Розробка теплозахисного спецодягу з локальною вентиляцією

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТЕПЛОЗАХИСНОГО СПЕЦОДЯГУ З ЛОКАЛЬНОЮ ВЕНТИЛЯЦІЄЮ

Омельченко Світлана Вікторівна

Київ - 2003

Анотація

Омельченко С.В. розробка теплозахисного спецодягу з локальною вентиляцією. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.19.04 - технологія швейних виробів. Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено питанням розробки спеціального теплозахисного одягу для несіння охоронно - вартової служби, який поліпшує умови праці та максимально відповідає умовам експлуатації. Розроблено технічні вимоги щодо створення системи повітропроводів для вентилювання підодягового простору та спеціального теплозахисного одягу. Розроблено нове теплоізолююче полотно, яке являє собою комбіновану пасивно - конвекційну систему теплозахисту людини. На основі полотна розроблено теплозахисний жилет, що вентилюється. Розроблено експериментальні установки для визначення гідродинамічного та термічного опору верхнього плечового одягу в цілому. Досліджено гідродинамічні та теплофізичні властивості нового теплоізолюючого полотна та жилету, який вентилюється. Одержано співвідношення для розрахунку повного гідродинамічного опору жилету. Розроблено імітаційний тепловий стенд тулубу людини для непрямого визначення теплового стану людини в плечовому одязі різних видів. Одержано співвідношення для попереднього розрахунку температури робочого повітря для умов вентилювання підодягового простору.

Ключові слова: спеціальний теплозахисний одяг, теплоізолююче полотно, гідродинамічний та термічний опори, технічні вимоги, активна конвекційна система теплорегулювіання, зволоження підодягового простору.

Аннотация

Омельченко С. В. Разработка теплозащитной спецодежды с локальной вентиляцией. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 15.19.04 - технология швейных изделий. Киевский национальный университет технологий и дизайна. Киев. 2003.

Диссертация посвящена вопросам разработки теплозащитной спецодежды для несения охранно-караульной службы на открытых вышках в зимний период времени. Изучение условий труда, режима работы охранников показало, что специальная теплозащитная одежда должна стабильно поддерживать оптимальные параметры микроклимата пододежного пространства. Изучение принципов создания и ассортимента существующих видов теплозащитной спецодежды показало, что для ее разработки целесообразно применять регулируемый способ теплозащиты, который реализуется в применении комбинированной пассивно - конвекционной системы тепло - и влагорегуляции.

На основе проведенного анализа разработаны технические требования к системе воздухопроводящих каналов и к виду одежды в целом.

Разработана конструкция и технология изготовления нового теплоизолирующего полотна, которое может выполнять одновременно две функции: теплоизолятора и многоканальной разветвленной системы воздухопроводов.

Разработан способ определения рационального расстояния между эластичными вкладышами теплоизолирующего полотна.

На основе разработанного полотна создан вентилируемый жилет.

Разработана экспериментальная установка для определения гидродинамических свойств вентилируемой одежды. В результате экспериментальных исследований получена зависимость полного гидродинамического сопротивления вентилируемого жилета от объемного расхода рабочего воздуха.

Рассмотрена схема тепло - и влагообмена, приняты допущения и проведены аналитические расчеты процесса тепло - и влагообмена в системе “человек - вентилируемая одежда - окружающая среда”. Получено выражение для предварительного расчета температуры рабочего воздуха.

По полученной формуле рассчитана максимально рациональная температура рабочего воздуха вентилируемого жилета, при которой происходит максимальное высушивание пододежного пространства с одновременным обеспечением “комфортных” теплоощущений работающего.

Разработан имитационный тепловой стенд торса человека для косвенного определения теплового состояния и исследования теплофизических свойств плечевой одежды в целом.

Экспериментальным путем установлено, что термическое сопротивление вентилируемого жилета, как пассивно защитного слоя, составляет 0,170 0,01 м^{2 о}С / Вт.

Экспериментально доказано, что рассчитанная по полученной формуле температура рабочего воздуха вентилируемого жилета, является максимально рациональной.

Разработанный вентилируемый жилет прошел физиолого-гигиеническую оценку и был внедрен для контрольной эксплуатации в подразделении охраны Бучанской исправительной колонии № 85 Киевской области.

Социально - экономический эффект от внедрения был оценен по следующим показателям и составил: снижение заболеваемости на 40 %, экономия затрат на материальное обеспечение при временной нетрудоспособности - 500 грн. в год.

Ключевые слова: специальная теплозащитная одежда, теплоизолирующее полотно, гидродинамическое и термическое сопротивления, технические требования, активная конвекционная система теплорегулирования, увлажнение пододежного пространства.

Summary

Omelchenko S.V. Development of thermal protective special clothing with the local ventilation.-Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.19.04 - technology of sewing products. Kiev National University of technologies and design, Kiev, 2004.

