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

Подождите немного. Документ загружается.

231

не нарушается, хотя отмечается начало снижения температуры, и ак-

тивная деятельность компенсаторных терморегуляторных механизмов

только развивается. На следующей стадии охлаждения тела чётко

проявляются колебания температуры кожи, более заметные на боль-

шом пальце, подошве, тыльной части стопы при выполнении челове-

ком физической работы. Меньше заметны колебания средневзвешен-

ной температуры кожи стопы человека, находящегося в состоянии от-

носительного покоя.

После прекращения охлаждения организма и обогрева темпе-

ратура кожи стопы ног восстанавливается. На дальнейших стадиях

охлаждения ощущается недостаточность компенсаторных терморегу-

ляторных функций организма, постепенно усиливается травмирующее

действие холода. Охлаждение конечностей до такой степени недопус-

тимо. При ещё большем охлаждении ног происходит нарушение

функционирования и омертвление тканей, отморожение ног. Границы

между охлаждением стопы носят, естественно, условный характер.

При комфортном состоянии температура кожи стопы не должна быть

ниже 25-29°С, уже при температуре кожи большого пальца 15-17°С

большая часть людей начинает ощущать охлаждение, а при ниже 15°С

около 80 % людей ощущают холод [2].

Поддержание стопы в нормальных пределах достигается путём

подбора материалов с определёнными теплофизическими характери-

стиками. Особо большое влияние на комфортность обуви оказывают

гигиенические свойства материалов, используемые для изготовления

деталей и узлов. Вполне естественным является использование для из-

готовления заготовки верха материалов, обладающих высокими ги-

гиеническими показателями, к которым относятся натуральные кожи,

тканые и нетканые материалы на основе натуральных волокон.

232

Комфортность обуви достигается путём правильного подбора

материалов верха и низа обуви, методов крепления деталей [1].

2.13 Теоретические предпосылки для оценки тепловых

свойств материалов

В металлах передача теплоты осуществляется в основном

вследствие диффузии свободных электронов.

В дальнейшем будет использоваться феноменологическая тео-

рия теплопроводности, т.е. тела будут рассматриваться как сплошные

системы, не вдаваясь в молекулярный механизм переноса.

Цель основных методов оценки тепловых свойств обувных ма-

териалов – определить коэффициент теплопроводности и температу-

ропроводность, а также показатели свойств материалов, учитываю-

щих их толщину, тепловые сопротивления и коэффициент внутренней

теплопередачи.

Существуют две группы методов исследования теплофизиче-

ских материалов и изделий из них: методы стационарного теплового

режима и методы нестационарного теплового режима.

Итак, проанализировав факторы, влияющие на оценку ком-

фортности обуви при воздействии на стопу низких температур, следу-

ет учесть их важность при конструировании и выборе материалов. К

наиболее важным факторам необходимо отнести температуру возду-

ха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как влаж-

ность воздуха и давление имеют второстепенное значение. При разра-

ботке рекомендаций по оценке комфортности обуви при воздействии

на стопу низких температур необходимо учитывать температуру воз-

233

духа, скорость ветра, атмосферные осадки, характер опорной поверх-

ности.

При стационарных режимах с помощью источника тепла по-

стоянной мощности в исследуемом объекте создается стационарное

температурное поле. Измеряют температуру в характерных точках,

геометрические параметры и пересчитывают их с помощью уравнения

Фурье для определения коэффициента теплопроводности. Оценки те-

плозащитных свойств обуви можно произвести при этом либо по ко-

личеству теплоты, переносимому через обувь в единицу времени, ли-

бо по относительному охлаждению нагревательного ядра обуви, соот-

ветствующего внутренней его форме (без обуви и с обувью), либо

сравнением потерь теплоты обувью с ее эталоном [6].

Из методов стационарного теплового режима при испытании

обуви получил набольшее распространение метод регулярного тепло-

обмена при помощи бикалориметра, который заключается в регуляр-

ном охлаждении некоторой составной системы, состоящей из тепло-

вого ядра и окружающей его теплозащитной оболочки, помещенной в

среду с постоянной температурой. Важным условием этого метода яв-

ляется возможность проводить исследования при коэффициенте теп-

лоотдачи

∞

Наличие ядра – эталона позволяет установить расчетные фор-

мулы для определения коэффициента теплопроводности (

), коэффи-

циента объемной теплоемкости (С), коэффициента температуроспо-

собности (а), коэффициента теплоотдачи (α), термического сопротив-

ления теплопроводности R

обуви и обувных пакетов [6].

Регулярный теплообмен – нестационарный процесс теплопро-

водности, при котором поле избыточной температуры

= t-t

автомо-

дельно по времени, т.е. остается подобным при изменении времени.

