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

Подождите немного. Документ загружается.

181

- температура стопы;

- степень допустимого сжатия стопы обувью.

В настоящее время оценить комфортность обуви только ана-

литическим путем вряд ли реально, т.к. имеющиеся математические

модели внутриобувного микроклимата имею ряд существенных не-

достатков. Поэтому для оценки комфортности новых конструкций

обуви из новых материалов наряду со стандартными лабораторными

испытаниями необходимо проведение стендовых испытаний в усло-

виях близких к реальным и опытной носки.

2.11 Тепловые свойства

При операциях сушки, влажно-тепловой обработки, прессования, гла-

женья и др., необходимых при изготовлении материалов «изделий,

полуфабрикаты и материалы подвергаются тепловому воздействию.

Эффективность той или иной операции зависит от способности мате-

риала взаимодействовать с тепловым полем.

При эксплуатации изделий теплообмен между телом человека

„ окружающей средой должен протекать таким образом, чтобы темпе-

ратура воздуха в пододежном и внутриобувном пространстве находи-

лась в пределах 20...25°С. Этот температурный интервал гарантирует

комфортные условия работы и отдыха человека. Увеличение или

уменьшение температуры приводит к перегреву или переохлаждению

тела, вызывая дискомфорт. Теплообмен между физическими телами и

окружающей средой может происходить путем теплопроводности,

конвекции и излучения. Передача тепловой энергии теплопроводно-

стью (конвекцией) происходит при соприкосновении частиц контак-

тирующих поверхностей твердых тел благодаря образующим механи-

ческие «тепловые» волны упругим колебаниям, а также диффузии

182

атомов и молекул. Передача тепловой энергии конвекцией осуществ-

ляется перемещением частиц с образованием тепловых потоков в

жидкостях и газах и всегда сопровождается теплопроводностью.

Передача тепловой энергии излучением - это распространение

энергии в виде электромагнитных волн. Излучение сопровождается

двойным переходом энергии - тепловой в лучистую и обратно - лучи-

стой в тепловую.

Теплообмен между человеком и окружающей средой происхо-

дит через материалы одежды или обуви. Исходя из начальных усло-

вий тепловая энергия (теплота) Q Дж, будет передаваться через Мате-

риал толщиной δ и площадью S от тела человека в окружающую среду

или от окружающей среды телу человека тремя перемещений:

Q=Q

, (2.46)

где Q

- тепловая энергия, передаваемая конвекцией; Q

- тепловая

энергия, передаваемая теплопроводностью; Q

- энергия, передавае-

мая излучением.

В свою очередь

( )

100100

;

























−













−

SCQ

TTS

τλ

(2.47)

где α - коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м

К); λ - тепло-

проводность стенки, Вт/(м·К); ε - коэффициент черноты стенки; С

коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м

·К

183

Если учесть реальные условия носки обуви и одежды на тер-

ритории России, где температура окружающей среды в течение года

может изменяться от -50 до +50

С, то согласно многочисленным ис-

следованиям следует признать, что превалирующую роль в теплопе-

редаче играет теплопроводность. В черной и цветной металлургии,

при горячей обработке металлов и в других производствах, связанных

с выделением большого количества теплоты от материалов и агрега-

тов, передача энергии от источника теплоты до одежды и обуви осу-

ществляется в основном излучением, а от материалов одежды и обуви

до тела человека - теплопроводностью. Если в обувном и пододежном

пространстве есть воздушные зазоры, то в нем возможна циркуляция

воздуха, и тогда передача тепловой энергии происходит путем тепло-

проводности и конвекции. Поэтому при расчете тепловых свойств

одежды и обуви надо четко представлять реальные условия эксплуа-

тации и конструктивные особенности изделий. К показателям, харак-

теризующим теплофизические свойств материала, относятся тепло-

проводность λ, Вт/(м·К); удельная теплоемкость с, Дж/(кг·К); темпера-

туропроводность а, м/с , тепловое сопротивление R

, м

·К/Вт.

Теплопроводность показывает, какое количество теплоты

прошло через 1 м

площади толщиной I м за 1 с при перепаде темпера-

тур 1 К:

)(

TTS

−

. (2.47)

184

Рис. 2.8. Схема установки для определения теплопроводности (а);

график изменения температуры во времени при стационарной

теплопроводности (б); график изменения температуры во времени

при нестационарной теплопроводности (в):

1- нагреватель; 2 - проба материала тела

Расчет площади поверхности S, через которую проходит теп-

ловая энергия, определяется формой тела. Если S

- площадь внутрен-

ней поверхности, а S

- внешней, то при S

< 2 площадь вычисляют

по формуле S=(S

)/2; при полой цилиндрической стенке, но при S

> 2S = (S

– S

)/ln(S

/ S

) для шаровой полой стенки

SSS =

. Осу-

ществить теоретический расчет теплопроводности материалов, осо-

бенно имеющих столь сложное строение, как материалы изделий лег-

кой промышленности, весьма сложно. Поэтому ее определяют экспе-

риментальными методами. Существует несколько методов определе-

ния теплопроводности материалов, из которых в основном можно вы-

делить два: метод стационарной теплопроводности, используемый

при Q=соnst, и метод нестационарной теплопроводности, который

применяется, когда Q=f(τ).

