Tổng quan luận án

Nghiên cứu về truyền nhiệt và truyền ẩm qua vật liệu trang phục là cơ sở khoa học then chốt nhằm đánh giá chất lượng giữ nhiệt và mức độ tiện nghi sinh lý của quần áo đối với cơ thể người. Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất nhiệt vật lý của một số vật liệu dệt trong nước đến kết cấu quần áo ấm trong điều kiện khí hậu Việt Nam" do nghiên cứu sinh Lã Thị Ngọc Anh thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Bích Hoàn và GS. Đặng Quốc Phú, thuộc chuyên ngành Công nghệ dệt - May (mã số: 62.05), hoàn thành năm 2008 và bảo vệ năm 2009.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm (TN-TA) qua quần áo là một quá trình phức tạp chịu sự chi phối đồng thời của điều kiện môi trường khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió, bức xạ), đặc điểm sinh lý cơ thể người (cường độ trao đổi chất, diện tích bề mặt, sự tiết mồ hôi) và tính chất nhiệt vật lý của hệ thống các lớp vật liệu may. Trên thế giới, nhiều quốc gia đã xây dựng sổ tay tra cứu hệ số dẫn nhiệt $\lambda$, hệ số truyền nhiệt $k$ cho các loại vật liệu dệt và phát triển các hệ thống thiết bị đo đạc chuyên dụng.

Tại Việt Nam, trước thời điểm nghiên cứu, các dữ liệu về đặc trưng nhiệt – ẩm của vật liệu dệt và trang phục chủ yếu phải tra cứu và tham khảo từ các tài liệu của Liên Xô cũ, trong khi các trang thiết bị thí nghiệm nhập khẩu từ các nước Đông Âu từ thập niên 1970 đã lạc hậu. Những số liệu cũ này không còn phù hợp do đặc thù khí hậu nhiệt đới gió mùa có mùa đông lạnh ẩm tại Việt Nam khác biệt hoàn toàn với khí hậu hàn đới và ôn đới; đồng thời chủng loại vật liệu dệt sản xuất trong nước ngày càng phát triển đa dạng về cấu trúc xơ sợi và kiểu dệt. Thêm vào đó, các công trình nghiên cứu trong nước giai đoạn trước chỉ tập trung chủ yếu vào nhóm quần áo bảo hộ lao động, còn các vấn đề liên quan đến quần áo ấm dân dụng mùa đông, điều kiện sử dụng thực tế, cùng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của vật liệu dệt và kết cấu trang phục ấm nhiều lớp chưa được quan tâm nghiên cứu một cách đồng bộ.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Mô phỏng quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm qua quần áo ấm bằng các phương trình toán học.
  2. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của một số yếu tố cụ thể đến đặc trưng truyền nhiệt – truyền ẩm của quần áo ấm.

Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, tác giả đã triển khai 4 nội dung/nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu tìm hiểu các tính chất nhiệt - vật lý của vải và quần áo, đặc trưng quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm qua quần áo.
  2. Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm qua quần áo ấm.
  3. Xây dựng mô hình thực nghiệm xác định hệ số truyền nhiệt của vải và quần áo.
  4. Nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết ảnh hưởng của một số yếu tố đến đặc trưng truyền nhiệt – truyền ẩm của quần áo ấm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các loại vật liệu dệt thông dụng được sản xuất trong nước (bao gồm vải dệt thoi, vải dệt kim, lớp bông tấm đệm polyester, vải lót polyamide và polyester) và các dạng kết cấu quần áo ấm 3 lớp (ký hiệu ABC: vải vỏ ngoài - bông đệm - vải lót) cùng tổ hợp nhiều lớp trang phục (ký hiệu D-ABC: bề mặt da/lớp vi khí hậu - quần áo trong - quần áo ấm 3 lớp).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát quá trình truyền nhiệt, truyền ẩm và truyền nhiệt – ẩm hỗn hợp trong điều kiện đặc trưng của khí hậu mùa đông miền Bắc Việt Nam (nhiệt độ thấp, độ ẩm không khí cao, có gió lạnh); giới hạn khảo sát các thông số thiết kế kết cấu (bước chần, hướng đường chần, lượng dư cử động, hình dáng khe hẹp không khí) và điều kiện sử dụng (độ ẩm môi trường, số lần giặt, trạng thái ngấm mồ hôi và ẩm ướt).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước

Trong luận án, tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo các nhóm nội dung chính:

  1. Nghiên cứu về sinh lý thân nhiệt và vùng vi khí hậu tiện nghi:

    • Burton (1934) thiết lập công thức tính nhiệt độ da trung bình toàn thân: $t_{da} = 0,5 t_n + 0,14 t_c + 0,36 t_t$ (trong đó $t_n, t_c, t_t$ lần lượt là nhiệt độ vùng ngực, bắp chân và cẳng tay).
    • Калмыков (1960) công bố kết luận về vệ sinh trang phục: nhiệt độ da trung bình $33^\circ\text{C}$ tạo cảm giác dễ chịu, dưới $29^\circ\text{C}$ gây cảm giác lạnh, trên $34 - 35^\circ\text{C}$ gây nóng; độ ẩm tương đối của vùng vi khí hậu tiện nghi là 35–65%. Fourt và Hollies (1970) cũng ghi nhận dải độ ẩm vi khí hậu tiện nghi 35–65%.
    • Nguyễn Mạnh Liên nghiên cứu trên người Việt Nam, chỉ ra nhiệt độ vùng da ngực ở trạng thái tiện nghi là 32–34$^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối của vùng vi khí hậu tiện nghi là 50–60%.

  2. Phương pháp và thiết bị đo đặc trưng truyền nhiệt – truyền ẩm:

    • Phương pháp ổn định: Tiêu chuẩn ISO 5085-1 (đo nhiệt trở $R < 0,2 \text{ m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$ dạng tấm phẳng), ISO 5085-2 (đo nhiệt trở $R$ từ $0,2 - 2 \text{ m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$); tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6176-1996 (đo độ truyền nhiệt $U$ của mẫu phẳng có chiều dày tối đa 50 mm); thiết bị của Nguyễn Thúy Ngọc xác định hệ số truyền nhiệt $k$ và hệ số truyền hơi nước $h_n$.
    • Phương pháp không ổn định: Tiêu chuẩn ISO 11092; thiết bị bicalorimet hình lăng trụ đứng; thiết bị Torso hình trụ nằm ngang mô phỏng phần thân người; thiết bị tay đổ mồ hôi; thiết bị manơcanh nhiệt bằng đồng (chiều cao 1,65 m, diện tích bề mặt $1,7 \text{ m}^2$).

  3. Các mô hình lý thuyết toán học về truyền nhiệt – truyền ẩm:

    • Mô hình Jintu Fan: Phát triển từ lý thuyết của Motakef và Masri (1987) về truyền nhiệt không ổn định, xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả phân bố nhiệt độ và mật độ hơi nước qua kết cấu 3 lớp (vải trong - bông đệm - vải ngoài) giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn.
    • Mô hình Ghali (2002): Xây dựng mô hình truyền nhiệt – truyền chất kèm hiện tượng mao dẫn chất lỏng trong cấu trúc 1 lớp vải (cotton, polypropylene) dựa trên định luật Darcy và Fick, giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn Garlekin.
    • Mô hình Farnworth (1986): Khảo sát quần áo nhiều lớp trong không khí tĩnh, lập trình giải hệ phương trình vi phân bằng Fortran IV, kiểm chứng trên thiết bị đĩa nóng đổ mồ hôi.
    • Mô hình Lotens (1974, thập niên 1990 - Viện TNO, Hà Lan): Xây dựng mô hình mạng điện trở tương đương cho kết cấu 4 lớp (quần áo lót và quần áo ngoài), lập hệ 9 phương trình với 9 biến số, đưa vào các khái niệm chiều dày không khí tương đương $d_{tđ}$, lượng hấp thụ ẩm $R_g$, vận tốc gió hiệu quả $v_{hq}$, giải bằng phần mềm THDYN.0 viết bằng ngôn ngữ Fortran.
    • Mô hình Li và Holcombe (1998): Phát triển mô hình hệ thống con người – quần áo – môi trường từ Gagge (1986) dạng hai đường tròn đồng tâm (lõi và da) cùng 1 lớp quần áo bao ngoài, giải bằng phương pháp Crank – Nicholson (C-N) viết bằng Fortran.
Tác giả / Mô hình Đối tượng mô phỏng Phương pháp giải / Công cụ Hạn chế chính được luận án chỉ ra
Jintu Fan Kết cấu 3 lớp (vải trong, bông, vải ngoài) Sai phân hữu hạn Loại bỏ sự tham gia trực tiếp của 2 lớp vải biên vào quá trình TN-TA
Ghali (2002) 1 lớp vải cotton/polypropylene có mao dẫn Phần tử hữu hạn Garlekin Chỉ áp dụng cho 1 lớp vải, chưa xét truyền nhiệt bức xạ và đối lưu
Farnworth (1986) Quần áo nhiều lớp Chuỗi vi phân / Fortran IV Bỏ qua lớp vi khí hậu sát da, chỉ xét môi trường không gió
Lotens (TNO) Tổ hợp 4 lớp (quần áo lót và ngoài) Mạng điện trở / THDYN.0 Giả định hình học đơn giản, sai lệch khi điều kiện biên thay đổi phức tạp
Li & Holcombe Con người - Quần áo 1 lớp - Môi trường Crank – Nicholson / Fortran Mới chỉ giải bài toán cho vật liệu có tính hút ẩm cao (len, cotton)

