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

Подождите немного. Документ загружается.

351

Рис.4.2. К определению

искомого значения термического

сопротивления пакета R

п и

по

заданным исходным данным:

1 – ω

= 0 м/с; 2 – 10 м/с.

Рис. 4.3. Универсальная

диаграмма зависимости R

п и

от различных значений q

св

, t

, ω

1 – ω

= 0 м/с; 2 – 2; 3 – 6 ;

4 – 20 м/с.

Полученное значение R

п и

является основой для разработки ва-

риантов пакетов одежды (обуви). Сочетание метода прогнозирования

с экспериментальными исследованиями теплофизических свойств па-

кетов в воздушно-сухом состоянии и в динамике влагопоглощения по-

зволит получить более обоснованное и качественное решение.

Анализ результатов расчета на ЭВМ (исходные данные:

=ε

=0,90; δ

в.г

=5-10

-3

м; h

=1 м; d

э.х

=0,666 м, (рис. 4.2) позволяет

установить ряд закономерностей.

352

1. Важнейшим фактором, определяющим искомое значение R

, является вид выполняемой трудовой деятельности (энергозатраты

э.3

), так как q

св.к.

= f(q

э.3

) .

2. Получен линейный характер зависимости R

п и

= f(t

). На ве-

личину R

п и

(кроме t

) значительно влияет и скорость воздуха ω

, обте-

кающего лицевую поверхность одежды (обуви). С увеличением ω

растет и необходимое значение R

п и

3. Разработанная математическая модель по прогнозированию

величины R

п и

является универсальной. При необходимости она мо-

жет быть уточнена и перестроена. Если на первой стадии исследуется

влияние важнейших факторов на R

п и

э.3

, q

св.к.

, t

, ω

) то на второй –

решение уточняется для действительных значений (ε

, ε

), различ-

ных толщин воздушных прослоек (δ

) и размеров (h

, d

э.х.

4.1 Оценка нестационарных влаго- и теплообменных процес-

сов в пакетах обувных материалов

В основе метода лежат экспериментальные данные по влаго-

поглощению (кривые сорбции) и соответствующие им теплофизиче-

ские характеристики исследуемого пакета (слоя) материалов. Расчет

включает определение предельного времени комфортности по усло-

виям влагопоглощения τ

вл

и теплообмена τ

. Известны и другие на-

правления решения рассматриваемой задачи [1].

Значение этих вопросов возросло в связи с широким использо-

ванием в обувном производстве искусственных и синтетических ма-

териалов, имеющих специфические свойства, влияющие на влагооб-

мен между стопой и обувью.

353

4.1.1 Влагообмен

Допущения: пакет материалов представляем в виде эквива-

лентной системы, состоящей из одного условного слоя (рис. 4.4); во-

дяной пар (влага), выделяемый стопой, через воздушный слой равно-

мерно подводится к внутренней поверхности пакета материалов; воз-

душная прослойка со стороны стопы имеет постоянную относитель-

ную влажность φ

и дополнительного количества влаги не восприни-

мает (М

= 0).

Рис. 4.4. Система обозначений тепловых потоков, температур

и геометрических параметров пакетов материалов

Комфортность по влагопоглощению будет существовать, если

выполняется условие

(4.10)

где τ

вл

– расчетное время комфортной носки изделия по условиям

влагопоглощения, с;

354

с.п.

– количество водяного пара, подводимого стопой в единицу вре-

мени к внутренней поверхности пакета, кг/с;

– количество влаги, воспринятой пакетом материалов за время τ

пр

(продолжительность процесса влагопоглощения на всю толщину па-

кета, с), кг;

вд

– количество водяного пара, отводимого с лицевой поверхности

пакета в окружающую среду, кг .

Величины М

сп

и М

вд

определяются по формулам

(4.11)

где F

– площадь поверхности стопы, м

;

– количество водяного пара, выделяемого поверхностью стопы в

единицу времени (принимается по опытным данным работы [2] в за-

висимости от времени года и выполняемой работы), кг/с;

вд

– расчетная плотность потока массы водяного пара, удаляемого с

лицевой поверхности пакета в окружающую среду, кг/(м

·с).

Из условия равенства правой и левой частей формулы (4.10)

находим

(4.12)

Неизвестными в формуле (4.12) являются М

, τ

пр

, τ

вл

(см. фор-

мулы (4.13), (4.15), (4.17).

Применительно к пакету материалов (рис. 4.4) диффузионный

процесс переноса влаги можно определить по формуле

(4.13)

355

где D

– эквивалентный коэффициент диффузии водяного пара

(влаги) через пакет материалов, м

/с;

∆Р

п1

= Р

п1

– Р

пz

– разность парциальных давлен

ий водяного

пара на границах пакета, Н/м

;

– толщина пакета, м;

R – газовая постоянная водяного пара, Дж/кг·К;

– средняя температура пакета, К.

Рис. 4.5. К определению эквивалентного коэффициента диффузии

водяного пара (влаги) через пакет материалов (кривая сорбции)

Относительная влажность воздуха на границах пакета

, где P

п1

= f (t

), P

пz

= f (t

в0

) — давление насы-

щения, соответствующее температуре влажного воздуха, Н/м

Выражение (4.13) приводится к виду

(4.14)

356

Рис. 4.6. Зависимость коэффициента теплопроводности λ

пi

и объем-

ной теплоемкости С

опi

(пакета материалов от его относительной

влажности

(продолжительности процесса сорбции τ

)

Время сорбционного процесса влагопоглощения вычисляется

по зависимости

(4.15)

Формула(4.15) получена из условия, что водяной пар (влага)

движется через пакет материалов со средней линейной скоростью,

м/с,

В формуле (4.15) не учитывается диффузия водяного пара в

воздушной прослойке межобувного пространства D

в.

