Přenosy tepla a hmoty

Přenosy tepla a hmoty mezi organismem a prostředím probíhají neustále, v rámci snahy o udržení tepelné bilance a z toho vyplývajícího termofyziologického komfortu a tvoří navzájem provázané děje. Celý průběh termoregulace probíhá na několika úrovních [4]:

 První oblastí jsou biologické procesy v lidském těle. Konkrétně jde o metabolické teplo produkované organismem v závislosti na tělesné aktivitě, přenos energie mezi různými částmi těla pomocí krevního oběhu, tepelné interakce mezi pokožkou a okolím, které se realizují prostřednictvím kondukce (vedení), konvekce (proudění) a radiace (záření) a tepelné ztráty způsobené vylučováním vlhkosti v důsledku evaporace (pocení) a respirace (dýchání).

 Druhou oblastí jsou tepelné přenosy skrz oděvní systém pomocí kondukce, konvekce a radiace. Patří sem také vznik latentního tepla v oděvním materiálu v důsledku fázových změn, jako je teplo vzniklé při kondenzaci, vypařování, mrznutí nebo tání.

 Třetí oblastí jsou přenosy vlhkosti v oděvu. Je to difúze a konvekce vodní páry v mezivlákenných prostorech, difúze vlhkosti hmotou vláken, difúze kapalné vlhkosti kapilárními kanálky, kondenzace nebo vypařování vlhkosti či chlazení nebo tavení.

Obr. 1: Tepelná soustava: organismus-oděv-prostředí dle [1]

Tepelnou bilanci organismu znázorněnou na obr. 1 lze vyjádřit rovnicí (2) dle [1] vyjádřenou v jednotkách tepelného výkonu vztaženého na jednotku povrchu těla, nebo-li v jednotkách tepelného toku q :

(Mmin + L/- L) = M – L (2)

(M – L)/ A_Du qvedením qprouděním qzářením –q_ins– q_resp– q_persp q_akum = 0 kde:

ADu - povrch lidského těla podle Duboise [m²], v průměru 1,8 m² Mmin - základní metabolický výkon [W]

M - celkový metabolický výkon [W]

L - pracovní výkon [W]

 - účinnost [%]

qvedením - přenos tepla kondukcí při dotyku oděvu s pokožkou

qprouděním - přenos tepla konvekcí kolem povrchu oděvu nebo pokožky [W.m^-2] qzářením - přenos tepla radiací, dosahující až 30 % z celkového tepelného toku q_ins - ochlazování nepatrným nevnímaným odpařováním z kožních pórů

q_res - ochlazování dýcháním, kdy dochází k přenosu tepla konvekcí na vnitřním povrchu plic

qpersp - ochlazování odparem na vnitřním povrchu plic

qpersp - intenzívní ochlazování pomocí hlavních potních žláz

qakum - změna akumulovaného tepla při náhlé změně teploty prostředí

V systému organismus – oděv – prostředí tvoří oděvní vrstva spolu s obsaženým vzduchem bariéru, kterou musí teplo a kapalná i plynná vlhkost překonat. Tento přenos probíhá buď směrem od vnějšího prostředí, nebo směrem k pokožce. Směr i velikost přenosů je závislý na vlhkosti, teplotě a tlaku na obou stranách oděvu. To, jestli těmto přenosům oděv brání nebo jim napomáhá, je ovlivněno jeho propustností pro teplo, vzduch a vodní páry či vodu. [4, 5]

Nejdůležitějšími vlastnostmi, které nejlépe popisují míru propustností textilií, jsou parametry výparného a tepelného odporu a prodyšnost textilií. [6]

1.2.1. Výparný odpor

Výparný odpor charakterizuje propustnost textilie pro vodní páru. Parametr vypovídá o teplených účincích v důsledku odparu potu. Jeho velikost závisí na vlhkostním gradientu, tj. rozdílu parciálních tlaků vodních par na povrchu pokožky a ve vnější vrstvě, dále pak na paropropustnosti oděvu pro vodní páry. Takto rozlišujeme celkový výparný odpor oděvu a výparný odpor přilehlé mezní vrstvy vzduchu. Na velikosti těchto parametrů závisí míra ochlazování pomocí odparu. [1]

Různé metody zjišťování výparného odporu jsou popsány v kapitole 1.3.

1.2.2. Tepelný odpor

Tepelný odpor je výsledkem kombinace kondukčního (vedení), konvekčního (proudění) a radiačního (záření) tepla. Jeho velikost závisí na tom, do jaké míry každá ze složek přispívá k celkovému přenosu tepla. Rozlišuje se tepelný odpor oděvu a tepelný odpor přilehlé mezní vrstvy. Tepelný odpor textilního materiálu je závislý na jeho tloušťce a na jeho tepelné vodivosti, je její převrácenou hodnotou, tzn. vyjadřuje míru schopnosti materiálu zadržet odvod tepla. [1]

Různé metody zjišťování tepelného odporu jsou popsány v kapitole 1.3.

