Khi mặc, quần áo chịu tác động của các quá trình trao đổi nhiệt từ cơ thể ra môi trường. Khi đó, khả năng cách nhiệt của chúng có những biến đổi, đặc biệt là khi cơ thể có mồ hôi, hoặc do môi trường sử dụng ẩm ướt. Khả năng cách nhiệt của quần áo được đặc trưng bởi hệ số truyền nhiệt k (W.m-2.K-1). Với mục đích xây dựng cơ sở cho việc lựa chọn các thông số tối ưu khi thiết kế và sử dụng quần áo nhiều lớp, đề tài đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm sự thay đổi hệ số truyền nhiệt k của kết cấu quần áo 3 lớp ( lớp vải ngoài A + lớp bông đệm B + lớp vải lót C) khi bị ngấm ẩm ở các điều kiện khác nhau như ngấm ẩm liên tục, ngấm ẩm gián đoạn, bị ẩm ướt.
I. Nghiên cứu thực nghiệm
1.1. Nội dung nghiên cứu
Nội dung của phần này là, nghiên cứu sự thay đổi hệ số truyền nhiệt k (W.m- 2.K-1) của kết cấu quần áo 3 lớp ABC trong các điều kiện sau:
- Quần áo bị ngấm ẩm liên tục; quần áo bị ngấm ẩm gián đoạn; quần áo bị ẩm ướt do tác động của môi trường. Hệ số truyền nhiệt được xác định theo công thức:
W.m-2.K-1
Trong đó:
Q - Công suất nhiệt, W;
F - Diện tích bề mặt đốt nóng , m2;
t - Độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt mô hình và môi trường, oC.
Trong các quá trình thí nghiệm trên:
- Nhiệt độ trong kết cấu vải 3 lớp ABC được ghi lại nhờ gắn cố định 1 cặp nhiệt vào giữa lớp bông (B);
- Nhiệt độ bề mặt mô hình đo được nhờ các cặp nhiệt gắn chìm trong thân mô hình;
- Nhiệt độ môi trường đo được bằng các cặp nhiệt đặt ngoài môi trường.
1.2. Đối tượng nghiên cứu
Một tổ hợp gồm 1 lớp quần áo lót bằng vải D và 1 kết cấu quần áo khoác ngoài bằng 3 lớp vải ABC. Các loại vải A, B, C, D có các thông số kỹ thuật được trình bày như sau: (Xem bảng 1).
1.3. Thiết bị thí nghiệm
- Mô hình thực nghiệm xác định hệ số truyền nhiệt k (W.m-2.K-1) của quần áo đã được kiểm chứng, có đủ độ tin cậy phục vụ cho nghiên cứu hệ số truyền nhiệt của vật liệu dệt và quần áo. Mô hình được trình bày trên hình 1.
1.4. Điều kiện nghiên cứu
Đã sử dụng phòng vi khí hậu FBWGD/SH3-21 để tạo ra môi trường thí nghiệm ổn định theo:
- Nhiệt độ không khí t = 20 ± 2oC;
- Độ ẩm tương đối không khí (= 65 ± 5%.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
* Phương pháp nghiên cứu quá trình quần áo bị ngấm ẩm liên tục
Quá trình nghiên cứu quần áo bị ngấm ẩm liên tục chia thành 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Bọc lớp vải lót D cho thân mô hình.
Giai đoạn 2: Cấp nước bằng mao dẫn cho vải lót D ướt hoàn toàn. Công suất nhiệt đầu vào được điều chỉnh sao cho nhiệt độ trên bề mặt mô hình (tw) ổn định ở khoảng 35 - 37oC. Công suất nhiệt này được giữ không đổi trong suốt giai đoạn 2 và 3.
Giai đoạn 3: Khi tw đã ổn định, bọc kín thân mô hình bằng kết cấu 3 lớp vải ABC ra bên ngoài lớp vải lót D; Tiếp tục cấp ẩm cho lớp lót D. Khi nhiệt độ tw ổn định trở lại thì kết thúc thí nghiệm.
* Phương pháp nghiên cứu quá trình quần áo bị ngấm ẩm gián đoạn
Quá trình nghiên cứu quần áo bị ngấm ẩm gián đoạn chia thành 3 giai đoạn.
Giai đoạn 1: Bọc lớp vải lót D cho thân mô hình; cấp ẩm cho vải lót D ướt hoàn toàn và chờ nhiệt độ tw ổn định ở khoảng 35 - 37oC.
Giai đoạn 2: Bọc kết cấu ABC ra ngoài vải D và ngừng cấp ẩm cho vải D để mô phỏng quá trình gián đoạn. Giai đoạn này kéo dài cho đến khi nhiệt độ tw ổn định.
Giai đoạn 3: Cấp ẩm trở lại cho vải lót D. Khi nhiệt độ tw ổn định trở lại, kết thúc quá trình thí nghiệm.
* Phương pháp nghiên cứu quá trình quần áo bị ẩm ướt
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Kết cấu 3 lớp ABC được làm ướt hoàn toàn theo tiêu chuẩn GOST 3816 – 61; nhúng chìm mẫu thí nghiệm trong chậu nước cất ở nhiệt độ 20 ± 2oC trong 1 giờ; lấy mẫu ra khỏi chậu và giũ 5 lần theo chiều canh sợi dọc để loại bỏ lượng nước bám cơ học trên bề mặt vải.
Quá trình nghiên cứu quần áo ngấm ẩm 1 lần chia thành 2 giai đoạn.