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình quốc tế chủ yếu xây dựng dựa trên thông số khí hậu và nhân trắc học của nước ngoài, chưa phản ánh điều kiện khí hậu mùa đông nhiệt đới ẩm tại Việt Nam. Các thiết bị đo đạc sẵn có trong nước chủ yếu là thiết bị đo tấm phẳng, không đánh giá được kết cấu không gian hình trụ và vai trò của các lớp không khí vi khí hậu xen kẽ. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm hình trụ chuyên dụng có độ tin cậy cao, đồng thời xây dựng hệ phương trình toán học mô tả đồng thời trường nhiệt độ và mật độ hơi nước qua kết cấu trang phục ấm nhiều lớp phù hợp với vật liệu dệt và khí hậu Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng các quy luật nhiệt động lực học và truyền nhiệt – truyền khối cơ bản:

  • Dẫn nhiệt: Tuân theo định luật Fourier, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = \frac{q}{|\text{grad } t|}$ ($\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).
  • Tỏa nhiệt bề mặt: Tuân theo định luật Newton $q = \alpha \cdot \Delta t$, trong đó hệ số tỏa nhiệt tổng hợp $\alpha$ bao gồm hệ số tỏa nhiệt bức xạ $\alpha_{bx} = \frac{\varepsilon \sigma_0 (T_w^4 - T_f^4)}{T_w - T_f}$ và hệ số tỏa nhiệt đối lưu $\alpha_{dl} = \text{C}\frac{\lambda_{kk}}{h}(\text{Gr}\cdot\text{Pr})^n$.
  • Truyền ẩm và truyền chất: Quá trình khuếch tán phân tử hơi nước qua pha xơ sợi và lỗ xốp tuân theo định luật Fick ($J = -I_D \frac{\partial C}{\partial x}$); quá trình dẫn chất lỏng tuân theo định luật mao dẫn và Darcy.
  • Truyền nhiệt – truyền ẩm hỗn hợp: Quá trình trao đổi năng lượng bao gồm nhiệt hiện (gây ra bởi chênh lệch nhiệt độ) và nhiệt ẩn (gây ra bởi sự bay hơi hoặc ngưng tụ ẩm kèm theo nhiệt ẩn hóa hơi $r$).
Ký hiệu Đại lượng Đơn vị Giá trị / Khoảng giá trị trong luận án
$\lambda$ Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu dệt $\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ $0,033 \div 0,070$ (giá trị trung bình: $0,049$)
$a$ Hệ số dẫn nhiệt độ $\text{m}^2\cdot\text{s}^{-1}$ $7,17\cdot 10^{-8} \div 16,33\cdot 10^{-8}$
$\varepsilon$ Độ đen tương đối của bề mặt vải $-$ $0,70 \div 1,00$ (nylon: $0,71$; pha kim loại: $0,39$)
$\alpha_{bx}$ Hệ số tỏa nhiệt bức xạ $\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$ $4,86 \div 7,42$ (giá trị trung bình: $5,69$)
$\alpha_{dl}$ Hệ số tỏa nhiệt đối lưu (kín gió) $\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$ $3,65 \div 4,42$ (giá trị trung bình: $4,09$)
$c$ Nhiệt dung riêng của vật liệu may $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ $1,09\cdot 10^3 \div 1,47\cdot 10^3$
$I_D$ Hệ số khuếch tán hơi nước vào không khí $\text{m}^2\cdot\text{s}^{-1}$ $25\cdot 10^{-6}$
$R$ Nhiệt trở của vật liệu $\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$ Xác định theo $R = \frac{\delta}{\lambda}$
$R_M$ Trở kháng truyền hơi nước (ẩm trở) $\text{m}^{-1}\cdot\text{s}$ Xác định theo $R_M = \frac{\lambda \cdot R}{I_D}$