1.2.3. Prodyšnost

Prodyšnost, nebo-li propustnost textilie pro vzduch je vlastnost textilií charakterizující rychlost průtoku vzduchu textilií. Zvyšuje proudění plynu nebo kapaliny mezi pokožkou, oděvem a okolím a tím zajišťuje přenos tepla. Jeho míra závisí na teplotě okolí a rychlosti vnějšího vzduchu. Pokud je teplota vnějšího vzduchu chladnější a oděv je dostatečně propustný, dochází k významnému odvodu tepla od těla, žádoucího především u sportovních oděvů. U oděvů do extrémně chladných a větrných podmínek (vysokohorská turistika), je naopak žádoucí minimální propustnost textilie pro vzduch, která by mohla mít za následek nadměrnou ventilaci, čili únik tepla a v extrémních případech i ohrožení lidského života. [1]

Ventilační schopnost oděvu není zajišťována jen prodyšností použité textilie, ale také konstrukcí oděvu jako takového. Prvky jako rozepínání límce, podpaží, manžet nebo rukávů nebo použití velmi prodyšných vsadek v místech se zvýšeným pocením, jako jsou záda nebo podpaží, jsou s úspěchem používány u sportovních oděvů, kde se předpokládá vysoké zahřátí organismu a z toho plynoucí zvýšená potřeba ochlazení organismu. Jsou však typy oděvů, které podléhají společenským konvencím, jako jsou společenské obleky, a použití libovolných konstrukčních prvků zde není možné.

V takovém případě je ventilace významně závislá na prodyšnosti textilie. Efekt prodyšnosti textilie na tepelnou výměnu mezi pokožkou a okolním prostředí není bezvýznamný. Může být dokonce významnější než použití konstrukčních ventilačních prvků. Rozdíl mezi málo prodyšnou a více prodyšnou textilií může znamenat

neschopnost nebo schopnost oděvu odvést od těla pot vyprodukovaný při lehké práci, tj.

např. pot vyprodukovaný při práci v kancelářském prostředí. [7]

1.2.3.1. Faktory ovlivňující prodyšnost

Na prodyšnost mají vliv všechny následující faktory rozdělené do úrovní podle toho, do jaké části výrobního procesu spadají [5]:

 Vlákenná surovina - jemnost vlákna, objem vlákna, tvar příčného řezu, vlákenná surovina a její vlastnosti, včetně sorpčních vlastností ovlivňujících bobtnání

 Příze - průměr a jemnost příze, zákrut příze, zaplnění a pórovitost příze, chlupatost příze

 Tkanina (plošná textilie) - vazba a dostava tkaniny, tloušťka, objemová a plošná měrná hmotnost tkaniny, zaplnění a zakrytí tkaniny, pórovitost tkaniny

 Zušlechťovací proces - tužící a plnící úprava, finální úpravy, včetně kalandrování

1.2.3.2. Zjišťování prodyšnosti

Zjišťování prodyšnosti oděvních materiálů je součástí hodnocení komfortu.

Provádí se také za účelem lokalizace nestejnoměrností v dostavě. Standardně se provádí měření prodyšnosti podle normy ČSN EN ISO 9237. Podstatou je nasávání vzduchu skrz plochu testované textilie při definovaném tlakovém spádu. Výpočet prodyšnosti se provede podle vzorce (3) dle [5]:

(3)

kde:

R - prodyšnost [mm/s]

q_v - průměrný objem vzduchu, zjištěný na průtokoměru [l/min]

S - zkušební plocha vzorku [cm²] 167 - přepočítávací faktor

Existují různé modely pro předpovídání prodyšnosti. Většinou jsou založené na předpokladu, že prodyšnost je nepřímým vyjádřením porosity textilie. Jedna z interpretací vyjadřuje porositu jako doplněk k plošnému zakrytí tkaniny. To neplatí ve všech případech. Prodyšnost je velmi citlivá na změny faktorů, které ji ovlivňují.

Nejvíce se projevuje vliv jemnosti přízí, dostava a vazba textilie. Tyto metody predikce jsou velmi zjednodušující a nepřesné a platí vždy jen pro omezený okruh materiálů, které mají podobné parametry. [8]

Havrdová navrhla model prodyšnosti, který lze použít pro všechny druhy tkanin.

Je založen na poznatku, že dvě tkaniny se stejnou dostavou a různou vazbou mají různé prodyšnosti. Např. keprová vazba má vyšší prodyšnost než plátnová či atlasová. Ty nejsou ovlivněny mírou provázanosti vazby, ale rozmístěním vazných bodů od sebe. Pro popis struktury navrhla parametr struktury, který zahrnuje nejen porozitu, ale také stupeň provázání vazby a vzájemné uspořádání různých typů pórů ve střídě vazby. [8]

Nové modely odhadu a měření prodyšnosti se nezabývají strukturními parametry textilie. Optické metody měření prodyšnosti jsou založené na poznatku, že čím vyšší je světelná propustnost (transmise) textilie, tím vyšší je její prodyšnost.

Transmisi lze sledovat spektrofotometrem. Dalším možným zařízením ke zjišťování prodyšnosti je konfokální mikroskop ke sledování 3D profilu vazby. [9]