Розвиток наукових основ створення термозахисного спеціального одягу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет технологій та дизайну

УДК 687.174:620.193.94

Розвиток наукових основ створення термозахисного спеціального одягу

Спеціальність 05.19.04. - технологія швейних виробів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Колосніченко Марина Вікторівна

Київ 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: заслужений працівник народної освіти України, доктор фізико-математичних наук, професор Ментковський Юзеф Леонович, Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри фізики

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Орловський Броніслав Вікентійович, Київський національний університет технологій та дизайну, завідувач кафедри машин легкої промисловості;

доктор технічних наук, професор Пугачевський Григорій Федорович, Київський національний торговельно-економічний університет, професор кафедри товарознавства та експертизи непродовольчих товарів

доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри теплотехніки та Інститут технічної теплофізики НАНУ, провідний науковий співробітник відділу конвективних тепломасообмінних пристроїв

Провідна установа - Хмельницький державний університет Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “14” квітня 2004 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.03 в Київському національному університеті технологій та дизайну (КНУТД) за адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КНУТД за адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розісланий “11” березня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Первая Н.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виконання робіт у несприятливих умовах, зокрема за високих температур навколишнього середовища потребує надійного термозахисного спеціального одягу (ТЗСО), насамперед у разі проведення аварійно-рятувальних робіт. За період 1998-2002 рр. в Україні у зв'язку з відсутністю засобів захисту відповідного призначення щороку було травмовано приблизно 2500 працівників, у тому числі близько 5% із смертельними наслідками. Досвід експлуатації спецодягу та статистика травмувань і загибелі працюючих свідчать, що існуючі види ТЗСО мають низькі показники надійності й ергономічності та не забезпечують достатнього рівня захисту від комплексу небезпечних та шкідливих чинників виробничого середовища, чим зумовлюється необхідність розроблення науково обґрунтованих підходів до його створення. Тому у Програмі розвитку виробництва засобів індивідуального захисту (ЗІЗ) працівників на 2001-2004 рр., яку_підготовлено з урахуванням вимог Указу Президента від 14.09.2000 р. № 1072 “Про програму інтеграції України до Європейського Союзу” та затверджено Постановою Кабінету Міністрів України №952 від 08.08.2001р., передбачено, зокрема, розроблення Державного стандарту України “Захисний одяг пожежників. Загальні технічні умови та методи випробувань”.

Фахівці провідних організацій упродовж тривалого часу розробляли різні види спеціального термозахисного одягу, а також наукові підходи до проектування лабораторно-приладової бази з оцінки його якості. В цьому плані роботи Кондратьєва Г.М., Бігункової Г.Ф., Колеснікова П.А., Романова В.Є., Третьякової Л.І. та ін. присвячені вивченню процесів теплопередавання крізь матеріали і пакети, системному підходу до проектування спецодягу, а також методам наближеного теплового розрахунку одягу.

Під час розроблення ТЗСО, що відповідає сучасним вимогам щодо експлуатації, провідну роль відіграє правильний добір матеріалів до складу пакета, який базується на об'єктивній та всебічній оцінці його властивостей. Поки що розробники одягу не повною мірою забезпечені інструментальними методами визначення поведінки пакетів в умовах надвисоких (до 150⁰С) температурних впливів, контролю температур в шарах одягу, особливо при застосуванні систем активного теплозахисту, що унеможливлює отримування об'єктивної інформації про характер процесів, які відбуваються під час дослідження, та про результат впливу. Разом з тим, проблема підвищення експлуатаційних властивостей ТЗСО за рахунок впровадження теоретичних основ теплоперенесення та математичного моделювання процесів в системі “навколишнє середовище - ТСЗО - людина” в разі застосування спецодягу з пасивним і активним теплозахистом на сьогодні залишається невирішеною. Водночас вона досить актуальна, оскільки дає можливість вирішити соціальну проблему збереження життя та працездатності людини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з науковим напрямом ”Нові науково місткі технології виробництва матеріалів, виробів широкого вжитку та спеціального призначення” відповідно до перспективних планів науково-дослідної роботи кафедри технології та конструювання швейних виробів КНУТД (держбюджетна тематика № Н/н 1.03-1, 1990-2003 рр.); у рамках науково-дослідної роботи за темою “Створення спеціального захисного одягу для підрозділів пожежної охорони”(номер ДР 0190U0036039; Інд.№362, 1992-1994рр.) та згідно з планом заходів щодо реалізації Програми розвитку виробництва засобів індивідуального захисту працівників на 2001-2004 роки (Постанова КМУ від 08.08.2001 р. № 952).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток наукових основ та технологічних методів проектування при створенні термозахисного спецодягу працюючих у різноманітних умовах агресивного високотемпературного навколишнього середовища. Робота спрямована на підвищення ефективності праці в захисному спецодязі, зниження рівня виробничого травматизму і загибелі працівників, формування раціональної структури асортименту термозахисного спецодягу для заданої сукупності виробництв із запровадженням сучасних інформаційних технологій, створення та впровадження у виробництво технологічно раціональних та естетично привабливих видів термозахисного спецодягу, здатних забезпечити потреби промисловості.

