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

Подождите немного. Документ загружается.

241

нием чехла можно пренебречь. Чехол предохраняет бикалориметр от

размокания.

Коэффициент теплоотдачи -α можно определить эксперимен-

тально по известным опытным значениям m и m

∞

mmФ

−=













−=

−

∞

1111

, (2.88)

или

∞

−

=−

, (2.89)

Сравнение расчетных и экспериментальных значений -а по-

зволяет судить о правильности постановки экспериментальных иссле-

дований теплозащитных свойств обуви при помощи бикалориметра.

В среднем для стандартной обуви на открыто воздухе

Вт

⋅

÷=−

5.77.6

. (2.90)

По значению m

∞

можно определить коэффициент температу-

ропроводности

, усредненный по всей обувной оболочке.

Коэффициент формы оболочки К

об

можно определить из двух

сравнительных опытов темпа охлаждения m

об

двух ядер без оболочки,

выполненных в форме обуви и шара одинаковых объемов. Для шара –

эталона













. Тогда а

об

=К

об

·m

об

– для обуви; а

=К

·m

ш∞

– для

шара. Полагая а

об

=а

, находим

∞∞

⋅=⋅

шшобоб

mКmK

(2.91)

И, следовательно,

∞

⋅=

об

шоб

КK

. (2.92)

Окончательно получаем:

242

∞

⋅⋅=

∞

Ка

об

. (2.93)

Как известно, обувь имеет разнообразные формы, которые оп-

ределяются, с одной стороны, ее функциональным назначением, с

другой, диктуются модой. Поэтому фактор ядра бикалориметра

Ф =

, будет иметь различное значение, а соответственно, и скорость

охлаждения бикалориметра также будет меняться.

Теплозащитные свойства обуви определяется, во-первых, ис-

пользуемыми материалами и, во-вторых, конструктивным оформле-

нием.

Анализ опытных данных показывает, что значение

−

∑

−

для различных композиций материалов и конструкций

обуви находится в пределах 0,15 ÷0,29

Вт

⋅

. Для обуви тяжелого ви-

да величина R может составлять даже 0.6

Вт

⋅

Наиболее высокими теплозащитными свойствами обладает

обувь с верхом из толстых пористых, ворсовых и рыхлых материалов.

Например, драпы с подкладкой из искусственного и натурального ме-

ха и ворсовой полушерстяной байки, с подошвой из пористой резины

и пористого полиуретана.

Организация пакетов из композитных материалов, обладаю-

щих высокими

требует знания физических механизмов теплопере-

дачи, и поэтому в каждом конкретном случае требует глубокого спе-

циального анализа.

В таблице 2.18 приведены допустимые тепловые сопротивле-

ния обуви для различных периодов ее эксплуатации.

243

Расчет внешнего термического сопротивления теплоотдачи

обуви

−

, а также непосредственные экспериментальные оцен-

ки его дают величину

13.011.0 ÷=

−

Вт

⋅

для стандартной уличной

обуви в условиях естественной конвенции. Для обуви массивного ти-

па

11.007.0 ÷=

−

Вт

⋅

. Это средние показатели внешнего термиче-

ского сопротивления. Обувь с верхним слоем из плотных материалов

с глянцевой поверхностью имеет более низкое внешнее термическое

сопротивление, что соответствует теоретическим представлениям.

Наоборот, более высокие показатели

−

имеет обувь с наружной по-

верхностью из ворсовых материалов, которые располагают более тол-

стым тепловым пограничным слоем. Наиболее высокой величиной

внешнего термического сопротивления теплоотдачи обладает утяже-

ленная обувь с меховым ворсом наружу.

Т а б л и ц а 2.18

Допустимые тепловые сопротивления обуви для различных

периодов ее эксплуатации

Термическое

сопротивление

Вт

λВ

λН

Период

Диапазон

температур

для

обуви

для

верха

для

низа

Переходный

холодный

III.

холодный

+5,0/4,9

-5,0-19,9

-20,0 - 34,9

-35,0 - 49,9

-50,0 - 64,9

0,14-0,18

0,18-0,27

0,27 - 0,37

0,37 - 0,52

0,52 - 0,72

0,8-0,11

0,12-0,22

0,28 - 0,27

0,27 - 0,39

0,40 - 0,56

0,22 - 0,28

0,23-0,32

0,31-0,46

0,35-0,55

0,46 - 0,67

244

Величина

−

может составлять половину и более величины

теоретического сопротивления теплопередачи

для некоторых кон-

струкций.

Термическое сопротивление обуви также зависит от различ-

ных конструкций обуви. Анализ опытных и расчетных данных пока-

зывает, что термические сопротивления верха обуви различных кон-

струкций различаются в несколько раз. Для обуви одного вида это

различие определяется используемыми материалами.

К примеру, анализ некоторых данных показывает, что при

прочих равных условиях кожаные материалы верха оказывают слабое

влияние на термическое сопротивление верха. При переходе на ма-

терчатый верх это влияние становится весьма существенным.

Влияние подкладки и поднаряда весьма значительно и может

изменять величину термического сопротивления верха обуви в 2-3

раза.