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm vật lý và phương pháp mô hình hóa toán học:

  1. Phương pháp thực nghiệm:
    • Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị đo hệ số truyền nhiệt $k$ dạng hình trụ đứng bằng đồng (mô phỏng phần thân người).
    • Nguồn cấp nhiệt là hệ thống bóng đèn điện bên trong lòng trụ với các cấp công suất điều chỉnh được.
    • Bố trí hệ thống cặp nhiệt độ dọc theo chiều cao thân trụ, kết nối với bộ chuyển đổi tín hiệu và máy vi tính để tự động thu thập, xử lý dữ liệu đo ở chế độ truyền nhiệt ổn định và không ổn định.
    • Tiến hành thử nghiệm trên các mẫu vải và kết cấu quần áo 3 lớp (ABC) trong phòng thí nghiệm kiểm soát môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc dòng khí).
  2. Phương pháp mô hình hóa toán học:
    • Thiết lập hệ phương trình đạo hàm riêng mô tả trường nhiệt độ và nồng độ hơi nước theo không gian 1 chiều (chiều dày kết cấu $\delta$) và thời gian $\tau$.
    • Sử dụng phương pháp giải tích và phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình với các điều kiện biên thực tế của khí hậu mùa đông Việt Nam.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ mô hình đo chế tạo tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
  • Thông số kỹ thuật của 16 mẫu vật liệu dệt phổ biến trên thị trường nội địa (Bảng 3.1).
  • Số liệu khí tượng mùa đông (nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió) được cung cấp bởi Trung tâm Khí tượng Thủy văn - Tổng cục Khí tượng Thủy văn (Bảng 3.2).
  • Các tiêu chuẩn kỹ thuật viện dẫn: TCVN 6176-1996, ISO 5085-1, ISO 5085-2, ISO 11092, ASTM.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về truyền nhiệt – truyền ẩm qua vật liệu may và quần áo ấm

Chương 1 hệ thống hóa toàn bộ các cơ sở lý luận về sinh lý tiện nghi nhiệt của cơ thể người, các đặc trưng nhiệt vật lý và cơ chế truyền nhiệt – truyền ẩm qua trang phục:

  • Phân tích cơ chế điều hòa thân nhiệt thông qua 5 phương thức: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ, bay hơi mồ hôi và hô hấp. Khẳng định đối với người Việt Nam, vùng vi khí hậu tiện nghi tương ứng với nhiệt độ vùng da ngực $32 - 34^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối $50 - 60%$.
  • Trình bày chi tiết các thông số nhiệt vật lý của vật liệu may: hệ số dẫn nhiệt $\lambda$, hệ số dẫn nhiệt độ $a$, độ đen $\varepsilon$, hệ số tỏa nhiệt bức xạ $\alpha_{bx}$, hệ số tỏa nhiệt đối lưu $\alpha_{dl}$, nhiệt dung riêng $c$, nhiệt trở $R$, hệ số truyền nhiệt $k$, cùng các chỉ tiêu dẫn ẩm gồm độ thẩm thấu nước $N_{\Delta P}$, tính mao dẫn, ẩm trở $R_M$ và hệ số truyền hơi nước $h_n$.
  • Phân tích bản chất của quá trình truyền nhiệt bên trong và bề mặt quần áo qua hệ thống nhiều lớp vật liệu và lớp không khí vi khí hậu; chỉ rõ quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm là quá trình hỗn hợp giữa nhiệt hiện và nhiệt ẩn hóa hơi.
  • Điểm luận và phân loại các phương pháp đo ổn định và không ổn định; chỉ rõ các nhược điểm của phương pháp đo tấm phẳng truyền thống và khẳng định sự cần thiết phải xây dựng mô hình dạng không gian hình trụ.
  • Đánh giá có hệ thống 5 mô hình toán học tiêu biểu trên thế giới (Fan, Ghali, Farnworth, Lotens, Li & Holcombe) và tổng kết các công trình thực nghiệm về ảnh hưởng của chiều dày, độ thẩm thấu không khí, độ ẩm, độ xốp, lớp vi khí hậu, độ hở và nhân trắc học đến đặc tính cách nhiệt của quần áo.