234

Избыточной называется температура любой точки тела t, на-

ходящегося в регулярном теплообмене со средой, отсчитываемая от

любой характерной для данного процесса температуры. В нашем слу-

чае такой температурой является температура окружающей среды t

Для понимания существа регулярного режима рассмотрим ре-

шение задачи об охлаждении произвольного тела в среде с постоян-

ной температурой. Общее решение одномерного уравнения нестацио-

нарной теплопроводности имеет следующий вид

∑

∞

⋅

−

⋅=−=

)()(

exkAktfxt

ϑτϑ

, (2.70)

где А

- постоянные коэффициенты, зависящие только от начальных

условий;

)(x

- функции, зависящие от координат и числа БИО













⋅

Число БИО













⋅

характеризует интенсивность теплооб-

мена на поверхности тела. Здесь π - коэффициент теплопроводности

тела, Вт/(м-К); l - характерный размер тела, м;

⋅

- коэффициент

теплопроводимости тела, м

/с

Можно ввести еще безразмерный критерий времени, называе-

мый чиcлом Фурье F

= aτ/c

в решении (2.70) F

есть коэффициент

при n

. Обычно множитель при τ обозначают буквой m.

m ⋅=

, (2.71)

Поведение температуры в теле во времени, т.е. процесс охлаж-

дения тела можно разбить на две стадии - начальную и регулярную.

Начальная стадия охлаждения тела характеризуется неупоря-

доченностью процесса, зависящего от многих случайных факторов,

235

когда процесс охлаждения захватывает все новые и новые области те-

ла.

С течением времени влияние начального поля ослабляется и во

второй стадии нестационарный теплообмен регулируется (упорядочи-

вается). Математически это означает, что все члены уравнения (2.70),

кроме первого, становятся малыми и ими можно пренебречь. В связи с

этим закон изменения поля температуры в этой стадии принимает

наипростейшую экспоненциальную форму

exA

−

⋅⋅= )(

ϑϑ

(2.72)

Из

(6.4)

следует

что

регулярном

режиме

теплообмена

изменяется

течением

времени

по

линейному

закону

(2.73)

Показатель

конечных

разностях

ττ

ϑϑ

tgm

lnln

−

, (2.74)

характеризует

быстроту

регулярного

охлаждения

(

или

нагревания

)

те

ла

называется

теплом

регулярного

режима

Из

(2.71)

следует

что

1 i

mm ==

, (2.75)

где

первое

значение

собственного

числа

k .

По

известной

величине

темпа

можно

определить

некоторые

конкретные

физические

параметры

величины

например

коэффици

енты

теплопроводности

(

)

температурности

(

теплоемкость

(

коэффициент

теплоотдачи

(

)

др

связи

этим

необходимо

выразить

важные

для

обуви

вели

чины

(

температуропроводность

коэффициент

теплоотдачи

)

через

темп

регулярного

теплообмена

cm +−=

τϑ

236

Связь между а и m вытекает непосредственно из общего реше-

ния (2.70) и (2.71). Представим ее в следующем виде:

ma ⋅=













, (2.76)

где













- коэффициент формы тела, зависящий от его конфигу-

рации и размеров тела, поскольку n

зависит от формы тела и числа

(т.е. от α)

Например, для тела простейшей формы – шара К определен и

имеет следующее значение













, (2.77)

где l - R - радиус шара, а, n

=π [6].

Получим выражение для темпа охлаждения тела через коэф-

фициент теплопередачи.

Для этого рассмотрим систему, состоящую из нескольких

плотно соприкасающихся между собой тел с различными теплофизи-

ческими свойствами, которая находится в теплообмене с окружающей

средой, имеющей постоянную температуру t

=const.

Рассуждения будет проводиться на примере системы, которая

состоит из нагретого ядра (Я), окруженного со всех сторон , плотно

прилегающей к нему тонкой оболочкой (В) толщиной δ и помещенной

в среду с температурой t

=const. При этом предполагается, что обо-

лочка обладает малой теплоемкостью (С

об

) по сравнению с теплоем-

костью ядра (С

),(С

об

<<С

), а также F

и F ввиду тонкости оболочки.

Ядро находится в регулярном теплообмене со средой через оболочку.

Коэффициент теплопередачи между ядром и средой, усредненный по

поверхности F, равняется

237

−

, (2.78)

где

−

- термическое сопротивление теплоотдачи от системы

в среду; α - средний коэффициент теплоотдачи;

∑∑

−−

λλ

полное внутреннее термическое сопротивление теплопроводности

оболочки, состоящей из п слоев.

Согласно закону сохранения энергии изменение внутренней

энергии всей системы (ядро + оболочка) за любой промежуток време-

ни равно количеству тепла, отданного ядром через оболочку окру-

жающей среде в регулярном режиме охлаждения.