185

Определение теплопроводности материалов стационарным ме-

тодом осуществляют следующим образом. Подвод тепловой энергии к

материалу и ее прохождение через материал регистрируется прибора-

ми по схеме, приведенной на рис. 2.8, а. Момент наступления условия

Q=соnst характеризуется тем, что перепад ∆T=T

-T

на пробе мате-

риала не изменяется во времени, т.е. ∆Т= соnst, (рис. 2.8, б). Тепло-

проводность материала рассчитывают по формуле (2.8).

Теплопроводность материала наиболее целесообразно опреде-

лять при небольшом перепаде температур, т.е. при ∆T не более 10 К.

Особенно это важно для гидрофильных материалов. Если определять

теплопроводность гидрофильных материалов при температуре более

293 К, то проба высохнет, что приведет к искажению реальной вели-

чины теплопроводности материала. Поэтому при определении тепло-

проводности гидрофильных Материалов целесообразно исходить из

нестационарной теплопроводности, используя метод мгновенного ис-

точника тепла Данный метод основан на том, что возрастание темпе-

ратуры в материале в результате подвода внешней энергии носит пе-

реметный характер в каждой точке материала по толщине. Например

В некоторой точке В (см. рис. 2.8, а) при τ

мах

температура достигает

экстремальной величины (рис. 2.8, в). Нагреватель при испытании

включается на время то, равное 5...10с, причем τ

мах

то из-за инерци-

альности процесса передачи тепловой энергии через материал. Из-за

небольшой продолжительности испытания и величины ∆T исходное

состояние материала не изменяется.

Теплопроводность материалов рассчитывают по формуле:

∆

max

τπε

, (2.48)

где ε = 2,72.

186

Тепловое сопротивление Л, м

- К/Вт, - показатель, характери-

зующий способность материала препятствовать прохождению тепло-

вой энергии определяющий теплозащитные свойства материала. Он

вычисляется по формуле:

. (2.49)

Для определения суммарного теплового сопротивления мате-

риала при нестационарном режиме применяют прибор ПТС-225, ко-

торый позволяет проводить испытания при действии на пробу воз-

душного потока заданной скорости.

Для характеристики скорости прохождения тепловой энергии

через материал в тепловых процессах применяют показатель темпе-

ратуропроводность а, м /с, который можно вычислить по формулам:

(

)

pca /

, (2.50)

при стационарной теплопроводности

max

τδ

, (2.51)

при нестационарной теплопроводности (р - средняя плотность

материала; с- удельная теплоемкость).

Удельная теплоемкость С, как и теплопроводность, является

важнейшей характеристикой материала и показывает, какое количест-

во тепла необходимо сообщить 1 кг материала для его нагревания на 1

К:

C=Q/m ( T

– T

) . (2.52)

Зная удельную теплоемкость материала, можно рассчитать

температуру нагревателей в сушильных камерах, установках по акти-

вированию клеевой пленки на затяжной кромке, температуру поверх-

187

ности гладильных агрегатов и т. д. Удельную теплоемкость материа-

лов определяют по-разному. Наиболее распространенными при опре-

делении удельной теплопроводности материалов являются методы

смешивания и микрокалориметрии.

Рис. 2.9. Схемы определения удельной теплоемкости:

а - методом смешивания; б - микрокалориметрическим методом;

в - график изменения температуры материала; 1 - тело; 2 - калориметр;

3 - рабочая жидкость; 4 - нагреватель; 5 - микрокалориметр

Метод смешивания (рис. 2.9, а) базируется на уравнении теп-

лового баланса:

от

пол

. (2.53)

где Q

от

- энергия, отдаваемая более нагретым телом; Q

пол

- энергия,

которую получает менее нагретое тело.

Учитывая, что материалы делятся на гидрофильные и гидро-

фобные, к выбору рабочего тела при использовании метода смешива-

ния необходимо подходить осторожно. Если материал гидрофилен, то

в качестве рабочего тела нельзя брать воду, так как при взаимодейст-

вии с ней наблюдается выделение теплоты сорбции, которая будет

188

влиять на установившуюся температуру тел 9. Поэтому для гидро-

фильных материалов целесообразно использовать такое рабочее тело,

взаимодействие с которым не приведет ни к поглощению, ни к выде-

лению дополнительной энергии и в котором полимерное вещество не

будет набухать и растворяться. Метод микрокалориметрии (рис. 2.9,

б) пригоден практически для всех материалов. Суть его заключается в

том, что проба Материала, помещенная в специальный микрокалори-

метр, нагревается (охлаждается) с постоянной скоростью 0,1 К/мин от

температуры Т

до температуры Т

Зная затраты энергии на нагрев (охлаждение) массы пробы ма-

териала, рассчитывают искомую величину по формуле:

c=nIUτ/m(T

– T

), (2.54)

где n - коэффициент, характеризующий термодинамические свойства

установки; I - сила тока; U - напряжение; τ - время.

