Воздействие холода на организм человека. Моделирование переноса тепла через простой слой и пакет одежды

 

Охлаждение тела человека начинается, когда температура воздуха падает ниже 17^оС. Для разных частей тела человека характерна нормальная неодинаковая температура. Потеря тепла происходит главным образом путем конвекции и излучения и лишь незначительно через испарение. При температуре выше 25^оС тело в результате конвекции и излучения поглощает больше тепла, чем теряет, поэтому функции теплоотдачи полностью переходят к системе испарения. В зоне комфорта люди могут адаптироваться к изменениям любого из рассматриваемых факторов на 20%, а в условиях чрезвычайного холода – на 35%.

Продолжительность сопротивления человека холоду зависит от вида одежды.Для обеспечения комфортных условий человеку в производственных условиях осуществляют оценку спецодежды в единицах теплового сопротивления (ед. тсо). Ед. тсо – тепловое сопротивление такой одежды, которая пропускает поток тепла, равный 1 ккал/м²•час при разности температур 0, 18 ^оС. 1 ед. тсо требуется для обеспечения комфортных условий человеку, сидящему в нормально вентилируемой комнате при 21^оС с влажностью воздуха не менее 50%.

- легкая спецодежда – 1 ед. тсо;

- спецодежда, состоящая из куртки и шерстяного белья – 2 ед. тсо;

- спецодежда со средним утеплением – 3 ед. тсо;

- спецодежда с большим утеплением – 4 ед. тсо.

Тепловые свойства одежды определяются величиной теплового сопротивления пакета и наличием в нем многослойных воздушных прослоек, благодаря которым в состоянии покоя создается основная часть суммарного теплового сопротивления. При движении человека и ветре их роль снижается.

Перемещение тепла в одежде, как и в любой среде, происходит только при разности температур на отдельных ее участках. Перемещение тепла происходит от большей температуры к меньшей.

Для математического описания процесса теплопередачи от поверхности кожи человека через одежду во внешнюю среду можно воспользоваться:

1) законом Фурье (передача тепла в твердом теле);

2) 2)обобщенным законом Ньютона (охлаждение).

Закон Фурье следует применять к тепловому потоку внутри одежды, а закон Ньютона - к явлениям, происходящим на границе между ее поверхностью и внешней средой.

По закону Фурье тепловой поток в каком-нибудь месте однородного твердого тела выражается формулой

 

,

 

где q – тепловой поток – количество тепла, протекающее в единицу времени от одной изотермической поверхности с температурой ( t+∆ t) к другой изотермической поверхности с температурой t;

δ ́ - расстояние между изотермическими поверхностями;

λ – коэффициент теплопроводности;

t_К - температура кожи под одеждой;

t_НАР - температура наружной поверхности одежды.

Величину, обратную коэффициенту теплопроводности, называют тепловым сопротивлением простого слоя:

, [м²•^оС / Вт]

Чем больше тепловое сопротивление материалов, тем выше его теплоизоляционные свойства.

Тепловое сопротивление одежды представляет собой некоторую среднюю величину от теплового сопротивления основного материала (волокна) и воздуха, содержащегося в порах.

Поскольку тепловое сопротивление прямо пропорционально толщине слоя, можно записать: R = δ / λ . Тогда количество тепла прошедшего через слой ткани q = (t_{1 –} t₂) / R.

Согласно обобщенному закону Ньютона, количество тепла, теряемое в единицу времени элементом наружной поверхности в окружающую среду, пропорционально разности температур поверхности и среды t_СР:

q = α (t_{НАР –} t_СР),

где α – коэффициент теплоотдачи.

 

Следовательно, процесс передачи тепла от поверхности тела через одежду в окружающую среду состоит из двух частей:

1) передачи тепла от внутренней поверхности одежды к наружной при перепаде температур от t_К до t_НАР;

2) от наружной поверхности одежды в воздух при перепаде температур (t_{НАР –} t_СР).

Тогда тепловое сопротивление простого слоя: Rⁱ = δ / λ ⁱ; сложного – R_Э = R^׳ + R^״ + R^{׳ ״} .

Суммарное тепловое сопротивление, соответствующее переходу тепла от кожи во внешнюю среду,

R_СУМ = R_Э + R_П,

где R_{Э –} сопротивление простых слоев (эквивалентное);

R_П – сопротивление отдаче тепла от наружной поверхности одежды.

 

Таким образом, сопротивление теплопередачи слоя однородного материала является суммарным и включает:

1) сопротивление тепловосприятию при переходе тепла от пододежного слоя воздуха к внутренней поверхности одежды R_В;

2) сопротивление при прохождении тепла через слой материала R_М;

3) сопротивление теплоотдачи R_П при переходе тепла от наружной поверхности слоя материала к наружному воздуху.

Общее сопротивление слоя материала:

 

.

 

 

 

Рис.3.1. Общая схема изменения температуры при теплопередаче через

однородный слой материала

Обычно теплозащитная одежда представляет собой «сложный слой», образованный чередованием простых слоев ткани и воздушных прослоек, имеющих различные толщины δ ′, δ ′ ′, δ ′ ′ ′, ... и различные теплопроводности λ ′, λ ′ ′, λ ′ ′ ′ ( рис.3.2 ).