Для досягнення поставленої мети було визначено і вирішено такі задачі:

- досліджено умови середовища функціонування виробничих систем за високотемпературних впливів, фізіологічні реакції організму на загальні та локальні теплові впливи, взаємозв'язок теплового стану людини з конструктивно-технологічними параметрами виготовлення термозахисного спецодягу та розроблено методичні підходи до обґрунтування припустимої тривалості роботи в ньому;

- розроблено фізичні моделі ТЗСО з пасивним і активним теплозахистом, математичну модель взаємозв'язків параметрів для проектування термозахисного спецодягу за умов впливу на людину променевого теплового потоку, на базі якої створено раціональні пакети та нові проектні рішення різновидів спецодягу;

- досліджено класифікацію видів і способів з'єднання деталей термозахисного спецодягу, теплофізичні та експлуатаційні характеристики матеріалів, на основі яких обґрунтовано структуру та створено математичну модель нагрівання термозахисного спецодягу в системі “навколишнє середовище - ТЗСО - людина”;

- розроблено методологію дослідження термозахисних властивостей матеріалів і одягу, структуровано загальну схему багатошарового пакета матеріалів для різноманітних умов навколишнього середовища і тяжкості робіт, на основі якої проведено експериментальні дослідження матеріалів, пакетів та спецодягу з пасивним і активним теплозахистом.

Об'єктом дослідження є процес створення конкурентноздатного спеціального термозахисного одягу з прогнозованими властивостями.

Предметом дослідження є розвиток наукових основ створення термозахисного спеціального одягу.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії тепломасоперенесення, теорії термогазодинаміки, теорії автоматичного управління, теорії термопружності оболонок і пластин, а також на основних положеннях технології швейно-трикотажного виробництва. Експериментальні дослідження процесу створення нових видів термозахисного спеціального одягу виконувались у лабораторних умовах, в умовах функціонування реальних виробництв, а також під час робіт з ліквідації наслідків природних і техногенних катастроф.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у встановленні закономірностей проектування термозахисного спецодягу на основі розкриття механізму кількісних і якісних оцінок в системі “навколишнє середовище - ТЗСО - людина“. З цією метою:

- розроблено науково обґрунтовані підходи до створення ТЗСО із заданими експлуатаційними властивостями, що забезпечує вирішення важливої соціальної проблеми - зниження травматизму та кількості смертей тих, хто працює в умовах високих температур та агресивного навколишнього середовища;

- вперше на основі теоретичних та експериментальних досліджень процесу проектування термозахисного спецодягу науково обґрунтовано припущення щодо реалізації принципу поєднання пасивного і активного теплозахисту та розроблено відповідні фізичні моделі;

- теоретично обґрунтовано взаємозв'язки теплового стану людини з конструктивно-технологічними параметрами проектування та виготовлення спецодягу і вибір показника тривалості захисної дії комплектів ТЗСО залежно від ерготермічних навантажень у системі “навколишнє середовище - термозахисний спецодяг - людина”;

- на основі теорії тепломасоперенесення, виходячи з прийнятих гіпотез, граничних умов та припущень, розв'язано задачу розподілу температури в середині пакета за активного теплозахисту, що дає можливість визначити раціональний розподіл теплознімання з різних ділянок частин тіла людини, кількість теплоти, що проникає до тіла, а також коефіцієнт ефективності теплового захисту;

- на основі аналізу впливу агресивних чинників середовища розроблено математичну модель процесу теплоперенесення в системі “навколишнє середовище - ТЗСО - людина” для активного способу захисту, що дає можливість розрахувати показники температури в шарах, на поверхні та в підкостюмному просторі ТЗСО залежно від умов середовища, обраної системи теплозахисту і виду холодоагента;

- на основі теорії автоматичного управління та отриманих математичних моделей розроблено фазовий спосіб визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів і пакетів з розміщенням на бічних сторонах матеріалів малоінерційних нагрівачів та теплоприймачів, що дає змогу з підвищеною точністю вимірювати показники температури в шарах пакетів за умов нестаціонарної теплопровідності і проводити дослідження нестаціонарних теплових режимів;

- теоретично обґрунтовано принципи цілеспрямованого формування асортименту термозахисного спецодягу для заданої сукупності функціонування виробничих систем з високотемпературними впливами, а також конструктивно-технологічні та організаційні схеми виготовлення термозахисного спецодягу з заданими властивостями;

- розроблено науково обґрунтовані методи практичної реалізації проектно-технологічних рішень під час створення термозахисного спецодягу з урахуванням захисних, споживчих і техніко-економічних показників залежно від умов експлуатації;

- новизна отриманих результатів підтверджується 9 патентами на винаходи і промислові зразки.

