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

Подождите немного. Документ загружается.

281

1 – пробы материалов; 2 – нагреватель; 3 – холодильники;

4 – вакуумный колпак; 5 – электросекундомер; 6 – источник питания;

7 – прибор для регистрации температуры пробы материала; 8, 16 – трубопроводы;

9 – вакуумметр; 10 – форвакуумный и паромасляные насосы; 11 – ультратермо-

стат; 12, 14 – вакуумные вентили; 13 – трубка; 15 – вакуумная плита; 17 – измери-

тель перепада температур на пробах материала

Рис. 2.25. Схема установки для определения характеристик теплофи-

зических свойств материалов

Тепловое сопротивление – R(м²·К/Вт) материалов вычисляет-

ся по формуле:

(2.117)

При определении теплофизических характеристик обувных

материалов использовалась методика, изложенная в [44].

Экспериментальные значения коэффициентов теплопроводно-

сти и тепловые сопротивления измеряемых обувных материалов пред-

ставлены в таблице 2.23.

282

Т а б л и ц а 2.23

Показатели теплофизических свойств материалов

Наименование материала

Толщина

материала,

мм

Коэффи-

циент те-

плопро-

водности,

λ,

Вт/м·ºС

Тепловое

сопротивле-

ние, R,

м²·ºС/Вт

1. Меховая овчина

2. Искусственный мех на

трикотажной основе

3. Искусственный мех на

тканевой основе

4. Искусственный мех с

полушерстяным ворсом

5. Байка обувная

хлопчатобумажная

6. Байка обувная полушерстяная

7. Ткань дублированная для верха

обуви группы А

8. Материал нетканый

иглопробивной дублированный

9. Байка суровая

10. Драп полушерстяной

11. Сукно полушерстяное

12. Ткань обувная для

межподкладки

13. Бязь суровая

14. Тик-саржа

15. Полукожник хромового

дубления для верха обуви

16.

Выросток хромового дубления

12,41

13,05

5,59

7,93

1,71

4,20

4,85

1,34

1,00

1,60

0,98

0,30

0,32

0,88

1,42

1,59

0,039

0,046

0,049

0,04

0,0520

0,038

0,0690

0,0548

0,045

0,0385

0,0411

0,038

0,055

0,07

0,052

0,318

0,284

0,114

0,198

0,033

0,111

0,0703

0,024

0,0222

0,0356

0,0254

0,007

0,008

0,016

0,02

0,03

283

для верха обуви

17. Кожа для верха обуви – шевро

18. Кожа для верха обуви КРС –

нубук

19. Подкладочная кожа – козлина

20. Подкладочная кожа – спилок

21. Кожа стелечная ХРС дубления

22. Кожа подошвенная ХРС

дубления

23. Непористая резиновая пластина

24. Картон для простилок

25. Картон с повышенным содер-

жанием кожевенного волокна

26. Картон «Texon»

1,02

0,90

0,51

0,96

2,47

3,62

4,28

2,2

3,14

2,11

0,047

0,049

0,069

0,071

0,12

0,13

0,26

0,09

0,12

0,099

0,022

0,018

0,007

0,014

0,021

0,028

0,0165

0,026

0,021

Как и физико-гигиенические свойства, теплофизические ха-

рактеристики, полученные разными методами, лишь условно сравни-

мы. Их величины зависят от условий проведения испытаний: удельно-

го давления на образец, его начальной температуры и влажности (вла-

госодержания) материала. В большинстве ранее проведенных иссле-

дований определяли условные, по выражению А.В. Лыкова, теплофи-

зические характеристики обувных материалов при нормальных усло-

виях, а не истинные при влагосодержании, соответствующие реаль-

ным условиям эксплуатации обуви.

При исследовании характеристик теплофизических свойств (

и R) материалов: тканей, кож, искусственных кож и меха, комплекс-

ных и триплированных материалов Жихаревым А.П.[40, 44,45] уста-

новлено, что наиболее существенные изменения исходных характери-

стик наблюдаются при комплексном действии влаги и силового дав-

ления. При возрастании влагосодержания до 40% и давления до

284

157,35 кПа наблюдается снижение теплового сопротивления материа-

лов, что вызвано увеличением площади контакта между структурны-

ми элементами, уменьшением интегральной пористости материалов

или средней плотности.

2.14.5 Влияние силового давления на толщину и теплофизические

свойства искусственного и натурального меха

Действие на материал внешней силы при сжатии, одноосном

растяжении и изгибе приводит к сближению структурных элементов,

при этом изменяются толщина, средняя плотность, пористость и дру-

гие характеристики строения и геометрических свойств материалов.

Поскольку эффективная теплопроводность материалов тесно связана с

содержанием воздуха в объеме материала, то изменение геометриче-

ских характеристик и пористости материала должно отразиться на те-

плопроводности и тепловом сопротивлении [44].

Действие на материал внешнего давления приводит к измене-

нию исходной толщины материала (таблица 5 приложений), которая

является одной из характеристик при расчете

и R уравнения (2.116).

Если не учитывать изменение исходной толщины материалов при

действии внешнего силового давления, то это искажает значения

и R

материалов в несколько раз. Так, например, при изменении давления

до 157,35 кПа толщина искусственного меха арт. 9103 уменьшилась с

9,95 мм до 1,87 мм. Если при расчете теплового сопротивления мате-

риала при давлении 157,35 кПа взять исходную толщину материала в

9,95 мм, то значение теплового сопротивления будет завышено в 5,3

раза, что приводит к изменению истинных значений теплозащитных

свойств этого материала [44]. Были проведены эксперименты по оп-

ределению зависимости толщины меха от действия давления в диапа-

285

зоне от 0,5 кПа до 20 кПа. Были взяты образцы натурального и искус-

ственного меха в форме круга диаметром 8 см. В таблице 2.24 пред-

ставлены исходные данные материалов и динамика изменения толщи-

ны меха при различном давлении.

