熱護式熱板儀風道系統的研究

陳益松, 祝 斌

(東華大學 a. 服裝和藝術設計學院; b. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室, 上海 200051)

熱護式熱板儀風道系統的研究

陳益松a, b, 祝 斌a

(東華大學 a. 服裝和藝術設計學院; b. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室, 上海 200051)

基于熱護式熱板儀測量服裝面料熱阻的基本原理, 提出熱護式熱板儀在有風狀態下正常測量的自平衡條件.對606E型熱板儀的原吹風風道進行了剖析, 分析了風扇形成的湍流區對熱板表面溫度的影響.使用紅外熱像儀對606E型熱板儀表面溫度場進行拍攝測量, 證實了原606E吹風系統的設計缺陷.設計并制作一種新風道系統, 采用由正壓吹變負壓吸，加長風道、增大風道橫截面積、添加風壓阻尼層和把環境溫度傳感器移到風道外部的改進方法, 使流經熱板表面的風穩定在層流狀態.對采用新風道后的熱板表面溫度場進行測量, 發現溫度變化平穩線性, 能夠滿足測量熱板與熱護板之間的自平衡條件.用新裝置對海綿標樣進行測量, 所測數據與海綿熱阻理論值相接近, 驗證了新裝置的可靠性和準確性.相較于原風道下的測量, 新風道下12塊面料的熱阻測量值與面料厚度呈現更好的線性相關性, 表明改進后的風道系統使606E型熱板儀具有更高的測量準確性.

熱護式熱板儀; 風道系統; 織物熱阻

紡織面料熱阻測量用熱護式熱板儀(下文簡稱熱板儀)的基本形式相對完善于美國20世紀60年代，并形成測量標準ASTM D1518—64.在ISO 11092—1993標準誕生后，有風條件下的出汗熱板儀及相關標準逐漸為各國所采納.我國標準GB/T 11048—2008的A法基本與ISO 11092—1993一致.出汗熱板儀相對于干式熱板儀僅僅增加了出汗系統, 其熱護式熱板結構和吹風系統的原理都是一樣的, 僅具體結構形式存在差異[1-2]. 理論上, 采用相同標準的儀器, 測量的結果應該是一致的, 但文獻[2]對兩國產熱板儀的對比研究表明606E型和606D型在相同ISO 11092—1993標準下熱阻測量平均值差異達21.5%, 而文獻[3]的研究表明，進口熱板儀SGHP-10.8型與國產熱板儀606E型熱阻測量值存在31%的差異.文獻[1-2]通過對熱板儀的系統結構分析表明儀器本身的設計差異是系統誤差的主要來源, 盡可能地消除儀器本身存在的系統誤差, 才能根本地解決儀器之間的測量差異.

熱板儀最初是按無風條件下設計的, 隨著新標準有風條件的加入, 導致熱板表面溫度場隨風變化.文獻[4-6]研究認為，由于1 m/s風的存在, 熱板表面溫度不再均勻平衡, 但對測量結果的影響沒有闡述.在實際應用中, 發現現有熱板儀吹風系統沒有充分考慮到風的湍流區對熱板表面溫度場的不利影響, 進而造成系統誤差, 這也是不同熱板儀之間熱阻測量差異很大的原因之一[1-2].

本文在建立有風條件下熱板儀的自平衡條件的基礎上, 指出現有熱板儀風道設計的缺陷, 并以606E型熱板儀為原型, 重新設計了風道系統, 使流過熱板表面的風穩定在層流狀態, 減少儀器的系統誤差, 提高測量的準確性.

1 熱板儀的自平衡條件

1.1 無風條件下熱板儀自平衡條件

q1=0

(1)

q2=0

(2)

式中: q1為測量熱板與上熱護板之間的熱量交換, W; q2為測量熱板與底熱護板之間的熱量交換, W.

1—面料; 2—測量熱板; 3—隔熱材料; 4—上熱護板; 5—隔板; 6—底熱護板圖1 無風條件熱板表面溫度變化Fig.1 Hotplate temperature variation without wind

