За преживљавање и рад у хладнијим или топлијим условима потребно је обезбедити топлу климу на површини коже одећом, као и вештачким грејањем или хлађењем. Разумевање механизама размене топлоте кроз одећу је неопходно да би се дизајнирали најефикаснији одевни ансамбли за рад на екстремним температурама.

Механизми за пренос топлоте одеће

Природа изолације одеће

Пренос топлоте кроз одећу, или обрнуто, изолација одеће, у великој мери зависи од ваздуха који је заробљен у и на одећи. Одећа се састоји, као први апроксимација, од било које врсте материјала који пружа приањање ваздушним слојевима. Ова изјава је приближна јер су нека својства материјала и даље релевантна. Они се односе на механичку конструкцију тканина (на пример отпорност на ветар и способност влакана да подрже дебеле тканине), и на суштинска својства влакана (на пример, апсорпција и рефлексија топлотног зрачења, апсорпција водене паре, упијање зноја ). За не превише екстремне услове околине, предности различитих врста влакана су често прецењене.

Ваздушни слојеви и кретање ваздуха

Појам да је ваздух, а посебно мирни ваздух, тај који обезбеђује изолацију, сугерише да су дебели слојеви ваздуха корисни за изолацију. То је тачно, али је дебљина ваздушних слојева физички ограничена. Ваздушни слојеви се формирају приањањем молекула гаса на било коју површину, кохезијом другог слоја молекула са првим и тако даље. Међутим, силе везивања између следећих слојева су све мање и мање, што за последицу има да се спољашњи молекули померају чак и малим спољним покретима ваздуха. У мирном ваздуху, слојеви ваздуха могу имати дебљину до 12 мм, али при снажном кретању ваздуха, као у олуји, дебљина се смањује на мање од 1 мм. Генерално, постоји однос квадратног корена између дебљине и кретања ваздуха (види „Формуле и дефиниције“). Тачна функција зависи од величине и облика површине.

Провођење топлоте мирног и покретног ваздуха

Мирни ваздух делује као изолациони слој са константном проводљивошћу, без обзира на облик материјала. Поремећај ваздушних слојева доводи до губитка ефективне дебљине; ово укључује сметње не само због ветра, већ и због покрета носиоца одеће – померања тела (компоненте ветра) и покрета делова тела. Природна конвекција доприноси овом ефекту. За графикон који показује утицај брзине ваздуха на изолациону способност слоја ваздуха, погледајте слику 1.

Слика 1. Утицај брзине ваздуха на изолациону способност ваздушног слоја.

Пренос топлоте зрачењем

Зрачење је још један важан механизам за пренос топлоте. Свака површина зрачи топлоту и апсорбује топлоту која се емитује са других површина. Проток зрачеће топлоте је приближно пропорционалан температурној разлици између две површине које се размењују. Слој одеће између површина ће ометати зрачење преноса топлоте тако што ће пресрести ток енергије; одећа ће достићи температуру која је отприлике просечна температура две површине, пресецајући температурну разлику између њих на два дела, па се због тога зрачење смањује за фактор два. Како се број пресретних слојева повећава, брзина преноса топлоте се смањује.

Више слојева је стога ефикасно у смањењу преноса топлоте зрачења. У батама и влакнима флиса радијацију пресрећу распоређена влакна, а не слој тканине. Густина влакнастог материјала (или боље речено укупна површина влакнастог материјала по запремини тканине) је критичан параметар за пренос зрачења унутар таквих влакнастих флиса. Фина влакна пружају већу површину за дату тежину од грубих влакана.

Изолација од тканине

Као резултат проводљивости затвореног ваздуха и преноса зрачења, проводљивост тканине је ефективно константа за тканине различитих дебљина и веза. Због тога је топлотна изолација пропорционална дебљини.

