Modelování tepelného odporu a další parametry komfortu ponožek ve vlhkém stavu

Tariq Mansoor, M.Sc.

Doctoral thesis

Modelling of Thermal Resistance and Some Other Comfort Parameters of Socks in Wet State

Abstract:

Lidská noha může v horkém prostředí za hodinu vytvořit 30 gramů, někdy dokonce až 50 gramů potu. Průměrná produkce potu při intenzivním cvičení v chladu činí kolem 10 g/h na nohu. Intenzita pocení může dosáhnout až 30 g /h na nohu při velmi vysokých úrovní cvičení, zatímco během běžných pracovních aktivit bude produkce potu ležet mezi 3-6 g/h [3][4]. Tepelný odpor vlhkých textilií se podstatně snižuje díky mnohokrát vyšší tepelné vodivosti absorbované vody ve srovnání s tepelnou vodivostí vzduchu. Zachování vysokého tepelného odporu ponožek je důležité pro osoby pracující ve vlhkých podmínkách, aby byli chráněni před zákopy a problémy s podchlazením. Predikce tepelného odporu je také velmi důležitá při vývoj různých ochranných a sportovních textilií. Ke zkoumání vlivu obsahu vlhkosti ponožkových textilií na jejich tepelný odpor byl v této práci sestaven matematický (algebraický) model a vypočtené výsledky byly v dobré shodě s výsledky experimentálními. Výsledky ukazují, že zvyšující se obsah vlhkosti ve studovaných textiliích vedl k podstatnému snížení jejich tepelného odporu. Ve zmíněném matematickém modelu, ale při proměřování tepelného modelu vzorků byly nově respektovány (realizovány) konkrétní podmínky užívaní ponožek v praxi, tj. kromě vlivu vlhkosti bylo pří výpočtech i měření simulováno prodloužení ponožek při jejich nošení. Obecně, jakékoli úrovně absorbovaná v textiliích významně ovlivňuje všechny parametry jejich termo-fyziologického komfortu. Proto byly hladké ponožkové úplety s různým složením vláken navlhčeny na maximální úroveň a postupně vysoušeny na požadovaný obsah vlhkosti. Takto připravené vzorky ponožek byly poté proměřovány přístrojem Alambeta (pro zjištění jejich tepelného odporu a tepelné jímavosti), dále byl použit i přístroj Permetest typu Skin model (pro stanovení relativní propustnosti vzorků pro vodní páru) a na zahraničním pracovišti byl k relativně novým měřením použit Horizontální deskovým analyzátorem tření (pro zjištění součinitele tření ponožkových textilií ve vlhkém stavu). Kromě toho byly tepelné odpory nezavlhčených vzorků ponožek pro možnost porovnání výsledků měřeny i na jiných tzv. Skin modelech s různou geometrií. Jedním z nich byl tepelný model lidské nohy. Výsledky z tohoto modelu velmi dobře korelují s výsledky získaných pomocí malého Skin modelu Permetest. Pro predikci tepelného odporu vlhké textilie byly původním způsobem modifikovány tři různé již existující matematické modely pro suché textilie. Tyto modely sestavené pro predikci tepelného odporu ponožkových textilií jsou nově založeny na kombinovaném účinku skutečného koeficientu objemového zaplnění a tepelné vodivosti tzv. vlhkého vlákenného polymeru namísto polymeru suchého. Hodnoty objemové porozity textilií, nezbytné ke konstrukci uvedených tepelných modelů, byly zjištěny semi-empirickým postupem a také pomocí tzv. mikro-tomografie. Výsledky obou postupů způsobů jsou pro všechny ponožkové textilie na 95% úrovni spolehlivosti prakticky shodné. Algebraické modely, sestavené na základě výše uvedených postupů a modifikací umožňují stanovení a predikci tepelných odporů všech zkoumaných ponožkových textilií při relativně rozsáhlém stupni zavlhčení s významně vysokým součinitelem korelace. Vedle tepelných odporů, byl v této práci také poprvé experimentálné studován vliv vlhkosti na tepelnou jímavost ponožkových textilií. Tento parametr roste se zvyšováním obsahu vlhkosti v materiálech, v našem případě plošných textiliích a postupně může charakterizovat suchý, teplý chladný a mokrý tepelně - kontaktní vjem. Výsledky této studie ukazují, že hodnoty tepelné jím

