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

Подождите немного. Документ загружается.

371

Математическая модель расчета теплозащитных свойств обуви

при стационарном процессе позволяет рассчитать распределение тем-

пературы для пакета различных материалов, используемых для дета-

лей низа.

Итак, рассмотрим задачу о расходе тепла, выделяемого стопой

через элементарную площадку подошвы обуви.

Уравнение теплопроводности для плоской пластины имеет вид

0)(

′

(4.33)

при граничных условиях

0)0(

′

TlT

′

)(

Найдем общее решение для уравнения

0)(

′

;

)( CxT

′

, (4.34)

)( CxCxT

. (4.35)

Удовлетворим граничным условиям:

TClC

C −=

TCl

=+⋅−

, (4.36)

⋅+=

, (4.37)

Общее решение уравнения теплопроводности при заданных

граничных условиях имеет вид:

⋅++⋅−=

λλ

)(

, (4.38)

где

)(xT

- температура контакта кожи и обуви;

q- плотность теплового потока, Вт/м;

l - толщина пакета материалов, м;

372

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м ·°С);

- температура среды, °С.

Т а б л и ц а 4.4

Система (пакет) материалов для низа обуви

№

слоя

Толщина,

мм

Коэффициент

теплопроводности,

Вт/(м ·°С)

Коэффициент

температуропроводности,

м/ч

1 2,0 0,050 0,00020

2 3,0 0,020 0,00030

3 2,5 0,083 0,00014

4 8,0 0,125 0,00042

5 20,0 0,186 0,00065

Уравнение (5.11) позволяет вычислить температуру внутри

любого слоя подошвы.

Для рассмотрения была выбрана следующая система (пакет)

материалов для низа обуви:

1 . Носок хлопчатобумажный (внутренняя обувь).

2. Вкладная стелька из натурального меха.

3. Картон.

4. Основная стелька и подложка.

5. Подошва из пористой резины.

Проведем расчет теплового сопротивления пакета материалов

для низа обуви при заданных энергозатратах человека, необходимое

для поддержания комфортных условий стопы при различных темпе-

ратурах окружающей среды.

373

Уравнение теплового суммарного сопротивления составной

стенки:

R =

, (4.39)

Подставив данное уравнение в уравнение теплопроводности

(5.11), получим:

RqTRT

⋅+=)(

, (4.40)

Рассмотренная математическая модель расчета теплозащитных

свойств материалов для низа обуви в среде с низкими температурами

позволит конструкторам-технологам и производителям иметь методи-

ку обоснованного выбора пакета материалов для создания комфорт-

ных условий с учетом конкретного региона.

В данной работе были рассмотрены теплозащитные свойства

обуви для поддержания нормального теплового состояния человека.

Наиболее низкий расход энергии характерен для человека в состоянии

покоя. Низкая температура окружающей среды вызывает повышение

обмена веществ, высокая - понижение. При физическом труде орга-

низм человека способен использовать лишь 60% энергии. Тепло от те-

ла человека должно рассеиваться в окружающей среде. Около 90%

этого тепла передается с поверхности тела кондукцией, конвекцией,

излучением и испарением пота; около 10% тепла выводится посредст-

вом выдыхаемого воздуха и других физических выделений. В обыч-

ных условиях умеренного климата при открытой поверхности тела 40-

60% выделяемого телом тепла передается излучением.

В связи с различными климатическими условиями в нашей

стране большое значение приобретает создание рациональной обуви

для защиты стопы от холода. При конструировании и выборе мате-

риалов необходимо учитывать факторы (температура воздуха, ско-

374

рость ветра, атмосферные осадки), оказывающие влияние на ком-

фортность обуви при воздействии на неё низких температур.

Ассортимент утеплённой обуви 90-х годов прошлого века хо-

рошо известен: просто валенки, валенки на резиновом ходу, юфтевые

утеплённые сапоги с гвоздевой подошвой, утеплённые укороченные

доппельно-прошивные сапоги, цельноюфтевые гвоздевые сапоги на

натуральном меху. Каждый год позиции у старого ассортимента от-

воёвывает новая утеплённая обувь, сделанная с помощью современ-

ных технологий.

В настоящее время основные требования к утеплённой обуви -

комфортность, теплозащитность и влагозащитность. Такие требования

удовлетворяются за счёт применения сложного пакета материалов.

Особое внимание при моделировании обуви следует уделять подбору

материалов подошвы, простилки, основной и вкладной стелек, общей

толщине низа обуви.

Условия среды на территории нашей страны настолько раз-

личны, что они требуют разнообразных способов обеспечения челове-

ку комфорта. Для носки обуви в течение года в изменяющихся метео-

рологических условиях требуется несколько видов обуви.