Отпорност на пару ваздуха и тканина

Ваздушни слојеви такође стварају отпор дифузији испареног зноја са влажне коже у околину. Овај отпор је отприлике пропорционалан дебљини комплета одеће. За тканине, отпорност на пару зависи од затвореног ваздуха и густине конструкције. У правим тканинама, велика густина и велика дебљина никада не иду заједно. Због овог ограничења могуће је проценити ваздушни еквивалент тканина које не садрже филмове или премазе (види слику 8). Обложене тканине или тканине ламиниране на филмове могу имати непредвидиву отпорност на пару, коју треба одредити мерењем.

Слика 2. Однос између дебљине и отпорности на пару (дек) за тканине без премаза.

Од тканина и ваздушних слојева до одеће

Више слојева тканине

Неки важни закључци из механизама преноса топлоте су да је одећа са високим степеном изолације нужно дебела, да се висока изолација може постићи одевним ансамблима са више танких слојева, да лабав крој пружа више изолације него уско приањање и да изолација има доњу границу , постављен ваздушним слојем који пријања уз кожу.

У одећи за хладно време често је тешко добити дебљину користећи само танке тканине. Решење је да се направи дебела тканина, постављањем две танке љуске на батину. Сврха вате је да створи ваздушни слој и задржи ваздух унутра што је могуће мирнији. Постоји и недостатак дебелих тканина: што су слојеви повезани, одећа постаје чвршћа, чиме се ограничава кретање.

Разноврсност одеће

Изолација одевног ансамбла у великој мери зависи од дизајна одеће. Пројектни параметри који утичу на изолацију су број слојева, отвори, налегање, расподела изолације по телу и изложена кожа. Неке особине материјала као што су пропустљивост ваздуха, рефлективност и премази су такође важне. Штавише, ветар и активност мењају изолацију. Да ли је могуће дати адекватан опис одеће у сврху предвиђања удобности и толеранције носиоца? Учињени су разни покушаји, засновани на различитим техникама. Већина процена комплетне изолације комплета направљена је за статичке услове (без кретања, без ветра) на затвореним ансамблима, јер су доступни подаци добијени од термалних манекенки (МцЦуллоугх, Јонес анд Хуцк 1985). Мерења на људским субјектима су напорна, а резултати се веома разликују. Од средине 1980-их развијају се и користе поуздани покретни манекени (Олесен ет ал. 1982; Ниелсен, Олесен и Фангер 1985). Такође, побољшане технике мерења омогућиле су прецизније експерименте на људима. Проблем који још увек није у потпуности превазиђен је правилно укључивање испаравања зноја у евалуацију. Манекенке које се зноје су ретке и ниједна од њих нема реалну дистрибуцију знојења по телу. Људи се зноје реално, али недоследно.

Дефиниција изолације одеће

Изолација одеће (I_cl у јединицама м²К/В) за услове стабилног стања, без извора зрачења или кондензације у одећи, дефинисан је у „Формуле и дефиниције“. Често I се изражава у јединици цло (није стандардна међународна јединица). Један цло је 0.155 м²К/В. Употреба јединице цло имплицитно значи да се односи на цело тело и на тај начин укључује пренос топлоте преко изложених делова тела.

I се модификује кретањем и ветром, као што је раније објашњено, а након корекције резултат се позива резултујућа изолација. Ово је често коришћен, али није општеприхваћен термин.

Дистрибуција одеће по телу

Укупан пренос топлоте са тела укључује топлоту која се преноси преко изложене коже (обично глава и руке) и топлоту која пролази кроз одећу. Унутрашња изолација (Види „Формуле и дефиниције“) се рачуна на укупну површину коже, а не само на покривени део. Изложена кожа преноси више топлоте од покривене коже и тако има дубок утицај на унутрашњу изолацију. Овај ефекат се појачава повећањем брзине ветра. Слика 3 показује како се унутрашња изолација сукцесивно смањује због закривљености облика тела (спољни слојеви мање ефикасни од унутрашњих), изложених делова тела (додатни пут за пренос топлоте) и повећане брзине ветра (мање изолације, посебно за изложену кожу) (Лотенс 1989). За дебеле ансамбле смањење изолације је драматично.

