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

Подождите немного. Документ загружается.

361

4.2 Разработка математической модели шкалы комфортности

зимней обуви

Комфортность обуви в достаточной степени можно оценивать

параметрами внутриобувного воздуха – температурой (t) и относи-

тельной влажностью (φ), которые, являясь физиологическими крите-

риями, изменяются при воздействии механических, гигротермических

и токсикологических факторов.

При современном уровне техники относительная влажность и

температура воздуха во внутриобувном пространстве доступны инст-

рументальному измерению и, следовательно, могут быть использова-

ны для объективной оценки комфортности обуви.

Измерение параметров внутриобувного микроклимата прово-

дили с помощью аппаратуры на интегральных микросхемах, разрабо-

танной на кафедре товароведения непродовольственных товаров

Санкт-Петербургского института торговли. Для исследования были

выбраны 45 пар зимней обуви рантоклеевого метода крепления про-

изводства Тбилисского ПОО «Исани».

362

Для изготовления опытной партии были использованы раз-

личные материалы:

- для верха обуви - кожа хромового дубления, а также СК-8 и СК-

эластичная;

- для подкладки - искусственный мех, полушерстяная байка и трико-

тажное полотно, дублированное поролоном.

Опытную носку и экспериментальные исследования в клима-

тической камере при отрицательных температурах было предложено

проводить круглогодично. Исследования проводили как на улице, так

и в широкодиапазонном шкафу типа ШКШ-1,5 В. Рабочая площадь

камеры 1,5 м

; высота 1,5; диапазон температур -20...+40°С, колеба-

ния температуры - не более ±0,5°С.

В ходе отработки методики решены вопросы о месте располо-

жения датчика в обуви, а также режиме и минимальной продолжи-

Рис. 4.7. Зависимость температуры (а)

и относительной влажности (б)

от времени при различных

условиях эксплуатации образцов:

1,2,3 – в камере, 1,2,3 – на улице

363

тельности носки. Установлено, что конечные величины t и φ во внут-

риобувном пространстве (в носочной, пяточной области и области го-

лени) практически одинаковы, поэтому местом расположения датчи-

ков была выбрана область голени, как наиболее свободная. Установ-

лено, что максимальная температура во внутриобувном пространстве

стабилизируется через 2-2,5 ч, а максимальная величина влажности

через 3-3,5 ч эксплуатации. Поэтому режим опытной носки, с учетом

реальных условий эксплуатации зимней обуви, был выбран следую-

щий: 1,5 ч непрерывной носки + 1 ч на улице (или в климатической

камере) + 1,5 ч в помещении с интервалами измерения 30 мин.

Такой режим опытной носки (по мнению авторов) соответст-

вует реальным условиям эксплуатации зимней обуви (поскольку че-

ловек во время эксплуатации обуви находится как на улице, так и в

помещении).

Для определения минимального количества измерений N было

решено исследовать один из образцов - обувь с заготовкой верха из

натуральной кожи и подкладкой из искусственного меха в течение 50

дней (то есть среднего гарантийного срока носки), после чего по сред-

ним величинам температуры и относительной влажности было опре-

делено минимально необходимое число наблюдений для получения

статистически обоснованных результатов с доверительной вероятно-

стью Р

0,95. В результате расчета N - оказалось равным 12, поэтому

для характеристики комфортности обуви все последующие исследо-

вания проводили 12 раз (по одному измерению в день). С помощью

математико-статистической обработки около 7000 экспе-

риментальных данных на ЭВМ были рассчитаны средние арифмети-

ческие значения t и φ внутриобувного микроклимата и проведен их

дисперсионный анализ.

364

Оценка комфортности зимней обуви (мужские утепленные бо-

тинки рантоклеевого метода крепления на подошве из пористой рези-

ны) в процессе ее эксплуатации при t

-10°С представлена в таблице

4.1.