Chương 2: Xây dựng mô hình thực nghiệm nghiên cứu đặc trưng truyền nhiệt của vải và quần áo

Chương 2 tập trung vào việc thiết kế, chế tạo, hiệu chuẩn và kiểm tra đánh giá độ tin cậy của hệ thống thiết bị đo thực nghiệm:

  • Nguyên lý và cấu tạo: Xây dựng mô hình hình trụ đứng mô phỏng hình học thân mình người mặc. Bên trong lòng mô hình bố trí hệ thống các bóng đèn gia nhiệt với vị trí và công suất được tối ưu hóa (Bảng 2.1) nhằm tạo ra mật độ dòng nhiệt đồng đều hướng từ tâm ra bề mặt. Hệ thống cảm biến nhiệt (cặp nhiệt) được phân bố tại các cao độ khác nhau trên thân trụ (Bảng 2.2).
  • Kiểm tra đặc tính mô hình:
    • Xác định chiều dày lớp biên nhiệt: Đo đạc sự biến thiên nhiệt độ không khí theo khoảng cách từ bề mặt mô hình (Bảng 2.3, Hình 2.5), xác định chính xác phạm vi lớp biên nhiệt.
    • Xác định thời gian ổn định: Đồ thị thực nghiệm ghi nhận thời gian cần thiết để nhiệt độ bề mặt mô hình đạt trạng thái ổn định ở mức $39,5^\circ\text{C}$ là khoảng 30–40 phút (Hình 2.6) và ở mức $30^\circ\text{C}$ (Hình 2.7).
    • Kiểm tra độ đồng đều nhiệt độ: Khảo sát phân bố nhiệt độ tại các điểm đo trên bề mặt trụ ở các chế độ nhiệt độ khác nhau (Hình 2.8), chứng minh độ đồng đều trường nhiệt bề mặt.
    • Đánh giá hệ số tỏa nhiệt: So sánh hệ số tỏa nhiệt bề mặt mô hình với các lớp sơn phủ khác nhau (Bảng 2.4) nhằm chọn lớp phủ có độ đen $\varepsilon$ tương thích với da người.
  • Ghép nối và đánh giá sai số: Thiết lập sơ đồ ghép nối mô hình với hệ thống thu thập dữ liệu tự động (Hình 2.9), xây dựng quy trình chuẩn bị mẫu và thuật toán tính toán hệ số truyền nhiệt $k$. Đánh giá sai số của kết quả thí nghiệm (Bảng 2.5), chứng minh sai số nằm trong giới hạn cho phép của thiết bị đo nhiệt kỹ thuật.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của một số yếu tố tới đặc trưng truyền nhiệt – truyền ẩm của quần áo

Chương 3 trình bày các kết quả đo đạc thực nghiệm về ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế, môi trường và điều kiện sử dụng đến hệ số truyền nhiệt $k$:

