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

Подождите немного. Документ загружается.

191

полимерному веществу и воздуху, находящимся в порах, но и по вла-

ге, имеющей более высокую теплопроводность. Подобное явление на-

блюдается у кож при увеличении содержания жирующих веществ и у

тканей при их аппретировании.

Например, при повышении содержания жирующих веществ в

коже от 10,05 до 26,52% теплопроводность изменяется от 0,077 до

0,095 Вт/(Дм·К). При сжатии пористых, волокнистых и сетчатых ма-

териалов уменьшается суммарный объем пор, что увеличивает тепло-

проводность подкладочных кож и стельки на 22,9...74,1 %, триплиро-

ванных материалов на 133 %.

Теплопроводность твердых кристаллических тел изменяется в

зависимости от температуры материала:

λ=λ

(1+k∆T) . (2.55)

где λ и λ

- теплопроводность тела при измеряемой и фиксированной

температурах; k - коэффициент, зависящий от состава материала.

Рис. 2.10. Зависимость теплопроводности от влажности:

1 - юфть таннидного дубления; 2 - подошвенная кожа; 3 - юфть хромово-

го дубления; 4 - опоек хромового дубления

192

Теплопроводность материалов для обуви и одежды также за-

висит от температуры. Так, при влажности кож низа обуви хромтан-

нидного дубления 1...6 % при увеличении температуры от 233 до 333

К λ, возрастает, что описывается уравнением (2.55). При температуре

ниже 273 К теплопроводность кож влажности 28 и 50 % не уменьша-

ется, а увеличивается, причем чем выше влажность материала, тем

выше теплопроводность (рис. 2.11). Для кож влажности 50 % наблю-

дается скачок в значениях, который объясняют образованием в струк-

туре материала кристаллов льда. Лед имеет более высокую теплопро-

водность, чем воздух, коллаген и вода.

Рис. 2.11. Изменение теплопроводности кожи для низа обуви

хромтаннидного дубления в зависимости от влажности, %

Термическое сопротивление R

материалов также зависит от

перечисленных выше факторов окружающей среды, так как эта харак-

теристика исходя из уравнения (2.49) является производной от тепло-

проводности. Однако термическое сопротивление зависит от толщины

материала. Поэтому при одинаковой теплопроводности теплозащит-

ные свойства будут выше у того материала, который толще.

193

Т а б л и ц а 2.13

Термическое сопротивление материалов

(по данным В.Ю. Игнатова, Б.А. Бузова, Ю.П. Зыбина и др.)

Полуфабрикат

·К/Вт

Полуфабрикат

·К/Вт

Мех

Песец голубой 0,487 Белек 0,237

Олень северный 0,421 Ондатра 0,227

Лисица красная 0,379 Кролик щипаный 0,208

Заяц-беляк 0,374

Мерлушка крупноза-

витковая

0,178

Овчина стриженая 0,312 Козлик 0,157

Соболь 0,275 Лямка 0,145

Кролик Длинноволосый 0,264

Мерлушка мелкозавит-

ковая

0,138

Белка якутская 0,246 Кролик стриженый 0,132

Котик морской 0,241 Крот 0,116

Искусственный мех

Трикотажный 0,327 Каракуль 0,083

Смушка 0,094

Текстильные материалы

Ватин одежный 0,327 Ватин х/б 0,237

Диагональ шерстяная 0,129 Фланель 0,149

В таблице 2.13 приведены значения термического сопротивле-

ния меха и некоторых материалов, применяющихся в качестве утеп-

ляющих прокладочных или подкладочных материалов. Термическое

сопротивление натурального меха зависит от характеристик строения

и соотношения волос, входящих в состав волосяного покрова. Для ис-

194

кусственного меха и утепляющих материалов R

зависит от волокни-

стого состава, характеристик строения и толщины.

Существенное влияние на теплозащитные свойства материа-

лов и изделий оказывает скорость ветра (рис. 16.5). При увеличении

скорости ветра до 15 м/с термическое сопротивление текстильных ма-

териалов для наружных деталей одежды и кож для обуви снижается в

четыре и более раз. Уменьшение термического сопротивления с уве-

личением скорости ветра связано с нарушением теплообмена между

материалом и окружающей средой. Чем выше скорость ветра, тем

больше тепловой энергии отдает материал в окружающую среду и тем

ниже становится температура материала.