Т а б л и ц а 4.1

Оценка комфортности зимней обуви в процессе

эксплуатации при t = -10°С

Материалы

верха подкладки

Обобщенный

критерий

комфортно-

сти

Уровень

комфортности

обуви по шкале

1. Мех искусственный 0,9

особоком-

фортная

2. Кожа Байка полушерстяная

0,92 тоже

Трикотаж, дублиро-

ванный поролоном

0,76

комфортная

4. Мех искусственный 0,74 то же

5. СК-8 Байка полушерстяная

0,75

Трикотаж, дублиро-

ванный поролоном

0,56

среднеком-

фортная

7. Мех искусственный 0,75 комфортная

8. СК-

эластичные

Байка полушерстяная

0,91

особо ком-

фортная

Трикотаж, дублиро-

ванный поролоном

0,6

среднеком-

фортная

365

Математическое преобразование экспериментальных данных t

и φ на ЭВМ показало, что участки роста показателей t и φ в помеще-

нии в начальный и конечный периоды эксплуатации имеют одинако-

вый характер (возрастание) и описываются уравнением арктангенса,

участки падения температуры (эксплуатация на улице и в климатиче-

ской камере) и влажности (эксплуатация на улице) описываются

уравнением первой степени, а участки изменения влажности в клима-

тической камере - уравнением второй степени.

С помощью статистической обработки экспериментальных

данных получены коэффициенты корреляции и уравнения регрессии

между данными эксплуатации на улице и в климатической камере.

Отметим, что коэффициент корреляции для температуры ра-

вен 0,999, а для относительной влажности 0,925.

При разработке математической модели шкалы комфортности

зимней обуви полагали, что уровень комфортности обуви характери-

зуется в достаточной мере температурой (t) и относительной влажно-

стью (φ) внутриобувного воздуха. Это дало возможность оценить уро-

вень комфортности обуви по обобщенному критерию комфортности В

(t, φ).

Для определения уровня комфортности зимней обуви авторы

предлагают шкалу комфортности, характеризующуюся интер-

валами 0<D (t, φ)<1 и разделенную на четыре уровня: малокомфорт-

ный, среднекомфортный, комфортный, особо-комфортный.

Таким образом, разработанный обобщенный критерий и шкала

комфортности позволяют наиболее объективно оценить уровень ком-

фортности обуви по показателям температуры и относительной влаж-

ности внутриобувного пространства и могут быть использованы для

366

сравнительной оценки качества (комфортности) обуви с деталями

верха из различных материалов.

Обувь является защитным барьером между стопой человека и

окружающей средой, она снижает неблагоприятное воздействие сре-

ды, способствует обеспечению нормальных или комфортных условий

организму через систему терморегуляции. Чем сильнее неблагоприят-

ное воздействие окружающей среды, тем большей защитной способ-

ностью должна обладать обувь.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состоя-

ния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, ха-

рактеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю среду

(шероховатости внешней поверхности, цвета и т.д.).

При изучении процесса перехода тепла от стопы человека во

внутренней поверхности обуви стопа рассматривается как тело с бо-

лее высокой температурой, отдающей тепло. Температура кожного

покрова стопы определяется соотношением количества поступающего

к ней тепла и интенсивности отдачи его в окружающую среду при оп-

ределенной теплоизоляционной способности обуви и ее конструктив-

ных элементов (верха и низа, утепления отдельных участков обуви).

[12]

Расчет теплозащитных свойств ведется по тепловым свойствам

материалов, составляющих обувь.

Уравнение теплопроводности для верха обуви

′

⋅+

′′

, (4.28)

при ν = 1; 2.

Рассмотрим уравнение теплопроводности для цилиндрической

стенки, когда ν = 1.

367

′

⋅+

′′

(4.29)

при граничных условиях:

0)(

′

qRT

0))0(()(

=−=+

′

TRTRT

αλ

Уравнение (5.2) - дифференциальное уравнение 2-го порядка,

допускающее понижение порядка. Сделаем подстановку:

)(xzT

′

, то-

гда

)(xzT

′

Получим уравнение 1 -го порядка с разделяющимися перемен-

ными

=⋅+

′

=⋅+ z

−+

lnlnln Cxz =+

, (4.30)

где

≠

z·x=C

, следовательно

−=

′

, тогда

ln)( CxCxT +=

. Определим коэффициенты С

и С

, используя гра-

ничные условия

=+q

, следовательно,

C −=

0)ln(

221

=−++

TCRC

αλ

0ln

=−+













−+













−

TCR

αα

ln R

ααα

++=

ln R

++⋅+=

λα

Тогда уравнение теплопроводности для измерения температу-

ры внутри пакета приобретает вид:

lnln)( R

λαλ

+⋅++−=

, (4.31)

lnln)( R

λαλ

+⋅++−=

, (4.32)

где R

- внутренний радиус, м; R

- наружный радиус, м; Т

- темпера-

тура среды, °С; α - коэффициент теплоотдачи, характеризующий теп-

368

лообмен поверхности материала конвекцией и излучением с более хо-

лодной средой (воздухом), находится в пределах 7-12 Вт/м

·град;

q - плотность теплового потока, Вт/м.