The dissertation is devoted to questions of elaborating of thermal protective special clothing for quard service, which improve the conditions of labour and maximum corresponds to exploitation conditions. The technical requirements to the creation of system of air tube from the ventilation of the interior space of clothes and thermal protective special clothing has been formulated. The new thermal covering linen - the combinative passive-convective system of human thermal protection has been suggested. The ventilation thermal protective vest has been suggested on the basis of thermal covering linen.. The experimental plants for appreciate of hydrodynamic and thermal resistances outerclothes on the whole has been created. The hydrodynamic, thermal and phisical properties of the new thermal covering linen and the ventilation vest has been defined. The mathematical terms of calculating the full hydrodynamic resistance of vest has been obtained. The imitation thermal dummy human torso from indirect definition of the human thermal state in the different types of clothing has been developed. The mathematical terms of preliminary calculation the temperature of working air from the conditions of interior space of clothes has been obtained.

Key words: thermal protective special clothing, thermal covering linen, hydrodynamic and thermal resistances, technical requirements, damping interior space of clothes, active convection system of thermal regulation.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Охорона важливих стратегічних та промислових об'єктів, а також інших спеціальних закладів посідає важливе місце в структурі державних служб. Зростання малих підприємств, приватних фірм, які займають значне місце в економіці України призводить до зростання невідомчих охоронних структур.

Україна на шляху інтеграції в Євросоюз, прийняла конвенцію про захист прав людини, згідно з якою було скасовано такий вид покарання як смертна кара. Гуманність такого рішення має і зворотній бік, що призводить до зростання установ по утриманню особливо небезпечних злочинців та забезпечення цих установ контингентом підготовлених охоронців. До обов'язків охоронців вказаних об'єктів входить патрулювання території, яка охороняється та несіння варти на вишках. Особливістю цього виду робіт є восьми або дванадцяти годинний вахтовий режим, робота у нічний час, наявність та можливість застосування вогнепальної зброї. Всі ці показники мають вплив на психологічний стан охоронця. Згідно з літературними даними, такий режим праці є нестандартним та викликає перевантаження центральної нервової системи працюючого. На зростання напруженості праці значно впливає фактор високої відповідальності даного виду робіт. Тому що помилка або непередбачені перешкоди можуть стати причиною невиправних наслідків, а в деяких випадках ставати загрозою для життя людини. Як наслідок такої складної діяльності людини та перевантаження нервової системи є зростання артеріального кров'яного тиску, лабільність зорового аналізатора, зростання потовиділення. Така реакція фізіологічних механізмів організму викликає у працюючого відчуття дискомфорту, що в свою чергу ще більше перевантажує нервову систему.

Тому створення засобів, які мають вплив на фізіологічні механізми організму людини, а також засобів здатних швидко ліквідувати відчуття дискомфорту і є актуальною проблемою.

Науковці упродовж тривалого часу займалися проблемами розроблення спеціальних захисних засобів від дії на організм людини низьких температур. Роботи Колеснікова П.А., Афанасьєвой Р.Ф., Чубаровой З.С., Кощеєва В.С., Мойсеєнко С.І. та ін. - присвячені вивченню процесів теплообміну в системі “людина - одяг - середовище”, розробкам приладів, методик, принципів системного підходу до проектування та створення окремих видів засобів індивідуального захисту.

Досвід роботи працюючих в умовах охоронно - вартової служби та аналіз спецодягу свідчать, що одним з основних фізіологічних процесів, який спричиняє тривале відчуття дискомфорту та переохолодження локальних зон організму, є потовиділення. Особливо у зимовий період, коли навколо тіла людини знаходиться достатньо товстий теплозахисний шар одягу, який в основному накопичує вологу у собі, тому підвищується ризик переохолодження, що призводить до зростання захворюваності на бронхіти, пневмонії, ангіну, радикуліт, гострі респіраторні захворювання різного ступеня важкості.

Тривалість дискомфорту, що пов'язана з неприємним відчуттям дотику зволоженого та холодного одягу до тіла, залежить від умов оточуючого середовища, волокнистого складу матеріалів, з яких виготовлений спецодяг, його силуету та конструкції, а також виду та частоти зміни фізичного навантаження.

Таким чином, розроблення нових видів спеціального теплозахисного одягу та створення нових засобів та методів дослідження його теплофізичних властивостей є актуальною задачею, вирішення якої дозволить забезпечити ефективний теплозахист працюючих в зимовий період часу, скоротити тривалість дискомфортних відчуттів та дасть можливість більш об'єктивно оцінювати теплозахисні властивості одягу в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до перспективних планів науково - дослідної роботи кафедри ТКШВ Київського національного університету технологій та дизайну на 1992 - 2002 рр.

Мета і аналіз дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка спеціального теплозахисного одягу охоронця з використанням способу видалення вологи з підодягового простору.