Т а б л и ц а 2.24

Зависимость толщины меха от действия давления

Наименование

материала

Масса груза

(кг)

Толщина меха

(мм)

Давление

(кПа)

Натуральная овчина

ГОСТ 4661-76

0,4

0,5

8,8

8,1

7,5

6,1

5,7

4,5

3,5

0,5

Искусственный мех

на трикотажной

основе

ТУ 17-09-87-82

0,4

0,5

7,3

6,5

6,1

5,5

4,4

3,5

0,5

286

На рисунке 2.26 представлена динамика изменения толщины

натурального меха, а на рисунке 2.27 – динамика изменения толщины

искусственного меха под действием давления.

Рис. 2.26. Зависимость толщины натурального меха от действия дав-

ления

Рис. 2.27. Зависимость толщины искусственного меха от действия

давления

287

В дальнейшем при теоретических расчетах зависимости темпе-

ратуры внутриобувного пространства от времени учитывалось изме-

нение толщины меха и коэффициента теплопроводности при давлении

стопы человека 20 кПа.

288

Глава 3

Разработка математической модели системы «человек –

одежда – окружающая среда»

Существующая актуальная потребность в средствах индивиду-

альной защиты сопряжена с большими материальными и объектив-

ными сложностями, которые возникают при разработке и тестирова-

нии новых образцов защиты человека от окружающей среды. Подчас

испытатели рискуют в большей степени, тестируя образец в макси-

мально допустимых условиях, в отличие от тех, для кого предназна-

чаются разрабатываемые комплекты индивидуальной защиты. Поэто-

му математическое моделирование системы «человек – одежда – сре-

да» (Ч-О-С), – эффективный инструмент, позволяющий сократить

число натурных экспериментов [1,2].

С другой стороны отдельно от задач инженерного проектиро-

вания одежды существует математическое моделирование системы

«Ч-О-С», которое нацелено на исследование состояния человека в

рамках поставленных условий моделирования [3]. В системах автома-

тизированного проектировании одежды инженером-конструктором

задаются коэффициенты на основании своего опыта и интуиции, а

также общепринятых расчётов, базирующихся на математических мо-

делях малой точности.

Разработка математических моделей системы «Ч-О-С», позво-

ляющих создать алгоритмы расчета исходных параметров для САПР

средств индивидуальной защиты человека является актуальной и пря-

мой задачей математического моделирования в рамках разработки

средств индивидуальной защиты человека от высоких и низких темпе-

ратурных условий.

289

3.1 Существующие методики оценки и анализа теплового со-

стояния человека

Организм человека можно представить как уникальную систе-

му, рациональное взаимодействие составляющих которой, обеспечи-

вает ее бесперебойное функционирование. На рис. 3.1. представлена

структура взаимосвязи основных систем организма человека [4,5,6,7].

Температурный режим

Кожа Жир

Мышцы

Чувствительные

рецепторы

Пищеварительная

система

Сердечно

сосудистая система

Нервная

система

Система

дыхания

Кровь

Моче

половая

система

Световой режим

Газовый состав

Организм человека

Окружающая среда

Рис. 3.1. Система взаимосвязи компонентов организма человека

в условиях окружающей среды

Несмотря на сложный массив воздействующих внешних фак-

торов, тепловой баланс человека обеспечивается рационально скон-

струированной системой тепловой защиты, которая компенсирует

воздействие среды на человека там, где его физиологическая и хи-

290

мическая терморегуляция уже не способна это полностью обеспе-

чить.

Таким образом, степень рациональности теплозащитной кон-

струкции определяется правильностью учета физиологических теп-

ловых характеристик, на основе которых возможно произвести рас-

четы параметров отдельных элементов системы индивидуальной

защиты человека от температурного потока. Известна методика

расчета средневзвешенной толщины одежды на основании физиоло-

гических особенностей человека [1,2,8].

По этой методике с учетом заданных условий определяется

величина радиационно-конвективных теплопотерь с поверхности

тела человека, Q

рад. конв.

, (Вт).

По табл. 3.1. определяются потери тепла на нагрев вдыхае-

мого воздуха при заданной мощности энергозатрат и фактической

температуре окружающей среды.

Т а б л и ц а 3.1

Потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, Вт

Температура окружающей среды,

°С

Энер-

го-

затра-

ты,

Вт 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60

116 6,1 7,3 8,1 9,1 10,1

11,2

12,2

13,2

14,5

15,2

16,2

17,3

18,3

174 8,1 9,4 10,8

12,2

13,6

14,8

16,2

18,0

18,9

20,0

21,7

23,0

24,4

232 10,8

12,6

14,4

16,2

18,0

19,8

21,6

23,4

25,2

27,0

28,8

30,6

32,5

292 12,2

14,3

16,2

18,3

20,3

22,4

24,4

28,5

28,4

30,5

32,5

34,6

36,6

349 14,6

17,0

19,6

22,0

24,4

26,9

29,3

31,8

34,4

36,5

39,1

41,6

44,1

407 17,0

19,8

22,7

25,5

28,4

31,3

34,1

36,9

39,7

42,6

45,3

48,2

51,1

465 18,3

21,5

24,5

30,6

33,7

36,8

40,0

43,0

45,8

49,0

52,3

55,2