Giai đoạn 1: Quấn lớp vải lót D xung quanh thân mô hình, không cấp ẩm cho vải lót D; điều chỉnh công suất nhiệt để cho nhiệt độ bề mặt mô hình tw ổn định ở 35 - 370C; giữ nguyên công suất nhiệt này trong cả 2 giai đoạn 1 và 2.
Giai đoạn 2: Bọc mẫu thí nghiệm bao quanh mô hình bên ngoài vải lót D. Khi nhiệt độ tw ổn định, kết thúc thí nghiệm.
1.6. Kết quả và đánh giá
* Ảnh hưởng của quá trình quần áo bị ngấm ẩm liên tục
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình quần áo bị ngấm ẩm liên tục đến hệ số truyền nhiệt của chúng được thể hiện trên hình 2.
* Giai đoạn 1 và 2 xảy ra khoảng 140 phút. Giai đoạn 2, nhiệt độ bề mặt mô hình giảm xuống rất nhanh, còn hệ số truyền nhiệt của lớp vải lót D tăng rất nhanh. Điều này được giải thích như sau: Hệ số truyền nhiệt tăng, làm tăng khả năng giải phóng nhiệt ra môi trường. Do đó làm giảm nhiệt độ trên bề mặt mô hình.
* Giai đoạn 3 diễn ra trong khoảng thời gian từ 140 đến 200 phút. Giai đoạn này, hệ số truyền nhiệt của cả 4 lớp vật liệu D-ABC giảm đi nhanh, còn nhiệt độ bề mặt tăng nhanh. Đó là do kết cấu 3 lớp ABC như một lớp vỏ cách nhiệt, trong khi lượng nhiệt cấp không đổi, toàn bộ kết cấu sẽ bị nung nóng. Sau 60 phút thí nghiệm tiếp theo, nhiệt độ bề mặt mô hình tăng và đạt đến trạng thái ổn định. Khi đó, hệ số truyền nhiệt ổn định ở giá trị k W.m-2.K-1.
* Ảnh hưởng của quá trình quần áo bị ngấm ẩm gián đoạn
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình ngấm ẩm gián đoạn đến hệ số truyền nhiệt được trình bày trên hình 3. Giai đoạn 1 xảy ra trong khoảng 55 phút. Giai đoạn 2 diễn ra trong khoảng từ 55 đến 110 phút. Việc ngừng cấp ẩm trong khoảng 55 phút làm cho lượng nước trong vải lót D bay hơi chưa hết, nên nhiệt độ và hệ số truyền nhiệt trong giai đoạn 2 tương đối ổn định.
Giai đoạn 3 xảy ra từ 110 đến 180 phút. Khi ẩm được cấp lại cho vải lót D đủ ướt thì quá trình ổn định trở lại. Kết quả cho thấy, hệ số truyền nhiệt của kết cấu và nhiệt độ bề mặt mô hình trong giai đoạn 3 thay đổi không đáng kể (0,8%) so với giai đoạn 2. So sánh hai quá trình quần áo bị ngấm ẩm liên tục và gián đoạn cho thấy, ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt k là gần như nhau.
* Ảnh hưởng của quá trình quần áo bị ẩm ướt
Kết quả nghiên cứu trình bày trên hình 4 cho thấy, trong giai đoạn 2, nhiệt độ bề mặt mô hình giảm xuống rất nhanh trong khoảng 15 phút. Do vải lót D có khả năng mao dẫn tốt, nên nước từ kết cấu ABC thấm ngược trở lại vải D, làm cho hệ số truyền nhiệt của chúng tăng lên. Khi ẩm trong vải D cân bằng với ẩm trong kết cấu ABC, hệ số truyền nhiệt lại theo xu hướng giảm, vì lượng nước trong kết cấu giảm. Khả năng giữ nhiệt của kết cấu ABC được phục hồi. Quá trình làm cho nước bay hơi hết khỏi kết cấu D-ABC mất gần 180 phút. Khi đó, hệ số truyền nhiệt của kết cấu ổn định là kD-ABC 3,15 W. m-2.K-1.
II. Kết luận
Nghiên cứu thực nghiệm sự thay đổi khả năng cách nhiệt của kết cấu quần áo 3 lớp vải ABC bị ngấm ẩm ở các điều kiện khác nhau cho thấy:
1- Hệ số truyền nhiệt khi bị ngấm ẩm tăng lên rất mạnh, khoảng 3 lần so với khi khô.
2- Hệ số truyền nhiệt tăng dẫn đến quá trình tỏa nhiệt ra môi trường tăng.
3- Quá trình quần áo bị ngấm ẩm liên tục hay gián đoạn đều ảnh hưởng gần như nhau đến hệ số truyền nhiệt của chúng.
4- Thời gian để độ ẩm của quần áo (loại kết cấu D-ABC) cân bằng với độ ẩm môi trường sau khi bị ngấm ẩm là khá dài, khoảng 180 phút.
Tài liệu tham khảo
- Nguyễn Văn Lân (2004), Vật liệu dệt, Nxb Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
- Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú (2004), Truyền nhiệt, Nxb Giáo dục, Hà Nội.
- TCVN 1748 – 91: Vật liệu dệt – Môi trường chuẩn bị để điều hòa và thử.
- G. Havenith (1999), "Heat balance when wearing protective clothing", Ann. Occup. Hyg., Vol. 43, No. 5, pp. 289-296.
- L. Fourt, N.R.S. Hollies (1970), Clothing (Comfort and function), Marecel Dekker, New York.v