Рассмотрим пакет материалов для верха обуви пяточно-

перейменного участка стопы, который представлен в таблице 4.2.

Если задать: R

=0,03 м; R

=0,042 м; Т

= -10°С;α =8;q =64 Вт/м,

то можно рассчитать зависимость температуры стопы от теплопро-

водности пакета материалов.

Т а б л и ц а 4.2

Система материалов для верха обуви

Наименование материала Толщина,

мм

Коэффициент

теплопроводности,

Вт/м ·°С

1 .Носок шерстяной 4,20 0,030

2. Мех искусственный полушерстя-

ной

5,59 0,061

З.Бязь 0,32 0,030

4. Кожа натуральная - выросток

хромового дубления

1,59 0,054

ln)(

RqR

TRT

⋅++=

αλ

0714.18

042.0

03.064

10)(

×+

+−=

, λ=0.03

В таблице 4.3 представлены результаты расчетов, показываю-

щие, каким должен быть средний коэффициент теплопроводности у

пакета материалов для верха обуви толщиной 12 мм при различных

369

температурах окружающей среды, чтобы температура стопы не опус-

тилась ниже критической. Например, при температуре окружающей

среды минус 20°С необходимо использовать пакет материалов,

имеющий средний коэффициент теплопроводности не менее 0,02

Вт/м·°С при энергозатратах человека q = 64 Вт/м.

Т а б л и ц а 4.3

Зависимость температуры стопы от теплопроводности

пакета материалов для цилиндрической стенки

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С) Температура

среды,

°С

q=64 Вт/м q= 51 Вт/м q= 77 Вт/м

-10 0,030 0,023 0,038

-20 0,020 0,016 0,026

-30 0,016 0,012 0,019

-40 0,013 0,010 0,015

-50 0,010 0,008 0,013

Таким образом, нами разработана математическая модель рас-

чета теплозащитных свойств материалов для верха обуви в среде с

низкими температурами, что позволит иметь методику обоснования

выбора пакета материалов для создания комфортных условий стопы.

При изучении процесса перехода тепла от стопы человека к

внутренней поверхности обуви стопа рассматривается как тело с бо-

лее высокой температурой, отдающее тепло. Температура кожного

покрова стопы определяется соотношением количества поступающего

к ней тепла и интенсивности отдачи его в окружающую среду при оп-

ределенной теплоизоляционной способности обуви и её конструктив-

370

ных элементов (верха и низа, утепления отдельных участков). Темпе-

ратура кожи на разных участках стопы изменяется во времени.

Чем сильнее неблагоприятное воздействие окружающей сре-

ды, тем большей защитной способностью должна обладать обувь. По-

этому теплозащитные свойства обуви имеют исключительное значе-

ние для поддержания при пониженных температурах окружающей

среды нормального теплового состояния всего организма.

Расчет теплозащитных свойств ведется по тепловым свойствам

материалов, составляющих обувь. По данным расчета возможен под-

бор материалов для обуви, обеспечивающей необходимые тепловые

сопротивления верху, низу и, следовательно, всей конструкции обуви.

Одни детали, входящие в конструкцию обуви, по величине соответст-

вуют всей поверхности верха или низа, а другие, например, жесткие

промежуточные детали (подноски, задники), каблуки и др., по площа-

ди соответствуют лишь части поверхности верха или низа.

Тепловые сопротивления верха и низа, обычно рассматривае-

мые как системы, состоящие из отдельных материалов, представляют

собой сумму тепловых сопротивлений отдельных слоев и прослоек, а

также сумму сопротивлений переходу тепла из одной среды в другую

на границе, разделяющей отдельные слои.

Поэтому при разработке конструкции обуви величина показа-

теля теплозащитных свойств и рациональная величина соотношений

тепловых сопротивлений низа и верха должны быть выявлены из

обобщенных экспериментальных данных по гигиенической оценке

разных видов обуви при носке её человеком в различных метеороло-

гических условиях. По полученным данным происходит подбор мате-

риалов для конкретного вида обуви.