Слика 3. Унутрашња изолација, пошто на њу утичу закривљеност тела, гола кожа и брзина ветра.

Типична дебљина ансамбла и покривеност

Очигледно су и дебљина изолације и покривеност коже важне детерминанте губитка топлоте. У стварном животу то двоје је повезано у смислу да зимска одећа није само дебља, већ покрива и већи део тела од летње одеће. Слика 4 показује како ови ефекти заједно резултирају скоро линеарном релацијом између дебљине одеће (изражене као запремина изолационог материјала по јединици површине одеће) и изолације (Лотенс 1989). Доњу границу поставља изолација суседног ваздуха, а горњу употребљивост одеће. Равномерна дистрибуција може пружити најбољу изолацију на хладноћи, али је непрактично имати велику тежину и масу на удовима. Стога је нагласак често на трупу, а осетљивост локалне коже на хладноћу прилагођена је овој пракси. Удови играју важну улогу у контроли људске топлотне равнотеже, а висока изолација удова ограничава ефикасност ове регулативе.

Слика 4. Укупна изолација која је резултат дебљине одеће и дистрибуције по телу.

Вентилација одеће

Заробљени слојеви ваздуха у комплету одеће подложни су кретању и ветру, али у различитом степену од суседног ваздушног слоја. Ветар ствара вентилацију у одећи, како ваздух продире у тканину тако и пролазећи кроз отворе, док кретање повећава унутрашњу циркулацију. Хавенитх, Хеус и Лотенс (1990) су открили да је унутар одеће кретање јачи фактор него у суседном ваздушном слоју. Међутим, овај закључак зависи од ваздушне пропустљивости тканине. За високопропусне тканине, вентилација ветром је значајна. Лотенс (1993) је показао да се вентилација може изразити као функција ефективне брзине ветра и пропустљивости ваздуха.

Процене изолације одеће и отпорности на пару

Физичке процене изолације одеће

Дебљина комплета одеће даје прву процену изолације. Типична проводљивост ансамбла је 0.08 В/мК. При просечној дебљини од 20 мм, то резултира I_cl од 0.25 м²К/В, или 1.6 кл. Међутим, делови лабавог кроја, као што су панталоне или рукави, имају много већу проводљивост, више од 0.15, док чврсто збијени слојеви одеће имају проводљивост од 0.04, чувених 4 кло по инчу које наводе Буртон и Едхолм (1955. ).

Процене из табела

Друге методе користе табеларне вредности за одевне предмете. Ови предмети су претходно измерени на лутки. Ансамбл који се истражује мора се раздвојити на своје компоненте, а оне се морају погледати у табели. Погрешан избор најсличнијег одевног предмета у табели може довести до грешака. Да би се добила интринзична изолација ансамбла, појединачне вредности изолације морају се ставити у једначину сумирања (МцЦуллоугх, Јонес анд Хуцк 1985).

Фактор површине одеће

Да бисте израчунали укупну изолацију, f_cl мора се проценити (погледајте "Формуле и дефиниције"). Практична експериментална процена је мерење површине одеће, исправљање делова који се преклапају и подела са укупном површином коже (ДуБоис и ДуБоис 1916). То показују и друге процене различитих студија f_cl расте линеарно са унутрашњом изолацијом.

Процена отпорности на пару

За комплет одеће, отпор паре је збир отпора ваздушних слојева и слојева одеће. Обично се број слојева разликује по телу, а најбоља процена је просек пондерисане површине, укључујући изложену кожу.