Для досягнення мети в роботі вирішені та виносяться на захист такі задачі:

на основі вивчення умов експлуатації та технологій виготовлення існуючих видів теплозахисного спецодягу розроблено фізичну модель процесу тепло- та вологообміну між тілом людини та навколишнім середовищем в системі “людина - теплозахисний спецодяг - середовище”;

проаналізовано існуючі способи тепло - та вологорегулювання і визначенні вимоги до спецодягу та матеріалів для його виготовлення;

розроблено нову конструкцію теплоізоляційного шару пакету одягу для реалізації обраного способу вологорегулювання;

обґрунтувано використання в пакеті теплозахисного одягу нового теплоізолюючого полотна;

на основі використання нового пакету одягу з урахуванням встановлених вимог розроблено конструкцію та технологію виготовлення теплозахисного жилету, що вентилюється;

розроблено експериментальну установку та досліджено гідродинамічні властивості нового полотна та спецодягу в цілому;

на підставі проведених теоретичних досліджень гідродинамічних властивостей розгалуженої системи каналів жилету, що вентилюється, розроблено конструкцію повітропровідної системи з відокремленим каналом;

визначено найбільш значущі фактори, які впливають на процес видалення вологи з підодягового простору;

на підставі проведених аналітичних досліджень розроблена математична модель процесу тепло - та вологообміну між тілом людини та навколишнім середовищем в системі “людина - теплозахисний спецодяг, що вентилюється - середовище” та розраховано найбільш раціональну температуру робочого повітря жилету, що вентилюється;

розроблено експериментальну установку та досліджено теплозахисні властивості одягу в цілому;

на підставі проведених досліджень доведено, що розрахований за отриманою формулою температурний параметр робочого повітря жилету, що вентилюється, є найбільш раціональним;

проведено фізіолого-гігієнічну оцінку розроблених експериментальних зразків спецодягу;

впроваджено дослідну партію розробленого спецодягу в діяльність підрозділів охорони УДДВП України.

Об'єктом дослідження є процес створення комфортних умов праці працівників охоронно-вартової служби.

Предмет дослідження - розробка спеціального теплозахисного одягу з локальною вентиляцією.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано метод системного підходу до проектування спеціального одягу. В теоретичних дослідженнях використано метод елементарних теплових балансів як наближений чисельний метод розрахунку теплопередачі від тіла людини кріз теплозахисний пакет одягу в оточуюче середовище. Для експериментальних досліджень спецодягу в цілому використовувались розроблені експериментальні установки для оцінки гідродинамічних та теплозахисних властивостей одягу. Для обробки результатів експериментальних досліджень використано методи математичної статистики. В дослідженнях теплофізичних властивостей тепло ізолюючого полотна використано метод регулярного теплового режиму.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

§ розроблено метод та отримані аналітичні рівняння:

§ для визначення гідродинамічного опору теплозахисного жилету, що вентилюється, як незамкненої гідродинамічної системи, яка має чотири вихідні патрубки до локальних зон підодягового простору;

§ для розрахунку найбільш раціональної температури (робочого) повітря жилету, що вентилюється, при якій відбувається максимальне висушування підодягового простору з забезпеченням “комфортних” тепловідчуттів працюючого;

§ розроблено спосіб визначення раціональної відстані між еластичними вкладишами, які утворюють розгалужену систему повітропровідних каналів нового тепло ізолюючого полотна.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

визначенні технічних вимог до створення теплозахисного спецодягу з локальною вентиляцією підодягового простору та матеріалів для його виготовлення на основі системного вивчення умов експлуатації;

розробленні конструкції нового теплоізолюючого полотна;

- розробленні технології виготовлення нового теплоізолюючого полотна;

розробленні художньо - конструкторського вирішення жилету, що вентилюється;

розробленні оригінальної експериментальної установки для визначення гідродинамічних властивостей спецодягу, що вентилюється;

розробленні імітаційного теплового стенду торсу людини (ІТСТЛ) для дослідження теплозахисних властивостей плечового спецодягу в цілому;

проведенні фізіолого-гігієнічної оцінки розроблених експериментальних зразків жилетів, що вентилюються;

здійсненні впровадження дослідної партії розробленого жилету з локальною вентиляцією в діяльність підрозділу охорони УДДВП України в Київській області;

можливості забезпечення потреб у високоякісному теплозахисному спецодязі та отриманні річної соціально - економічної ефективності від впровадження у сумі 500 грн.

Новизна практичних результатів підтверджена Державним департаментом інтелектуальної власності, який видав патент на винахід 31006 А.

Результати досліджень впроваджено в навчальний процес кафедри технології та конструювання швейних виробів Київського національного університету технологій та дизайну з дисципліни “Новітні технології виготовлення одягу”, науково-дослідній роботі та дипломному проектуванні студентів.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці та вирішенні основних теоретичних та експериментальних задач за проблемами досліджень. Вивчення умов експлуатації, визначення вимог, розробка, впровадження у виробництво та експлуатацію даного виду теплозахисного спецодягу здійснювалося за особистою участю здобувача. При безпосередній участі автора розроблені установки і методи дослідження гідродинамічних та теплозахисних властивостей спецодягу в цілому. Безпосередньо автором здійснені планування та проведення експерименту, виконана комп'ютерна обробка отриманих даних. Автору належать основні ідеї, узагальнення та висновки.