Для утеплённой обуви следует применять пористые резины,

термоэласто-пласты и полиуретаны. Улучшение теплозащитных и

фрикционных свойств можно достигнуть также глубоким рифлением

ходовой поверхности подошв, которая должна обладать высоким со-

противлением скольжению.

Для всех районов страны характерны переходный и I холод-

ный периоды. Для данных периодов не требуется особо утеплённой

обуви, и нет необходимости разрабатывать сложные пакеты материа-

375

лов обуви. Допускается применение клеевого метода крепления низа

обуви.

II холодный период отличается более холодными условиями с

более низкими температурами. Для носки в этом периоде обувь долж-

на быть изготовлена из натуральном кожи или юфти. При выборе ма-

териалов для низа обуви предпочтение следует отдать морозостойкой

пористой резине и термоэластопластам. Значительным преимущест-

вом пористых резин перед другими является их малая масса, высокая

теплозащитность, сохраняющаяся во влажную погоду, хорошие фрик-

ционные и амортизационные свойства, гибкость и относительно малая

цена. Наличие полидиеновых блоков определяет эластичность и моро-

зостойкость ТЭП, а также высокие прочностные свойства материала.

Оптимальными свойствами обладают трёхблочные полимеры с со-

держанием стирола до 20-30 %. Пористые формованные подошвы на

основе ТЭП отличаются стабильностью размеров, износостойкостью,

более высоким сопротивлением скольжению, морозостойкостью (до -

60°С) и стойкостью к изгибам.

Для III и IV холодных периодов, для которых характерны

очень низкие температуры, рекомендуется также применять нату-

ральные кожи различных методов дубления для верха обуви, морозо-

стойкие пористые резины и ТЭП для низа обуви. При конструирова-

нии обуви, предназначенной для III и IV холодных периодов следует

применять рантовый и комбинированный методы крепления, так как

они обеспечивают высокую теплозащитность. Не допускается исполь-

зование металлических крепителей. Не рекомендуется использовать

клеевой метод крепления, применение которого недостаточно обеспе-

чивает теплозащитные свойства обуви.

376

Кроме натуральной кожи (юфти термоустойчивой или кожи

хромового метода дубления с водоотталкивающей пропиткой) повы-

шенной толщины (1,8 -2,2 миллиметра), в качестве материалов верха

целесообразно применять также кирзу или юфтин (для голенищ сапог

или в виде отдельных вставок). Обувь с верхом из меха значительно

уступает по своим защитным свойствам обуви с верхом из натураль-

ной кожи.

Особенно сказываются на теплозащитных свойствах верха

обуви свойства материалов подкладки. В качестве утеплителей на со-

временном этапе наиболее рационально использовать тинсулейт, три-

котажный мех, мех на основе кожи из спилка.

4.3 Оценка теплового состояния человека в теплозащитной

обуви

В настоящее время существуют следующие типы конструкций

утепленной обуви:

1. В комплект обуви входит утеплитель, но конструктивно с

ней не (например, съемная подкладка из натурального и" искусствен-

ного меха, однослойные или многослойные меховые или войлочные

носки и чулки);

2. Утеплитель конструктивно связанной с обувью.

В конструкции исследуемой обуви [1] утеплитель (пухо-

перовой и войлочный) располагается между заготовкой верха и под-

кладкой обуви (конструкция 2).

При проектировании теплозащитной обуви исследование теп-

лового состояния человека является одним из важнейших заключи-

тельных его этапов. Оценка теплового состояния человека является

377

основой для внесения дальнейших конструктивно-технологических

изменений (изменение толщины слоя утеплителя, замена обувных ма-

териалов и др.).

Критериями оценки теплового состояния человека являются

показатели микроклимата внутриобувного пространства, с одной сто-

роны, и физиологические показатели испытателя (температура тела и

кожи, тепловой поток с поверхности тела и др.) — с другой. Известно

[2], что показателями комфортного микроклимата внутриобувного;

пространства являются температура (20±3 °С) и относительная влаж-

ность (60±5%). Целью исследований является оценка теплового со-

стояния человека и теплозащитных функций обуви, ее пригодности к

эксплуатации в условиях пониженных температур.

Для испытаний были подготовлены два типа теплозащитной

обуви: на основе пухо-перового и войлочного (вата чесаная, ГОСТ

6308-71) утеплителей. Исследования проводили в климатической ка-

мере ТБВК-17 при температуре минус 40 °С, относительной влажно-

сти воздуха 60 % и скорости ветра 0,5 м/с. Испытатель выполнял фи-

зическую работу в следующем режиме: подъем на ступеньку — в те-

чение 10 мин; отдых — в течение 40 мин.