Рис. 2.12. Изменение термического сопротивления в зависимости

от воздухопроницаемости тканей при разной скорости ветра:

1,2-4 м/с при R

= 0,12 м

·К/Вт; 3,4 - 15 м/с при R

=0,58 м

·К/Вт

Если верх изделия выполнен из текстильного материала, то

вводится ограничение на его воздухопроницаемость. Воздухопрони-

цаемость тканей для деталей верха зимней одежды не должна превы-

шать 40 дм

/(м

·с). Теплозащитные свойства меха зависят от строения

195

волосяного покрова и его расположения по отношению к воздушному

потоку (рис. 2.13). Падение термического сопротивления и теплоза-

щитных свойств материалов при возрастании скорости ветра и пони-

жении температуры ведет к уменьшению температуры воздуха в по-

додежном и внутриобувном пространстве и, как следствие, к умень-

шению температуры тела человека.

Рис. 2.13. Изменение суммарного теплового сопротивления

мериносной овчины с разной высотой волоса в зависимости

от скорости воздушного потока (по данным Д. А. Мендельсона):

/, 3 - кожевая ткань обращена к воздушному потоку

(1 - высота волоса 20 мм; 3-12 мм);

2,4 - волос обращен к воздушному потоку (2 - высота волоса 12 мм; 4-20 мм)

Для поддержания исходной температуры кожного покрова ор-

ганизм начинает продуцировать больше внутренней энергии, однако

этот процесс не может быть длительным и при неблагоприятных ус-

ловиях наступает обморожение кожного покрова. Поэтому народы,

проживающие в северных широтах, при изготовлении меховой одеж-

0 2 4 6 8 10 12 14 16

V, м/с

196

ды и обуви применяют мех в качестве и наружного, и подкладочного

материала.

Удельная теплоемкость текстильных материалов в зависимо-

сти от волокнистого состава изменяется в пределах 1,09...2,18 кДж/(кг

К). Удельная теплоемкость материалов, как и теплопроводность зави-

сит от химического состава, строения, влажности и температуры ок-

ружающей среды. На рис. 2.14 приведены кривые изменения удельной

теплоемкости при постоянном (с

) давлении кож для наружных дета-

лей низа (кривые 1,2) и верха обуви в зависимости от температуры.

При понижении температуры от 273 до 163 К наблюдается снижение

для кож независимо от их влажности, что связано с уменьшением

их внутренней энергии. Однако у абсолютно сухих кож (кривые 1, 3)

значения с

при соответствующих температурах меньше, чем у кож,

находящихся в гигроскопическом состоянии (2,4).

Рис. 2.14. Изменение удельной теплоемкости при постоянном

давлении в зависимости от температуры:

1,2 - подошвенная кожа; 3,4 - юфть

(1,3 - абсолютно сухих; 2,4 - в гигроскопическом состоянии)

173 193 213 233 253 273

Т, К

197

Более высокая удельная теплоемкость у влажных кож связана

с тем, что содержащаяся в коже влага имеет более высокую удельную

теплоемкость, чем воздух и коллаген (см. табл. 2.12).

Таким образом, теплофизические свойства материалов непо-

стоянны и зависят от температуры, влажности, атмосферного и меха-

нического давления, а также от комплексного действия нескольких

факторов окружающей среды. Поэтому при выборе материала для со-

ответствующей детали нужно четко знать, какие факторы окружаю-

щей среды будут воздействовать на данные материалы в условиях

эксплуатации изделия.

Материал

Вт/(м·°С)

а-10

/с

Чепрак винтовой 0,09 ... 0,22 1,19... 1,36

Кожа стелечная 0,10... 0,14 1,04 .

Резина подошвенная непористая 0,35 2,42

Резина подошвенная пористая 0,14 ... 0,23 1,18

Юфть хромтаннидного дубления 0,10... 0,16 0,86... 1,17

Выросток хромового дубления 0,10... 0,13 0,72 ... 0,89

Кожа подкладочная 0,08 ... 0,09 0,53 ... 0,64

Кожкартон 0,12 -

Войлок 0,15 0,97

Тик-саржа 0,06 -

Байка полушерстяная арт. 4917 0,03 -

Воздух 0,026 250

Вода 0,68 1,39

Лед при температуре 0°С 2,21 38,9

Лед при температуре 20°С 2,24 ------

Медь 386,12 1027,28

198

Из приведенных данных видно, что тепло- и термопровод-

ность непористых резин больше, чем пористых. Возрастание пористо-

сти кожи с 38,33 до 47,97 % приводит к снижению теплопроводности

с 0,094 до 0,080 Вт/(м·°С). Аналогичные изменения наблюдаются для

тканей, нетканых материалов и др. Уменьшение теплопроводности

материалов с увеличением их пористости связано с тем, что у воздуха

и других газов, заполняющих пустоты в материалах, значительно ни-

же, чем у полимерного вещества, из которого изготовлен тот или иной

материал.