Релативна отпорност на пару

Отпорност на испаравање се ређе користи од I, јер неколико мерења од C_cl (Или P_cl) су доступни. Воодцоцк (1962) је избегао овај проблем дефинисањем индекса пропусности водене паре i_m као однос од I R, који се односи на исти однос за један ваздушни слој (овај последњи однос је скоро константан и познат као психрометријска константа С, 0.0165 К/Па, 2.34 Км³/г или 2.2 К/торр); i_m= I/(Р·С). Типичне вредности за i_m за одећу без премаза, одређене на манекенкама, су 0.3 до 0.4 (МцЦуллоугх, Јонес анд Тамура 1989). Вредности за i_m за композите од тканине и њихов суседни ваздух могу се релативно једноставно мерити на апарату за мокро решо, али вредност заправо зависи од протока ваздуха преко апарата и рефлективности ормара у који је монтиран. Екстраполација односа од R I за обучене људе од мерења на тканинама до комплета одеће (ДИН 7943-2 1992) понекад се покушава. Ово је технички компликована ствар. Један од разлога је то R је пропорционална само конвективном делу I, тако да се морају извршити пажљиве корекције за радијациони пренос топлоте. Други разлог је тај што заробљени ваздух између композита тканине и комплета одеће може бити различит. У ствари, дифузија паре и пренос топлоте могу се боље третирати одвојено.

Процене по артикулисаним моделима

Доступни су софистициранији модели за израчунавање изолације и отпорности на водену пару од горе објашњених метода. Ови модели израчунавају локалну изолацију на основу физичких закона за одређени број делова тела и интегришу их у интринзичну изолацију за цео људски облик. У ту сврху људски облик се апроксимира цилиндрима (слика ). Модел МцЦуллоугх, Јонес и Тамура (1989) захтева податке о одећи за све слојеве у ансамблу, специфициране по сегменту тела. ЦЛОМАН модел Лотенс и Хавенитх (1991) захтева мање улазних вредности. Ови модели имају сличну тачност, која је боља од било које друге поменуте методе, са изузетком експерименталног одређивања. Нажалост и неизбежно, модели су сложенији него што би било пожељно у широко прихваћеном стандарду.

Слика 5. Артикулација људског облика у цилиндрима.

Утицај активности и ветра

Лотенс и Хавенитх (1991) такође пружају модификације, на основу литературних података, изолације и отпорности на пару услед активности и ветра. Изолација је нижа док седите него када стојите, а овај ефекат је већи код високоизолационе одеће. Међутим, кретање смањује изолацију више него држање, у зависности од снаге покрета. Током ходања се померају и руке и ноге, а смањење је веће него током вожње бицикла, када се крећу само ноге. Такође у овом случају, смањење је веће за дебеле ансамбле одеће. Ветар највише смањује изолацију за лаку одећу, а мање за тешку одећу. Овај ефекат се може односити на ваздушну пропустљивост тканине љуске, која је обично мања за опрему за хладно време.

Слика 8 приказује неке типичне ефекте ветра и кретања на отпорност паре за одећу за кишу. У литератури не постоји дефинитивна сагласност о величини кретања или утицаја ветра. Важност ове теме је наглашена чињеницом да неки стандарди, као што је ИСО 7730 (1994), захтевају резултујућу изолацију као улаз када се примењују за активне особе или особе изложене значајном кретању ваздуха. Овај захтев се често занемарује.

Слика 6. Смањење отпора паре са ветром и ходањем за разне кишне одеће.

Управљање влагом

Ефекти апсорпције влаге

Када тканине могу да апсорбују водену пару, као што то чини већина природних влакана, одећа ради као пуфер за пару. Ово мења пренос топлоте током прелазних процеса из једног окружења у друго. Док особа у неупијајућој одећи прелази из сувог у влажно окружење, испаравање зноја нагло се смањује. У хигроскопној одећи тканина упија паре, а промена у испаравању је само постепена. У исто време процес апсорпције ослобађа топлоту у тканини, повећавајући њену температуру. Ово смањује пренос суве топлоте са коже. У првој апроксимацији, оба ефекта се међусобно поништавају, остављајући укупан пренос топлоте непромењен. Разлика са нехигроскопном одећом је постепенија промена у испаравању са коже, уз мањи ризик од накупљања зноја.

