Trong quá trình sử dụng quần áo, do sự thoát mồ hôi trên bề mặt da của cơ thể ng−ời, độ ẩm của vải thay đổi, vải có thể hấp thụ ẩm từ bề mặt da hay thải hồi ẩm ra môi tr−ờng bên ngoài. Khi vải hấp thụ hay thải hồi ẩm luôn mang theo một dòng nhiệt ẩn cùng với dòng nhiệt truyền qua vải do cơ thể thải ra. Khi xảy ra sự ng−ng tụ
n−ớc trên bề mặt vật liệu dệt thì nhiệt độ trên bề mặt đó sẽ tăng do nhiệt ẩn đ−ợc giải phóng [44].
Rõ ràng là khi có hiện t−ợng vải hấp thụ hay thải hồi ẩm hay khi có sự biến đổi pha nh− sự bay hơi của chất lỏng hay sự ng−ng tụ, đều có sự thu nhiệt hay giải phóng nhiệt. Nh− vậy, trên thực tế thì dòng nhiệt đi qua quần áo luôn đi kèm đồng thời với dòng ẩm và chúng có ảnh h−ởng lẫn nhau. Trong sự truyền nhiệt đồng thời với truyền ẩm, dòng nhiệt truyền từ da ra môi tr−ờng xung quanh bao gồm 2 thành phần là nhiệt hiện và nhiệt ẩn. Trong đó, phần nhiệt ẩn do dòng hơi n−ớc mang theo.
Do bản chất hấp thụ/ thải hồi ẩm và do cấu trúc xốp của vật liệu dệt nên sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua vải nói chung rất phức tạp. Để nghiên cứu lý thuyết về quá trình này, ph−ơng pháp mô phỏng số đã đ−ợc ứng dụng khá rộng rãi. Những mô hình số mô tả sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua vật liệu dệt th−ờng bao gồm hai dạng. Dạng mô hình thứ nhất đ−ợc xây dựng trên cơ sở nguyên lý bảo toàn năng l−ợng và khối l−ợng. Dạng mô hình thứ hai xuất phát từ sự phân tích quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong môi tr−ờng xốp.
Cho đến nay, nhiều mô hình truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua vải và quần áo đã đ−ợc công bố. Mô hình số về sự khuếch tán tức thời của nhiệt và ẩm trong những loại xơ dệt có khả năng hút ẩm cao đã đ−ợc Henry đ a ra lần đầu tiên − vào năm 1939 và công bố lại vào năm 1948 [44]. Trong nghiên cứu này, hơi n−ớc đ−ợc thừa nhận là khuếch tán qua khoảng không khí giữa các xơ và bị hấp thụ hoặc thải hồi bởi phần đặc của xơ.
Sau này, David và Nordon [44] đã hoàn thiện mô hình của Henry bằng việc đ−a ra quan hệ hàm số mũ để mô tả tốc độ thay đổi độ ẩm của xơ theo độ chênh lệch giữa độ ẩm t−ơng đối của không khí và độ ẩm của xơ khi ở thế cân bằng.
Park, S.I và cộng sự [44] cũng đã xây dựng một mô hình toán để phân tích sự truyền nhiệt và ẩm của vải bằng cách biến đổi mô hình toán do Nordon và David đ−a ra để xác định phân bố tức thời của nhiệt độ và độ ẩm trong vải polyester. Các tác giả sử dụng những điều kiện biên có tính đến sự truyền nhiệt và truyền ẩm đối l−u ở bề mặt vải. Tốc độ truyền ẩm đ−ợc thừa nhận là tỷ lệ với độ chênh độ ẩm t−ơng đối của không khí trong vải và độ ẩm t−ơng đối của xơ.
Tuy nhiên trong những nghiên cứu này, mới chỉ đề cập đến vải len và vải polyester là những loại vật liệu dệt có khả năng hấp thụ/ thải ẩm rất tốt và rất kém. Sự thay đổi thể tích của các xơ do sự thay đổi độ ẩm không đ−ợc chú ý tới. Sự truyền ẩm qua các xơ cũng bị bỏ qua do hệ số khuếch tán của hơi n−ớc qua xơ không đáng kể so với hệ số khuếch tán của hơi n−ớc trong không khí.
