Прохоров В.Т. Особенности защиты человека от воздействия низких температур

Подождите немного. Документ загружается.

ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ВОЗДЕЙ-

СТВИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Монография

УДК

ББК

Авторский коллектив

Прохоров В.Т., Осина Т.М., Жихарев А.П., Михайлов, А.Б., Михайло-

ва И.Д.

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор А. Жаворонков (г.Шахты)

Доктор технических наук, профессор К.Н. Замарашкин (г.Москва)

Доктор технических наук, профессор В.В. Левкин (г.Шахты)

Особенности защиты человека от воздействия низких температур: мо-

нография [текст] / В.Т. Прохоров и др.; под общей редакцией проф.

В.Т. Прохорова. – Шахты: издательство ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2007.

– с.

В коллективной монографии исследуется воздействие низких

температур на человека и разработана математическая модель, позво-

ляющая обоснованно выбирать пакеты материалов, обеспечивающие

поддержание комфортных условий человеку в течение всего времени

его нахождения в зоне низких температур.

Для преподавателей и студентов, научных работников, практи-

ков и широкого круга читателей.

Содержание

Ведение……………………………………………………………………7

Глава 1.

Анализ методов определения комфортного состояния работаю-

щего……………………………………………………… ……………..11

Глава 2.

Анализ существующих проблем оценки теплозащитных свойств

обуви…………………………………………………………………….106

2.1 Понятие теплового комфорта……………………………………..106

2.2 Человек в условиях холода………………………………………..113

2.3 Характер охлаждения стопы человека в условиях холода ……..122

2.4 Оценка теплового состояния человека в теплозащитной обуви.125

2.5 Теплообмен обуви с внешней средой ……………………………130

2.6 Методы прогнозирования теплозащитных свойств изделий …..135

2.7 Анализ имеющихся математических моделей оценки теплозащит-

ных свойств обуви при нестационарном тепловом процессе ………143

2.8 Оценка и прогнозирование технологических свойств пакетов ма-

териалов для защиты стоп от воздействия на них низких температур

(Южно-Российский государственный университет экономики и серви-

са) ……………………………………………………………………….153

2.9 Тепловой обмен в системе «стопа - обувь - окружающая среда»

…………………………………………………………………………...166

2.10 Методы определения теплообменных свойств материалов и обуви

…………………………………………………………………………...172

2.10.1 Определение теплофизических характеристик материа-

лов……………………………………………………………………….172

2.10.2 Определение теплозащитных свойств обуви ………………...177

2.11 Тепловые свойства……………………………………..................181

2.12 Методы оценки……………………………………………………219

2.13 Теоретические предпосылки для оценки тепловых свойств мате-

риалов…………………………………………………...………………232

2.14 Исследование стационарного процесса теплообмена в системе

«стопа – обувь – окружающая среда»…………………………….…..255

2.14.1 Математическое описание процессов теплопроводности …..255

2.14.2 Прохождение тепла через многослойные системы обувных ма-

териалов при стационарном температурном процессе………………259

2.14.3 Описание процесса теплообмена в многослойных пакетах мате-

риалов в стационарном режиме с учетом зависимости коэффициентов

теплопроводности от температуры ……………………………..……271

2.14.4 Определение коэффициентов теплопроводности и тепловых со-

противлений обувных материалов…………………..……………….279

2.14.5 Влияние силового давления на толщину и теплофизические

свойства искусственного и натурального меха ……………………..284

Глава 3.

Разработка математической модели системы «человек – одежда –

среда»…… ……………………………………………………………..288

3.1 Существующие методики оценки и анализа теплового состояния

человека……………………………………............................................289

3.2 Существующие методики математического моделирования систем

«Ч-О-ОС» и их практическое применение при проектировании тепло-

защитной одежды ………………………………………………..……295

3.3 Геометрическая модель человека в математических моделях «Ч-

О-ОС» …………………………………………………………………..305

3.4 Математическая модель системы «Ч-О-ОС» в условиях холода

……………………………………….......................................................313

3.5 Применение результатов математического моделирования в

САПР теплозащитной одежды …………………………………….…329

Глава 4.