В последнее время разрабатываются различные конструкции

сетчатых миниподкладок из хлопчатобумажного и хлоринового во-

локна, которые при правильном подборе толщины и композиции зна-

чительно улучшают теплозащитные свойства обуви. С другой сторо-

ны, повышается долговечность и формоустойчивость.

Подошвенный материал оказывает большое влияние на терми-

ческое сопротивление теплопередачи низа обуви, но в меньшей мере

на полное термическое сопротивление всей обуви из-за сравнительно

небольшой доли поверхности подошв в общей площади поверхности

обувной оболочки.

На термическое сопротивление низа обуви большое влияние

оказывает способ ее крепления (рантовый, клеевой, горячей вулкани-

зации, винтовой гвоздевой), а также специальные детали, вводимые

245

для тех или иных целей в состав подошвенного пакета (фурнитура,

подложки, гвозди и т.д.).

В зимний период широко используются дополнительные

вкладные утеплители в виде стелек, носков и чулок. Эти детали игра-

ют большую роль, поскольку позволяют регулировать влажность и за-

грязненность внутриобувного пространства. Конструкции стелек и

используемые для них материалы весьма разнообразны. Обычно они

бывают двухслойные. Например, войлок плюс формоустойчивый ма-

териал.

Тепловое сопротивление низа обуви можно в значительных

пределах (до 2 раз) менять при помощи вкладных стелек различной

конструкции. Лучшими показателями обладают стельки, конструкция

которых учитывает потери теплоты излучения при помощи соответст-

вующих экранирующих пленок. Хороший эффект утепления обуви

дают и специальные вкладные утеплители в виде чулок и носков.

На теплозащитную способность обуви оказывает влияние так-

же вынужденная конвекция (ветер).

Анализ некоторых данных показывает, что с увеличением ско-

рости ветра средний коэффициент теплоотдачи (-

) от поверхности

обуви увеличивается сначала быстро, а затем это увеличение стано-

вится небольшим.

Данные по

−

для верха обуви из рыхлых и ворсовых мате-

риалов лежат несколько выше, чем для гладких кожаных материалов.

Увеличение внешней теплоотдачи обуви в потоке воздуха с

ростом по скорости приводит к соответствующему падению полного

термического сопротивления за счет увеличения среднего коэффици-

246

ента теплоотдачи обуви, т.е. уменьшения ее внешнего термического

сопротивления теплоотдачи

−

[6].

Оценкой тепловых свойств материалов служат следующие те-

плофизические характеристики: коэффициент теплопроводности λ,

коэффициент температуропроводности а, объемная теплоемкость с = λ

/а и тепловая активность или теплоусвояемость

Известно большое число методов экспериментального опреде-

ления теплофизических характеристик материалов.

Наряду с методами, исследующими тепловые свойства мате-

риалов при высоких и низких температурах, а также при различных

давлениях, имеется большая потребность в методах, предназначенных

для теплофизических исследований материалов в условиях производ-

ственных лабораторий при обычных температурах 15÷40°С. При этом

желательно, чтобы экспериментальные установки и техника измере-

ний были бы достаточно простыми. Обработка опытных данных не

должна быть громоздкой. Исследование различных материалов удоб-

но проводить при единой технике измерений и на одной и той же ус-

тановке. Методы должны быть скоростными. Методы должны быть

также комплексными, чтобы в одном опыте и на одном образце мож-

но было получать значения всех тепловых характеристик. Методы

должны иметь критерий, позволяющий судить о степени достоверно-

сти полученных результатов.

Волькенштейн В.С. предложил различные варианты скорост-

ного метода определения теплофизических характеристик, в которых

по возможности учтены перечисленные выше требования. Эти вари-

анты получили название «Методы двух температурно-временных

интервалов». Все методы этой группы основаны на различных тем-

247

пературных полях, но связаны между собой единством техники изме-

рения и общими расчетными формулами.

Рассмотрим систему тел, состоящую из полуограниченного

цилиндра В (теплоприемника) и плоскопараллельных пластин. На-

чальная температура системы равна t

, температура нагревателя t

по-

стоянна. Один из слоев дифференциальной температуры помещен в

теплоприемнике, другой – в нагревателе. При этом начальное показа-

ние N

гальванометра G, включенного в цепь термопары, соответству-

ет разности температур t

- t

При соприкосновении нагревателя со свободной поверхностью

системы температура в точке О системы начнет увеличиваться и пока-

зания гальванометра будут уменьшаться с течением времени τ. Изме-

нение показаний N гальванометра G со временем τ связано с измене-

нием относительной температуры

tt /

в точке О системы соотно-

шением:

−=−=

−

= 11

0 нн

. (2.94)

Уравнение

)(

, описывающее процесс изменения относи-

тельной температуры

в точке О системы, будет иметь различный

вид в зависимости от состава тел, входящих в систему. Методы двух

температурно-временных интервалов соответствуют различному со-

ставу тел системы.

