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

Подождите немного. Документ загружается.

131

конвективные токи, перемещающие отдельные объемы воздуха, т.е.

передача тепла осуществляется путем конвекции.

Размеры пограничного слоя воздуха, условия его существова-

ния и разрушения зависят от свойств и состояния газообразной среды,

температуры тела, состояния поверхности, геометрических размеров,

формы тела и расположения его в пространстве.

Одновременно с передачей тепла конвекцией от нагретой по-

верхности тела тепло передается излучением. Интенсивность процес-

са зависит от температуры тела, а также от температуры и свойств

воспринимающих тепло предметов, особенностей отдающей тепло

поверхности тела. Такими путями происходит отдача тепла от наруж-

ной поверхности верха обуви.

На участках плотного контакта поверхности обуви с твердыми

частицами грунта (при стоянии или ходьбе человека) происходит пе-

ренос тепла теплопроводностью. На участках низа обуви, не соприка-

сающихся с грунтом (например, в геленочной части обуви), тепло в

воздух отдается теплопроводностью, конвекцией и излучением. Об-

щая отдача тепла от поверхности низа может условно характеризо-

ваться эквивалентным коэффициентом теплоотдачи, учитывающим

как теплопроводность на участках плотного контакта низа с грунтом,

так и отдачу тепла на участках, не имеющих с грунтом плотного кон-

такта. Общий эквивалентный коэффициент теплоотдачи от поверхно-

сти низа определяется как средневзвешенный коэффициент теплоот-

дачи в грунт и воздух с учетом площади контакта с грунтом и окру-

жающим воздухом.

Отдача тепла конвекцией

При естественной конвекции при повышении температуры

воздуха увеличивается длина свободного пробега молекул и темпера-

132

тура пограничного слоя, уменьшается плотность воздуха, вследствие

чего на некотором расстоянии от поверхности тела возникают конвек-

тивные потоки воздуха [58,91]. Отдача тепла конвекцией поверхно-

стью тела, имеющей температуру

, в газообразную среду, имею-

щую более низкую температуру

, определяется законом Ньютона

),(

cпkk

TTq

−

(2.3)

где

−

плотность потока тепла, теряемого за счет конвекции

единицей поверхности тела в единицу времени;

−

коэффициент теплоотдачи конвекцией;

−

cп

разность температур поверхности тела и среды

(воздуха).

Теплопотери единицы поверхности тела

за момент време-

ни

находят по зависимости

.)(

dSTTQ

cпkk

−

(2.4)

Принято полагать, что вся сложность процесса теплоотдачи

конвекцией характеризуется основной величиной – коэффициентом

теплоотдачи, представляющим собой сложную функцию большого

числа параметров, влияющих на процесс теплообмена,

),,,,,,,,,(

ФgCaTT

вврвввcпk

(2.5)

где

−

совокупность параметров, характеризующих форму, строение

и размеры тела. Коэффициент объемного расширения газов

273

(2.6)

Физические параметры для воды обычно берут из таблиц.

Многочисленные исследования привели к выводу о том, что

решающее влияние на процесс естественной конвекции имеют физи-

133

ческие свойства воздуха и температурный напор

cп

TTT

−

∆

между

телом и средой. Конфигурация тела имеет меньшее значение.

Теоретически определить зависимость между всеми парамет-

рами удается лишь для простых случаев теплоотдачи при известных

допущениях и упрощениях. По этой причине результаты расчетов не-

редко существенно отличаются от данных опыта. Поэтому единствен-

ным надежным средством для выяснения зависимости теплоотдачи от

различных параметров является эксперимент. Обычно уменьшают

число исследуемых параметров на основе теории подобия с использо-

ванием безразмерных комплексов или критериев подобия.

Из работ [16,17,82,91], известно, что явления естественной

конвекции характеризуются следующими критериями:

критерием Нуссельта

критерием Грасгофа

),(

cп

gGr −=

критерием Прандтля

,Pr

где

−

характерный (определяющий) геометрический размер тела.

Общая зависимость

от разных факторов выражается кри-

териальным уравнением

Pr).

(

⋅

(2.7)

При теплообмене, подчиняющемся закону ⅓ степени,

рас-

считывается по формулам:

для вертикально ориентированной поверхности, цилиндрической по-

верхности и сферы

;)(

3 cпk

TTA −=

(2.8)

134

для горизонтально ориентированной поверхности с верхней нагретой

стороной

;)(3,1

cпk

TT −=

(2.9)

для горизонтально ориентированной поверхности с нижней нагретой

стороной

.)(7,0

3 cпk

TTA −=

(2.10)

В коэффициент

вошли все физические параметры среды

.Pr)(135,0

mв

(2.11)

Формула

(2.8)

пригодна

для

вычисления

при

теплоотдаче

от

тел

разной

формы

возможно

ее

использование

для

приближен

ного

вычисления

для

обуви

Отдача тепла излучением

Всякое

нагретое

тело

часть

своей

энергии

отдает

окружаю

щее

пространство

виде

электромагнитных

волн

–

излучением

или

радиацией

окружающем

пространстве

заполненном

воздухом

водяными

парами

часть

энергии

излучения

поглощается

Если

на

пу

ти

теплового

излучения

встречается

другое

тело

то

тепловая

энергия

частично

поглощается

этим

телом

частично

отражается

частично

может

проходить

сквозь

тело

Теплоотдача

излучением

подчиняется

закону

Стефана

)(

TTEH −⋅=

, (2.12)

где

−

константа

зависящая

от

природы

поверхности

более

или

ме

нее

приближающейся

абсолютно

черному

телу

»,

−

универсаль

ная

константа

Стефана

следовательно

пропорциональна

разнице

135

четвертых степеней абсолютных температур тела человека и среды.

Однако, в условиях охлаждения тела одетого человека отклонение от

линейной зависимости теплоотдачи от разности температур организма

и среды невелико – около 5% [7]. По мере снижения внешней темпе-

ратуры, как мы увидим далее, падает и доля теплоотдачи излучением

(по сравнению с теплопроводностью и конвекцией).

Одновременная отдача тепла излучением и конвекцией

А.В. Лыков [75] предложил формулу учета одновременной от-

дачи тепла излучением и конвекцией. Если температура окружающей

среды и температура воспринимающего тепло тела одинаковы, а ко-

эффициент поглощения лучей воздухом очень мал, то величина пере-

даваемого потока тепла может быть найдена по формуле, отражающей

закон Ньютона:

).(

cп

TTq

−

(2.13)

Здесь

−

температура теплоотдающей поверхности;

−

температура окружающей среды;

−

суммарный коэффициент теплообмена;

−

коэффициент теплоотдачи конвекцией;

−

коэффициент лучистого теплообмена.

2.6 Методы прогнозирования теплозащитных свойств изделий

Первые приборы для определения теплопроводности обувных

материалов были созданы работниками Центрального научно-

исследовательского института кожевенно-обувной промышленности

(ЦНИИКПа) и УкрНИИКПа [58], а затем И.Г. Манохиным и Е.Н. Чу-

нихиной [81] исследованы тепловые свойства основных обувных ма-

136

териалов на приборе Всесоюзного теплотехнического института спе-

циальными методами и на приборах, разработанных авторами.

В ЦНИИКПе М.Г. Любичом [78] и Ю.Л. Кавказовым [53] соз-

даны методы оценки тепловых свойств обувных материалов и конст-

рукций обуви при нестационарном теплообмене. В работах ЦНИИКП

впервые показана возможность использовать условия теплообмена в

регулярном тепловом режиме для оценки теплозащитных свойств

обуви.

Е.А. Мирошниковым [78] исследована теплопроводность

обувных материалов и влияние на этот показатель различных факто-

ров.

А.И. Саутиным [96] при изучении гигиенических свойств ис-

кусственных материалов и обуви из них установлена связь между ла-

бораторными показателями теплозащитных свойств обуви и теплопо-

терями человека, реакциями организма, определяемыми физиолого-

гигиеническими испытаниями обуви.

Принцип работы первых приборов для оценки теплозащитных

свойств обуви, изготовленных В. Бахманом, А.Д. Астафьевым, Г.А.

Казаковым, П.В. Рамзаевым и П.Е. Калмыковым [58], основан на ста-

ционарном теплообмене. В обувь, испытываемую на приборах, вкла-

дывается ядро, форма которого примерно соответствует форме обуви.

В ядро помещены электронагреватель и термопары для измерения

температуры ядра в обуви. Температура внешней среды поддержива-

ется постоянной. После нагревания ядра до температуры выше темпе-

ратуры внешней среды тепло от ядра передается через обувь во внеш-

нюю среду. Мощность электронагревателя, а, следовательно, и коли-

чество выделяемого тепла регулируются до тех пор, пока система не

137

достигнет режима стационарного теплообмена. Оценка теплозащит-

ных свойств осуществляется по одному из нижеуказанных способов:

а) по абсолютному количеству тепла Q, передаваемому через

обувь во внешнюю среду в единицу времени:

),(

oяобсум

TTSKQ

−

⋅

(2.14)

где

−

сум

суммарный коэффициент теплопередачи;

−

об

об-

щая внутренняя поверхность обуви;

−

)(

oя

разность температур

ядра и внешней среды;

б) по относительному охлаждению, т.е. по отношению количе-

ства тепла, отдаваемого поверхностью обуви в окружающую среду, к

количеству тепла, отдаваемого от поверхности ядра, когда на него не

надета обувь, выраженному в процентах;

в) по сопоставлению величин Q для двух сравниваемых видов

обуви, один из которых является эталоном.

К приборам, предназначенным для экспериментального изуче-

ния теплового сопротивления обувных материалов и пакетов из них,

реализующим принцип стационарного теплового режима, следует от-

нести прибор, созданный на кафедре товароведения промышленных

товаров МИНХ имени Плеханова [77]. Для снятия изотерм и одно-

временного контроля постоянства теплового потока на поверхности

исследуемого образца используются жидкокристаллические термоин-

дикаторы (ЖКИ) в виде термопленки, обладающие способностью из-

бирательно рассеивать свет в зависимости от температуры.

Жидкокристаллическая термоиндикаторная пленка, обладаю-

щая незначительной теплоемкостью, высокой чувствительностью к

изменению температуры, обеспечивает высокую степень точности

контроля температуры и постоянства теплового потока. Особенно-

138

стью прибора является и то, что теплоизолирующий корпус его вы-

полнен открытым, это позволяет проводить испытания в условиях,

наиболее приближенных к эксплуатационным, одновременно опреде-

лять коэффициенты теплопроводности, теплоотдачи и проводить по

ним расчет суммарного теплового сопротивления. Использование ука-

занного прибора для измерения суммарного теплового сопротивления

многослойных пакетов, моделирующих различные участки верха (но-

сок, союзка, задинка) позволило исследовать теплозащитную способ-

ность отдельных участков обуви и выявить ряд факторов, обусловли-

вающих неравномерность теплозащитных свойств поверхности обуви.

При нестационарном теплообмене теплозащитные свойства

обуви оцениваются при регулярном тепловом режиме, теория которых

разработана Г.Н. Кондратьевым [75, 110, 89]. При испытании в обувь

закладывается специальное ядро, т.е. обувь с ядром, по существу, яв-

ляется бикалориметром.

В работе М.Г. Любича [78], ядром бикалориметра являлась де-

ревянная колодка, а в работе Ю.Л. Кавказова [53] – резиновая пусто-

телая колодка, заполненная водой. Температура ядра бикалориметра

была выше температуры внешней среды, поэтому тепло от него через

обувь передавалось во внешнюю среду. Скорость охлаждения ядра за-

висела от теплозащитных свойств обуви. Для регулярного теплового

режима скорость охлаждения ядра выражалась через темп регулярно-

го охлаждения m, одинаковый для любой точки ядра бикалориметра и

определяемый для двух моментов времени по формуле:

lnln

ττ

−

∆

−

∆

(2.15)

139

где

∆

−

∆

разность температур ядра и внешней среды для

двух моментов времени;

−

интервал времени между момента-

ми

замера температур.

В указанных работах определялись темпы регулярного охлаж-

дения обуви различных видов и ядра бикалориметра без обуви. О теп-

лозащитных свойствах обуви судили по отношению указанных тем-

пов регулярного охлаждения в процентах.

На наш взгляд, такое отношение, не выраженное через показа-

тели тепловых свойств, не может достаточно полно характеризовать

теплозащитные свойства обуви, а метод не может быть принят для

прогнозирования теплозащитных свойств обуви, так как ядро бикало-

риметра, выполненное в виде жесткой или полужесткой формы, не

может обеспечить точного и плотного прилегания его поверхности к

внутренней поверхности обуви.

А.И. Саутиным и Л.В. Кедровым [58, 96], а также П.Я. Ажев-

ским [1] были проведены комплексные физиолого-гигиенические ис-

пытания обуви, включающие в себя гигиеническую, санитарно-

химическую и токсикологическую оценку обуви и материалов, из ко-

торых она изготовлена, теплозащитные свойства обуви оцениваются

носчиками в процессе эксплуатации. При испытаниях теплозащитных

свойств обуви фиксируются показатели внешней среды и физиологи-

ческие реакции организма: температура тела и средневзвешенная тем-

пература кожного покрова стопы и отдельных ее участков, разница

температур кожи на груди и на стопе; снижение температуры кожи

стопы во время опыта; время, в течении которого снижается темпера-

тура кожи стопы до предельно допустимой, радиационно-

конвективные теплопотери (тепловые потоки) различных участков

140

стопы; электрическое сопротивление кожи, характеризующее интен-

сивность потоотделения стопы, привес внутренней обуви в результате

увлажнения. Учет общего теплового состояния организма и его ответ-

ных реакций на охлаждающее действие внешней среды, а также пока-

зателей гигиенических свойств обуви дает достаточно полное пред-

ставление о теплозащитной способности обуви в условиях экспери-

мента, приемлемости ее с гигиенической точки зрения для носки в за-

данных условиях.

Л.В. Кедровым [58] создан метод, позволяющий оценивать

суммарное тепловое сопротивление обуви, характеризующее его фак-

тическую теплозащитную способность, получить данные для расчета

тепловых сопротивлений конструктивных элементов обуви – верха и

низа, установить коэффициент теплоотдачи при различных состояни-

ях окружающей среды, учесть форму обуви и влияние деталей конст-

рукции на суммарный показатель теплозащитных свойств. Метод ос-

нован на теории регулярного теплового режима и испытан на различ-

ных видах обуви. Теплоносителем является ядро с нагретой водой, за-

полняющей тонкую резиновую оболочку – баллон, помещаемый в

обувь. Результирующим показателем, характеризующим теплозащит-

ные свойства обуви, является полное суммарное сопротивление обуви

сум

об

сумnсумсум

RRRR

+=+=

(2.16)

где

сум

–

среднее тепловое сопротивление внутренней теплопро-

водности через систему материалов обуви;

−

среднее поверхност-