Технические науки/13. Охрана труда

К.т.н. Родичева М.В., к.т.н. Абрамов А.В.

Госуниверситет – Учебно-научно-производственный комплекс, г. Орел

Применение АСНИ при исследованиях теплообмена человека с окружающей средой в условиях ветра

Создание современной специальной одежды с изменяемым уровнем защитных свойств защитной невозможно без внедрения результатов научных исследований в производство. Проведение научных исследований является одной из самых трудоемких частей проектирования новых изделий. Комплекс исследований в свою очередь основан на изучении процессов тепло и массообмена и может включать следующие этапы:

- выбор материалов, составляющих пакет одежды по известным теплофизическим характеристикам исследование их защитных и эксплуатационных свойств;

- разработка конструктивных элементов, обеспечивающих дополнительный уровень защитных свойств, а в некоторых случаях позволяющих изменять уровень этих свойств в зависимости от изменяющихся во времени факторах окружающей среды;

- исследование процессов тепло и массообмена в материалах и элементах конструкций одежды при моделировании воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды.

Каждой из перечисленных этапов имеет определенные цели и задачи. Для повышения эффективности научного эксперимента и анализа экспериментальных данных авторами разработана автоматизированная система научных исследований (АСНИ) − аппаратно-программный комплекс, который позволит охватить все необходимые этапы проведения и обработки экспериментальных данных.

АСНИ состоит из экспериментальной установки, оснащенной датчиками, измерительными устройствами для дистанционных измерений, измеритальной и управляющей аппаратуры, линий свяди эксперимнетальной установки с аппаратурой, ПЭВМ, интерфейс (прием-передача данных), методики проведения экспериментов, программа для ПЭВМ. Комплекс позволяет моделировать и исследовать теплообмен человека с окружающей средой в условиях холода и ветра [1]. Разработанное обеспечение позволяет численно оценить общие теплопотери тела человека, распределение температурного поля в структуре пакета одежды, отдельные составляющие внешней теплоотдачи с поверхности пакета.

С его помощью авторами исследована эффективность пакетов специальной одежды, традиционно используемой для защиты от комбинированного воздействия пониженных температур и ветра при субномарльных температурах и умеренном холоде (таблица 1).

Таблица 1. Комплектация исследуемых пакетов одежды

№ пакета	Слои пакета одежды
	1	2	3	4
1	свитер (шерстяная пряжа 80%, полиэфир 20%)	подкладочная ткань (полиэстер 100%)	ветрозащитная ткань «Оксфорд» (полиэстер 100%)
2	свитер (шерстяная пряжа 80%, полиэфир 20%)	подкладочная ткань (полиэстер 100%)	ватин (х/б – 70%, шерсть 30%)	ветрозащитная ткань «Оксфорд» (полиэстер 100%)

Режим проведения испытаний задавался температурой (на 20ºС и 30ºС ниже температуры поверхности тепловой модели тела человека для моделирования, соответственно, условий субномральных температур и умеренного холода) и скоростью движения окружающего воздуха (0; 2; 4 м/с). Полученные результаты представлены в таблице №2.

Как видно, при работе в условиях спокойного воздуха состояние теплового комфорта работника обеспечивается при теплопродукции соответствующей незначительному физическому напряжению. При обдуве работающего ветром со скоростью 2 м/с, тепловой комфорт возможен при теплопродукции соответствующей категории тяжести работ IIб и выше. При обдуве ветром со скоростью 4 м/с, сохранение теплового гомеостаза человека без изменения структуры пакетов одежда невозможно.

Таблица №2. Результаты экспериментальных исследований

№ пакета	Ветровой режим, м/с	Плотность теплового потока, Вт/м^2 (ккал/ч)
		суммарная	смешанной конвекцией	вынужденной конвекцией	тепловым излучением
1	0	133 (160)	80 (96)	-	53 (64)
	2	204 (245)	49 (59)	148 (178)	27 (33)
	4	224 (270)	29 (35)	159 (191)	15 (18)
2	0	123 (152)	24 (123)	-	42 (59)
	2	210(252)	95 (134)	95 (134)	20 (28)
	4	296 (356)	53 (74)	236 (331)	7 (10)

Оценим вклад каждого из слоев рассмотренных пакетов в обеспечение общей теплоизоляции по характеру распределения температурного поля в пакете одежды, как одному из наиболее наглядных показателей (рисунок 1).

а) б)

Рисунок 1. Характер распределения температурного поля в структуре пакета одежды

Учитывая особенности задания режимов испытаний, распределение температурного поля представлено не в абсолютных значениях, а в виде перепада температур по толщине слоя относительно заданной температуры поверхности тепловой модели тела человека.

Как видно, в условиях спокойного воздуха наибольшее падение температур наблюдается в верхнем слое, поэтому он вносит наименьший вклад в общие теплозащитные свойства пакета. При появлении ветра абсолютные значения перепада температур по слоям увеличиваются, однако общая закономерность распределения температурного поля остается прежней. Поэтому необходимо проведение дальнейших экспериментальных исследований с различными тканями верха, что позволит сформулировать более точные рекомендации по изменению комплектации пакета одежды.

Как видно из приведенного примера, результаты, полученные с помощью авторского варианта АСНИ процессов теплообмена в биотехнической системе «человек - одежда - окружающая среда» позволяет весьма быстро и с высокой степенью точности формулировать рекомендации к модернизации конструкции и принципов организации спецодежды дл защиты от холода.

Исследования, проводимые в настоящий момент времени связаны с испытанием нетрадиционных конструктивных решений элементов, позволяющих изменять уровень защитных свойств специальной одежды, а также обосновать положение этих элементов в конструкции различных видов спецодежды.

Таким образом, АСНИ, развиваемая авторами статьи соответствует тенденциям современной прикладной науки и позволяет решить некоторые принципиальные задачи, связанные с повышением конкурентосопосбности отечественных образцова теплозащитной спецодежды.

Литература

1. Родичева М.В. Устройство для исследования процессов комбинированного теплообмена в биотехнической системе «человек – одежда – окружающая среда» [Текст] / Родичева М.В., Абрамов А.В., Уваров А.В., Татаринова Г.Ю. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 2-5 (292). Орел: Госуниверситет - УНПК, 2012. С.104-111.