Апробація роботи. Основні положення та результати роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на щорічних науково - технічних конференціях молодих вчених і студентів Київського національного університету технологій та дизайну, Технологічного університету Поділля (1995, 1998 та 2001 рр.), та опубліковані в збірниках тез вказаних конференцій. Жилет, що вентилюється, як технічна пропозиція, отримав перемогу в міському конкурсі науково - технічної творчості молоді вищих навчальних закладів м. Києва “Винахід - 2003” та одержав третю премію у ІІІ конкурсі науково - технічних проектів молодих вчених під девізом “Інтелектуальний потенціал молодих вчених - місту Києву”.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 7 наукових робіт: 2 статті у спеціалізованих виданнях ВАК України, 4 тези доповідей на конференціях та отримано Патент на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шістьох розділів з висновками, загальних висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Основна частина роботи виконана на 109 сторінках машинописного тексту, містить 39 рисунків, 4 таблиці. Список використаних літературних джерел містить 112 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету, основні задачі та методи досліджень, сформульовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан проблеми створення теплозахисного спецодягу: здійснено аналіз умов експлуатації, принципів створення, спецодягу, який застосовується.

Вивчення фізіологічних особливостей теплообміну людини в зимовий період часу та умов виробничого середовища охоронців показало, що спецодяг має забезпечувати захист від дії на охоронця низьких температур та ліквідувати дискомфортні відчуття, які виникають внаслідок гіпергідрозу в умовах підвищеної напруженості праці.

Аналіз умов праці дозволив встановити, що термін одного чергування складає 12 годин, з них 2-3 години охоронець несе варту на вишці, за 0,5-1 годину здійснює обхід об'єкту по периметру, таким чином 8 - 10 годин на добу працюючий знаходиться на відкритому повітрі температура якого коливається від - 10 до - 17 ^оС. Такий режим праці є нестандартним та впливає на роботу центральної нервової системи, викликаючи підвищення артеріального кров'яного тиску, потовиділення та порушення роботи фізіологічної системи терморегулювання.

Вивчення фізіологічних особливостей теплообміну людини дозволило визначити зони найбільш інтенсивного потовиділення та встановити, що вони знаходяться на тулубі людини.

Визначено, що для несіння охороно - вартової служби у зимовий період року застосовується комплект одягу, який забезпечує пасивний теплозахист працюючого, але суттєвим недоліком такого одягу є те, що він створює перепону для виведення вологи (поту) з підодягового простору.

Проведений аналіз апріорної інформації дозволив розробити фізичну модель процесу тепло - та вологообміну між тілом людини та навколишнім середовищем в системі “людина - теплозахисний спецодяг - середовище”, конкретизувати мету роботи та задачі подальших досліджень.

Другий розділ присвячено розробленню методологічних основ для створення спеціального теплозахисного одягу з метою подальшого їх використання для підготовки методичних документів з розробки нових видів спецодягу. Вивчення особливостей випарування поту з поверхні тіла людини через теплозахисний спецодяг у навколишнє середовище дозволило обрати найбільш раціональний конвективний спосіб тепло - та вологорегулювання мікроклімату в підодяговому просторі.

Аналіз існуючих повітропровідних систем вентиляції показав, що їх не можна застосовувати для спецодягу, який розробляється у роботі, тому що вони потребують наявності додаткових конструктивних елементів або шарів одягу, являються дуже матеріаломісткими та мають обмежений термін роботи.

Вивчення умов експлуатації та фізіологічних особливостей людини під час несіння вартової служби у зимовий період року з урахуванням основних функцій системи вентиляції дозволило визначити вимоги до її створення.

Отже система вентиляції теплозахисного спецодягу повинна:

забезпечувати одночасне підведення повітря до заданих локальних зон на тулубі людини;

бути гнучкою та відносно легкою;

виготовлятися з відносно недорогих текстильних матеріалів, які застосовуються у виробництві одягу;

утримувати сталий переріз повітропровідних каналів;

виготовлятися за існуючими екологічно чистими технологіями.

Проведений аналіз топографії потовиділення та сучасних повітропровідних систем дозволило визначити вимоги щодо вибору виду теплозахисного спецодягу, а саме складовий елемент комплекту теплозахисного спецодягу повинен забезпечувати:

можливість примусового руху повітря до зон інтенсивного потовиділення на тулубі людини;

мати відносно малу матеріалоємність.

Таким чином з існуючих видів спецодягу було обрано жилет, як найбільш задовольняючий вище перерахованим вимогам.

Третій розділ присвячено розробці конструкції елементів системи вентиляції та жилету.

В лабораторії кафедри ТКШВ при безпосередній участі автора розроблено нове теплоізолююче полотно (патент України 31006 А), яке є багатоканальною розгалуженою системою повітропроводів, які розташовано між двома шарами текстильного матеріалу (рис. 1).

Теплоізолююче полотно складається з шарів текстильного клейового матеріалу 8 та формованого трикотажного полотна 1, які утворюють між собою повітряні пустоти (комірки) 6 та мають рельєфну зовнішню поверхню, яку вкриває шар вітрозахисного матеріалу 3 з коефіцієнтом повітропроникності В (2,57...4) л/м²с. Всередині повітряних комірок розташовані еластичні вкладиші 4 - шайби у формі циліндрів.

