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

Подождите немного. Документ загружается.

251

ви. Так, например, на мокром снегу, металлических плитах стопа ох-

лаждается гораздо быстрее, чем на сухом снегу, деревянном полу, при

прочих равных условиях среды и площади опоры обуви о поверх-

ность. Но это вовсе не означает, сто при теплоизолирующей подошве

в утеплённой обуви можно применять для её верха материалы с высо-

кой теплоотдачей.

Выделяют следующие группы обуви:

- с верхом из хромовых кож (хромовая обувь);

- с верхом из юфтевых кож (юфтевая обувь);

- с верхом из меха.

Группа хромовой обуви имеет ряд положительных свойств:

паро- и воздухопроницаемость, надёжность и пластичность, сравни-

тельную лёгкость и эластичность.

Для утеплённой обуви наиболее распространённая группа – с

верхом из юфтевых кож. Она предназначается для носки в наиболее

трудных условиях. Тяжёлые условия эксплуатации определяют и тре-

бования, которым должна соответствовать юфтевая обувь по конст-

рукции и свойствам материалов. Она характеризуется прочной конст-

рукцией, высокой износостойкостью и водонепроницаемостью. По-

следнее качество зависит не только от свойств материалов верха

(лучшими обладают яловочная и конская юфть), но и от степени во-

донепроницаемости конструкции в местах соединения отдельных де-

талей друг с другом. Она наиболее тяжёлая, жёсткая на изгиб, видовое

разнообразие её ограничено, декоративные элементы практически не

используются.

Обувь с верхом из меха – это унты. Для них применяют мех

оленя, собак, мехового опойка и жеребка. Применение шерстяных

тканей и фетра позволяет получать изделия с высокими теплозащит-

252

ными свойствами. Данная обувь сравнительно лёгкая, характеризуется

хорошей способностью поглощать и выводить влагу, имеет высокие

гигиенические показатели по паро- и воздухопроницаемости. Но верх

такой обуви быстро промокает и легко пропускает воду. По показате-

лям надёжности обувь с верхом из меха уступает обуви с верхом из

кожи, так как износ ткани наступает значительно быстрее [9].

При изготовлении обуви материалы, входящие в конструкцию

верха, подвергаются различным обработкам, что оказывает влияние

на тепловые свойства конструкции верха обуви. Дубление – это ос-

новной процесс, который формирует тепловые свойства кож. Для уте-

плённой обуви наиболее часто применяют комбинированное дубле-

ние. При этом одновременно или последовательно применяют раз-

личные дубители. Поскольку каждый вид дубителя имеет свой эф-

фект, то в результате получают кожи, которые имеют большую тол-

щину, наполненность, устойчивость к действию влаги. Наиболее час-

то применяют: хром-танидное, хром-титано-циркониевое и хром-

растительное дубления. По сравнению с комбинированным, расти-

тельное дубление довольно длительное и малоэффективное. Хромовое

дубление чаще применяется для тонких обувных кож. Свойства хро-

мовых кож (пористость, повышенные паро- и воздухопроницаемость)

таковы, что их возможно использовать для классической обуви.

Однако не только дубление оказывает влияние на тепловые

свойства верха обуви, но и отделка. Процесс жирования повышает

гидрофобность и влагонепроницаемость кож. В разные виды кож вво-

дят различное количество жира, в обувной юфти его должно содер-

жаться не менее 26 % [14].

253

Для утеплённой обуви необходима герметизация швов для

обеспечения влагостойкости, которая осуществляется с помощью спе-

циальной мастики [6].

Особенно сказываются на теплозащитных свойствах верха

обуви свойства материалов подкладки. Число слоев в пакете материа-

лов имеет большое значение. Исследования показали, что включение

в многослойную систему обуви хотя бы одного слоя с высоким тер-

мическим сопротивлением приводит к резкому уменьшению тепло-

проводности всей системы. В утеплённой обуви обязательно приме-

няются специальные утеплители, входящие в комплект обуви. Про-

странство между стопой и обувью всегда заполнено прослойками из

волокнистых материалов (трикотаж, текстильные, нетканые или вой-

лочные материалы, натуральный или искусственный мех и другие).

Структура этих материалов включает в себя большое количество воз-

душных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими материалами,

между слоями материалов, а также между поверхностью материалов и

внутренней поверхностью стопы образуются воздушные прослойки

различной толщины и протяжённости, способствующие сохранению

тепла в обуви.

В качестве утеплителя используют полушерстяные ткани,

имеющие определённую теплозащитность. Для подкладки в обуви

также применяют ткани типа тик-саржи, репса, тик-ластика, байку,

фланель. Наиболее часто в качестве утеплителей используют трико-

тажный мех. Ворсовый покров образуется ввязыванием в петли грунта

пучка волокон. Трикотажный мех имеет следующие свойства:

- гигроскопичность;

- влагопоглощение (впитываемость);

- воздухопроницаемость;

254

- паропроницаемость.