Исходя из определения темпа регулярного охлаждения тела,

имеем

τϑ

⋅

−−−

яя

, (2.79)

где

- безразмерный параметр, характеризующий неравномерность

распределения температуры в системе ядро-оболочка.

Для системы без оболочки К= -α, тогда

⋅

⋅−

, (2.80)

Темп m и параметр

зависит от условий теплообмена на по-

верхности системы.

Формула (2.79) отражает основную суть регулярного охлажде-

ния ядра в оболочке. Её работоспособность подтверждена опытным

путем. Данную формулу можно использовать для различных практи-

ческих целей.

238

Важное применение описанная выше теория нашла в исследо-

вании процессов регулярного охлаждения двух составных тел (ядро +

оболочка), условно названных «бикалориметрами».

Бикалориметр представляет собой тело, состоящее из ядра с

равномерно распределенной температурой (

=1) и плотно облегаю-

щего оба слоя исследуемого теплоизоляционного материала в виде

оболочки.

Чтобы ядро имело однородное поле температур (

=1), его

обычно изготавливают из хорошо проводящего тепло металла.

Оболочка может состоять из одного или нескольких слоев раз-

ных материалов различной толщины (δ

, м) [6].

Полученные теоретически результаты используются при по-

строении δ и калориметра, который изображен на рисунке 1В (При-

ложение В), для определения теплозащитных свойств обуви в целом.

В качестве ядра использована подогретая до 37

вода, поме-

щенная в тонкий каучуковый баллон, выполненный по форме внут-

ренней обуви. Оболочкой является сама исследуемая обувь. Верхняя

часть баллона надежно изолируются от потерь тепла теплоизоляцион-

ной крышкой. В крышке крепятся дифференциальная термопара для

измерения избыточной температуры

−−−

−=

fя

и винтовая мешалка.

Мешалка позволяет хорошо выравнивать температуру по всему объе-

му ядра, что необходимо для выполнения условия

=1. Составная

оболочка бикалориметра (сама испытуемая обувь) удовлетворяет тре-

бованию малой толщины, т.е. условие

8/1/

≤

для обуви выполняется

всегда. Здесь δ - полная толщина оболочки, l – характерный размер

ядра бикалориметра. Теплоемкость обувной оболочки много меньше

теплоемкости ядра.

239

Поскольку в описанном бикалориметре выполняются основ-

ные требования теории регулярного охлаждения ядра, то, следова-

тельно, к нему можно применить уравнение баланса энергии в форме

ψϑ

⋅⋅⋅==

−

яя

, (2.81)

Большой практический интерес представляет выражение для

темпа охлаждения ядра в форме

⋅⋅

−

, (2.82)

где Ф

= С

– «фактор» ядра. Учитывая однородность поля ядра

(

=1), имеем

яя

ФRФ

111

⋅=⋅

−

, (2.83)

где в качестве показателя теплозащитных свойств обуви принимается

полное термическое сопротивление теплопередачи обуви, равное

+== R

, а также внутреннее термическое сопротивление тепло-

проводности обуви

∑∑

−−

λλ

. (2.84)

Фактор ядра зависит от геометрии обуви. Для стандартной

мужской обуви Ф

=12,4 ÷12,7

Вт

⋅

. Для мужской обуви специаль-

ного назначения Ф

=12,7 ÷ 15,1

Вт

⋅

Для стандартной женской обуви Ф

=11,3 ÷ 12,0

Вт

⋅

240

Следовательно, для определения полного термического сопро-

тивления теплопередачи (R) необходимо определить при известном

факторе ядра Ф

Темп m регулярного режима охлаждения ядра бика-

лориметра в обувной оболочке.

Тогда согласно (2.83)

Фm

⋅

. (2.85)

Темп m определяется по опытным данным регулярного охлаж-

дения ядра в обувной оболочке.

Процедура определения темпа m упрощается, если проводить

эксперименты при вполне определенных избыточных температурах

Например,

= 15

C и

= 10

ττττ

∆

−

2/3ln10/15ln10ln15ln

. (2.86)

И все измерения в опыте сведутся лишь к определению отрез-

ка времени

∆

, за которое происходит заданное изменение

Для определения внутреннего термического сопротивления

теплопроводности обувной оболочки

без внешнего термического

сопротивления теплоотдачи (1/-α) необходимо организовать весьма

интенсивную теплоотдачу (

∞

→

−

) от поверхности обуви. Тогда

примет следующую форму:

Фm

⋅=

∞

, (2.87)

где

mm lim=

∞

→

−

Для организации такого предельного теплообмена обувной

бикалориметр погружают в резервуар со смесью воды и тающего

льда. Обувь при этом одевают в тонкий малотеплоемкий резиновый

чехол, плотно облегающий бикалориметр. Термическим сопротивле-