Izmenjava toplote skozi oblačila

Mehanizmi s toplotnim tokom skozi toplotno zaščitena oblačila

Naravna oblačila s toplotno zaščito - prenos toplote skozi obleko ali obratno. Toplotna zaščita oblačila je v veliki meri odvisno od zraka, ki je ujet v in na oblačilu. Obleka je narejena kot prvi približek, izdelana iz kakršnega koli materiala, ki nudi oprijem zračne plasti. To je približek, ker so nekatere lastnosti materiala še vedno pomembne. Te se nanašajo na mehansko gradnjo tkanine (na primer odpornost na veter in sposobnost vlaken oblačil z debelino materiala), ki so vključene v lastnosti vlaken (na primer vpijanje in odraz toplote sevanja, vpijanja vodne pare, izparevanje znoja). Za ne preveč izstopajoče okolijske razmere so prednosti različnih vrst vlaken pogosto precenjena.

Zračne plasti in gibanja zraka

Zrak deluje kot izolacijska plast s konstantno toplotno prevodnostjo ne glede na obliko materiala. Motnje v zračnih plasteh lahko pripeljejo do izgube učinkovitih debelin, ki vključujejo motnje ne samo zaradi vetra, ampak tudi zaradi gibov uporabnika oblačila in različnih gibov telesa (komponent vetra). Naravna konvekcija se v ta namen dodaja. Slika, ki prikazuje učinek hitrosti zraka na zaščitni toplotni sposobnosti zračne plasti je prikazano na sliki št. 1.

Prenos toplote s sevanjem

Sevanje je še en pomemben mehanizem za prenos toplote. Vsaka površina izžareva toploto, ki jo vpije ter nato seva na druge površine. Sevalni toplotni tok se približa sorazmerni temperaturni razliki med obema izmerjenima površinama. Toplotna plast med površinami oblačil bo motila sevalni prenos toplote, ki ga prestreže pretok energije. Obleka bo dosegla temperaturo, ki je povprečje temperature dveh površin in temperaturnih razlik med njima, zato se sevalni tok zmanjša z dejavnikom dva. Povečano število prestrezajo plasti, ki zmanjšajo hitrost prenosa toplote.

Več plasti je tako bolj učinkovitih pri zmanjševanju sevalnega prenosa toplote. Podloga z runa vlaken porazdeli sevanje, namesto na plast tkanine. Gostota materiala vlaken (ali bolje skupna površina vlaken materiala na volumen tkanine) je kritičen parameter za prenos sevanja znotraj runa vlaken. Takšna vlakna zagotovijo večjo površino za dano težo od grobih vlaken.

Toplotna izolacija tkanine

Kot posledica prevodnosti zaprtega zraka in sevalnega prenosa tkanine je dejanska konstanta prevodnost materialov različnih debelin in vezi. Izolacija toplote je torej sorazmerna debelini.

Zračni upor tkanin

Zračne plasti ustvarjajo tudi odpornost na širjenje izhlapelega znoja iz vlažne kože v okolje. Ta upor je približno sorazmeren z debelino oblačila, ki ga nosi človek. V realnem pomenu tkanine z visoko gostoto in z veliko debelino nikoli ne gredo skupaj. Zaradi te omejitve je mogoče oceniti ekvivalent zraka v tkanini, ki ne vsebuje zaščitnih prevlek in premazov (glej sliko). Tkanine ali večplastni stisnjeni tkanini, ki sta oplemeniteni s filmsko prevleko, lahko imajo nepredvidljivo parno odpornost, ki jih je treba določiti z merjenjem.

Več plastne tkanine

Nekateri pomembni sklepi za zadrževanje toplote in za prenos toplote so, da morajo biti kakovostna toplotno izolacijska oblačila narejena iz debelih materialov ali oblačila narejena z več tankih plasti. Ta se morajo dobro prilegati telesu, da je zagotovljena večja toplotna zaščita in da je toplotna zaščita za spodnjo mejo in za zračni sloj določena tako, da se tesno prilega na kožo.

V hladnem vremenu je z oblačili s samo debelino pogosto težko pridobiti za uporabo. Rešitev je v sestavi dveh debelih plasti tkanin. Namen spajanja je ustvariti zračno plast med tkaninama, kjer se vodi zrak v notranjosti vedno, ko je to mogoče. Obstaja tudi pomanjkljivost debelih tkanin, bolj, kot sta debeli plasti spojeni, bolj toga postanejo oblačila, kar omejuje gibanje človeka.