В утеплённой обуви воздухопроницаемость должна быть не-

высокой, чтобы нога «дышала» и в то же время, чтобы не было потери

тепла. Высота ворса влияет на внешний вид, сминаемость и сваливае-

мость меха, а от густоты ворса зависят его сопротивление истиранию

и теплозащитные свойства.

Современная наука создала новые синтетические волокна, ко-

торые с успехом применяются в смесках с натуральными. Для обувно-

го меха оптимальным составом является 70-80 % шерсти и 20-30 %

синтетики. Её наличие позволяет сохранить все преимущества нату-

рального волокна и сделать материал более носким. Всё более широ-

кое применение шерстяного меха вызвано красивым внешним видом,

лёгкостью, высоким сопротивлением истиранию, значительно мень-

шей стоимостью по сравнению с натуральным.

В качестве утеплителя используется мех на основе кожи спил-

ка. Это материал, который может воспринимать двухстороннюю

функциональную нагрузку. Поэтому его можно рекомендовать для из-

готовления утепленной обуви.

Использование такого материала- утеплителя исключает при-

менение подкладки и межподкладки. Названный утеплитель получают

склеиванием руна меховой овчины со спилком. Новый материал - мех

на основе кожи из спилка превосходит существующий аналог – мех на

тканевой основе – по утилитарным и эстетическим свойствам. В про-

цессе склеивания руна со спилком или кожей формируется готовый

пакет для производства и утеплённой обуви. Мех на основе кожи из

спилка, в отличие от меха на тканевой основе, по своим теплозащит-

ным свойствам приближен к натуральной овчине. При этом уменьше-

ние высоты волосяного покрова меха на основе кожи из спилка не

255

оказывает существенного влияния на теплозащитные свойства мате-

риала [8].

Соединение деталей между собой, метод их крепления также

вносят дополнительный эффект, влияющий на теплозащитные свойст-

ва обуви. Для утеплённой обуви применяют рантовый метод крепле-

ния. Он наиболее сложный и дорогой, но обувь имеет высокую изно-

состойкость, влагозащитность, защиту верха от внешних механиче-

ских повреждений вследствие расширенной подошвы. Обувь комби-

нированных методов крепления также имеет высокую тепло-

защитность. Литьевой и клеевой методы крепления также применяют

для утеплённой обуви. Обувь литьевого метода крепления влагоза-

щитная, надёжная, похожа на клеевую обувь, но имеет более моно-

литное крепление подошвы по периметру, часто имеет влагозащитный

бортик.

При разработке утеплённой обуви необходимо учитывать мас-

су изделия.

Эксплуатация тяжёлой обуви требует дополнительных физи-

ческих нагрузок, поэтому при конструировании необходимо стре-

миться снизить массу обуви. Особо сильное влияние на неё оказывают

толщина и вид материалов низа и верха обуви [14].

2.14 Исследование стационарного процесса теплообмена в

системе «стопа – обувь – окружающая среда»

2.14.1 Математическое описание процессов теплопроводности

Перенос теплоты теплопроводностью может происходить

только при условии, что в различных точках тела температурное поле

256

неоднородно, т.е. для того чтобы внутри тела возникал тепловой по-

ток, необходимо наличие градиента температуры, отличного от нуля

[16, 91]. Тепловой поток в отличие от температуры имеет определен-

ное направление: от точек тела с более высокой температурой к точ-

кам с более низкой температурой. Для характеристики векторного по-

ля тепловых потоков вводится вектор q, называемый вектором плот-

ности теплового потока. В произвольной точке

непрерывного тем-

пературного поля в изотропном теле вектор

направлен противопо-

ложно градиенту температуры, т.е. его направление совпадает с на-

правлением переноса теплоты, а его значение определяется как коли-

чество теплоты

, проходящее в единицу времени

через едини-

цу площади изотермической поверхности

dSd

q =

(2.95)

Согласно предположению Фурье, тепловой поток через эле-

мент изотермической поверхности определяется значением темпера-

турного градиента в рассматриваемой точке. Опытные данные показа-

ли, что плотность теплового потока прямо пропорциональна градиен-

ту температуры, т.е. вектор плотности теплового потока определяется

соотношением

(

)

,/1 nTqradTq

∂∂−=−=

λλ

(2.96)

где

−

коэффициент пропорциональности, именуемый теплопровод-

ностью.

257

Это равенство и составляет содержание основного закона теп-

лопроводности Фурье. Модуль вектора теплового потока qопределя-

ется по формуле

(

)

./ nTq ∂∂−=

(2.97)

Дифференциальное уравнение теплопроводности, выведенное

на основе общих законов физики, устанавливает связь между времен-

ным и пространственным изменениями температуры в любой точке

тела, в которой происходит процесс теплопроводности. Дифференци-

альное уравнение теплопроводности имеет в общем случае бесчис-

ленное множество решений. Чтобы из этого множества выбрать ре-

шение, характеризующее конкретный рассматриваемый процесс, и

дать полное математическое описание этого процесса, необходимо к

основному дифференциальному уравнению присоединить дополни-

тельные условия, включающие геометрические, физические и краевые

условия.