Еластичні вкладиші виготовлені з пористого матеріалу на основі хлоропренового каучуку (ГОСТ 38506041 - 91), що дозволений для використання в умовах контакту з тілом людини. Конструкція теплоізолюючого полотна дозволяє використовувати його як систему повітропровідних каналів, а також як самостійну теплозахисну прокладку.

.Гідродинамічні та теплофізичні властивості полотна залежать від висоти, діаметру та розташування еластичних вкладишів.

З метою зменшення дотичної пружної напруги, яка виникає в еластичних вкладишах при деформації стиснення у разі тиску верхніх шарів пакету одягу або інших зовнішніх зусиль, приймаємо діаметр циліндричних шайб однаковий з їх висотою.

В свою чергу висота шайб обумовлена товщиною сталого повітряного прошарку, який утворюється між шарами теплоізолюючого полотна. Як відомо, максимальна товщина повітряних прошарків у теплозахисному одязі дорівнює 0,008 м.

Еластичні вкладиші розташовані у шаховому порядку, що дозволяє знизити імовірність прогину верхніх шарів пакету між ними та перекриття повітропровідних каналів.

Максимально припустима відстань між центрами еластичних вкладишів Х₁ визначалася експериментально методом порівняння величини просвіту між внутрішнім і зовнішнім шарами полотна. Встановлено, що максимальна відстань Х₁ (рис. 1) дорівнює 0,03 м.

Оптимальне значення Х₁ визначалося експериментально методом порівняння гідродинамічних опорів смуги теплоізолюючого полотна під навантаженням та без нього. При плануванні експерименту межі числового значення Х₁ задавалися в діапазоні від 0,01 до 0,03 м з інтервалом варіювання 0,005 м. Для проведення експерименту була розроблена установка для дослідження гідродинамічних властивостей одягу, який вентилюється (рис. 2).

З метою дослідження термічного опору теплоізолюючого полотна проведено експеримент на бікалориметрі (ПБ - Р) конструкції А.Ф. Бегункової з вже обраними межами та інтервалами варіювання відстані між центрами еластичних вкладишів (Х₁).

З діаграми видно, що найменший гідродинамічний опір під навантаженням має смуга теплоізолюючого полотна з відстанню (Х₁) між центрами вкладишів, що дорівнює 0,02 м. Внаслідок того, що вкладиші мають шахове розташування таким чином, що суміжні умовно знаходяться в вершинах ромбу, то відстань Х₂ буде дорівнювати половині відстані Х₁.

Враховуючи розроблені у першому розділі вимоги до одягу, який вентилюється, з використанням теплоізолюючого полотна, як повітропровідної системи, на базі конструкції куртки з утеплювачем для військовослужбовців (ГОСТ 24913 - 81) розроблено конструкцію жилету. Жилет має закриту застібку на текстильну стрічку, розташовану зі зміщенням на ліву пілочку, таким чином, щоб центральна застібка верхнього одягу не знаходилась на лінії застібки жилету. Підвідний патрубок знаходиться вище лінії талії на 0,1-0,15 м, але нижче лінії грудей не менш ніж на 0,05 м. Патрубок вільно з'єднується з жилетом за допомогою отвору, який розташовано на лівому борту.

Отвори для виведення повітря в підодяговий простір розташовані на внутрішньому боці жилету. Загальна кількість вивідних отворів дорівнює чотирьом, а місцями їх розташування є нижня частина пройм, спинка в області лопаток, права пілочка в області грудної клітини. Отвори накриваються кришками спеціальної конструкції з метою запобігання їх перекривання при повній прилеглості до тіла людини.

Четвертий розділ присвячено теоретичним дослідженням складного руху повітря в повітропровідному шарі жилета та процесу тепло- і вологообміну в системі “людина - спецодяг, що вентилюється - середовище”. Дослідження було проведено для обґрунтування вибору режимів локального вентилювання підодягового простору та встановлення взаємозв'язків між ними.

Жилет, що вентилюється, одягнений на людину, є складною гідродинамічною системою з великою кількістю ділянок, які утворюють опір потоку повітря.

Повний гідродинамічний опір системи “жилет” визначається за формулою:

р_п = р_т + р₁ + р₂ + р₃ + р₄ + р₅ +р₆ + р₇ + р₈ + nр₉, (1)

де р_т - опір тертя по всій довжині руху потоку;

р₁ - місцевий опір на ділянці різкого розширення живого перерізу потоку повітря;

р₂ - місцевий опір на ділянці часткового витікання повітря в підодяговий простір;

р₃ - місцеві опори різкого звуження живого перерізу потоку та часткового витікання;

р₄ - місцевий опір на ділянці різкого розширення живого перерізу потоку повітря;

р₅ - місцевий опір на ділянці часткового витікання повітря в підодяговий простір;

р₆ - місцеві опори різкого звуження живого перерізу потоку та часткового витікання;

р₇ - місцевий опір на ділянці різкого розширення живого перерізу потоку повітря;

р₈ - місцевий опір при обтіканні потоком повітря еластичного вкладиша;

n - кількість еластичних вкладишів.

