8543:1998, Włókiennicze pokrycia podłogowe – Metody wyznaczania masy
• [66] PN-EN 984:2004, Włókiennicze pokrycia podłogowe – Wyznaczanie masy powierzchniowej warstwy użytkowej igłowanych pokryć podłogowych.
• [67] PN-P-04650:1973, Metody badań wyrobów włókienniczych. Tkaniny z okrywą runową. Wyznaczanie masy powierzchniowej runa.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).