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

Подождите немного. Документ загружается.

141

ное тепловое сопротивление обуви;

−

об

средний коэффициент теп-

лоотдачи на границе с внешней средой.

Показатели

обnсумсум

RRR

,,,'

определяют при испытании

обуви в условиях естественной конвекции и при очень большом ко-

эффициенте теплоотдачи.

В работе [49] производится оценка комфортности обуви по па-

раметрам внутриобувного микроклимата, а именно по температуре

и относительной влажности

внутриобувного воздуха. Получены

аналитические и графические зависимости изменения

от вре-

мени носки обуви.

Проведенные эксперименты показали, что изменения темпера-

туры стопы, а также температуры и относительной влажности внутри-

обувного воздуха в зависимости от продолжительности непрерывной

носки обуви всех вариантов имеют один и тот же характер – в

начальный период все контролируемые параметры возрастают и при-

мерно через 1-1,5 ч носки достигают максимальных значений, после

чего остаются примерно на достигнутом уровне независимо от про-

должительности носки.

В работе [24] с целью оценки теплозащитных свойств обуви

разработаны новые методы определения, расчета и прогнозирования

теплопереносных свойств обувных материалов. Для достижения этой

цели в работе решались следующие задачи:

- теоретическое обоснование и практическая реализация мето-

дов экспериментального определения теплопроводности обувных ма-

териалов;

142

- изучение, систематизация и обобщение теоретических и экс-

периментальных данных по теплопроводности обувных материалов;

- разработка методов расчета и прогнозирования теплопровод-

ности обувных материалов в зависимости от структурных характери-

стик.

На наш взгляд, разработанные в указанных работах методы

лабораторных испытаний позволяют достаточно точно оценивать и

прогнозировать теплозащитные свойства обуви, проектируемой для

определенных тепловых условий ее эксплуатации.

В работе указывается, что при определении числа видов обуви

учитывается то обстоятельство, что носчики должны быть обеспечены

обувью на все периоды носки: от переходного до крайне холодного,

характерного для указанного района, т.е. каждый период носки требу-

ет определенной теплозащитной обуви. Указано, что потребное число

видов обуви для человека может быть вычислено из отношения вре-

мени носки данного вида обуви к средней продолжительности служ-

бы, а число видов обуви в общем ассортименте и количество обуви

каждого вида для одного человека может служить в качестве базового

ассортимента для данного района. Также отмечается, что при опреде-

лении ассортимента обуви учитывается повышенный спрос на от-

дельные виды или модели обуви, а также уменьшенный спрос на дру-

гие ее виды. На наш взгляд, установление базового ассортимента для

данного района должно служить базой для отработки рационального

ассортимента обуви с теплозащитными свойствами, необходимыми

для холодных периодов носки на определенный год.

Проведенный обзор по методам оценки теплозащитных

свойств изделий позволяет сделать следующие выводы:

143

а) в настоящее время проблемы прогнозирования теплозащит-

ных свойств обуви и одежды достаточно хорошо изучены. Все эти ме-

тоды основываются или на стационарном или на нестационарном теп-

ловых режимах и позволяют производить усредненное прогнозирова-

ние теплозащитных свойств изделий, причем методы, основанные на

нестационарном тепловом режиме, более тяготеют к теории регуляр-

ного теплообмена Г.М. Кондратьева;

б) во многих работах определяется выраженное в процентах

отношение темпов регулярного охлаждения обуви различных видов и

ядра бикалориметра без обуви, что не в полной мере характеризует

теплозащитные свойства обуви ввиду отсутствия в этом отношении

тепловых свойств материалов;

в) на наш взгляд, выработка рациональных принципов зональ-

ного утепления обуви должна вестись с учетом локального теплооб-

мена стопы человека в обуви с внешней средой наподобие того, как

это сделано в работах Р.Ф. Афанасьевой для одежды, т. е. необходимо

проводить локальное прогнозирование теплозащитных свойств.

2.7 Анализ имеющихся математических моделей оценки теп-

лозащитных свойств обуви при нестационарном тепловом процессе.

Уравнение теплообмена, происходящего между стопой чело-

века и окружающей средой, может быть выражено следующим обра-

зом:

,DQQQRM

−

(2.17)

где

−

теплообразование стопы за счет кровообращения

(Вт/м²);

−

внешняя тепловая нагрузка (солнечная радиация);

−

144

потери тепла конвекцией;

−

потери тепла радиацией;

−

потери

тепла испарением;

−

дефицит или накопление тепла в организме;

При носке обуви зимой испарение пота не имеет основного

значения в терморегуляции, поэтому

часто принимается как часть

)(

0 re

QQKQ

. (2.18)

Коэффициент

меньше

А.Бартон и О. Эдхолм [7]

счита-

ют, что

может быть равно

При тепловом состоянии организма, когда теплообразование

уравновешивается теплоотдачей (теплопотерей), создается тепловой

баланс (

=0). При

>0 тепло накапливается в организме, и теплосо-

держание и средняя температура тканей тела человека повышаются, а

при

0 теплосодержание и средняя температура тканей снижаются.

Дефицит тепла

может быть установлен из следующего соотноше-

ния [7]

D =

(2.19)

где

−

масса тела;

средняя теплоемкость тканей человека;

–

площадь поверхности тела;

– изменение средней температуры те-

ла за интервал времени.

Отношение

является теплоинерционной характеристикой

и для человека может быть вычислено по уравнениям, таблицам или

номограммам, широко используемым в расчетах физиологами и ги-

гиенистами.

145

Основываясь на уравнении теплового баланса, Л.Д. Лебедевой в

[58,67,68,69,70,71] построена математическая модель процесса охлаж-

дения стопы в обуви. Расчет средней температуры кожи стопы

кср

производится по формуле:

)1(

..0.













−×

























++=

−

сумсум

сум

ксркср

TeTT

γµ

(2.20)

где

−

кср

..0

начальная средняя температура кожи;

−

температура

окружающего воздуха;

−

время;

−

теплообразование стопы;

−

210

коэффициенты;

−=

скорость изменения внутрен-

них тканей стопы;

−

′

сум

полное суммарное тепловое сопротивление.

При получении данной математической модели было исполь-

зовано следующее представление для плотности теплового потока от

стопы через обувь посредством конвекции и излучения:

сум

Вкср

′

−

(2.21)

Эта формула справедлива для стационарного процесса тепло-

обмена, когда температура кожи постоянна и не зависит от времени.

Поэтому математическая модель Л.Д. Лебедевой точнее описывает

температуру кожи по истечении некоторого времени, когда распреде-

ление температуры в обуви будет близким к устоявшемуся.

По формуле (2.21) представляется возможность расчета сред-

невзвешенной температуры стопы, что не дает детального представ-

ления о ее локальном тепловом состоянии. Охлаждение голени, по-

дошвы, тыльной и носочной части стопы происходит с различной

146

скоростью. Это зависит от различного теплообразования участков

стопы за счет периферийной кровеносной системы, от пакета мате-

риалов, составляющих обувь, от различных коэффициентов теплоот-

дачи для различных участков поверхности обуви, от формы той или

иной части поверхности обуви и т.д. Наиболее подвержена охлажде-

нию носочная часть стопы и может случиться так, что ее температура

будет достаточно низкой, хотя средневзвешенная температура стопы

будет в пределах допустимой нормы. Полное суммарное тепловое со-

противление в формуле (2.22) представляет собой совокупность теп-

ловых сопротивлений низа и верха, а также среднее поверхностное

тепловое сопротивление обуви [99]:

αα

=+=+=

′

Об

НВ

сумпсумсум

PPPP

(2.22)

где

−

сум

среднее тепловое сопротивление внутренней теплоотдаче

через систему материалов обуви;

−

среднее поверхностное тепло-

вое сопротивление обуви;

−

суммарные тепловые сопротивле-

ния верха и низа;

−

средний коэффициент теплообмена на границе с

окружающей средой;

−

ОбНВ

SSS ,,

внутренние площади поверхности

верха, низа и всей обуви.

Тепловое сопротивление низа будет неоднородно за счет раз-

личной толщины пакетов материалов, использующихся для изготов-

ления подошвы, а также при неплоской внешней части подошвы (на-

пример, наличие каблука) коэффициенты теплоотдачи различных час-

тей подошвы будут разными. Для верха обуви тепловые сопротивле-

ния носочной части, союзки, пяточной части или голенища также бу-

147

дут разные из-за использования различных пакетов материалов, фор-

мы, коэффициента теплоотдачи.

Для исследования процесса теплообмена между стопой и ок-

ружающей средой через обувь М.Н. Ивановым было использовано

уравнение теплопроводности

),(),(

∂

(2.23)

где

t -

потенциал переноса тепла (температура);

x -

координата, по

которой распространяется тепловой поток;

a -

температуропровод-

ность;

τ -

время.

Критерием комфортности выбирается температура контакта

между стопой и обувью. Температура в зоне контакта

будет изме-

няться в зависимости от термических свойств материалов конструк-

ции обуви, начальной температуры

(температура окружающей

среды), температуры стопы

и продолжительности контакта. В пер-

вый период температура в зоне контакта резко повышается от

до

, а затем в зависимости от свойств материалов и начальной темпе-

ратуры изменяется по одному из следующих вариантов:

а) если потери тепла через обувь меньше количества тепла,

вырабатываемого терморегуляторной системой организма, то темпе-

ратура в зоне контакта будет повышаться;

б) если потери тепла больше, чем выделения стопы, то

сни-

жается, в этом случае рефлекторно сужаются кровеносные сосуды

стопы, уменьшается приток крови, следовательно, тепла, в результате

чего снижается температура стопы;

148

в) если потери тепла равны или близки количеству тепла, вы-

рабатываемого организмом, то температура контакта останется при-

мерно постоянной. Именно это состояние обеспечивает комфорт сто-

пе. Таким образом, в условия комфортности обуви входит как посто-

янство температуры самой стопы, так и постоянство температуры в

зоне контакта стопы с обувью. При этом температура в зоне контакта

не должна превышать температуры стопы.

Заготовка верха обуви в [49] представляется в виде полуогра-

ниченного тела 2 с уложенной на него бесконечной пластиной 1 тол-

щиной

из другого материала (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Расчетная схема для определения теплоотдачи

заготовки верха обуви

Предполагается, что в начальный момент времени

тем-

пературы тела и пластины равны по всему объему и имеют величину

. С момента

на поверхности

поддерживается постоян-

ная температура контакта

. Математически задача описывается сле-

дующей системой уравнений:

149











∞≤≤

∂

≤≤

∂

);();(

;0,

);();(

начальные условия

;)0;()0;(

021

txtxt

граничные условия











=∞

∂

.);(

;);0(

);;();(

;

);();(

1211

211

ltlt

ττ

Здесь

−

,tt

температура,

−

коэффициенты теплопроводности,

−

,aa

коэффициенты температуропроводности,

−==

, b

коэффициенты тепловой активно-

сти материалов соответственно пластины и тела.

Решение задачи имеет вид:

;

)(

);(

∑

∞

−

























−













−

⋅−+













−

xnl

erfc

xnl

erfchh

erfc

ττ

(2.24)

150

)12()(

)(

2);(

∑

∞

−













−+−

⋅−

−

lnlx

erfch

где

/bb

1);1/()1(

−

Рассмотренная математическая модель теплообмена между

стопой и окружающей средой через обувь предполагает неизменной

температуру контакта

стопы и обуви, т.е. стопа пребывает все время

в комфортных условиях. В реальных условиях пребывания человека

на холоде температура контакта как правило не остается постоянной,

поэтому формула (2.24) не дает ответ на вопрос о предельном времени

пребывания в условиях недостатка тепла. Также в постановке задачи

теплоотдача с окружающей средой определяется только температурой

окружающей среды. Между тем плотность теплового потока с по-

верхности обуви в окружающую среду зависит, например, от скорости

ветра, влажности воздуха, солнечного излучения и т.д., и часто выра-

жается законом Ньютона и соответствующим коэффициентом тепло-

отдачи. Стоит также отметить, что заготовка верха обуви рассматри-

вается как плоское тело без учета его конструктивных особенностей.

В работе О.Г.

Арутюняна [4] для построения математической

модели были использованы результаты [16] расчетов несимметрично-

го температурного поля в многослойной пластине. Математическая

модель теплообмена в системе «стопа – обувь – окружающая среда»

представляется системой уравнений теплопроводности с краевыми

условиями III рода:

( )

(

)

ηθ

∂

(2.25)