Повний гідродинамічний опір будь - якої вентиляційної системи безпосередньо впливає на енергоємність, так як потужністю нагнітача знаходиться у прямо пропорційній залежності від такого опору.

Зменшення енерговитрат на вентилювання підодягового простору пропонується проводити за рахунок зменшення повного гідродинамічного опору системи “жилет”.

Запропоновано вирішити цю задачу шляхом утворення в повітропровідному шарі жилета каналу шляхом перекриття відгалужень, які утворюють зайві гідродинамічні опори (рис. 5).

Створення повітропровідного каналу дозволило зменшити кількість ділянок і не враховувати їх при визначені загального гідродинамічного опору системи, а саме: р₄ - розширення в області спинки жилету; р₇ - розширення в області правої пілочки, а також зменшення кількості еластичних вкладишів n на шляху руху повітря. Таким чином повний гідродинамічний опір системи жилета з виділеним повітропровідним каналом (в подальшому буде називатися “жилет - к”) буде мати вигляд:

р_п = р_т + р₁ + р₂ + р₃ + р₅ +р₆ + р₈ + nр₉, (2)

Відомо, що при наявності в повітропроводі декількох місцевих опорів, повний гідродинамічний опір дорівнює їх сумі, при цьому відстань між ділянками опорів повинна бути не менш ніж 40 - 60 еквівалентних діаметрів.

Теоретично розрахувати повний гідродинамічний опір системи “жилет - к” не можна, тому що ділянки опорів мають малі відстані між собою, а розташування по всьому шляху повітропроводу еластичних вкладишів не дозволяє осередненим місцевим швидкостям потоку стабілізуватися після чергового опору до наступного. Тому визначення повного гідродинамічного опору цієї системи проводилось експериментально, при цьому факторами обрано об'ємну витрату повітря V та кількість еластичних вкладишів n, яка залежить від розміру жилету.

Для обґрунтування вибору режимів локального вентилювання було розглянуто існуючі методи розрахунку теплозахисних властивостей одягу з пасивним та активним теплозахистом.

В основі розрахунку теплозахисних властивостей одягу покладено закон теплопровідності крізь багатошарову стінку. При активному конвекційному теплозахисті розраховують кількість необхідного тепла, яке поступає в підодяговий простір, через об'ємну витрату повітря та температуру на вході та виході.

Розроблений у роботі “жилет - к” містить в собі одночасно два способи теплозахисту: конвекційний - в зоні повітропроводу та вихідних отворах та пасивний - в усіх інших зонах жилету.

Робоче повітря виконує дві функції: в зоні інтенсивного потовиділення - сушіння; в усіх інших зонах - конвекційний теплозахист. Зрозуміло, що після зон сушіння, куди безпосередньо підводиться повітря, воно потрапляє в підодяговий простір після чого через нещільності між одягом і тілом виходить в навколишнє середовище. В підодяговому просторі робоче повітря розподіляється нерівномірно, тому що на різних ділянках поверхні тіла в процесі руху одяг має різний ступінь прилягання. З метою спрощення аналітичного розгляду процесу тепло - та вологообміну прийнято допущення щодо рівномірного розподілу робочого повітря в підодяговому просторі по всій поверхні тулубу людини.

Зміна тепловмісту робочого повітря в зоні сушіння визначалась з рівняння теплового балансу:

Q₁ = Q₂ + Q_m, (3)

де Q₁ - кількість тепла, яке потрапляє з робочим повітрям в локальні зони підодягового простору;

Q₂ - кількість тепла, яке має робоче повітря після сушіння в локальних зонах;

Q_m - кількість тепла, яке витрачає робоче повітря в процесі сушіння зволожених локальних зон підодягового простору.

Кількість тепла Q₁ визначалась за формулою:

Q₁ = C V г (T_o - T₁), (4)

де С - питома теплоємність робочого повітря, Дж/ (кг К);

V - витрата робочого повітря, м³/с;

г - питома вага робочого повітря, кг/м³;

Т_о - температура робочого повітря на вході до підодягового простору, К;

Т₁ - температура робочого повітря на виході з підодягового простору, К.

Кількість тепла Q_m визначалось з виразу:

Q_m = r m_в, (5)

де r - питома теплота випаровування вологи, Дж/кг;

m_в - швидкість випаровування вологи, кг/с.

Кількість тепла Q₂, яке має повітря після теплообміну в зонах сушіння, розраховувалось за формулою:

Q₂ = C V г T₁ (6)

Після підстановки формул (4), (5) та (6) у рівняння (3) та перетворень останнього, було отримано формулу для визначення температури робочого повітря на вході до локальних зон підодягового простору:

Т_о = r m_в/C V г + 2Т₁ (7)

Внаслідок того, що в умовно сухих зонах підодягового простору робоче повітря створює теплозахисний шар, передача тепла крізь який здійснюється за рахунок теплопровідності, то:

Т₁ = , (8)

де t₂ та t₃ - температура на поверхнях, які обмежують повітряний шар між жилетом - к та шаром спецодягу в умовно сухих зонах підодягового простору.