Капацитет апсорпције паре

Капацитет упијања тканине зависи од врсте влакана и масе тканине. Апсорбована маса је отприлике пропорционална релативној влажности, али је већа изнад 90%. Капацитет апсорпције (тзв вратити се) се изражава као количина водене паре која се апсорбује у 100 г сувог влакна при релативној влажности од 65%. Тканине се могу класификовати на следећи начин:

• ниска апсорпција—акрил, полиестер (1 до 2 г на 100 г)
• средња апсорпција— најлон, памук, ацетат (6 до 9 г на 100 г)
• висока апсорпција— свила, лан, конопља, рајон, јута, вуна (11 до 15 г на 100 г).

Упијање воде

Задржавање воде у тканинама, које се често меша са апсорпцијом паре, поштује различита правила. Слободна вода је слабо везана за тканину и добро се шири бочно дуж капилара. Ово је познато као вицкинг. Пренос течности из једног слоја у други одвија се само за мокре тканине и под притиском. Одећа може бити наквашена неиспареним (сувишним) знојем који се упија са коже. Садржај течности у тканини може бити висок и њено испаравање у каснијем тренутку представља претњу топлотном билансу. Ово се обично дешава током одмора након напорног рада и познато је као афтер-цхилл. Способност тканина да задрже течност је више повезана са конструкцијом тканине него са капацитетом упијања влакана, а у практичне сврхе је обично довољна да преузме сав сувишни зној.

Кондензација

Одећа се може поквасити кондензацијом испареног зноја на одређеном слоју. До кондензације долази ако је влажност већа од локалне температуре. По хладном времену то ће често бити случај на унутрашњој страни спољне тканине, на екстремној хладноћи чак иу дубљим слојевима. Тамо где долази до кондензације, влага се акумулира, али се температура повећава, као и током апсорпције. Међутим, разлика између кондензације и апсорпције је у томе што је апсорпција привремени процес, док се кондензација може наставити дуже време. Латентни пренос топлоте током кондензације може веома значајно допринети губитку топлоте, што може али не мора бити пожељно. Акумулација влаге је углавном недостатак, због непријатности и ризика од накнадног хлађења. У случају обилне кондензације, течност се може транспортовати назад до коже, да би поново испарила. Овај циклус функционише као топлотна цев и може значајно да смањи изолацију доњег веша.

Динамиц Симулатион

Од раних 1900-их развијени су многи стандарди и индекси за класификацију одеће и климе. Готово без изузетка они су се бавили стабилним стањима — условима у којима су се клима и рад одржавали довољно дуго да особа развије сталну телесну температуру. Ова врста посла је постала ретка, због побољшања здравља на раду и услова рада. Нагласак је пребачен на краткотрајно излагање тешким околностима, често повезано са управљањем катастрофама у заштитној одећи.

Стога постоји потреба за динамичким симулацијама које укључују пренос топлоте одеће и термичко оптерећење носиоца (Гагге, Фобелетс и Берглунд 1986). Такве симулације се могу извести помоћу динамичких компјутерских модела који пролазе кроз одређени сценарио. Међу најсофистициранијим моделима до сада у погледу одеће је ТХДИН (Лотенс 1993), који омогућава широк спектар спецификација одеће и ажуриран је да укључи индивидуалне карактеристике симулиране особе (слика 9). Може се очекивати више модела. Међутим, постоји потреба за проширеном експерименталном евалуацијом, а управљање таквим моделима је дело стручњака, а не интелигентних лаика. Динамички модели засновани на физици преноса топлоте и масе укључују све механизме преноса топлоте и њихове интеракције – апсорпцију паре, топлоту из извора зрачења, кондензацију, вентилацију, акумулацију влаге и тако даље – за широк спектар комплета одеће, укључујући цивилну, радна и заштитна одећа.

Слика 7. Општи опис динамичког термичког модела.

Назад