Рис.3.2. Схема передачи тепла через сложный слой ткани

(пакет одежды)

Тепловое сопротивление такой одежды равно сумме сопротивлений всех ее слоев:

 

R′ + R′ ′ + R′ ′ ′ +...

Каждое из этих сопротивлений, в свою очередь, равно

 

; ; .

Сумму сопротивлений всех слоев одежды можно заменить сопротивлением некоторого эквивалентного слоя:

 

R_Э = R′ + R′ ′ + R′ ′ ′ +...

Под эквивалентным тепловым сопротивлением одежды (R_Э ) понимают тепловое сопротивление такого воображаемого однородного слоя, который при толщине δ = δ ′ + δ ′ ′ + δ ′ ′ ′ +..., при том же проходящем через него тепловом потоке q, создает ту же разность температур (t_{1 –} t₂), как и рассматриваемый пакет одежды, слои которого имеют сопротивления R′, R′ ′ _, R′ ′ ′ , ....

Формула для переноса тепла внутри одежды (пакета) примет вид:

 

.

 

Величина коэффициента теплопроводности λ является условной и определяется формулой

 

.

Величину коэффициента теплопроводности λ часто называют эквивалентным коэффициентом теплопроводности λ _Э - теплопроводность такого условно однородного материала, который, будучи взят той же величины, создает те же условия для прохождения тепла, т.е. ту же разность температур (t_{1 –} t₂) при том же тепловом потоке q.

Теплоизоляционныйэффект одежды (сложного слоя – пакета) зависит не только от толщины простых слоев, но и в значительной мере от воздушных прослоек между отдельными слоями и кожей.

Коэффициент теплопроводности λ зависит от толщины воздушной прослойки, температуры воздуха в ней, разности температур на поверхности прослойки и места положения ее в одежде.

Полное сопротивление одежды, соответствующее переходу тепла от кожи (где температура равна t₁) во внешнюю среду (где температура t_В), называют суммарным тепловым сопротивлением:

R_СУМ = R_Э + R_П,

где R_Э – сопротивление пакета одежды,

R_П – сопротивление поверхности пакета одежды.

С учетом теплового сопротивления воздушных прослоек R_В.П:

 

R_СУМ = R_Э + R_П + R_В.П .

 

В ответ на воздействие холода физиологические реакции человека могут лишь в некоторой степени уменьшить теплопотери, обусловленные этим воздействием. Основная же роль защиты от охлаждения принадлежит так называемой «поведенческой» терморегуляции, направленной, в частности, на выбор одежды с теплоизоляцией, соответствующей условиям эксплуатации.

Грамотно защититься от холода можно, зная, какой теплоизоляцией должна обладать одежда, чтобы в течение определенного времени препятствовать охлаждению. Если человек работает на холоде 2 часа, то ему не нужна одежда, защищающая его 8 часов, т.к. более длительная защита достигается за счет дополнительных материалов и большего веса, что уменьшает комфортность.

Можно создавать костюмы для конкретных условий труда, определенного уровня энергозатрат и диапазона температур. Такая экипировка будет в большей степени соответствовать условиям труда.

Методика расчета теплоизоляции одежды, рекомендованная ЦНИИШП, позволяет рассчитать тепловое сопротивление изоляции комплекта одежды с учетом температуры воздуха, скорости ветра, времени пребывания на открытых территориях и уровня энергозатрат в работе.

Просто рассчитать среднюю величину теплоизоляции одежного комплекта – недостаточно, потому что необходимо соответственным образом утеплить все части тела человека (голову, руки, спину и т.д.).

Чтобы рассчитать теплоизоляцию комплекта одежды для специалиста определенной профессии, нужна точная информация о данной профессии, условиях труда; чтобы определить уровень энергозатрат - продолжительность пребывания на холоде, район, наиболее вероятная скорость ветра и др.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. V. Механизм, преобразующий крутящий момент, передающийся от двигателя через сцепление, по величине и направлению, позволяет отключать двигатель от ведущих мостов на длительное время.
2. XII. Большинство приемлемых для организма способов поведения совместимы с представлениями человека о самом себе.
3. Адаптация и резервные возможности организма.
4. Активный транспорт веществ через мембраны происходит в результате
5. Алгоритм сложения однозначных чисел с переходом через десяток
6. Антигенной стимуляции организма опухолевыми клетками
7. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БИОСФЕРУ
8. Артистизм специалиста, оказывающего воздействие
9. АСПЕКТЫ ИДЕАЛИЗИРУЮЩЕГО ПЕРЕНОСА
10. Атмосферное давление. Влияние атмосферного давления на организм. Горная и кессонная болезнь.
11. Атмосферных загрязнений на организм человека
12. Билет 27. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕВОДА. МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПЕРЕВОДА: ДЕНОТАТИВНО-СИТУАТИВНАЯ, ТРАНСФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ, СЕМАНТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ТРЕХФАЗНАЯ МОДЕЛЬ О.КАДЕ, ИНТЕГРАТИВНАЯ МОДЕЛЬ И ДР.