Выбор метода определения удельной теплоемкости материала

зависит от условий испытания материала и его агрегатного состояния

(газ, жидкость, твердое вещество), а также от того, с какой точностью

необходимо определить искомый показатель,

В табл. 2.12 приведены показатели теплофизических свойств

основных материалов, а также газа (воздуха), жидкости (воды) и кри-

сталлических тел (льда, меди).

Теплопроводность текстильных полотен, кож и резины в 3 раз

превосходит теплопроводность воздуха, но в 3...10 раз меньше тепло-

проводности воды и намного меньше теплопроводности льда и меди.

Температуропроводность текстильных полотен, кожи и резины близка

к этому показателю воды, но существенно уступает температуропро-

водности воздуха, льда и меди. Удельная теплоемкость текстильных

189

полотен близка к этому показателю воздуха и льда. Таким образом,

показатели теплофизических свойств основных материалов имеют

промежуточное значение между показателями воздуха и воды.

Большинство основных материалов состоит из волокон. Теп-

лопроводность волокон влияет на теплозащитные свойства материа-

лов. У волокон шерсти λ, равна 0,03 Вт/(м·К), шелка и льна 0,04

Вт/(м·К), а хлопка 0,05 Вт/(м·К). Более низкие значения λ волокон

шерсти связаны с ее химическим составом и особенностями строения.

Волокна шерсти, кроме пуха, более пористые, чем остальные волокна.

Теплопроводность материалов зависит от пористости; чем

выше пористость материалов, тем ниже теплопроводность. По дан-

ным И. Г. Манохина увеличение пористости кож для верха обуви от

38,33 до 47,97 % приводит к уменьшению λ, от 0,094 до 0,08 Вт/(м·К).

Т а б л и ц а 2.12

Показатели теплофизических свойств материалов

при нормальных условиях

Материал

λ,

Вт/(мг·К)

а·10

/с

с,

кДж/(кг·К)

Текстильное полотно 0,03. ..0,11 7,17. ..16, 33 1,09...2,18

Кожа (для верха и низа

обуви)

06...0,22 0,53. ..1,36 1,32-1,71

Резина (пористая и моно-

литная)

0,05. ..0,35 1,81. ..2,36 1,39

Воздух 0,026 214,17 1,01

Вода 0,68 1,43 4,2

Лед при температуре 0°С

(273К)

2,25 10,80 2,27

Медь 386,12 1144,44 0,38

190

Теплопроводность кож для наружных деталей верха обуви и

изменяется в пределах 0,05...0,11 Вт/(м·К), а кож для наружных дета-

лей верха и одежды

- 0,15...0,22 Вт/(Дм·К). Более высокая теплопро-

водость кож для низа обуви связана с малой пористостью. Аналогич-

ные зависимости наблюдаются для текстильных полотен. При пони-

жении атмосферного давления, по данным М.И. Сухарева, Б.А. Бузо-

ва, В.А. Смирнова, А.П. Жихарева и др., теплопроводность текстиль-

ных материалов уменьшается. Например, теплопроводность хлопча-

тобумажной ткани при нормальном атмосферном давлении равна 0,04

Вт/(Дм·К), при понижении давления воздуха до 10

-3

Па теплопровод-

ность уменьшается до 0,016 Вт/(Дм·К) и становится меньше, чем у

воздуха при нормальном атмосферном явлении. Уменьшение А, при

понижении давления воздуха до 10

-3

Па свидетельствует о том, что

перенос тепла при нормальном давлении воздуха в материалах,

имеющих пористую, волокнистую и сетчатую структуры, осуществ-

ляется не только твердым веществом (каркасом), но и воздухом, нахо-

дящимся в порах. Снижение X хлопчатобумажной ткани до 0,016

Вт/(Дм·К) при давлении воздуха не более 10

-3

Па вызвано тем, что на

скорость распространения тепловой энергии в материале оказывают

влияние температурные контактные сопротивления между волокнами

нитей, образующих ткань. Поэтому, определяя X пористых материа-

лов при нормальных ставнях, следует вести речь об определении не

истинной, а эффективной теплопроводности.

По данным Е.А. Мирошникова при увлажнении кож тепло-

проводность возрастает (рис. 2.12), причем у кож, применяемых для

низа обуви, изменения меньше, чем для верха обуви. При увлажнении

кожи влага заполняет микро- и макропоры и ее пористость снижается.

В данном случае перенос тепловой энергии происходит не только по