1.2 1 m/s風速下熱板儀的自平衡條件

在ISO 11092—1993標準中, 熱板上表面1 m/s的均勻風成為了熱阻測量的必要條件.由于室溫的風沿熱板表面流動過程中被熱板逐漸加熱, 風的溫度由低到高變化, 與熱板的熱量交換也由強變弱, 因此，熱板儀上表面的溫度也不再是靜態空氣層下的均勻狀態, 而是沿著風向呈現由低到高的梯度變化. 假設平行于風向的上熱護板與測量熱板相鄰的邊沿溫度變化是一樣的, 則可認為它們之間不存在熱量交換; 但垂直于風向的兩臨邊, 由于溫度梯度的存在, 邊沿兩邊有溫差, 就會有熱量傳遞, 但只要入風側與出風側熱交換的代數和為零, 則等同于測量熱板與熱護板之間發生零熱交換[4]. 同理, 底熱護板的溫度只要控制為測量熱板的平均溫度, 則可滿足它們之間局部熱交換代數和為零的要求.用數學公式表達有風條件下熱板儀的自平衡條件為

|q1a|-|q1b|=0

(3)

|q2a|-|q2b|=0

(4)

式中: q1a、q1b分別為上熱護板與測量熱板入風側和出風側相鄰邊沿的熱交換量, W; q2a、q2b分別為底熱護板與測量熱板之間入風側區域和出風側區域的熱交換量, W.要滿足式(3)、(4)的要求, 熱板儀上表表面的溫度必須線性均勻變化, 即

t2b-t1b=t1a-t2a

(5)

t3a-t1c=t1d-t3b

(6)

式中: t1a、t1b分別為測量熱板上表面入風側和出風側邊沿的溫度, ℃; t2a、t2b分別為上熱護板入風側和出風側邊沿的溫度, ℃； t1c、t1d分別為測量熱板下表面入風側與出風側邊沿的溫度, ℃； t3a、t3b分別為底熱護板入風側與出風側邊沿的溫度, ℃. 有風條件下熱板表面溫度變化如圖2所示.

圖2 有風條件熱板表面溫度變化Fig.2 Hotplate surface temperature variation under wind

要滿足式(5)的條件, 熱板儀上表面的溫度變化需是線性的, 這就要求流經熱板儀上表面的風速是均勻的, 當然熱護板外沿與環境接觸部分溫度會下降, 因此熱護板需要保持一定的寬度.

2 原606E型熱板儀風道系統

使用溫度分辨率為0.06 ℃的Mikroscan 7600PRO型紅外熱像儀對穩定狀態下(自身儀表顯示)的熱板儀上表面溫度場進行拍攝, 以觀察熱板儀上表面溫度場的變化情況.

606E型熱板儀為浙江寧波紡織儀器廠生產的ASTM型熱板儀, 其基礎結構如圖1所示, 測量熱板的尺寸為20 mm×20 mm, 上熱板板外沿尺寸為40 mm×40 mm(底熱護板尺寸與之相同). 在無風靜態空氣下熱板的溫度場分布比較均勻[1], 與相鄰側熱護板內側的溫度相差不大, 基本符合無風條件下熱板儀的自平衡條件.

606E型熱板儀的原風道由矩形截面的有機玻璃板構成, 矩形截面的尺寸為40 mm×10 mm, 其風道長度與熱板儀上表面寬度相同.安裝在入風口處的風扇(4只并排)直接將風吹過熱板儀表面至出風口, 由于靠近風扇吹風的區域是氣流湍流區, 與熱板的熱量交換劇烈, 熱板儀在該區域的溫度要明顯低于層流區的溫度, 從而導致熱板儀上表面溫度變化無法達到有風條件下熱板儀自平衡狀態, 即式(5)不成立, 式(3)、(4)也不再等于零. 606E型熱板儀表面溫度變化如圖3所示.

在1 m/s風速條件下, 待熱板儀達到平衡時(測量熱板與熱護板溫度均控制在設定溫度±0.5 ℃以內并穩定一段時間), 用熱像儀對其表面溫度場進行拍攝, 拍攝圖像如圖4所示. 由圖4可發現，風扇形成的湍流區對熱板表面溫度產生很大影響, 與前述分析一致，此時熱板儀處于假性平衡狀態, 測量熱板與熱護板之間存在熱量凈輸入或凈輸出, 無法實現式(3)、(4)的自平衡條件，必然會造成測量系統誤差.

圖3 606E型熱板儀的表面溫度變化Fig.3 Surface temperature Variation

圖4 原風道中606E型熱板儀表面溫度場Fig. 4 Surface temperature field of 606E guarded hotplate at the original air duct

3 熱板儀新風道系統的研制

針對606E型熱板儀原風道系統存在的問題, 本文重新設計風道系統, 如圖5所示.新風道主要改進在以下3個方面.

(1) 采用更高功率的風扇, 并加長、加寬和加高風道, 使風道的截面尺寸為50 mm×12 mm, 增加入風口與出風口到熱板儀的距離, 使熱板儀處于氣流最均勻的風道中部位置.