Прогнозирование зависимости теплозащитных свойств пакетов

материалов от условий эксплуатации ……………………………..347

4.1 Оценка нестационарных влаго- и теплообменных процессов в па-

кетах обувных материалов…………………………………………….352

4.1.1 Влагообмен ……………………………………………...………353

4.1.2 Теплообмен ……………………………………………..… ……357

4.2 Разработка математической модели шкалы комфортности зимней

обуви ……………………………………………………………………361

4.3 Оценка теплового состояния человека в теплозащитной обуви.376

4.4 Исследование влагообменных свойств систем материалов ……379

Глава 5.

Разработка математической модели системы теплообмена «стопа–

бувь – окружающая среда»………………………………………..…382

5.1 Основные условия и особенности, использованные для построе-

ния математической модели. Разработка геометрического образа мо-

дели ботинка ………………………………………………..…………382

5.2 Решение краевой задачи теплопроводности для низа обуви (мно-

гослойной пластины) с граничными условиями 1-4-го рода ………385

5.3 Решение краевой задачи теплопроводности для низа обуви (мно-

гослойной пластины) с граничными условиями 2-4-го рода ………392

5.4 Решение краевой задачи теплопроводности для верха обуви и пя-

точной части (многослойный цилиндр) с граничными условиями 2-4-

го рода …………………………………………………………………..398

5.5 Решение краевой задачи теплопроводности для носочной части

обуви (многослойный шаровой сегмент) с граничными условиями 2-4-

го рода …………………………………………………………………..405

5.6 Расчет зависимости температуры внутриобувного пространства от

времени для различных деталей обуви …………………………..….412

5.7 Расчет зависимости температуры от времени внутри обувного па-

кета при воздействии на него низких температур …………………416

5.8 Использование математической модели теплообмена для расчета

теплопотерь с поверхности обуви ……………………………………418

5.9 Обоснование выбора плотности теплового потока стопы человека

для расчета температуры внутриобувного пространства …………..427

5.10 Проведение экспериментов по определению зависимости темпе-

ратуры внутриобувного пространства от времени пребывания в среде

с низкими температурами …………………………………………….431

5.10.1 Выбор объектов исследования …………………......................431

5.10.2 Прибор, используемый в эксперименте……………………….432

5.10.3 Подготовка к испытанию и проведение эксперимента 1….....435

5.10.4 Проведение эксперимента 2 …………………………………..440

5.11 Обоснование выбора пакетов материалов для низа обуви ……448

5.12 Обоснование выбора пакетов материалов для союзки ………..456

5.13 Обоснование выбора пакетов материалов для носочной части

обуви ……………………………………………………………………462

Основные результаты и выводы …………………………………...468

Библиографический список ……………………………………...…471

Приложения ……………………………………………………..……481

Введение

Обувь является защитным барьером между стопой человека и

окружающей средой, она снижает неблагоприятное воздействие сре-

ды, облегчает организму возможность через систему терморегуляции

обеспечить нормальные или комфортные условия для человека.

Чем сильнее неблагоприятное воздействие окружающей сре-

ды, тем большей защитной способностью должна обладать обувь. По-

этому теплозащитные свойства обуви имеют исключительное значе-

ние для тепловой защиты ног и создания при пониженных темпера-

турах окружающей среды нормального теплового состояния всего ор-

ганизма.

К наиболее важным характеристикам условий, влияющих на

человека, которые следует учитывать при разработке требований к

материалам обуви для защиты от воздействий низких температур не-

обходимо отнести температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные

осадки. Такие показатели, как давление и влажность воздуха, в обыч-

ных условиях имеют второстепенное значение, однако при большой

влажности воздуха заметно повышается равновесная влажность мате-

риалов обуви и их теплопроводность.

Мокрый снег или тающий лед создают условия высокой теп-

лоотдачи от поверхности обуви во внешнюю среду и может приводить

к значительному охлаждению стопы человека в обуви. Данные усло-

вия можно охарактеризовать двумя коэффициентами теплоотдачи и

влажностью материалов обуви.

При носке обуви в зимний период (при наличии снега) должна

быть исключена возможность попадания снега внутрь обуви через

верхний край, а также прилипания снега к поверхности обуви или за-

бивания его в воде, т.к. при входе в теплое помещение снег тает и ув-

лажняет обувь.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состоя-

ния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, ха-

рактеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю среду

(шероховатости внешней поверхности, цвета и т.д.).

При изучении процесса перехода тепла от стопы человека и

внутренней поверхности обуви стона рассматривается как тело с бо-

лее высокой температурой, отдающее тепло. Температура кожного

покрова стопы определяется соотношением количества поступающего

к ней тепла и

интенсивности отдачи его в окружающую среду при опреде-

ленной теплоизоляционной способности обуви и ее конструктивных

элементов (верха и низа, утепления отдельных участков обуви). Тем-

пература кожи на разных участках стопы изменяется во времени.

В зимний период обувь используют с внутренней обувью: нос-

ками, чулками. Часто применяются специальные утеплители, входя-

щие в комплект обуви.

Обычно обувь обеспечивает возможность некоторого измене-

ния стопы, что необходимо для нормального функционирования кро-

веносных сосудов при передвижении и покое человека. Таким обра-

зом, пространство между стопой и обувью всегда заполнено прослой-

ками из волокнистых материалов (трикотаж, текстильные, нетканые

или войлочные материалы, натуральный или искусственный мех и

др.). Структура этих материалов включает в себя большое количество

воздушных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими материала-

ми, между слоями материалов, а также между поверхностью материа-

лов и внутренней поверхностью обуви образуются воздушные про-

слойки различной толщины и протяженности, способствующие со-

хранению тепла в обуви.

Приближенный тепловой расчет конструкции обуви включает

в себя определение тепловых сопротивлений верха и низа на основе

величины общего показателя теплозащитных свойств обуви и расчет

тепловых сопротивлений верха и низа, конструкции которых рассмат-

риваются как системы, состоящие из отдельных слоев.

Расчет теплозащитных свойств ведется по тепловым свойствам

материалов, составляющих обувь. На базе полученных данных расче-

та возможен подбор материалов для обуви, обеспечивающей необхо-

димые тепловые сопротивления верху, низу и, следовательно, всей

конструкции обуви. Одни детали обуви, входящие в конструкцию

обуви, по величине соответствуют всей поверхности верха или низа, а

другие, например, жесткие промежуточные детали (подноски, задни-

ки), каблуки и др., по площади соответствуют лишь части поверхно-

сти верха или низа.

Тепловые сопротивления верха и низа, обычно рассматривае-

мых как системы, состоящие из отдельных материалов, представляют

собой сумму тепловых сопротивлений отдельных слоев и прослоек

(наружные детали, подкладка, меж подкладка, прослойки технологи-

ческих клеев, воздуха и т.д.), а также сумму сопротивлений переходу

тепла из одной среды в другую на границе, разделяющей отдельные

слои.

При изготовлении обуви материалы, входящие в конструкцию

верха, подвергаются различным обработкам, что оказывает влияние

на тепловые свойства конструкции верха обуви. Соединение деталей

между собой, метод их крепления также вносит определенный допол-

нительный эффект, влияющий на тепловые свойства верха, вследствие

образования утолщения, уплотнения, а также воздушных прослоек и

пр.

Влияние всех этих факторов учесть весьма трудно. Подсчет

суммарных тепловых сопротивлений верха обуви, как многослойной

системы, можно произвести только приближенно.

К тому же, баланс теплообменных процессов человека с окру-

жающей средой, характеризующиеся равенством количества тепла,

образующегося в организме и поступающего извне, и всех его тепло-

потерь наблюдается достаточно редко. При быстро меняющихся усло-

виях внешней среды и режиме физической нагрузки поддерживать со-

стояние тепловой уравновешенности практически невозможно.

Поэтому при разработке конструкции обуви величина показа-

теля теплозащитных свойств и рациональная величина соотношений

тепловых сопротивлений низа и верха должны быть выявлены из

обобщенных экспериментальных данных по гигиенической оценке

разных видов обуви при носке ее человеком в различных метеороло-

гических условиях. По полученным данным происходит подбор мате-

риалов для конкретного вида обуви. В случае отсутствия для обуви

материала, обладающего требуемыми свойствами, могут быть сфор-

мулированы основные требования для изготовления такого материала.