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

Подождите немного. Документ загружается.

291

Величина Q

дых.

получается интерполяцией соответствующих

данных табл. 1. Путем подстановки необходимых величин в форму-

лу (3.1) получают величину радиационно – конвективных теплопо-

терь:

30,68,072,0

...

+−+=

ДЫХКОНВРАД

МQ

(3.1)

По формуле (2.) может быть определена плотность теплового

потока с поверхности тела человека:

КОНВРАД ..

= , (3.2)

где

- величина средней площади человека, берется из приведенных

Столвийком в [5,6] результатов, полученных Дюбуа, где средний рост

мужчины 1,72 м, масса 74,4 кг, площадь поверхности тела 1,89 м

, на

основе которых далее рассматривается модель тела человека, изло-

женная в работах Столвийка [6].

Основной теплозащитной характеристикой одежды является

суммарное термосопротивление, R, Вт/(м⋅

С), которое определяется

по следующей формуле:

ВK

−

= , (3.3)

где t

– средневзвешенная температура кожи,

С; t

– температура

воздуха,

С.

С учетом выполняемых физических работ, что определяет ве-

личину энергозатрат человека, M, [1,2,8,9], средневзвешенная темпе-

ратура кожи может быть рассчитана по формуле:

ксв

0354,007,36

−= . (3.4)

292

В случае необходимости определения средневзвешенной тем-

пературы кожи для условий, приближенных к реальным, целесообраз-

но произвести непосредственные замеры температуры кожи на соот-

ветствующих точках, количество и место размещения которых опре-

деляется в зависимости от вида исследования: лабораторного или на-

турного. Средневзвешенная температура кожи может быть рассчитана

по различным методикам, учитывающим совокупность набора от-

дельных наиболее характерных мест (точек) на поверхности тела че-

ловека, которых может быть использовано 5, 7, 8, 11. Показатели

средневзвешенной температуры кожи являются контрольными для

оценки общего теплового состояния человека.

В случае проведения лабораторных исследований наиболее

объективной считается 11-точечная система измерений [2,3], расчет

на основании которой производится по следующей формуле (стопы,

плечи и т.д. имеют по 2 значения):

св.к

= 0,0886 t

к.лба

+ 0,034 t

к.тул

+0,134 t

к.плеча

+0,045 t

к.кисти

+0,23 t

к.бедра

+0,125 t

к.голени

+ 0,0644 t

к. стопы

. (3.5)

В случае проведения натурных (производственных испытаний)

измерения проводят по 5-точечной схеме Витте, учитывающей темпе-

ратуру лба, груди, бедра, голени и кисти [2,9,10,11].

Расчет средневзвешенной температуры кожи t

cв.к

, °С осущест-

вляется по формуле:

к.св

= 0,07t

лбак.

+0,5t

грудик.

+0,05t

кистик.

+ 0,18t

бедра

+0,2t

голеник.

. (3.6)

Расчет средней температуры тела t

тср.

, °С производится по формуле:

т.ср

= Кt

+(1-К)

к.св

, (3.7)

где величина К (коэффициент смешивания) определяется из табл. 2

[2].

293

Для использования данных таблице 3.2 проводится предвари-

тельный расчет величины М/S.

Т а б л и ц а 3.2

Коэффициент смешивания температуры тела при различных

теплоощущениях и энергозатратах

Энергозатраты, М/S, Вт/м

70 88 113 145 178

Теплоощущение

(оценка)

Коэффициент смешивания

Холодно 0,55 0,57 0,59 0,62 0,64

Прохладно 0,57 0,58 0,60 0,64 0,65

Слегка прохладно 0,59 0,60 0,63 0,65 0,67

Комфорт 0,62 0,64 0,65 0,67 0,69

Слегка тепло 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70

Тепло 0,79 0.77 0,74 0,72 0,72

Жарко 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73

Толщина плоского пакета

δδ

, который может обеспечить такое

термосопротивление (R), можно определить по следующей формуле:

⋅

, (3.8)

где

λλ

– эквивалентный коэффициент теплопроводности пакета,

Вт/(м⋅

С).

Фактическое термосопротивление пакета с учетом кривизны

тела рассчитывается, согласно [12] по формуле:

Фn

⋅

, (3 9)

294

где R

– термосопротивление плоского пакета, м

⋅

С/Вт; R – термосо-

противление пакета, имеющего кривизну участка тела, м

⋅

С/Вт;

– коэффициент формы участка тела.

Формула (3.9) справедлива для идеализированного участка те-

ла. Для всего тела человека, которое имеет сложную форму, величина

оценивается приблизительно с учетом представления человека,

стоящего по стойке «смирно» руки по швам, ноги вместе, в виде «ко-

кона», равномерно покрытого теплоизолирующим слоем [12,13].