(2) 由正壓吹風更改為負壓吸風, 即風扇安裝在風道的出口處，風向向外, 由于風扇產生負壓, 氣流由入風口平行經過風道吸入風扇.相對于吹風方式, 吸風為無紊流的層流, 更符合熱板儀正常測量的要求.

(3) 在風扇入風側增加均勻分布小孔的阻尼板, 使風速由2.5 m/s(風扇在無阻尼板時風道內產生的風速)下降為1 m/s, 由于阻尼產生的壓差較大, 則風扇附近的渦流區被消耗, 使阻尼板前流經熱板上方的氣流更加均勻.

圖5 新風道系統示意圖Fig. 5 Schematic of new air flow system

新風道采用4個風扇并行排列, 電源為0～30 V可調直流穩壓電源, 通過轉速儀將4個風扇的轉速調節一致, 使之產生的風壓相同.導流罩選用KT板制作相應的尺寸, 在導流罩內貼近風扇放置一塊阻尼層, 上面帶有均勻排列的小孔, 使流經導流罩內的氣流均勻穩定. 新裝置如圖6所示.

裝置搭建好之后, 通過電壓調節使流經熱板中心上方1.5 cm處的風速為1m/s, 此時測量入風側與出風側同樣高度的風速, 測量點如圖7所示, 每側5個不同位置的風速列于表1.從表1中可以看

出, 入風側與出風側的風速都比較均勻, 因此，整個熱板上方的風速都是比較均勻的.

圖6 新風道系統Fig.6 New air flow system

圖7 風速測量點位置圖Fig.7 Position of air velocity measuring points

m/s

需要指出的是, 新風道將環境溫度傳感器移到了導流罩外面, 可直接測量恒溫實驗室的環境溫度, 這符合ISO 11092—1993標準的描述: “This air flow is measured at a point 15 mm above the measuring table over the centre of the uncovered measuring unit and at an air temperaturetaof 20 ℃. The air speedvameasured at this point shall have a mean value of 1 m/s, with the drift not exceeding ±0.05 m/s for the duration of a test.” 而在GB 11048—2008中, 該段文字被錯誤地翻譯成“在試驗板的中心上方15 mm處測定氣流溫濕度, 從這點測得的氣流溫度ta為20 ℃、速度va的平均值應為1 m/s”. 這導致國內廠家研制儀器出現錯誤, 606E型熱板儀的環境溫度傳感器在熱板中心上方15 mm處, 這與ISO 11092—1993標準并不相符.新風道對此進行了更正, 將環境溫度傳感器移至風道之外, 與國際上主流熱板儀相一致.

圖8 新風道中606E型熱板儀表面溫度場Fig.8 Surface temperature field of 606E guarded hotplate at new air duct

606E型熱板儀使用新風道后, 再對穩定后熱板表面進行紅外溫度場拍攝, 可以得到如圖8所示的溫度場圖像.將該溫度場與原來的溫度場進行對比發現, 熱板表面溫度由于1 m/s的風速影響同樣是沿著風向由低變高, 但是變化趨勢相對于原來的更加平緩, 風扇的湍流區遠離熱板工作區, 對熱板表面溫度影響很小, 入風側與出風側的溫度僅相差1.2 ℃, 而原來的相差4.9 ℃, 由此證明改進后的風道裝置在保證熱板表面溫度均勻變化方面效果是很明顯的.

采用海綿標樣對使用新風道的606E型熱板儀(后簡稱新儀器)進行檢定, 海綿標樣檢定相對于面料標樣疊加法更加合理, 因為疊加法由于空氣層的存在會影響熱阻值的測定, 從而影響檢定結果, 而海綿不存在這樣的問題.選取實驗室中厚度為4.717, 10.000和15.000 mm的海綿標樣進行熱阻測量, 通過3次測量取平均值, 海綿熱阻測量結果如表2所示. 3種不同厚度海綿的新風道熱阻測量值與理論值相差不大, 相對偏差在13%以內, 而原風道的測試值與理論值的相對偏差在17.2%以上, 可以認為新風道測試值更接近理論值, 進一步證實了新風道的設計合理性.將測試值與理論值對應輸入儀器中進行自動校準, 表3為新風道校準前后空板值的比較.由表3可以看出, 空板值在校準前后變化不大, 也說明系統誤差較小.