Після перетворень рівняння теплопередачі крізь умовно сухий пакет одягу, як крізь багатошарову плоску стінку, були отримані формули для визначення температур t₂ та t₃:

(9)

(10)

де л_і - коефіцієнт теплопровідності і-го шару пакета одягу;

д_і - товщина і-го шару;

R _н.с. - термічний опір шару повітря на зовнішній стороні одягу;

t _н.с. - температура навколишнього середовища;

q -“комфортний” середньозважений тепловий потік;

1,2,....7 - номер шару пакета одягу згідно з рисунком 6.

Після підстановки в рівняння (7) формул (9) та (10), було отримано формулу для визначення температури робочого повітря на вході до жилету - к, який вентилюється:

r m_в/C V г. (11)

За рівнянням (11) було розраховано найбільш раціональну температуру робочого повітря для реальних умов експлуатації.

П'ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням гідродинамічного та термічного опорів “жилету - к”, що вентилюється та перевірці адекватності одержаного рівняння для розрахунку найбільш раціонального температурного параметра вентиляції підодягового простору.

Дослідження гідродинамічного опору системи “жилет - к” проводилось на експериментальній установці для дослідження гідродинамічного опору пакету одягу, який вентилюється.

В результаті проведених експериментальних досліджень та використання методу планування експерименту було отримано залежність зміни повного гідродинамічного опору p_п вентиляційної системи “жилет - к” від об'ємної витрати робочого повітря V:

p_п = 0,0013V² + 0,047V + 16,49 (12)

Одержаний вираз дозволяє визначити повний гідродинамічний опір теплозахисного жилету, що вентилюється, а також подібних гідродинамічних систем з розгалуженими повітропровідними каналами. Визначення повного гідродинамічного опору системи необхідно для подальшого розрахунку потужності нагнітача та терміну роботи акумуляторних джерел живлення.

З метою вдосконалення існуючих методів оцінки теплозахисних властивостей верхнього плечового одягу розроблено імітаційний тепловий стенд тулубу людини (ІТСТЛ).

Описаний стенд пройшов офіційну метрологічну експертизу в УкрЦСМ при Державному комітеті стандартизації, метрології та сертифікації України.

Для дослідження теплофізичних властивостей одягу розроблено метод визначення термічного опору одягу з урахуванням конструктивно - декоративних елементів на ІТСТЛ.

В результаті проведених досліджень встановлено, що термічний опір запропонованої конструкції жилету, який вентилюється, при умові використання його, як пасивної теплоізоляції, становить Rж = 0,170 0,01 м^2оС/Вт.

Для дослідження впливу примусової вентиляції підодягового простору на тепловий стан людини було проведено наступні експерименти:

непряме визначення теплового стану людини при умові зволоження підодягового простору;

перевірка адекватності одержаного рівняння для розрахунку найбільш раціонального температурного параметру вентиляції підодягового простору.

Непряме визначення теплового стану людини при умові зволоження підодягового простору, коли потовиділення є реакцією організму людини на психологічне перевантаження, проводилось за допомогою ІТСТЛ.

При плануванні експерименту вважалось, що:

манекен одягнено в комплект одягу, який одягає охоронець під час несіння охоронно - вартової служби в зимовий період часу, а саме: бавовняна білизна, бавовняна сорочка, вовняний светр, куртка зимова для військовослужбовців;

умови навколишнього середовища наближено до реальних: температура повітря - мінус 10 ^оС, відносна вологість повітря - 60 - 65 %, швидкість вітру - 5 м/с;

потужність нагрівача імітувала теплопродукцію людини при виконанні фізичного навантаження, яке ідентичне вартовій службі на вишці (спокій стоячи) 41 2,0 Вт/м²;

рідина, яка подавалася у підодяговий простір, мала температуру поту людини -33,0 1^оС;

введення в підодяговий простір рідини проводилося одночасно у чотири зони на 40 - й хвилині холодової експозиції.

Вхідним фактором було прийнято кількість рідини, яка вводилась у підодяговий простір.

Проведено три серії експериментів з кількістю рідини 0,02, 0,03 та 0,04 кг.

Для визначення найбільш раціональних параметрів вентилювання зволоженого підодягового простору було проведено експеримент на ІТСТЛ по визначенню теплового стану людини при умові введення в комплект одягу “жилету - к”, що вентилюється.

При плануванні експерименту було встановлено керуючі фактори та діапазон їх зміни, а саме: об'ємна витрата робочого повітря (50 та 100 л/хв) та температура робочого повітря (інтервал варіювання - 5^оС). Нульовий рівень другого фактору встановлювався за розрахунками рівняння (11).У результаті проведених досліджень було отримано залежності зміни температури в підодяговому просторі від параметрів вентилювання та кількість залишеної в пакеті одягу вологи.