По данным работы [3], время относительной стабилизации те-

плового состояния человека составляет 20-25 мин. Эксперимент про-

водился в указанном режиме в течение 1 ч. Тепловое состояние испы-

тателя оценивали по общепринятым показателям [3]: тепловые ощу-

щения человека, температура кожи груди, стопы, голени, температура

внутри обувного пространства. Для регистрации температуры исполь-

зовали термисторы.

378

Измерение показателей теплового состояния и опрос о субъек-

тивных ощущениях испытателя производились каждые 5 мин в тече-

ние 1 ч. Субъективные ощущения оценивали по следующей шкале [4]:

+ 2 °С - тепло;

+ 1 °С - тепло (приятно);

0 °С - комфорт;

- 1 °С - прохладно (приятно);

- 3 °С - прохладно;

- 5 °С - холодно;

- 7°С - очень холодно;

- 9°С - появление непереносимых болевых ощущений.

Показатели состояния человека в теплозащитной обуви, изго-

товленной с использованием нетрадиционных утеплителей, получен-

ные в процессе исследования, приведены в табл. 1.

Оценка теплового состояния испытателя в исследуемой обуви

представлена в табл. 2.

Как видно из табл. 1 и 2, значения показателей оценки теплово-

го состояния человека находятся в пределах допустимых границ.

Отклонение от оптимального теплового состояния наблюдает-

ся в области большого пальца.

Можно предположить, что данное отклонение вызвано недос-

таточной теплоизоляцией подошвенного слоя.

Субъективные ощущения испытателя оценивались по шкале 0

и -1 °С, т. е. как состояния «комфорт» и «прохладно». Появления

ощущений «холодно», «очень холодно» и непереносимых болевых

ощущений не наблюдалось.

Экспериментальные исследования и результаты опытной носки

(трансарктический переход, февраль - май 1988 г.) теплозащитной

379

обуви, изготовленной по методике [1], подтверждают возможность

обеспечения испытуемой теплозащитной обувью теплового комфорта

в течение заданного времени при эксплуатации в условиях понижен-

ных температур.

4.4 Исследование влагообменных свойств систем материалов

Для создания комфортной теплозащитной обуви, соответст-

вующей условиям эксплуатации, необходимо проводить комплексное

изучение физико-гигиенических свойств и оценку гигиеничности сис-

тем обувных материалов. Проблему улучшения гигиенических свойств

обуви можно решить только при тщательной разработке систем обув-

ных материалов для каждого типа климата.

Целью данной работы является исследование влагообменных

свойств систем материалов на основе нетрадиционных обувных утеп-

лителей: 1 — пух водоплавающей птицы; 2 — пух-перо водоплаваю-

щей птицы; 3 — вата чесаная тонкошерстяная [1]; 4 — вата чесаная

полугрубошерстная [2] (полуфабрикат валяльно-войлочного производ-

ства). В качестве материала для деталей верха обуви использовали

саржу капроновую арт. 52028, для подкладки — байку обувную арт.

49478. Таким образом, были исследованы четыре типа систем материа-

лов (по виду утеплителей), составленные по схеме: верх + утеплитель

(1-4) + подкладку. Сборку пакетов осуществляли нитками.

Показатели физико-гигиенических свойств трехслойных систем

материалов приведены в таблице.

380

Т а б л и ц а 4.5

Тип па-

кета

(по виду

Гигроскопич-

ность,

Влагоотдача,

Паропрони-

цаемость,

г/(м

·ч)

Пароемкость,

1 9,92 9,48 39,82 30

8,63

29,51

21,3

3 7,77 7,6 45,82 52,4

4 10,86 10,84 48,46 36,1

Примечание. Определение показателей проводили при отно-

сительной влажности воздуха 65 %.

Очевидно, что свойства утеплителя в значительной степени

определяют гигиенические свойства системы материалов в целом.

Особенностью исследуемых систем материалов является высокая по-

ристость (рыхлость) их среднего слоя (нетрадиционных обувных уте-

плителей). Способность твердых тел поглощать водяные пары зави-

сит от удельной поверхности адсорбента. Благодаря высокой порис-

тости и большой адсорбирующей поверхности утеплителей системы

материалов хорошо впитывают пот, выделяемый стопой, и легко от-

дают полученную влагу.

Исследования гигиенических свойств систем материалов [3]

показали, что с увеличением числа слоев системы материалов проис-

ходит увеличение объема поглощаемой влаги. Этим объясняются вы-

сокие значения показателей пароемкости. В данном случае благодаря

особенностям пухо-перовой композиции и ваты чесаной большое ко-

личество слоев не снижает показателей паропроницаемости системы

обувных материалов.

Необходимо также отметить соответствие между показателя-

ми гигроскопичности и влагоотдачи. Это соответствие обеспечивает

быстрый отвод скопившейся влаги, что имеет важное значение и

обеспечивает высокую гигиеничность систем материалов. Оценка