  • Mẫu thí nghiệm: Sử dụng 16 mẫu vải sản xuất trong nước (Bảng 3.1) để tạo thành các kết cấu quần áo 3 lớp ABC (Hình 3.1) và các kiểu đường may chần (chần dọc, chần ngang, chần ô vuông, chần chun - Hình 3.2, 3.3). Thiết lập các phương án thí nghiệm dựa trên thông số khí tượng mùa đông (Bảng 3.2, 3.3).
  • Ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế:
    • Lượng dư cử động và khe hẹp không khí: Chiều dày lớp vi khí hậu ban đầu làm tăng nhiệt trở toàn phần, làm giảm hệ số truyền nhiệt $k$; tuy nhiên khi lượng dư cử động quá lớn, hiện tượng đối lưu tự nhiên trong khe hẹp xuất hiện làm tăng hệ số truyền nhiệt $k$ (Hình 3.5, 3.11).
    • Đường may chần: Đường may chần làm nén xẹp lớp bông đệm, làm giảm chiều dày cục bộ và phá vỡ cấu trúc không khí tù trong lớp bông. Bước đường may chần càng dày (khoảng cách giữa các đường chần càng nhỏ) thì hệ số truyền nhiệt $k$ càng tăng (khả năng giữ nhiệt giảm). Chi tiết thể hiện qua các đồ thị ảnh hưởng của bước chần bông với lót (Hình 3.6), bước chần bông với vỏ (Hình 3.7), chần dọc (Hình 3.8), chần ngang (Hình 3.9) và chần ô vuông (Hình 3.10).
  • Ảnh hưởng của điều kiện sử dụng và môi trường:
    • Khảo sát sự thay đổi của $k$ theo nhiệt độ bề mặt tiếp xúc (Hình 3.12), nhiệt độ môi trường (Hình 3.13), độ ẩm không khí môi trường (Hình 3.14) và tốc độ gió (Hình 3.15). Độ ẩm và tốc độ gió tăng đều dẫn đến sự gia tăng rõ rệt của hệ số truyền nhiệt $k$.
    • Số lần giặt làm xẹp liên kết xơ trong lớp bông tấm và biến tính cơ lý của vải ngoài, khiến hệ số truyền nhiệt $k$ tăng dần theo số chu kỳ giặt (Hình 3.16).
  • Ảnh hưởng của hiện tượng ngấm ẩm:
    • Thực nghiệm mô phỏng 4 trạng thái ngấm ẩm: cơ thể đổ mồ hôi liên tục (Hình 3.17), ngậm ẩm gián đoạn (Hình 3.18), ngấm ẩm một lần (Hình 3.19) và mặc quần áo bị ẩm ướt (Hình 3.20). Kết quả chỉ ra nước lỏng chiếm chỗ không khí trong các mao quản làm tăng mạnh tính dẫn nhiệt và gia tăng tổn thất nhiệt do bay hơi, làm suy giảm nghiêm trọng khả năng giữ ấm của trang phục.

Chương 4: Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm qua quần áo ấm

Chương 4 xây dựng hệ thống phương trình toán học mô tả quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm đồng thời qua kết cấu quần áo ấm trong điều kiện khí hậu Việt Nam:

  • Xây dựng mô hình toán: Thiết lập hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả quá trình biến thiên nhiệt độ và mật độ tập trung hơi nước cho kết cấu 3 lớp ABC và tổ hợp nhiều lớp D-ABC (Hình 4.1 – 4.3), dựa trên mô hình mạng nhiệt trở và trở hơi tương đương (Hình 4.16).
  • Nghiên cứu quá trình TN-TA qua kết cấu 3 lớp:
    • Khảo sát phân bố mật độ tập trung hơi nước theo chiều dày và thời gian với các điều kiện phân bố ban đầu khác nhau (Hình 4.4 – 4.7).
    • Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm bề mặt da ở các mức 70%, 80%, 85%, 90% và 100% đến sự phân bố ẩm trong kết cấu (Hình 4.8 – 4.12).
    • Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm môi trường ở mức 65% và 85% (Hình 4.13, 4.14).
    • Mô phỏng phân bố nhiệt độ trong kết cấu theo chiều dày và thời gian dưới điều kiện nhiệt độ môi trường biến thiên tuần hoàn dạng hàm sin: $t_f = 10 + a \sin(b\tau)$ (Hình 4.15).
  • Nghiên cứu quá trình TN-TA qua tổ hợp các lớp quần áo ấm (D-ABC):
    • Giải mô hình toán số, phân tích phân bố nhiệt độ và mật độ hơi nước trong hệ thống D-ABC khi độ ẩm môi trường thay đổi (Hình 4.17, 4.18) và khi nhiệt độ môi trường thay đổi (Hình 4.19, 4.20).
    • Mô phỏng tác động của hiện tượng cơ thể đổ mồ hôi đến sự phân bố trường nhiệt độ (Hình 4.21) và mật độ tập trung hơi nước (Hình 4.22) trong toàn bộ cấu trúc nhiều lớp.
    • Kết quả mô hình toán học có sự tương thích cao với các quy luật thu nhận từ thực nghiệm tại Chương 3, làm sáng tỏ bản chất vật lý của quá trình trao đổi nhiệt - ẩm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Mô hình hóa thành công quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm qua quần áo ấm trong điều kiện khí hậu mùa đông ở Việt Nam.
  2. Xây dựng mô hình thực nghiệm có độ tin cậy cao để xác định hệ số truyền nhiệt của vải và kết cấu quần áo dạng không gian hình trụ.
  3. Ứng dụng mô hình thực nghiệm và mô hình toán học đã thiết lập để nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của một số yếu tố thiết kế trang phục cùng điều kiện sử dụng đến đặc trưng truyền nhiệt – truyền ẩm qua kết cấu quần áo ấm.
  4. Xác lập cơ sở lý thuyết và các quy luật khoa học giải thích bản chất biến thiên của hệ số truyền nhiệt $k$ dưới tác động của các yếu tố công nghệ may chần, lượng dư cử động, sự ngấm ẩm mồ hôi và thông số môi trường khí hậu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm về hệ số truyền nhiệt của các loại vật liệu dệt và kết cấu trang phục ấm phổ biến sản xuất trong nước, đóng góp cơ sở dữ liệu để xây dựng sổ tay tra cứu nhiệt vật lý cho ngành Dệt - May Việt Nam.
  2. Đưa ra các khuyến nghị công nghệ cho các cơ sở sản xuất và viện nghiên cứu:
    • Tối ưu hóa khoảng cách bước đường may chần (tránh may chần quá dày làm xẹp lớp bông đệm, gây suy giảm nhiệt trở).
    • Thiết kế lượng dư cử động hợp lý nhằm duy trì lớp không khí vi khí hậu cách nhiệt ổn định, tránh khe hở quá lớn làm phát sinh đối lưu không khí lạnh.
    • Lựa chọn lớp vải ngoài có độ thẩm thấu không khí thấp hoặc có lớp phủ màng để ngăn chặn gió lạnh và bức xạ nhiệt ra môi trường.
  3. Đưa ra các hướng dẫn khoa học cho người sử dụng: bảo quản và giặt quần áo ấm đúng cách để duy trì độ xốp của lớp bông, giữ trang phục khô ráo để tránh tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt của nước và bay hơi mồ hôi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình toán học áp dụng một số giả thiết đơn giản hóa (coi vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, bỏ qua sự biến dạng hình học phức tạp do uốn nếp khi cơ thể vận động).
  • Mô hình thực nghiệm hình trụ đứng mới chỉ mô phỏng được phần thân mình ở trạng thái tĩnh, chưa mô phỏng toàn diện các bộ phận chi thể và sự vận động động học như các hệ thống manơcanh nhiệt chuyển động đa phân đoạn.
  • Đối tượng nghiên cứu giới hạn trên các loại vật liệu dệt thông thường trong nước và điều kiện khí tượng mùa đông miền Bắc Việt Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình toán học phi tuyến hai chiều hoặc ba chiều có xét đến sự dịch chuyển lưu thông không khí qua các vị trí mở của trang phục khi cơ thể cử động.
  • Phát triển và nâng cấp thiết bị thực nghiệm thành manơcanh nhiệt có khả năng cử động tay chân và mô phỏng chức năng tiết mồ hôi đa vùng.
  • Nghiên cứu bổ sung trên các dòng vật liệu dệt kỹ thuật mới, vật liệu biến tính nhiệt và trang phục bảo hộ chuyên dụng cho các môi trường lao động đặc biệt.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu đối với nhiều đối tượng:

  • Cơ sở đào tạo và viện nghiên cứu: Giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Công nghệ May, Công nghệ Dệt, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh, Ergonomi và Y học Lao động có thể khai thác khung lý thuyết mô hình hóa truyền nhiệt – truyền ẩm, phương pháp số giải phương trình vi phân và giải pháp thiết kế thiết bị đo nhiệt hình trụ.
  • Doanh nghiệp may mặc và kỹ sư thiết kế: Cán bộ kỹ thuật và nhà thiết kế sản phẩm có thể ứng dụng trực tiếp các kết luận về bước chần may, lượng dư cử động và cấu trúc phối hợp 3 lớp (vỏ - bông - lót) nhằm tối ưu hóa tính năng giữ ấm của sản phẩm và tiết kiệm nguyên phụ liệu may.
  • Cơ quan xây dựng tiêu chuẩn: Cung cấp phương pháp luận và số liệu thực chứng phục vụ việc xây dựng và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về đánh giá tính năng tiện nghi nhiệt của sản phẩm dệt may.

