Приближенный тепловой расчет одежды

Количество тепла, отдаваемого организмом человека во внешнюю среду (теплоотдача), зависит от теплового сопротивления одежды, состояния окружающей среды и физической нагрузки человека.

Процесс теплообмена между организмом человека и окружающей средой, проникающий через одежду, весьма сложен, а имеющиеся экспериментальные методы оценки теплозащитных свойств одежды, учитывающие все перечисленные факторы, весьма несовершенны.

Проектирование комфортной одежды, которая в состоянии обеспечить тепловое равновесие организма при различных условиях труда и климата, представляет важную, но практически очень сложную задачу. Это объясняется большим количеством методик для приближенного теплового расчета одежды.

Наиболее простым методом расчета теплозащитной одежды является метод Г.М. Кондратьева. Он дает приближенный тепловой расчет одежды, связав теплопродукцию человека (метаболизм – М) с воздействием внешней среды при условии, что одежда обеспечивает организму ощущение комфорта.

Для вывода основной формулы теплового расчета одежды Г.М. Кондратьевым были введены две новые величины: показатель тепловой нагрузки N и показатель теплоизоляционной способности одежды J.

Величина N показывает, во сколько раз тепловая нагрузка одежды больше или меньше нагрузки в условиях нормального (основного) обмена (метаболизма). Чем больше N, тем больше борьба организма с холодом.

Величина J показывает, во сколько раз теплозащитная способность данной одежды больше, чем у легкой одежды, в которой человек находится в условиях основного обмена. Чем больше J, тем одежда «теплее».

Величины N и J – числа отвлеченные, не зависящие от выбора единиц измерения.

В качестве основных расчетных формул Г.М. Кондратьевым предложены следующие уравнения для приближенного теплового расчета комфортной одежды:

R = 0,175J; (1)

; (2)

(3)

где R – суммарное тепловое сопротивление одежды, м^2оС/Вт;

J – показатель теплоизоляционной способности одежды;

33^о – средневзвешенная температура тела человека, ^оС;

t_в – температура окружающей среды, ^оС;

N – показатель тепловой нагрузки;

α – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности одежды в окружающую среду, Вт/м^2оС; он зависит от скорости потока (ветра), см. табл. 4.1;

М – теплопродукция организма человека (метаболизм), Вт.

Таблица 4.1

Шкала скорости ветра и соответствующих

значений коэффициента теплоотдачи

Тепловое сопротивление белья и платья в комплекте с теплой одеждой рассматривается как постоянная величина, равная примерно 0,1 м^2оС/Вт. Тогда весь тепловой расчет значительно упрощается и сводится к определению теплового сопротивления только верхней одежды.

Тепловой расчет обычно ведут по следующей схеме:

- оценивают для данного вида труда значение «М» (по справочным материалам);

- далее по формуле 3 вычисляют значение N;

- данную обстановку обычно задают температурой внешней среды и коэффициентом теплоотдачи в зависимости от скорости ветра. Зная их, можно определить по формуле 2 значение J;

- по формуле 1 определяют тепловое сопротивление одежды R.

Предложенные формулы для теплового расчета одежды позволяют также подобрать обстановку (разработать рекомендации) для данного вида одежды и труда.

Если известен коэффициент теплопроводности слагающих пакет теплозащитной одежды материалов, их толщина и воздушные прослойки, то определение теплового сопротивления пакета для статичных условий (без учета человека) производится по формуле:

, (4)

где δ – толщина пакета теплозащитной одежды, мм;

λ – коэффициент теплопроводности текстильных материалов.

,

Тепловое сопротивление R представляет собою сумму:

, (5)

где R_э – эквивалентное сопротивление, состоящее из суммы тепловых сопротивлений слоев материала, входящих в пакет одежды и воздушных прослоек;

R_п – поверхностное тепловое сопротивление; величина, обратная коэффициенту теплоотдачи. Тогда R определится:

, (6)

Где - сумма тепловых сопротивлений слоев материалов, входящих в пакет одежды;

- сумма тепловых сопротивлений n воздушных прослоек пакета.

Примеры по тепловому расчету

Пример 1. Определить вид одежды и его тепловое сопротивление для условий ходьбы по ровной местности со скоростью 4,8 км/ч при безветренной погоде при температуре воздуха +10^оС.