Farnworth [44] khi nghiên cứu sự truyền nhiệt và truyền hơi n−ớc hỗn hợp qua quần áo đã xét đến ảnh h−ởng của sự ng−ng tụ, sự bay hơi, sự hấp thụ và thải hồi ẩm trong chế độ không ổn định. Tác giả đã xem xét một cách riêng rẽ sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo nh−ng sự thải nhiệt từ da thì đ−ợc xét đến với sự đồng thời của hai cơ chế, đó là thải nhiệt bằng ph−ơng thức bức xạ, dẫn nhiệt và thải nhiệt bằng bay hơi n−ớc. Trong mô hình này, tác giả đã thừa nhận rằng khối l−ợng n−ớc mà vật liệu dệt hấp thụ tỷ lệ thuận với độ ẩm t−ơng đối của vải. Để có thể xác định đ−ợc phân bố nhiệt độ, áp suất hơi n−ớc và khối l−ợng hơi n−ớc bên trong quần áo theo thời gian, tác giả đã xây dựng những công thức riêng đối với dòng nhiệt và dòng hơi n−ớc là một hàm của thời gian và khoảng cách từ da.
Tuy vậy, mô hình này mới chỉ giới hạn trong những tr−ờng hợp mà ở đó sự truyền nhiệt và truyền ẩm theo cơ chế khuếch tán, có nghĩa là không có sự đối l−u không khí hoặc sự truyền chất lỏng bằng mao dẫn. Vì thế mô hình này chỉ đ−ợc áp dụng đối với quần áo trong điều kiện không khí đứng yên hoặc đối với quần áo có một lớp ngoài chắn gió hoặc đối với những quần áo mà chiều dày của lớp vật liệu có khả năng mao dẫn n−ớc tốt chỉ là một phần nhỏ trong chiều dày của toàn bộ kết cấu. Điều kiện cuối cùng ở trên đảm bảo sự mao dẫn chỉ có thể truyền n−ớc đi một khoảng cách nhỏ tới hoặc từ cơ thể và sẽ không ảnh h−ởng nhiều đến toàn bộ sự khuếch tán ẩm.
Để mô phỏng sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua kết cấu nhiều lớp vải khi đ−ợc đặt trong điều kiện thải nhiệt và thoát mồ hôi giống nh− cơ thể ng−ời, J.P. Fohr, D. Couton and G. Treguier [45] đã đ−a ra một mô hình toán học. Các tác giả đã xem
xét đến những đặc tính phổ biến của vải nh− tính −a n−ớc hoặc kỵ n−ớc, dạng bề mặt vải. Trong nghiên cứu này, mỗi lớp vật liệu trong kết cấu đ−ợc xem nh− một lớp
hình học của xơ đ−ợc xem nh− không thay đổi theo độ ẩm của vải. Sự truyền nhiệt và truyền chất qua các lớp vật liệu đ−ợc thực hiện theo một chiều từ da tới môi tr−ờng bên ngoài.
Trong nghiên cứu này, sự truyền nhiệt và truyền chất theo cơ chế đối l−u c−ỡng bức qua các chỗ hở của vải do tác động của gió và chuyển động của cơ thể không đ−ợc xét đến.
Để mô tả hệ thống điều chỉnh nhiệt của cơ thể ng−ời trong mối quan hệ với quần áo và môi tr−ờng, Gagge và cộng sự [70] đã phát triển một mô hình hai nút. Trong mô hình này, cơ thể ng−ời đ−ợc xem nh− là hai hình trụ tròn đồng tâm gồm phần lõi và lớp da mỏng. Cơ thể ng ời đ− −ợc xem là do hai hệ thống hợp thành, một hệ thống chủ động và một hệ thống điều khiển. Đặc tính cách nhiệt của quần áo đ−ợc xem là cố định. Từ mô hình này, các tác giả đã đ−a ra một danh mục dự báo cảm nhận về nhiệt của con ng−ời đối với môi tr−ờng trong điều kiện mặc quần áo với trở nhiệt khác nhau. Mô hình này là phù hợp để mô tả trạng thái tiện nghi về nhiệt của con ng−ời mặc quần áo trong điều kiện môi tr−ờng ổn định.
Trên cơ sở mô hình điều chỉnh nhiệt hai nút của Gagge, Li và Holcom [70] đã kết hợp với mô hình hút ẩm động học của vải và đ−a ra một mô hình toán học mới đ−ợc sử dụng để nghiên cứu ảnh h−ởng của đặc tính truyền nhiệt và truyền ẩm động của quần áo đến quá trình điều chỉnh nhiệt của cơ thể.
Trong mô hình này, cơ thể ng−ời cũng đ−ợc biểu diễn bởi hai hình tròn đồng tâm gồm lõi trong cùng và da là lớp bên ngoài. Quần áo tạo thành một lớp trên da, bên ngoài là lớp biên của không khí xung quanh. Giữa da và quần áo có một lớp không khí mà trong đó sự đối l−u có thể xảy ra (hình 1.1).