Величина κ

оценивается по среднему значению радиуса кри-

визны «кокона», а величины r

max

и r

min

рассчитаны по результату изме-

рений человека с размерными признаками 176-100-88:

По величине отношения (δ

ср.

+ r

ср

)/r

ср

по графику на рис. 3.2

можно определить κ

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 ,7

0 ,8

0 ,9

1 2 3 4 5 6

Рис. 3.2. График зависимости коэффициента формы k

от отношения

радиусов наружной поверхности теплоизоляции (r

) и изолируемой

поверхности (r

)

По формуле (3.8) рассчитывается средневзвешенная толщина

пакета с учетом кривизны δ

ср

295

Последующая задача расчета теплозащитной и теплоизоли-

рующей одежды заключается в рациональном распределении средне-

взвешенной толщины по отдельным участкам тела с учетом эффек-

тивности их утепления, которое определяется интенсивностью тепло-

излучения в заданных зонах в реальных (прогнозируемых) условиях

эксплуатации.

Учитывая то, что условий реальной эксплуатации специальной

теплозащитной и термозащитной одежды существует великое множе-

ство, для решения определенных задач проектирования одежды необ-

ходимо выделить определенный тип защитной конструкции и способ

температурной компенсации. Выделенный способ необходимо рас-

смотреть в математической модели системы «человек-одежда-среда».

Математическое моделирование позволит получить необходимые для

инженерных расчетов данные. В результате будет спроектировано из-

делие, которое без непосредственного участия человека в продолжи-

тельных трудоемких экспериментах будет учитывать целевые условия

окружающей среды.

3.2 Существующие методики математического моделирования

систем «Ч-О-ОС» и их практическое применение при проектировании

теплозащитной одежды

В работах [12,13] рассмотрены методики проектирования оде-

жды для защиты от холода. Эти методики эффективны при создании

бытовой и рабочей теплозащитной одежды. Однако они не учитывают

все возрастающих требований к специальной теплозащитной одежде.

Ошибкой в данном случае являются достаточно высокие допущения

при построении геометрических и математических моделей систем

296

«человек - одежда - окружающая среда». Новые требования ограничи-

вают допустимый предел массы спецодежды, требуют увеличения

длительности пребывания в условиях пониженных температур до не-

скольких суток. Новые комплекты согласно требованиям МЧС [13,14]

должны быть рассчитаны для работы при температуре внешней среды

-60°С, а также высоких температур (100-120

С).

Получена классификация теплозащитных костюмов в зависи-

мости от определённого интервала температур в прогнозируемой зоне

пребывания (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Диапазоны температур для проектирования специальной

одежды

Рассмотренные методики проектирования специальной одеж-

ды [12,13,14,15] не удовлетворяют каждой частной задаче, так как не

могут адекватно оценить состояние человека в указанных условиях.

Эффективным методом решения задач, встающих при проек-

тировании различных видов специальной теплозащитной одежды, яв-

ляется математическое моделирование. Математическая модель теп-

0 30 120

С -50 -60

Оптимизационные модели

Имитационные модели (в воде)

Неисследованная

область темпера-

тур

Неисследованная область тем-

ператур

297

лового состояния системы "человек – одежда – окружающая среда"

позволяет провести уточненный расчет одежды, оценить диапазон

внешних условий, в которых применима данная одежда, изучить ди-

намику теплового режима человека.

Определенные на математической модели тепловые характери-

стики системы: температура тела и кожи, топография теплового пото-

ка с поверхности кожи и одежды, дают полную информацию о каче-

стве разрабатываемой одежды. Преимущество метода математическо-

го моделирования заключается в том, что он позволяет оценить пове-

дение системы при любом сочетании параметров. При этом сокраща-

ется количество экспериментальных образцов одежды и отпадает не-

обходимость проведения ряда натурных экспериментов, в особенно-

сти труднопереносимых человеком.

С точки зрения термодинамики организм человека представля-

ет собой сложную систему, отличающуюся высокой стабильностью

температур внутренних областей тела при возможных значительных

колебаниях температуры кожи и интенсивности теплообмена между

телом и внешней средой [15,16].

В общем случае, математическая модель должна описывать

процесс теплопередачи из глубинных слоев тела человека через одеж-

ду в окружающую среду. При этом необходимо учитывать, такие теп-

лофизические характеристики тела и одежды, как тепло, генерируе-

мое в тканях тела человека, внешнюю температуру среды и т.д.

Методы математического моделирования, однако, не позволя-

ют полностью учесть все факторы. Это связано, в первую очередь, с

ограниченной мощностью средств, на которых математические моде-

ли реализуются (ЭВМ), и с неизбежным возрастанием погрешности

при увеличении количества элементарных операций. Поэтому все ма-

298

тематические модели основываются на существенной схематизации

процесса формирования теплового состояния человека, а также его

антропометрических характеристик.