По сравнению

со значениями D

обувных материалов [3] величина D

оказывается на

несколько порядков выше, а поэтому сорбционные процессы в воз-

душной прослойке не будут существенно влиять на влагопоглощение.

Расчетная величина коэффициента диффузии D

вычисляется

по половинному времени кривых сорбции (рис. 4.5) [3], т.е.

357

(4.16)

где τ

0,5

— половинное время процесса сорбции, т. е. время, необходи-

мое для поглощения пакетом материалов количества водяного пара

(влаги) М

=0.5 М

∞

, с.

Теплофизические исследования проводятся по методу двух тем-

пе-ратурно-временных интервалов [4] при одинаковых направлениях

теплового потока и диффузионных процессов переноса водяного пара

(влаги).

Количество влаги М

, воспринятое пакетом материалов за про-

межуток времени τ

, вычисляется по формуле

(4.17)

где М

— масса пакета (слоя) в процессе его увлажнения, кг;

в.с.

— масса пакета (слоя) материалов при нормальном воздушном

состоянии, кг;

— относительная влажность пакета (слоя), соответствующая вре-

мени сорбции τ

Величина m

в.д.

определяется по половинному времени процес-

са сорбции m

в.д.i

= f (τ

) (внешняя диффузия) по аналогии (рис. 4.4), где

. (4.18)

4.1.2 Теплообмен

Баланс тепла, определяющий комфортные теплоощущения,

можно выразить равенством

358

(4.19)

где q

с.п.

— плотность теплового потока, передаваемого стопой

пакету, Вт/м

п.

— плотность теплового потока, проходящего через пакет, Вт/м

;

в.д.

— плотность теплового потока, отводимого водяным паром в ок-

ружающую среду с лицевой поверхности пакета, Вт/м

;

а.п.

— количество тепла, аккумулируемого пакетом, Дж/м

;

— расчетное время, обеспечивающее соблюдение комфортных ус-

ловий по теплообмену, с.

Из зависимости (4.19) получаем

(4.20)

(4.21)

(4.22)

(4.23)

(4.24)

(4.25)

(4.26)

Здесь приняты такие обозначения:

, ρ

— теплоемкость, Дж/(кг-К), и плотность, кг/м

, пакета мате-

риалов;

359

— плотность теплового потока, выделяемого стопой (принимается

по опытным данным в зависимости от времени года и выполняемой

работы), Вт/м

;

— коэффициент теплопередачи от стопы к окружающему воздуху,

Вт/(м

·К);

, α

— коэффициенты теплоотдачи со стороны стопы к пакету α

=α

Р.r

+ α

к.r

) и от его лицевой поверхности к окружающему воздуху α

=α

Р.x

к.x

) Вт/(м

·К);

= t

, t

= t

в0

— температура среды в межобувном пространстве и со

стороны лицевой поверхности пакета (окружающий воздух), °С;

, t

— температура внутренней и лицевой поверхности пакета, °С;

— начальная температура пакета при его относительной влажности

ψ= ψ

в.с.

, °С;

i — энтальпия водяного пара во влажном воздухе, Дж/кг.

Все величины, входящие в формулу (4.20), являются перемен-

ными, так как зависят от влажности пакета.

Радиационные коэффициенты теплоотдачи в межобувном про-

странстве α

Р.r

и от лицевой поверхности пакета в окружающую среду

Р.x

вычисляются по формулам

где ε

пр

— приведенная степень черноты системы в межобувном

пространстве;

360

— степень черноты лицевой поверхности материала пакета (для

теплового излучения воздух можно считать практически прозрачным).

Коэффициенты конвективной теплоотдачи вычисляются соот-

ветственно

к.r

, (4.27)

где ε

= (Gr ּ Pr)

0,25

При 10

-3

< (Gr ּ Pr)

во

> 5ּ10

к.х

= 1,18ּ

ВО

(Gr ּ Pr)

во

1/8

При 10

< (Gr ּ Pr)

во

> 5ּ10

к.х

= 0,5ּ

ВО

(Gr ּ Pr)

во

1/4

Термическое сопротивление пакета R

пр

ПР

, (м

·К)/Вт, яв-

ляется наиболее важным параметром, определяющим тепло- и влаго-

обменные свойства системы. Влияние влажности на величину R

пр

проявляется различно и зависит от индивидуальных свойств обувных

материалов и влагопоглощения как в количественном, так и во вре-

менном отношениях [5].

Предельные значения объемной теплоемкости C

опр

= (с

)

пр

коэффициента теплопроводности λ

пр

определяются по данным тепло-

физических испытаний пакета материалов (рис. 3) по величине ψ

пр

соответствующей времени влагопоглощения на всю толщину пакета

пр

(8).

В оптимальном варианте решения задачи значения τ

и τ

вл

же-

лательно иметь одинаковыми. В противном случае эффективность ис-

следуемой системы (пакет, слой) по комфорту должна оцениваться по

наименьшей величине.