Quần áo đ−ợc xem nh− là một lớp đơn chứa các xơ và không khí. Hơi n−ớc đ−ợc thừa nhận là khuếch tán qua khoảng không gian giữa các xơ và bị hút vào hoặc thải ra bởi các xơ cùng với sự trao đổi năng l−ợng t−ơng ứng. Sự thay đổi thể tích của xơ trong quá trình hút ẩm là đủ nhỏ để bỏ qua. Sự truyền hơi n−ớc theo chiều ngang qua xơ cũng không đ−ợc xem xét đến, sự khuếch tán của hơi n−ớc qua xơ cũng bị bỏ qua do hệ số khuếch tán quá nhỏ so với hệ số khuếch tán của hơi n−ớc qua không khí.
Hình 1.1. Hệ thống cơ thể - quần áo - môi tr−ờng [70]
Hệ số trao đổi nhiệt bằng bức xạ và đối l−u đ−ợc xác định bằng những công thức kinh nghiệm. L ợng nhiệt và l− −ợng ẩm truyền qua quần áo đ−ợc dự báo chiếm lần l−ợt là 80% và 75% tổng l−ợng nhiệt thải ra, phần còn lại đi qua những chỗ hở trong quần áo nh− cổ và tay. Các tác giả đã thừa nhận rằng nhiệt trở của lớp không khí vùng vi khí hậu liên quan với mức độ bó sát của quần áo, t− thế và chuyển động của cơ thể, tốc độ gió. Nhiệt trở của lớp không khí đ−ợc dự báo là hiệu của nhiệt trở thực của quần áo trong quá trình mặc và nhiệt trở của bộ quần áo. Trong đó, nhiệt trở của quần áo đ−ợc dự báo theo công thức thực nghiệm từ chiều dày của các lớp vật liệu của quần áo. Li và Holcom thực hiện một ph−ơng án mặc thử trong những điều kiện thay đổi độ ẩm đối với quần áo từ vải len và vải polyester, sau đó kết quả thực nghiệm đ ợc so sánh với kết quả dự báo từ mô hình. −
Nhìn chung, những mô hình điều chỉnh nhiệt này đã đề cập đến sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời trong hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng nh−ng ch−a xem xét đến ảnh h−ởng của các tính chất vật lý và thông số cấu trúc của quần áo đến đặc tr−ng truyền nhiệt, truyền ẩm.
Tóm lại, sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo luôn diễn ra đồng thời và có ảnh h−ởng qua lại lẫn nhau. Nhiều mô hình số mô tả sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua vải và quần áo đã đ−ợc công bố. Các mô hình truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo đã đ−ợc xem xét ở dạng hình trụ. Phần lớn các mô hình trên đ−ợc xây dựng trong chế độ không ổn định và điều kiện không khí đứng yên. Trong đó, ảnh h−ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo ch−a đ−ợc đề cập đến. Để kết quả
nghiên cứu có khả năng áp dụng trong thực tế, sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua quần áo cần đ−ợc nghiên cứu trong điều kiện đối l−u c−ỡng bức, cần xem xét đến ảnh h−ởng của các yếu tố này.
1.3. ả1.3. ả 1.3. ả 1.3. ả
1.3. ảnh hnh hnh hnh hnh h−−−−−ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo đến sự truyền nhiệt, truyền ẩm qua quần áo
đến sự truyền nhiệt, truyền ẩm qua quần áo đến sự truyền nhiệt, truyền ẩm qua quần áo đến sự truyền nhiệt, truyền ẩm qua quần áo đến sự truyền nhiệt, truyền ẩm qua quần áo
Ngoài yếu tố cơ thể ng−ời và môi tr−ờng xung quanh, tính chất vật lý và đặc tr−ng cấu trúc của vật liệu vải và quần áo có ảnh h ởng đáng kể đến sự truyền nhiệt, − truyền ẩm qua quần áo. Những tính chất vật lý của vải có vai trò quan trọng trong mối quan hệ nói trên là khả năng hấp thụ và thải hồi ẩm, khả năng thẩm thấu không khí, khả năng truyền nhiệt và truyền ẩm. Những đặc tr ng cấu trúc của vải và quần − áo có ảnh h−ởng đến sự truyền nhiệt, truyền ẩm là chiều dày và độ xốp của vải, chiều dày và độ che phủ của quần áo.
1.3.1. ảnh h−ởng của khả năng hấp thụ và thải hồi ẩm của vải
Khi vải hấp thụ hay thải hồi ẩm, độ ẩm của vải thay đổi và có ảnh h−ởng lớn
đến đặc tính truyền nhiệt của vải. Khi độ ẩm của vật liệu tăng thì hệ số truyền nhiệt tăng. Điều này đ−ợc giải thích là khi các phân tử n−ớc hoặc hơi n−ớc xâm nhập vào cấu trúc vật liệu, do hệ số dẫn nhiệt của n−ớc rất lớn so với hệ số dẫn nhiệt của vật liệu dệt và không khí nên làm tăng đáng kể hệ số truyền nhiệt của vải.