Известные модели можно подразделить на статические [12,13]

и динамические [9,10,], в которых в качестве математического описа-

ния используется соответственно стационарное или нестационарное

уравнения теплопроводности. Модели описывают тепловое состояние

части тела или всего тела, и учитывают: теплопроводность и метабо-

лическую теплопродукцию тканей тела, конвективный теплообмен

между кровью и тканями, теплопотери с поверхности кожи в воздуш-

ную среду радиацией, конвекцией и испарением. В этих моделях тело

человека представляется цилиндром [12], плоским слоем [13] или на-

бором других геометрических тел [5,6,8,9].

Аппроксимирующие человеческое тело фигуры рассматрива-

ются, как системы с распределенными или сосредоточенными пара-

метрами [2,5,6,7,8,9,12,13]. При аппроксимации тела одним цилин-

дром [12] можно говорить, только о приближенном воспроизведении

теплового режима человека. Грубое приближение обеспечивается мо-

делями, в которых теплопроводность, теплопродукция и теплопотери

тканей тела, принимаются постоянными по всей толщине цилиндра

или слоя [2,12]. Большинство авторов не учитывают систему физиоло-

гической терморегуляции человека. Они рассматривают человека в

комфортных условиях, когда механизмы терморегуляции бездейству-

ют. В работах [5,6,12] учитывается система терморегуляции. Кровоток

в тканях, метаболическая теплопродукция и теплопотери испарением,

рассматриваются как функции, средней температуры тела [9,10]; тем-

299

пературы мозга и средней температуры кожи [12]; температуры мозга,

кожи и теплового потока с поверхности кожи [13].

Наиболее полной является модель, описанная в работе

[10,12,13]. В более поздних работах на основе данных экспериментов

уточнялись отдельные параметры системы «человек - окружающая

среда». Наиболее точное согласование расчетных и эксперименталь-

ных результатов получено в модели [10], учитывающей кровоток и

уточненные данные теплофизических и физиологических параметров

тела.

Несмотря на обилие работ, посвященных теплообмену системы

«человек – окружающая среда», исследованиям человека в теплоза-

щитной одежде при экстремальных температурах уделяется весьма

мало внимания. Наиболее значительные работы в этой области по-

священы исследованию системы «человек – одежда – окружающая

среда» [9,10] в воде. В этих работах созданы динамические модели

теплообмена. В воде существенное влияние на тепловое состояние

системы, оказывает теплоотдача в воду с поверхности водолазного

костюма. Согласно данным [10] вода отнимает тепла в 11 раз больше,

чем воздух той же температуры. Такой мощный отток тепла с поверх-

ности одежды определяет необходимость применения динамической

математической модели теплообмена системы «человек - одежда - ок-

ружающая среда».

Для расчетов теплового состояния системы «человек – одежда

– окружающая среда» в воздухе при температурах от –50 до 20

С дос-

таточно рассматривать статическую математическую модель. Приме-

рами могут служить результаты работ [2,12]. Однако, ошибки геомет-

рического представления модели, не дают качественные результаты,

300

которые дают право выпускать необходимую теплозащитную продук-

цию для определённых температурных условий.

Динамическая модель необходима в том случае, когда сущест-

венно увеличиваются кондуктивные теплопотери, или человек в сис-

теме работает в большом диапазоне физической активности. Описан-

ные выше математические модели ставят задачу определения поведе-

ния системы «человек - одежда - окружающая среда» при различном

сочетании параметров одежды и среды. Эти модели составляют класс

имитационных моделей, т. е. таких, которые, имитируют поведение

системы в различных условиях. Проанализировав расчеты толщины

утеплителя, можно остановиться на оптимальном подходе.

Задача математического моделирования может быть решена и

другим способом: параметры одежды, обеспечивающие комфортное

состояние человека в системе «человек – одежда – окружающая сре-

да», определяются на первых этапах, согласно заранее заданных усло-

вий пребывания. Решение такой задачи в рамках описанных модель-

ных представлений с учетом метаболических реакций в органах чело-

века, реакций «гусиная кожа» и прочих, практически невозможно по

техническим причинам. Поэтому данный подход требует существен-

ного упрощения модельных представлений (он был реализован в ра-

боте [10]).

Общим недостатком математических моделей «человек – оде-

жда – окружающая среда» является их слабая увязка с конкретными

конструктивными решениями в создаваемой одежде. Это связано с

весьма конструктивным представлением модели тела человека в виде

цилиндров и шара, в то время как туловище человека по своей форме

сечения приближается к эллипсу. В работе [13] представлена матема-