Câu hỏi thường gặp

1. Vùng vi khí hậu tiện nghi đối với cơ thể người trong điều kiện Việt Nam được xác định bằng những chỉ số cụ thể nào?
Trả lời: Theo nghiên cứu của Nguyễn Mạnh Liên được luận án trích dẫn, vùng vi khí hậu tiện nghi của người Việt Nam được xác định qua hai chỉ tiêu chính: nhiệt độ vùng da ngực trung bình đạt từ $32^\circ\text{C}$ đến $34^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối của lớp không khí vi khí hậu sát cơ thể đạt từ $50%$ đến $60%$.

2. Mô hình thực nghiệm do luận án tự thiết kế có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?
Trả lời: Mô hình có dạng hình trụ đứng bằng đồng mô phỏng hình học phần thân người. Nguồn nhiệt được cung cấp bởi hệ thống bóng đèn điện bố trí bên trong thân trụ với công suất định mức phân bố hợp lý để tạo trường nhiệt độ bề mặt ổn định (từ $30^\circ\text{C}$ đến $39,5^\circ\text{C}$). Hệ thống cặp nhiệt điện bố trí theo các cao độ khác nhau trên bề mặt trụ kết nối với máy tính để ghi nhận dữ liệu tự động, cho phép xác định hệ số truyền nhiệt $k$ của vải và quần áo có tính đến lớp không khí vi khí hậu.

3. Yếu tố đường may chần liên kết ảnh hưởng như thế nào đến khả năng giữ nhiệt của quần áo ấm 3 lớp?
Trả lời: Thực nghiệm tại Chương 3 chứng minh rằng các kiểu may chần (chần dọc, chần ngang, chần ô vuông, chần chun) đều làm nén xẹp lớp bông đệm, làm giảm chiều dày và giảm thể tích không khí tù cách nhiệt trong xơ sợi. Khi bước đường may chần càng dày (khoảng cách giữa các đường chần càng nhỏ), hệ số truyền nhiệt $k$ của kết cấu càng tăng, đồng nghĩa với khả năng cách nhiệt và giữ ấm của trang phục bị suy giảm.

4. Mô hình toán học tại Chương 4 khảo sát những kết cấu trang phục và điều kiện biên nào?
Trả lời: Luận án thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm đồng thời qua kết cấu 3 lớp ABC (vải ngoài - bông - vải lót) và tổ hợp nhiều lớp D-ABC (cơ thể - vi khí hậu - quần áo trong - quần áo 3 lớp) dưới các điều kiện biên: nhiệt độ môi trường biến thiên theo quy luật hàm điều hòa $t_f = 10 + a \sin(b\tau)$, độ ẩm môi trường từ $65%$ đến $85%$, nhiệt độ bề mặt da $32 - 34^\circ\text{C}$, và độ ẩm da từ $70%$ đến $100%$ trong cả hai trạng thái có và không có tiết mồ hôi.

5. Hiện tượng ngấm ẩm và tiết mồ hôi ảnh hưởng ra sao đến đặc trưng truyền nhiệt của quần áo?
Trả lời: Khi quần áo bị ngấm ẩm hoặc cơ thể đổ mồ hôi, nước lỏng thẩm thấu vào cấu trúc mao quản của vải thay thế các khoảng không khí tù cách nhiệt, làm tăng độ dẫn nhiệt chung của hệ thống. Đồng thời, quá trình nước bay hơi thu nhiệt từ cơ thể và bề mặt trang phục, làm hệ số truyền nhiệt $k$ tăng vọt và nhiệt độ tiếp xúc bề mặt sụt giảm nhanh chóng, gây mất nhiệt nghiêm trọng.

Kết luận

Luận án của tác giả Lã Thị Ngọc Anh đã giải quyết đồng bộ bài toán nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và khảo sát thực nghiệm quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm qua kết cấu trang phục ấm nhiều lớp trong điều kiện khí hậu mùa đông Việt Nam. Công trình đã thiết kế, chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hình trụ chuyên dụng có độ tin cậy cao để xác định hệ số truyền nhiệt của vật liệu dệt có xét đến cấu trúc không gian và lớp vi khí hậu. Các kết quả và quy luật khoa học thu được là cơ sở thực tiễn quan trọng giúp các nhà sản xuất dệt may tối ưu hóa kết cấu công nghệ may chần, tiết kiệm nguyên liệu và nâng cao chất lượng giữ ấm của trang phục mùa đông.