Electrothermal modelling of electrically heating textiles

Abstract

Electrically heating textiles are electronic textiles that are used to generate heat in wide variety of applications and fields, such as medicine. This thesis aims to create a 3D model for simulating electromagnetic heating and heat transfer. An introduction to electrically heating textiles and the principles of Joule heating is provided. Research on modelling heat transfer in fabrics is reported. A COMSOL Multiphysics 3D macroscopic heat transfer model is created. The model is used to simulate heat transfer in fabrics when a current is applied to an electrically conducting heating element. The model takes into account conduction, convection and radiation. The modelling process is covered, and the results are demonstrated by simulation. An analysis is conducted on the model and compared with experimental data. The results provide a basis for an electrothermal model. Evaluation of the model suggests that further development is needed.

Sähköä johtavilla tekstiileillä on paljon käyttösovelluksia, joista eräs on sähkölämmitteinen tekstiili. Lämmitys perustuu ohmiseen lämmitykseen, missä materiaalin resistiivisyys on tärkeässä osassa. Perinteisesti sähkönjohtavuutta tekstiileissä on paranneltu erilaisten metallipinnoitteiden avulla, mutta uutena suuntauksena ovat hiileen perustuvat pinnoitteet, kuten grafeeni. Uusia menetelmiä sekä erilaisia pinnoitteita on enenemässä määrin tutkittu viime vuosina lupaavin tuloksin.

Tässä kandidaatintyössä tavoitteena oli luoda kolmiulotteinen malli, jolla voidaan mallintaa sähkötermistä lämmöntuottoa ja lämmönsiirtoa tekstiileissä. Mallin tarkkuudeksi määriteltiin makroskooppinen taso, niin että mallinettavat kappaleet olivat homogeenisia. Lämmönsiirrossa huomioitiin lämpöjohtuminen, pinnan konvektio, ja säteily kappaleen pinnalta ympäristöön. Aineistoa kerättiin kirjallisuudesta, sekä suorittamalla mittauksia laboratoriossa. Sähkölämmitteisen tekstiilin lämmönsiirtoa mallinnettiin käyttäen apuna COMSOL-ohjelmistoa. COMSOL on elementtimenetelmään perustuvaa laskentaohjelmisto, jolla voidaan mallintaa useamman fysikaalisen ilmiön käyttäytymistä. Ohjelmaan tuotu kolmiulotteinen malli koostui tekstiililämmitysosasta, jossa sähkön johtavuutta oli parannettu, ja toisesta osasta, puuvillakankaasta, jonka päälle lämmitysosa oli asetettu.

Materiaalien arvoina käytettiin kirjallisuudesta saatuja, ohjelman omia, sekä mittaamalla saatuja arvoja. Materiaalien resistiivisyys laskettiin yleismittarilla saatujen kappaleiden vastusten avulla. Mallille määriteltiin laskettavat differentiaaliyhtälöt sekä reunaehdot. Malli laski lämmönjakauman vakaassa tilassa sekä aikariippuvaisena, kun sähkövirta johdettiin lämmityselementin läpi. Mallia kehitettiin vertaamalla laskettuja lämpöarvoja ja lämpökameran ottamia kuvia. Koetilanteessa mallinnettava kappale kytkettiin päistään voimanlähteeseen, jolla tuotettiin lämmityksen mahdollistava virta. Lämpökameralla otettiin kuva, kun lämpötila oli vakaa. Tuloksista huomatiin, että mallilla voitiin simuloida yksinkertaisia tilanteita riittävällä tarkkuudella. Muuntelemalla jännitettä yhdestä voltista kuuteen volttiin, mitatun kappaleen korkein lämpötila erosi mallinnuksesta 10 %. Monimutkaisempia mallinnuksia voitiin laskea, mutta tuloksia ei voitu varmentaa riittävän tarkasti. Lisäksi ei voitu varmentaa aikariippuvia mallinuksia. Mallin avulla pystyttiin ratkaisemaan kappaleiden materiaalien ominaisuuksia, kuten resistiivisyyttä.

Malli on vielä kehitysasteella ja tärkeimpinä kehityskohteina ovat materiaalien ominaisuuksien tarkentaminen sekä lämmönjohtuminen lämmityselementistä kankaaseen. Mallin tarkkuutta voitaisiin parantaa huomioimalla materiaalien huokoisuus sekä huomioimalla ympäristön lämpösäteily. Kehittyneemmässä mallissa tulisi myös mallintaa lämmityselementtien kerrostaminen lämmitettävän tekstiilin kanssa ja kerrosten väliin jäävät ilmataskut. Lopullisessa mallissa myös ihmiskehon tuottama lämpö tulee mallintaa, sekä kosteuden siirtyminen ja sen aiheuttamat muutokset materiaalien ominaisuuksiin.