表2 不同厚度海綿熱阻測試值與理論值對比

表3 校準前后空板值比較

Table 3 Constract of empty plate value before and after calibration

指標校準前校準后Q1/(W·℃-1)0．5500．548熱阻/(m2·K·W-1)0．07270．0729

4 面料熱阻測量試驗

試驗選取12種不同的服裝面料如表4所示, 在(20±0.3) ℃和 (65±3)%的恒溫、恒濕室進行測量.12種面料的熱阻新風道測試數據與原風道測試數據的對比如表5所示.

表4 試驗用面料及參數

表5 測試結果和相對偏差

注: 相對偏差=2(A-B)/(A+B)×100%(A與B分別為新風道和原風道中的對應數據).

從表5可以看出, 12種面料的新風道測量結果與原風道所測結果相對偏差平均值為18.45%.由理論及大量的試驗證明, 面料的厚度總體與面料的熱阻值成正相關性, 對兩次測得的12種面料的熱阻與厚度進行回歸分析, 結果如圖9所示.由圖9可知, 新風道所測面料熱阻與厚度呈現更好的線性相關性, 由此也能說明新風道裝置具有更高的測量靈敏度, 更好地反映了面料厚度與熱阻之間的關系.

圖9 面料熱阻與厚度的關系Fig.9 Relationship between fabric thermal resistance and thickness

5 結 語

熱護式熱板儀的測量熱板和熱護板之間的熱平衡是準確測量面料熱阻的必要條件, 本文給出了有風狀態下熱板儀的自平衡條件.通過對606E型熱板儀的風道及送風方式進行分析, 發現風扇吹風形成的湍流區是影響熱板表面溫度不均的重要因素.設計并制作新的風道及由吹風改吸風并結合強阻尼解決上述問題, 紅外熱像表明新風道條件下熱板的溫度變化均勻線性, 符合有風狀態下的自平衡條件, 使測量熱板與熱護板之間的熱量交換代數和基本為零, 消除了熱板儀送風系統引起的系統誤差.海綿標樣試驗、空板試驗的數據可信, 證實了新風道系統設計的合理性. 12種面料的新風道熱板儀測試數據比原有熱板儀的測試數據更好地反映了面料厚度與熱阻之間的線性關系, 證明新風道使熱板儀測量靈敏性提高, 測量結果更加準確.

[1] 陳益松, 詹卓. 熱護式熱板儀基礎結構及系統誤差分析[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2014, 40(5): 575-581.

[2] 詹卓, 陳益松. 面料熱阻測量在GB/T-11048新舊標準中的差異[J]. 紡織學報, 2013, 34(9): 68-72.

[3] 陳益松, 徐軍, 袁春艷. 出汗熱護式熱板儀系統的設計分析與試驗研究[J]. 紡織學報, 2015, 36(3): 128-134.

[4] GIBSON P W.Factors influencing steady-state heat and water vapor transfer measurements for clothing materials [J].Textile Research Journal, 1993, 63(12): 749-764.

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[7] GB/T 11048—2008 紡織品生理舒適性穩態條件下熱阻和濕阻的測定[S].

[8] Textiles—Physiological effects—Measurement of thermal and water-vapour resistance under steady-state conditions (sweating guarded-hotplate test)：ISO 11092—1993[S].

Study of Guarded Hotplate’s Air Flow System

CHENYi-songa, b,ZHUBina

(a. Fashion & Art Design Institute; b. Key Laboratory of Clothing Design & Technology,Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 200051, China)

The self-balance measurement condition of guarded hotplate under wind was proposed according to the fundamental principles of guarded hotplate. The original air flow system of 606E guarded hotplate was analyzed and the influence of turbulence flowing formed by fan on the surface temperature distribution of the plates was pointed out. The surface temperature fields of 606E hotplate was captured by infrared imager.And the infrared image confirmed the design defect of the original air flow system. A new air flowing chamber was developed by altering air blowing into air suction, lengthening and widening the air duct, adding air pressure damp, and moving the ambient temperature sensor outside of the chamber to make the wind above the plate in a stable laminar flowing state. In this state the infrared image would show a stable and linear temperature variation, and the self-balance between testing plate and guarded plate would achieve. The testing results of the standard sponge samples were identical to their theoretical value, which verified the validity and accuracy of the new design. 12 pieces of different fabrics’ thermal resistance were measured by using 606E with the new air flow system, and the results compared to those measured with original air blowing chamber showed a better linear correlation between thermal resistance and the fabric thickness, which verified a higher measument accuracy of the new design.

guarded hotplate; air flow system; fabric thermal resistance

1671-0444 (2016)06

2015-07-30

陳益松(1964—)，男，湖南寧遠人，教授，博士，研究方向為服裝舒適性及光學三維測量等. E-mail：cys@dhu.edu.cn

TS 941.19

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