Найбільш раціональними параметрами робочого повітря в спецодязі, що вентилюється, при яких відбувається максимальне висушування підодягового простору з утриманням “комфортних” тепловідчуттів працюючих в розглянутих в роботі умовах експлуатації є: температура робочого повітря То = 40 ^оС при об'ємній витраті робочого повітря V = 100 л/хв.

Отримані експериментальним шляхом результати підтверджують можливість застосування формули (11) на стадії вибору та попередніх розрахунків параметрів робочого повітря при вентилюванні підодягового простору за допомогою розробленого у роботі жилету.

В шостому розділі проведено фізіолого - гігієнічну оцінку експериментальних зразків жилету, що вентилюється. Розроблений жилет впроваджено в підрозділі охорони УДДВП України в Київській області та отримано річний соціально - економічний ефект за наступними показниками: зниження захворюваності більш ніж на 40 %, економія витрат на матеріальне забезпечення під час тимчасової непрацездатності - 500 грн. в рік.

Висновки

Аналіз умов виробничого середовища та експлуатації теплозахисного спецодягу при несінні охоронно - вартової служби дозволив визначити комплекс шкідливих чинників. Встановлено, що виконання робіт охоронно - вартового характеру в зимовий період часу на території України пов'язане з впливом на організм людини холодного повітря з температурою (- 10.... - 20) ^оС при швидкості повітря (5... 10) м/с. Режим такої праці належить до нестандартних та впливає на роботу центральної нервової системи. Види робіт, які виконує охоронець, відрізняються ступенем фізичного навантаження, що призводить до різкої зміни теплопродукції людини. Спецодяг, якій застосовується, не здатен забезпечувати захист від комплексного впливу встановлених факторів.

Розроблено технічні вимоги до спецодягу та конвекційної системи тепло - та волого регулювання підодягового мікроклімату.

Розроблено конструкцію нового теплоізолюючого полотна, яке одночасно є системою розгалужених повітропровідних каналів, новизна розробки підтверджена патентом України на винахід за 31006 А, а також конструкцію та технологію виготовлення жилету, який вентилюється.

Проведеноі теоретичні дослідження процесу тепло- та вологообміну в системі “людина - теплозахисний спецодяг, що вентилюється - середовище”, що дозволило за рахунок використання методу елементарних теплових балансів отримати вираз для розрахунку найбільш раціональної температури робочого повітря системи вентиляції спецодягу.

Розроблено експериментальну установку для визначення гідродинамічного опору системи вентиляції та верхнього плечового одягу, який вентилюється в цілому. Експериментально отримана залежність гідродинамічного опору вентиляційної системи “жилет” від об'ємної витрати робочого повітря.

Розроблено оригінальний імітаційний тепловий стенд тулубу людини ІТСТЛ для непрямої оцінки теплового стану працюючого в умовах зволоженого підодягового простору. Встановлено, що термічний опір полотна становить 0,110 0,01 м^{2 о}С/Вт, а жилету з шаром нового теплоізолюючого полотна - 0,170 0,01 м^{2 о}С/Вт.

Експериментально підтверджено, що попередньо розрахована за отриманим виразом температура робочого повітря теплозахисного спецодягу з системою вентиляції “жилет” в реальних умовах експлуатації, є найбільш раціональною

охоронний одяг теплозахисний вологорегулювання

Список опублікованих праць за темою дисертації

Омельченко С.В., Мойсеєнко С.І. Непряме визначення теплового стану людини в умовах зволоження підодягового простору // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2002. - № 2. - С.156 - 157.

Омельченко С.В., Мойсеєнко С.П Дослідження ресурсу роботи жилета, що вентилюється, з автономним джерелом живлення // Легка промисловість. - 2000. - №2. - С.52.

Пат.31006 А Україна, Теплоізолююче полотно / С.І. Мойсеєнко, С.В. Омельченко. - № 98063409; Заявл. 30.06.98; Опубл.29.03.2000; Бюл. № 2.

Омельченко С. В., Мойсеєнко С.І. Утеплююча прокладка нового типу // Легка промисловість. - 1999. - № 4. - С.19.

Омельченко С.В., Войнов Ю.Ф.,Мойсеєнко С.І. Повітронагрівач для засобів індивідуального захисту людини від низьких температур повітря // Праці ювілейної наукової конференції професорсько-викладацького складу. - К.: ДАЛПУ. - 1995. - С.118.

Омельченко С.В., Мойсеєнко С.І. На питання накопичення вологи у теплозахисній одежі / Збірник наукових праць молодих вчених та студентів. - Частина 1. - К.: ДАЛПУ - 1995. - С.16.

Омельченко С.В., Мойсеєнко С.І. Теплоізолююче полотно / Збірник наукових праць молодих вчених та студентів. - Частина 1. - К.: ДАЛПУ. - 1998. - С.29 - 30.

Омельченко С.В., Мойсеєнко С.І. Експериментальні дослідження тривалості комфорту в одязі різних видів / Тези доповідей наукової конференції молодих вчених та студентів. - Том 1. - К.: КНУТД. - 2001. - С.8.

Размещено на Allbest.ru

...