Давление воздуха,

Па Материал

ИР

Перкаль 0,041 0,016

Пряжа х/б плотностью 430, диаметром 0.13 мм 0,070 0,047

Стеклоткань ТСОН-нп плотностью 200, диаметром 0,33 мм

0,036 0,014

Пакеты тканей из нитей капроновых диаметром 1,7 мм 0,103 0,021

Пакеты тканей из нитей лавсановых диаметром 1 ,5 мм 0,084 0,015

Исследования, проведенные Л.А. Онищенко, М.А. Сухаревым,

В.А. Смирновым, А.П. Жихаревым, Б.А. Бузовым и другими автора-

ми, показали, что теплопроводность пористых материалов (в частно-

сти, тканей, пакетов и нитей) существенно зависит от давления атмо-

сферы.

С понижением атмосферного давления с 10

до 10

-3

Па тепло-

проводность уменьшается для тканей и пакетов тканей в 2,5...6 раз,

нитей – 1,1...1,6 раза. Полученные данные свидетельствуют о том, что

в тканях и других пористых мате риалах теплопередача осуществляет-

ся не только по твердому веществу материала при нормальном атмо-

199

сферном давлении, но и конвекцией, и излучением. Поэтому опреде-

ляемая из опытов теплопроводность обувных материалов учитывает

все виды теплопередачи. Таким образом, увеличение пористости ма-

териалов или наличие воздушных прослоек в пакетах материалов су-

щественно уменьшает тепло- и термопроводность обувных материа-

лов, что увеличивает их термическое сопротивление и, следовательно,

теплозащитные свойства. При производстве и эксплуатации изделий

на материалы действуют различные внешние факторы: влага, темпе-

ратура, внешнее давление и др. Изменение теплопроводности кож по

мере увеличения их влажности зависит от вида исходного сырья, по-

крытия, технологии изготовления и назначения кож. Увеличение теп-

лопроводности кож с повышением их влажности связано с тем, что

влага заполняет микро- и макрокапилляры кожи, а теплоперенос осу-

ществляется теплопроводностью как по твердому веществу кожи, так

и по воде, теплопроводность которой в шесть и более раз выше, чем у

абсолютно сухой кожи.

Подобные явления наблюдаются в кожах, тканях, нетканых

материалах при отделке, жировании, крашении, пропитке. Например,

увеличение содержания жирующих веществ в коже с 10,05 до 26,52 %

ведет к возрастанию теплопроводности с 0,089 до ОДЮ Вт/(м°С).

При движении человека внутренние детали обуви испытывают

давление сжатия от 0 до 0,19 МПа, что приводит к изменению плотно-

сти, пористости и, следовательно, теплопроводности материалов.

Опыты показали, что действие на материалы указанного давления

увеличивает теплопроводность свиных подкладочных кож на 22,9%,

спилка подкладочного на 74,1 %, искусственной кожи, дублированной

пенополиуретаном, на 133%. Теплофизические свойства кож при из-

менении температуры окружающей среды непостоянны. На рис. 2.15

200

приведены данные В.С. Каштана о влиянии температуры на тепло-

проводность кожи хромтаннидного дубления различной влажности.

Из кривых следует, что наибольшую теплопроводность имеют кожи

влажностью 50 %. Теплопроводность кож влажностью 50 % при тем-

пературе менее 0°С выше, чем при температуре более 0°С.

Рис. 2.15. Зависимость теплопроводности кожи хромтаннидного дуб-

ления

(чепрак) от температуры влажности кожи, %: 1-6,2-28,3-50

Это связано с тем, что в коже при температуре менее О °С в

макрокапиллярах, заполненных водой, проходит процесс фазового пе-

рехода воды из жидкости в лед. Теплопроводность льда в 3,2 раза вы-

ше теплопроводности воды, поэтому эффективная теплопроводность

кож, у которых макрокапилляры заполнены льдом, выше теплопро-

водности кож, макрокапилляры которых заполнены водой.