Mặt khác, khi các xơ hấp thụ ẩm nhất là các xơ −a n−ớc, chúng có thể phồng lên do bị tr−ơng nở vì thế độ xốp, chiều dày và có thể cả sự uốn sóng của sợi trong vải cũng thay đổi từ đó ảnh h−ởng đến đặc tr−ng truyền nhiệt và truyền ẩm của vải.
ảnh h−ởng của độ ẩm đến khả năng truyền nhiệt của vải đã đ−ợc Y. Li và cộng sự [56] nghiên cứu. Từ kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của những mẫu vải len có độ ẩm khác nhau, các tác giả đã xây dựng một hàm hồi quy biểu diễn quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và độ ẩm của vải nh− sau:
λ = (38,493 - 0,720. W + 0,113. W2 - 0,002. W3). 10-3 (1.2) Trong đó: λ- hệ số dẫn nhiệt của vải (W.m-1.K-1)
Từ kết quả thực nghiệm trên cho thấy, khi độ ẩm của vải len tăng từ khoảng 4% thì hệ số dẫn nhiệt của vải tăng.
Anna M. Schneider và cộng sự [66] khi nghiên cứu thực nghiệm sự truyền nhiệt trong vải ẩm đã đo hệ số dẫn nhiệt của vải có chứa l−ợng n−ớc thay đổi. Kết quả nghiên cứu cho thấy tính dẫn nhiệt của vải tăng cùng với độ ẩm của vải và phụ thuộc vào đặc tính hút ẩm của xơ.
ảnh h−ởng của l−ợng n−ớc chứa trong vải do tác động của sự mao dẫn chất lỏng đến trở nhiệt của vải đã đ−ợc N.J. Brownless và cộng sự [58] phân tích và nghiên cứu lý thuyết. Tác giả đã mô phỏng cấu trúc vải gồm hai lớp theo chiều dày là lớp nền (bao gồm các xơ và không khí giữa chúng) và lớp bề mặt (bao gồm các đầu xơ và không khí giữa chúng). Sự lọt vào chiếm chỗ các khoảng không khí trong vải của chất lỏng làm thay đổi trở nhiệt của vải đ−ợc xác định theo ph−ơng pháp mô hình t−ơng tự dòng điện. Trong nghiên cứu này, các tác giả cũng bỏ qua ảnh h−ởng của sự thay đổi cấu trúc xơ khi hấp thụ n−ớc.
Nh− vậy, có thể thấy là khi thay đổi độ ẩm của vải thì cấu trúc hình học và hệ số dẫn nhiệt của vải thay đổi. Tuy nhiên, đến nay ch−a có những nghiên cứu đầy đủ về ảnh h ởng của độ ẩm đến đặc tr− −ng truyền nhiệt và truyền ẩm của quần áo. Trong tất cả những mô hình truyền nhiệt và truyền ẩm đã công bố, đều không đề cập đến sự thay đổi cấu trúc hình học khi vải hấp thụ hay thải hồi ẩm.
1.3.2. ảnh h−ởng của độ thẩm thấu không khí và cấu trúc quần áo
Khi nghiên cứu ảnh h−ởng của cấu trúc vải đến đặc tr−ng truyền nhiệt của quần áo trong điều kiện không khí đứng yên, phần lớn các công trình nghiên cứu đã cho thấy độ dày của vật liệu là yếu tố quyết định chủ yếu.
Trong tr−ờng hợp không khí không chuyển động một cách t−ơng đối, quan hệ giữa trở nhiệt của quần áo dạng kín (che phủ cả đầu, bàn chân, bàn tay) và độ dày của quần áo đ−ợc thể hiện trong một ph−ơng trình thực nghiệm [86]:
Rqa= 0,126 + 0,044.b - 0,000678.b2 (1.3) Trong đó: Rqa - trở nhiệt trung bình của quần áo (m2.K.W-1)
Từ ph−ơng trình thực nghiệm trên cho thấy khi tăng chiều dày quần áo tới khoảng 30 mm thì trở nhiệt của quần áo tăng nh−ng mức độ tăng giảm dần.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu này ch−a xét đến ảnh h−ởng của vị trí và chiều dày lớp không khí so với chiều dày của quần áo đến sự truyền nhiệt nên việc áp dụng kết quả nghiên cứu trên còn có hạn chế nhất định.
Khi nghiên cứu sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua những kết cấu lớp vải có số lớp, độ dày, dạng bề mặt và mật độ khác nhau [90], các tác giả đã có những phân