Vrste oblačil

Toplotna izolacija oblačil je v veliki meri odvisna od oblikovanja njihovega oblikovanja. Parametri, ki vplivajo na toplotno zaščito je število plasti, odprtin, telesa človeka, distribucija toplotne izolacije po telesu in izpostavljenosti kože. Nekatere lastnosti materialov, kot so zračna prepustnost, odbojnost in premazi so tudi pomembni za dobro našega telesa in počutja. Nadalje veter in različne dejavnosti človeka imajo velik vpliv na toplotno izolacijo. Obstaja tudi možnost, da si nabavimo ustrezne oblike oblačil z velikim udobjem in potrebnimi tolerancami uporabnika. Različni poskusi so bili narejeni na osnovi različnih tehnik. Večina ocen za celotno rešitev toplotne izolacije so bile narejene na statičnih osnovah (brez gibanja, brez vetra) na notranjih straneh, saj so razpoložljivi podatki pridobljeni v toplih prostorih kjer se gibljejo manekenke.

Meritve na ljudeh so težaven postopek, rezultati pa so zelo različni. Od sredine 1980 - ih so bili razviti in uporabljene zanesljive meritve med gibanjem manekenk. Tudi, izboljšane metode merjenja omogočajo natančnejše rezultate človeških poskusov. Težava, ki še vedno ni premagana v celoti, je pravilno vključevanje izhlapevanje znoja pri ocenjevanju. Znojenje manekenk je redek pojav, in nobeden od njih nima realne porazdelitve za merjenje znoja po telesu. Ljudje se realno znojijo, vendar nedosledno.

Opredelitev izolacije oblek

Oblačila z oznako toplotne zaščite (ICL v enotah m²K / W) za stabilne pogoje, brez virov sevanja ali utekočinjanja v oblačilih, so opredeljeni s "formulami in različnimi opredelitvami." Pogosto so izražena z oznako "CLO", ki pa ni mednarodna standardna enota. Ena enota CLO znaša 0,155 m²K / W. Uporaba CLO enote implicitno pomeni, da se nanaša na celotno telo in tako vključuje prenos toplote po izpostavljenih delih telesa.

Prirejena je za gibanje in vetrovne lastnosti, kot je bilo opisano že predhodno ter po popravku rezultatov, ki se imenujejo z dobljeno toplotno zaščito. To označevanje se pogosto uporablja, vendar ni splošno sprejet izraz.

Porazdelitev oblačil po celem telesu

Skupni prenos toplote iz telesa vključuje ogrevanje, ki se prenese z izpostavljeno kožo (običajno na glavo in roke) ter toploto, ki poteka skozi oblačila. Bistvena toplotna zaščita (glej "formule in definicije") se obračunajo od celotne površine kože, ne samo pokritih delov.

Koža prenaša več toplote, kot pokriva koža na telsu človeka in ima tako velik vpliv na notranjo toplotno izolacijo. Ta učinek se poveča s povečanjem hitrosti vetra. Slika št. 3 prikazuje, kako se notranja izolacija oziroma toplotna zaščita zmanjšuje zaporedoma zaradi oblike in ukrivljenosti telesa (zunanje plasti so manj učinkovite kot notranje) na izpostavljenih delih telesa (dodatna pot za prenos toplote) in povečanje hitrosti vetra (manj izolacije, zlasti za izpostavljene dele kože). Pri zmanjšanju debele plasti izolacije lahko to pomeni drastično poslabšanje.

Tipične debeline in velikosti oblačil

Očitno sta tako debelina toplotne zaščite in pokritost kože pomembna dejavnika za izgubo toplote. V resničnem življenju sta dva povezana v smislu, da so zimska oblačila, ne samo debelejša, temveč da dejansko tudi pokrivata večji del telesa kot za poletno uporabo. Slika št. 4 prikazuje, kako ti učinki skupaj povzročijo skoraj linearno razmerje med debelino oblačila (izraženo kot obseg toplotnega izolacijskega materiala na enoto oblačila). Spodnja meja je določena z izolacijo zraka sosednjih zračnih površin in z zgornjo mejo uporabnost oblačil. Enakomerna porazdelitev lahko zagotovi najboljšo toplotno zaščito na hladnem, vendar je nepraktično, saj ima veliko težo večinoma na okončinah. Zato je poudarek pogosto na trup telesa in za občutljive posamezne dele na koži proti mrazu. Udi igrajo pomembno vlogo pri nadzoru ravnovesja človeške toplote in visoke toplotne zaščite udov, ki so omejeni z učinkovitostjo te uredbe.