Геометрические условия определяют форму и линейные раз-

меры тела.

Физические условия определяют теплофизические параметры:

−

коэффициент теплопроводности (Вт/(м·ºС)),

−

коэффициент

температуропроводности (м²/ч),

−

плотность тела (кг/м³),

−

удельную теплоемкость тела (Дж/(кг·ºС)),

−

объемную плотность

теплового потока (Дж/(м³·ºС)).

Краевыми условиями называют совокупность начальных и

граничных условий. Начальные условия задаются только при изуче-

нии нестационарных процессов и состоят в задании распределения

температуры внутри тела в момент времени, выбранный за началь-

258

ный. Граничные условия отображают условия теплового взаимодей-

ствия между окружающей средой и поверхностью тела.

Граничные условия 1 рода. Задается распределение температу-

ры на поверхности S тела как функция координат и времени

.,,),,,,( SzyxzyxT

∈

(2.98)

К граничным условиям 1 рода можно отнести задачи разогрева

и охлаждения системы при заданном изменении температуры на гра-

нице или при весьма интенсивном теплообмене на поверхности, когда

температура поверхности близка к температуре среды.

Граничные условия 2 рода. Задается распределение плотности

теплового потока на поверхности тела как функция координат и вре-

мени и согласно закону Фурье записывается в виде

,,,),,,,( Szyxzyx

∈=













∂

−

τψλ

(2.99)

где

−

внутренняя нормаль к поверхности S.

Граничные условия 3 рода. На поверхности тела задается зави-

симость плотности теплового потока вследствие теплопроводности со

стороны тела от температур поверхности тела

и окружающей сре-

ды

В случае охлаждения (нагрева) тела имеем

),(

cSS

TTq

−

(2.100)

где

−

коэффициент пропорциональности, называемый коэффициен-

том теплоотдачи (теплообмена), Вт/(м²·ºС). Он характеризует интен-

сивность теплового взаимодействия среды заданной температуры

поверхностью тела. Уравнение (2.6) выражает закон Ньютона. Плот-

ность потока, подводимая (отводимая) за счет теплопроводности к

(от) поверхности тела, определяется по закону Фурье. Следовательно,

259

на основании закона сохранения энергии с учетом уравнений (2.2),

(2.6) имеем

( )

−=













∂

−

αλ

(2.101)

где

−

внутренняя нормаль к поверхности тела.

В отличии от

коэффициент теплоотдачи

не является фи-

зической постоянной, характерной для того или иного вещества. В

общем случае он отражает совместное действие конвекции, теплопро-

водности и зависит от многих факторов.

Граничные условия сопряжения 4 рода соответствуют тепло-

обмену поверхности тела с окружающей средой или теплообмену со-

прикасающихся твердых тел, когда температура соприкасающихся

поверхностей одинакова. Задаются они как условия равенства темпе-

ратуры и плотностей теплового потока на поверхности соприкоснове-

ния двух сред (или тел):

;

21 SS

(2.102)

∂

λλ

(2.103)

где

∂

означает дифференцирование вдоль нормали к поверхности

раздела. Условия (2.102)-(2.103) называют еще условиями идеального

теплового контакта.

2.14.2 Прохождение тепла через многослойные системы обувных

материалов при стационарном температурном процессе

Математическая модель стационарного теплового процесса не

дает, конечно, ответ на вопрос о времени, в течение которого возмож-

260

но комфортное пребывание в той или иной обуви в условиях холода.

Но при некоторых предположениях можно рассчитать размеры систе-

мы теплоизоляционных материалов, обеспечивающие критическое

(минимальное или максимальное) суммарное тепловое сопротивление

отдельных участков обуви. В работе Кондратьевым Г.М. развивается

теория критического размера «наихудшей» теплоизоляции для сфери-

ческой и цилиндрической поверхностей, при котором тепловые поте-

ри будут максимальными.

Вишневским С.А. и Луцыком Р.В. в работе решается противо-

положная задача, в которой определяются критические размеры теп-

лоизоляции утепленной обуви и одежды, соответствующие мини-

мальному удельному тепловому потоку на поверхности стопы (тела)

человека. Рассматривается задача о максимизации суммарных тепло-

вых сопротивлений для двухслойных цилиндрической или сфериче-

ской стенок, а также для двухслойной пластины конечных размеров

(призмы), работающих в стационарном тепловом режиме.

Суммарные тепловые сопротивления для двухслойных цилин-

дрической и сферической стенок соответственно равны

;

)(













++=

αλλ

321

211

111

)(

























−+













−=

αλλ

Здесь предполагается, что внутренний диаметр

является пе-

ременной величиной, внешние диаметры первого и второго слоев

constdconstd

; коэффициенты теплопроводности слоев

≠

;

−

коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности стен-

ки. Методами математического анализа находятся точки максимума