1. Определяем метаболизм (по справочнику) для данного вида деятельности. Он составляет 150 Вт/м².

2. определяем коэффициент теплоотдачи по силе ветра. Сила ветра складывается из силы ветра воздуха и потоком воздуха при ходьбе. В данном примере V = 0,5 + 1,3 = 1,8 м/с. По табл. 4.1 определяем, что при скорости потока 1,8 м/с ему соответствует α = 16,7 Вт/м^2оС.

3. Определяем N:

4. Определяем J

5.

6. R платья и белья составляет примерно 0,08 – 0,1 м^2оС/Вт.

7.

По табл. 3.1 определяем, что данному тепловому сопротивлению соответствует демисезонное пальто.

Пример 2. Условия те же, но ходьба по наклонной местности под углом 15^о со скоростью 4,8 км/ч при сильном ветре и температуре +10^оС.

1. М = 235 Вт/м².

2. V = 11,2 + 1,3 = 12,5 м/с; λ = 58,2 Вт/м^2оС.

3.

4.

5.

6. R = 0,31 – 0,1 = 0,21 м^2оС/Вт.

Данному тепловому сопротивлению по табл. 3.1 соответствует плащ или костюм.

Пример 3. Условия второго примера, но при температуре -10^оС.

М = 235 Вт/м² ; α = 58,2 Вт/м^2оС; N = 1,83.

; - зимняя одежда, теплая.

Метод теплового расчета по Г.М. Кондратьеву является приближенным. Это приближение заключается в следующем. Имеется серьезная неточность в определении коэффициентов, входящих в формулы, что связано с недостатками способов измерения величин. Кроме того, не учитывается тренированность человека, что отразилось бы на коэффициентах и на величине метаболизма – М.

Предложенный метод не учитывает локальных особенностей теплообмена и местного дискомфорта (обувь, рукавицы).

Тепловой расчет относится к установившемуся режиму организма и стационарным внешним условиям. Кроме того, он также относится к длительной работе и не учитывает кратковременных больших усилий.

В расчетах принята средневзвешенная температура кожи тела человека, равная 33^оС, хотя известны и другие цифры комфортного состояния.

Воздух и степени пакета предполагаются одинаковой температуры, что фактически неверно.

Принятая поправка на скорость движения ветра явно мала. Исследования последних лет показали, что тепловое сопротивление одежды уменьшается более, чем на 50% при значительных скоростях ветра.

Указанные недостатки или часть их отсутствуют в других методиках расчета. Так, ЦНИШПом разработан метод определения теплового сопротивления одежды аналитическим методом с учетом толщины и воздухопроницаемости пакета при воздушных потоках различной интенсивности. Толщина пакета и его воздухопроницаемость быстро измеряются доступными стандартными методами.

Бегункова А.Ф. предложила вести тепловой расчет с учетом кривизны отдельных участков одежды.

К. Бартон предлагает определять теплоизоляционную способность одежды с учетом составляющих теплоотдачи – излучении и конвекция.

П.А. Колесниковым разработана методика теплового расчета одежды, где указаны следующие параметры: теплофизические свойства материалов и пакетов одежды, условия внешней среды, состояние человека, различная степень охлаждения отдельных участков тела. Эта методика является сейчас основной при проектировании новых видов теплозащитной одежды.

Литература. 1. Современные методы исследования одежды. Л. Изд-во Военно-медицинской ордена Ленина Краснознаменной академии им. С.М. Кирова, 1973. /Симпозиум 27-28 апреля 1973/.

2. Калмыков П.Е. Методы гигиенического исследования одежды. Л., Медгиз, 1960.

3. Колесников П.А. Теплозащитные свойства одежды. М., «Легкая индустрия», 1965.

4. Колесников П.А. Основы проектирования теплозащитной одежды. М., «Легкая индустрия», 1971.

5. Делль Р.А. и др. Гигиена одежды. М., 1979 /Делль Р.А., Афанасьева Р.Ф., Чубарова З.С./.

6. Бузов Б.А. и др. Материаловедение швейного производства. М., «Легкая индустрия», 1978 /Бузов Б.А., Модестова Т.А., Алыменкова Н.Д./.