Prezračevanje z oblačilom

Ujete zračne plasti v oblačilu so predmet gibanja in vetra, vendar v različnem obsegu kot sosednje plasti zraka. Veter ustvarja prezračevanje v oblačilih, tako kot zrak v ostrih tkaninah, ki ga odvaja skozi odprtine, medtem ko gibanje povečuje notranji obtok. Dokazalo se je že tudi, da je gibanje zraka znotraj oblačila močnejše kot v sosednji zračni plasti. Ta ugotovitev je odvisna od zračne prepustnosti tkanine. Pri visoko prepustnih zračnih tkaninah, je tudi prezračevanje z vetrom precejšne. Dokazi temeljijo, da se za prezračevanje lahko izrazimo kot funkcijo učinkovite hitrosti vetra in prepustnosti zraka.

Ocene za toplotno zaščito oblačil in parna odpornost

Telesne ocene oblačil s toplotno zaščito

Debelina oblačil zagotavlja prvo toplotno zaščito. Tipična prevodnost kompleta obleke je 0,08 W/mK. Pri povprečni debelini sešite obleke na primer 20 mm (suknjič, plašč in podobno) povzroči, da je ICL 0,25 m²K/W ali 1,6 clo. Vendar pa ohlapni deli, kot so hlače in rokavi, imajo veliko večjo prevodnost, več o vrstnem redu 0.15, medtem ko imajo tesno sešite plasti oblačil prevodnost 0.04, oziroma 4 clo.

Ocene iz preglednic

Metode za določanja velikosti uporabljamo tabele, kjer so zapisane različne velikosti oblačil in podobno. Večina oblačil je bila predhodno razstavljenih in izdelanih po merah manekenk ali manekenov, odvisno, ali gre za ženska oziroma moška oblačila. Ljudje morajo pri izbiri obleke ločiti njene sestavne dele in te morajo biti vidne na priloženi preglednici posameznega oblačila. Izdelava napačno izdelanih podatkov in navodil v preglednici lahko povzroči napačno izbiro oblačila. Da bi pridobili tudi točno izbiro za notranjo toplotno zaščito, je treba opraviti seštevanja po enačbi (McCullough, Jones in Huck 1985).

Ocene za zgibne modele

Naprednejši modeli so na voljo za izračun toplotne zaščite in vodne pare ter za odpor, kot so zgoraj pojasnjene metode. Ti modeli so izračunani za lokalno toplotno zaščito na osnovi fizikalnih zakonov za izračun številnih delov telesa in so vključeni na notranjo toplotno zaščito za celotno človeško obliko. Človeška oblika se v ta namen najbolj približuje obliki valja (slika št. 5). Modeli imajo podobno natančnost, ki je boljša od vseh drugih metod, navedenih z izjemo poskusne določitve. Na žalost so bili bolj zapleteni modeli boljše sprejeti, kot bi bilo na splošno zaželeno.

Ko se soočamo z izzivi toplotne nevtralnosti (toplote ali hladu vedno poudarjamo), da si telo prizadeva za nadzor TC preko fizioloških prilagoditev in kjer TC zagotavlja veliko povratnih informacij v možganih, kjer se usklajuje ta nadzor. Medtem je lokalni pomen temperature kože zelo pomemben za zagotavljanje senzoričnega vhoda. TSK se močno spreminja s temperaturo okolice, v povprečju do okoli 33 °C v toplotni neodvisnosti in doseže 36 - 37 °C v razmerah težkega dela in v veliki vročini. To se lahko med celotnim telesom in lokalno izpostavljenim hladom občutno zniža. Otipljiva občutljivost se pojavi med 15 in 20 °C, kjer je kritična temperatura za ročna dela med 12 in 16 °C. Zgornje in spodnje mejne vrednosti bolečine TSK so približno med 43 in 10 °C.

I.K.