Abstract:

A human foot may exhibit a sweat rate of about 30g and in some cases even up to 50g per hour in a hot environment [1][2]. The average sweat rate reaches around 10g/h per foot during heavy exercise in a cold environment. This sweat rate may reach to 30g/h per foot during very high levels of exercise. During common occupational exposures, the sweat rates are expected to lie between 3-6g/h [3][4]. The thermal resistance of wet fabrics gets substantially reduced due to the considerably higher thermal conductivity of the absorbed water as compared to that of air. Keeping high thermal resistance or their socks is important for people working under wet conditions to be protected from trench foot and hypothermia like issues. Thermal resistance prediction is also very important for product development of different textiles. In the study, an algebraic model and its experimental verification were executed to investigate the effect of moisture content on the thermal resistance of sock fabrics and the results were mutually in good agreement. The results show that increasing moisture content in the studied sock fabrics caused a significant reduction in their thermal resistance. Along with the model and its experimental verification, a novel method to measure thermal resistance and comfort properties of various knitted socks samples under real conditions of their use (it means under extension and in wet state) was proposed. Generally, any level of moisture largely influences all thermophysiological properties of textile fabrics. Therefore, plain knitted socks with different fibre composition were wetted to a saturated level, and then stepwise their moisture content was reduced. When achieving the required moisture content, the socks samples characteristics were determined by the Alambeta testing instrument (as regards thermal resistance and thermal absorptivity), and by the Permetest tester (as for relative water vapor permeability) and by the Horizontal Plate Friction Analyzer (to get the coefficient of friction in the wet state). Moreover, various skin models were also utilized to get thermal resistance values of dry samples for the comparison. One of these thermal models was a special thermal model of the human foot. The experimental results from this model well correlated with the results from the Permetest skin model. Three different existing mathematical models for the thermal resistance of dry fabrics were modified for predicting thermal resistance of knits used in socks under wet conditions. Volume porosity values of the studied fabrics, used in these thermal models, were determined both by means of semi-empirical approach and by a micro-tomography procedure. The results from both ways are in very good agreement for all the socks at a 95% confidence level. In the above-mentioned models, the prediction of thermal resistance presents newly a combined effect of the real filling coefficient and thermal conductivity of the so-called "wet" polymers instead of dry polymers. With these modifications, the used models predicted the thermal resistance at different moisture levels with a significantly high coefficient of correlation. Along with thermal resistance, the thermal absorptivity of the sock fabrics in a wet state (this time experimentally only) was first time investigated in the Thesis. This parameter increases with the increasing moisture content of materials, this time of textile fabrics. It characterises thermal contact feeling from dry to cool, cold, and wet feelings of any objects. The results of this study show that thermal absorptivity values of the studied dry fabrics range from 80 to 180 [Ws1/2m-2K-1]. As thermal conductivity and capacity of water are much higher than that of fibres and air entrapped in the textile structure is partly replaced by water and thermal absorptivity of wetted fabrics increases.

Abstract:

avosti zkoumaných nezavlhčených suchých tkanin se pohybují od 80 do 180 [Ws1/2m-2K-1]. Ve vlhké textilií je vzduch o nízké tepelné vodivosti částečně nahrazen vodou o cca 25 x vyšší tepelné vodivosti a vysoké tepelné kapacitě, takže výsledná tepelná vodivost vlhké textilie podstatně vzroste.

Keywords

Teplotní odolnost, matematické modelování, relativní propustnost pro vodní páru, tepelná nasákavost, holé ponožky, Obsah vlhkosti, koeficient plnění vlákna, objemová pórovitost, koeficient tření.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 7. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Luboš Hes, DrSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering