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

Подождите немного. Документ загружается.

171

чае более важным показателем ТФХ материалов становится их тем-

пературопроводность.

Температуропроводность (а) служит мерой скорости, с кото-

рой материал передает изменение температуры от одной точки к дру-

гой, т.е. рассеивает тепловую энергию:

, (2.33)

где

- температуропроводность материала, м

/с; с - удельная теп-

лоемкость материала, Дж/(кг·°C); у - плотность материала, кг/м

Процесс теплопереноса в системе «стопа – обувь – окружаю-

щая среда» состоит из двух стадий: передачи тепла материалом и теп-

лоотдачи на границе поверхности обуви.

По закону Ньютона тепловой конвективный обмен между те-

лом и окружающей воздушной средой выражается следующей зави-

симостью:

∑

)/(

λδ

- для сложной стенки (2.34)

∑

∆

−=

TTQ )(

- для составной стенки (2.35)

Полное суммарное сопротивление обуви (Р

сум

) может быть вы-

ражено суммой тепловых сопротивлений всех элементарных слоев и

прослоек воздуха, входящих в систему (Р

сум

) и отдачи тепла от наруж-

ной поверхности обуви во внешнюю среду (Р

сум

= Р

сис

+ Р

= Р

сис

+1/α , (2.36)

где Р

сис

- сопротивление передаче тепла через систему материалов;

- сопротивление передаче тепла от наружной поверхности

обуви во внешнюю среду; α - коэффициент теплоотдачи.

172

2.10 Методы определения теплообменных свойств материалов

и обуви

2.10.1 Определение теплофизических характеристик материалов

К основным теплофизическим характеристикам обувных ма-

териалов, как было отмечено выше, относятся коэффициенты тепло- и

температуропроводности. Методы их определения делятся на стацио-

нарные и нестационарные.

К стационарным методам исследования коэффициента тепло-

проводности относится так называемый метод «плиты» [14]. Сущ-

ность метода заключается в установлении стационарного теплового

потока через исследуемый образец материала, помещенный между

плитой и холодильником.

Рис. 2.5. Схема центрального узла прибора для исследования

теплопроводности в стационарном режиме

Исследуемому материалу придается форма относительно тон-

кой круглой или квадратной пластинки. Устройства нагрева и охлаж-

дения также имеют плоскую форму с тем, чтобы обеспечить идеаль-

ный контакт с образцом. Значения температур, между которыми про-

текает процесс, обычно выдерживаются в средних пределах условий

173

эксплуатации обуви: высшая - близкая температуре стопы (35- 42°С),

низшая - температуре водопроводной воды (8-12°С).

Тепловой поток, выделяемый нагревателем, измеряется с по-

мощью вольтметра и амперметра или ваттметра: температура поверх-

ности исследуемых образцов - с помощью термопар, зачеканенных на

поверхностях холодильника и нагревателя. При выборе типа термопа-

ры и способа ее установки необходимо обеспечить помимо чувстви-

тельности хороший тепловой контакт температуры с объектом, наи-

меньшее искажение теплового потока на основном нагревателе мини-

мальные габариты. Этим условиям лучше всего отвечает медь - кон-

стантовые термопары с диаметром термоэлектродов 0,2 мм.

Электронный автоматический потенциометр регистрирует пе-

репад температур в исследуемом образце. На диаграммной ленте вы-

черчивается график следующего вида

Рис. 2.6. Термограмма перепада температур в образце

Расчет коэффициента теплопроводной (λ) производят по фор-

муле:

∆

, (2.37)

174

где I - показания амперметра, А; U - показания вольтметра, В; δ -

толщина материала, м; ∆Т - разница температур между нагревателем

и холодильником, °С; К - поправочный коэффициент.

Широкое применение стационарных методов в теплофизиче-

ских исследованиях обусловлено высокой точностью измерений, од-

нако их главным недостатком является длительность испытаний, свя-

занная с установлением стационарного теплового режима.

Из нестационарных методов исследования рассмотрим метод

мгновенного источника тепла, предложенный В.А.Смирновым [15], и

метод двух температурно-временных интервалов, разработанных В.С.

Волькенштейном.

Суть первого метода заключается в исследовании распределе-

ния энергии теплового импульса по толщине образца. Коэффициенты

тепло- и температуропроводности определяются следующим образом:

)(

121,0

, (2.38)

( ) ( )

ββτ

βδ

21ln12

−−

−

, (2.39)

где τ

- время, через которое в точке, отстоящей от нагревателя на

расстоянии X = δ, наблюдается максимальная избыточная

температура; β-τ

-максимальная температура; Θ

- мощность на-

гревателя; F - площадь нагревателя.

Рассмотренный метод относится к разряду относительных, по-

скольку для определенных искомых величин необходимо знать точ-

ные теплофизические характеристики эталонного образца (например,

оргстекла). Однако он привлекает быстротой измерения и возможно-

стью вычисления на основании одного опыта нескольких теплофизи-

ческих коэффициентов, а также влияние на них влажности, темпера-

175

туры, плотности материала, удельного давления, направления тепло-

вого потока и последовательности расположения материалов в пакете.

Метод двух температурно-временных интервалов основан на

использовании одномерного нестационарного теплового потока. При

соприкосновении нагревателя с образцом исследуемого материала те-

пло от нагревателя через образец передается теплоприемнику, от чего

температура системы «образец-теплоприемник» растет. На регистри-

рующем приборе, фиксирующем разницу температур между нагрева-

телем и теплоприемником, вычерчивается кривая вида.

Расчет теплофизических характеристик производится по сле-

дующим формулам

∆

, (2.40)

aboe=

, (2.41)

где δ - толщина материала; bo - постоянная теплоприемника (для орг-

стекла b=560) ∆τ - интервал времени; p, ε - безразмерные величины.

Значение параметров р = f

(к) и ε =f

(к), где к = ∆τ

/ ∆τ

со-

ставленные для различных отношений N

, определяются из

рабочих таблиц.

176

Рис. 2.7. График зависимости показаний прибора от времени:

, N

- крайние правая и левая границы, соответствующие

температуре нагревателя и окружающей среды

Достоинством метода двух температурно-временных интерва-

лов является быстрота измерения, что позволяет проводить много-

кратные испытания, и невысокая температура нагревателя /20-36°С/,

практически исключающая влияние испарения влаги образцов на точ-

ность результатов эксперимента.

Итак, обзор методик и приборов для оценки теплофизических

свойств материалов показывает, что они, при всем разнообразии, мо-

гут быть разделены на две группы. К первой относятся приборы,

принцип действия которых основан на создании в системе стационар-

ного температурного режима, ко второй - регулируемого. Предпочте-

ние, отдаваемое в настоящее время приборам второй группы, связано

с высокой скоростью проведения эксперимента, возможностью созда-

ния реальных условий, комплексным характером исследований и за-

частую более простым конструктивным оформлением приборов.

177

2.10.2 Определение теплозащитных свойств обуви

Поскольку в конструкцию обуви входят детали из различных

материалов, для характеристики теплообмена между стопой в обуви и

внешней средой принято пользоваться термином «теплозащитные

свойства обуви». Для оценки теплозащитных свойств обуви исполь-

зуют следующие показатели:

- полное суммарное тепловое сопротивление обуви;

- абсолютное количество тепла, передаваемое обувью в ок-

ружающую

среду;

- относительное охлаждение, представляющее собой отно-

шение количества тепла, отдаваемого обувью, к количеству тепла, от-

даваемого ядром.

Исследование теплозащитных свойств обуви проводится в

стационарном и нестационарном режимах. Стационарный тепловой

поток в направлении от внутренних стенок обуви к наружным созда-

ется при помощи ядра, форма которого приблизительно соответствует

форме обуви. В качестве ядра могут быть использованы резиновые

чулки, заполненные раствором этиленгликоля [2]. Постоянная темпе-

ратура ядра поддерживается электронагревателем, для измерения

температуры стенок обуви используют термопары. Для приближения

условий испытаний к реальным обувь можно поместить в климатиче-

скую камеру с заданной температурой и влажностью. Предполагается,

что все тепло, выделяемое нагревателем ядра, проходит через обувь в

окружающую среду. Показателем теплозащитных свойств обуви слу-

жит коэффициент теплопередачи (К), рассчитываемый по уравнению:

∆

(2.42)

178

где Q- мощность нагревателя; S- внутренняя поверхность обуви; ∆T -

разница температур внутренней и наружной поверхности.

Для исследования топографии теплозащитных свойств обуви

могут быть использованы специальные малогабаритные тепломеры,

позволяющие измерить величины локальных тепловых потоков q

на

различных участках обувной поверхности. Тепловое сопротивление i -

го участника Pi определяется по формуле:

∆

(2.43)

Наглядная картина неоднородности теплозащитных свойств

обуви может быть получена с помощью нанесения на ее поверхность

жидкокристаллических термоиндикаторных пленок, обладающих спо-

собностью избирательно рассеивать свет в зависимости от температу-

ры. При нагревании пленки на ней появляются четко выраженные по

цвету и конфигурации изотермические области, измерение площадей

которых дает возможность рассчитать теплозащитные свойства обуви

в каждой точке ее поверхности, т.е. представить конструкцию изделия

в развернутом виде. Для точного воспроизведения внутренней формы

обуви и неизменности тепловых потоков во всех ее зонах в качестве

ядра используют сыпучие теплоносители с высоким коэффициентом

температуропроводности.

Испытания обуви в нестационарном тепловом режиме прово-

дят, в основном, методом бикалориметра, теория и техника которого

были разработаны Г.М. Кондратьевым. Бикалориметром является са-

ма обувь с вложенным в нее ядром. В качестве ядра была использова-

на колодка - или деревянная, или заполненная водой пустотелая рези-

новая. Скорость охлаждения ядра зависит от теплозащитных свойств

179

обуви и выражается для регулярного теплового режима через темп ре-

гулярного охлаждения т, определяемый по формуле:

ττ

−

∆−∆

TTb

, (2.44)

где ∆T

, ∆T

- разности температур ядра и окружающего воздуха для

двух моментов времени; τ

– τ

- интервал времени между моментами

замера температур.

В указанном методе о теплозащитных свойствах обуви судят

по отношению темпов регулярного охлаждения обуви и ядра без обу-

ви. Полученный показатель не может достаточно полно характеризо-

вать тепловые свойства обуви, к тому же ядро бикалориметра, выпол-

ненное в виде жесткой формы, не обеспечивает точного и плотного

прилегания его поверхности к внутренней поверхности обуви.

Обстоятельный анализ теплозащитных свойств обуви был

проведен Л.В. Кедровым [9]. Разработанная ими методика, также ос-

нованная на теории регулярного теплового режима, легла в основу

прибора, созданного в ЦНИИКП [27]. В качестве ядра бикалориметра

используется тонкая резиновая оболочка, заполненная дистиллиро-

ванной водой, Сущность метода состоит в охлаждении предваритель-

но нагретого и опущенного в обувь теплоносителя при автоматиче-

ском отсчете времени охлаждения и заданном интервале перепада

температур между теплоносителем и окружающей средой. Показате-

лем теплозащитных свойств обуви является суммарное тепловое со-

противление, определяемое расчетным путем по формуле:

180

БВ

сум

−

, (2.45)

где Ф - фактор теплоносителя, равный отношению полной теплоем-

кости теплоносителя к площади его поверхности, Дж/м

°С; Б - коэф-

фициент, учитывающий соотношение теплоемкостей теплоносителя и

обуви; В - коэффициент, представляющий собой поправку на рассеи-

вание теплового потока через площадку из термоизоляционного мате-

риала, с

-1

Однако этот метод мало применим для исследования бытовой

обуви, отличающейся от обуви специальной большим разнообразием

видов, фасонов и т.п., вследствие необходимости изготовления значи-

тельного количества каучуковых баллонов, соответствующих по фор-

ме и размерам колодке, применяемой при производстве обуви. Кроме

того, вода, как известно, является теплоинерционным материалом, по-

этому для поддержания постоянного температурного поля теплоноси-

теля требуется применение специальных устройств: мешалки, меха-

низма, приводящего ее в движение. Это значительно усложняет про-

цесс проведения испытаний. В качестве теплоносителя наряду с дис-

тиллированной водой может быть использована охотничья свинцовая

дробь №9, которая обеспечивает соответствие формы теплоносителя

внутриобувному пространству и высокую однородность температур-

ного поля.

В качестве основных критериев комфортности обуви приняты

показатели, характеризующие «нормальное» состояние стопы в про-

цессе эксплуатации:

- отсутствие механических повреждений стопы;

-температура и влажность внутриобувного пространства;