Первый метод. Если система состоит только из одной иссле-

дуемой пластины и теплоприемника В, то метод основанный на такой

двухсоставной системе, носит название первого метода двух темпера-

турно-временных интервалов.

Второй метод. Если система состоит из двух пластин и тепло-

приемника, то метод, основанный на такой трехсоставной системе, на-

248

зывается вторым методом двух температурно-временных интервалов.

Второй метод предназначен для исследования таких материалов, ко-

торые необходимо помещать в сосуд.

Третий метод соответствует четырехсоставной системе, в ко-

торой пластины металлические. Метод применяется при исследовании

толстых слоев материалов, помещенных в сосуд (пакеты тканей).

Четвертый метод соответствует также четырехсоставной сис-

теме, но пластины - неметаллические. Материал пластин одинаков, но

отличен от материала теплоприемника.

Все методы двух температурно-временных интервалов связа-

ны единством техники измерений [7].

Работы по созданию метода оценки теплозащитных свойств

обуви и исследование указанных свойств обуви различных конструк-

ций показывают, что рациональным методом оценки теплозащитных

свойств является метод бикалориметра.

По изложенным методам можно рассчитывать теплозащитные

свойства обуви на стадии проектирования и подготовки производства,

установить оптимальные сочетания материалов в конструкции верха и

низа, их необходимую толщину и сформулировать требования к теп-

ловым свойствам разрабатываемых материалов.

При проектировании рациональной комфортной теплозащит-

ной обуви необходимо обеспечить:

• долговечность;

• износоустойчивость;

• применение минимального количества металлических дета-

лей (супинаторов, гвоздей, шпилек), поскольку все они аккумулируют

холод;

249

• комфорт внутриобувного пространства (за счёт подбора па-

кетов материалов верха и низа с учётом их физико-гигиенических

свойств, метеорологических факторов окружающей среды);

• увеличение толщины стелечно-подошвенного пакета;

• герметизация швов верха и низа обуви;

• уменьшение массы обуви.

При разработке конструкции обуви учитываются теплозащит-

ные свойства и тепловые сопротивления низа и верха обуви при носке

её человеком в различных метеорологических условиях. Интенсив-

ность теплоотдачи через низ обуви выше, чем через верх. Поэтому

особое внимание при моделировании обуви уделяют подбору мате-

риалов подошвы, общей толщине низа обуви. Для утепленной обуви

широко применяются пористые резины. Значительным преимущест-

вом пористых резин перед другими является их малая масса, высокая

теплозащитность, сохраняющаяся во влажную погоду, хорошие фрик-

ционные и амортизационные свойства, гибкость и относительно малая

цена. Использование пористых резин позволяет выпускать более лёг-

кую и эластичную обувь с низкой температуропроводностью, а, сле-

довательно, с хорошей комфортностью, что имеет немаловажное зна-

чение при климатических условиях нашей страны.

Для утеплённой обуви применяются также термоэластопласты

(ТЭП). Наличие полидиеновых блоков определяет эластичность и мо-

розостойкость ТЭП, а ПС-блоков – высокие прочностные свойства

материала. Оптимальными свойствами обладают трёхблочные поли-

меры с содержанием стирола до 20-З0%. Пористые формованные по-

дошвы на основе ТЭП отличаются стабильностью размеров (в отли-

чие от пористых резин), износостойкостью (уступают лишь ПЭУ-

подошвам), более высоким сопротивлением скольжению по сравне-

250

нию с ПЗУ, морозостойкостью (до -60°С) и стойкостью к изгибам. Их

большим преимуществом является способность отходов производства

и изношенных изделий перерабатываться вторично. В принципе, мо-

жет быть организовано безотходное производство. Однако существу-

ют определённые трудности, связанные с качественным приклеивани-

ем подошв на основе бутадиен-стирольных ТЭП. Эффективным сред-

ством улучшения прочности крепления подошв является галогениро-

вание их поверхности перед нанесением полиуретанового клея.

Подошва из полиуретана для утеплённой обуви применяется

реже, чем пористые резины и ТЭП. Они обладают хорошими физико-

механическими свойствами: их истираемость в два раза меньше по

сравнению с пористой резиной, химической стабильностью, морозо-

стойкостью (до - 20 °С).

Подошва должна обладать высоким сопротивлением скольже-

нию. В настоящее время разработана система безопасности анти-

скольжения «ОС SYSTEM» (Италия) с подвижной скобой, которая

может быть использована в двух положениях: Grip-on, Grip-off. Сис-

тема создаёт удобство и уверенность при передвижении на обледене-

лой поверхности. В положении «Grip-on», благодаря наличию шипов,

система позволяет передвигаться по обледенелой поверхности, пре-

дотвращая при этом скольжение и падение. В положении «Grip-off»

поверхность с шипами «убирается» (переворачивается), ходовая по-

верхность становится плоской, сто позволяет передвигаться по тради-

ционному напольному покрытию без нанесения каких-либо повреж-

дений. [6]

Теплообмен через низ обуви осуществляется за счёт теплопро-

водности материалов низа и зависит от теплопроводящей способности

материала опоры: чем она выше, тем быстрее отводится тепло от обу-