Практичне значення одержаних результатів:

- на основі теоретичних узагальнень, результатів математичного моделювання та експериментальних досліджень запропоновано науково обґрунтований метод проектування технологічного процесу створення нових видів конкурентноздатного термозахисного спецодягу з прогнозованими властивостями залежно від умов функціонування виробничих систем, який пройшов успішну апробацію та впроваджений в підрозділах пожежної охорони, гірничорятувальних загонах та при ліквідації аварій в нафтогазовому комплексі;

- на основі застосування методів числового моделювання процесів теплоперенесення розроблено обчислювальний алгоритм і створено комплекс розрахункових програм, за допомогою яких описано процеси нестаціонарного перенесення теплоти крізь багатошаровий комплект одягу до тіла людини, запропоновано підходи до оцінки якості термозахисного спецодягу на основі узагальненого критерію тривалості захисної дії та визначені припустимий і граничний час роботи в ТЗСО залежно від параметрів середовища;

- удосконалено методи оцінки показників теплозахисних властивостей пакетів спецодягу та запропоновано оригінальні пристрої і способи визначення теплозахисних характеристик матеріалів і пакетів ТЗСО (2 патенти на винаходи);

- розроблено нові проектно-технологічні рішення щодо формування асортименту термозахисного спецодягу, що дає можливість створювати спецодяг із заданими властивостями залежно від умов функціонування виробничого середовища (7 патентів України на промислові зразки; технічні умови на комплекти ТЗСО );

- проведено фізіолого-гігієнічні та натурні випробування розроблених комплектів термозахисного спецодягу, затверджено нормативні документи, спроектовано технологічний процес промислового виробництва ТЗСО, розроблено проект Національного стандарту України “Одяг пожежника захисний. Загальні технічні вимоги та методи випробувань”.

Завдяки реалізації запропонованого підходу до створення термозахисного спецодягу вирішується проблема раціоналізації структури асортименту і поліпшення якості виробів термозахисного спецодягу згідно з рівнем і ресурсом функціональної відповідності комплексу професійно-виробничих факторів.

Теоретичні і методичні розробки впроваджено в практику реального проектування і серійного виробництва спецодягу для різноманітних умов експлуатації на базі ЗАТ “Черкаська шкіргалантерейна фабрика” (1994-2002 рр.), Українського центру екології, безпеки та охорони праці в нафтогазовій галузі (УЦЕБОПнафтогаз), АТ “Укргазпром” (1994-1998 рр.); НВО з гірничорятувальної справи “Респіратор” і науково-дослідної лабораторії спецодягу КНУТД (1991-2002 рр.). Результати досліджень впроваджено у навчальний процес кафедри технології і конструювання швейних виробів Київського національного університету технологій та дизайну.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці теми та задач дисертаційної роботи, вирішенні основних теоретичних та експериментальних завдань. Автором здійснено вибір предмету досліджень; під керівництвом та при безпосередній участі автора розроблено методи і проведено теоретичні та експериментальні дослідження; розвинуто наукові основи та впроваджено проектно-технологічні рішення щодо створення термозахисного спецодягу, що дає можливість цілеспрямованого формування асортименту для заданої сукупності функціонування виробничих систем з високотемпературними впливами, а також забезпечує соціальну та економічну ефективність впровадження нових видів ТЗСО. Авторові належать основні ідеї опублікованих праць, отриманих патентів, а також аналіз та узагальнення результатів роботи.

Апробація дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на:

- наукових конференціях професорсько-викладацького складу КНУТД (1991 - 2002 рр.);

- засіданнях кафедри технології і конструювання швейних виробів КНУТД (1991 - 2002 рр.) та кафедри технології і конструювання швейних виробів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький, 1997, 1999 рр.);

- науково-технічній конференції “Нове в техніці, технології і організації швейного виробництва” (м. Ужгород, 1991р.); науково-технічній конференції “Технологічний університет Поділля в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільського регіону” (м. Хмельницький, 1995р.); науково-технічній конференції “Проблеми легкої і текстильної промисловості на порозі нового століття” (м. Херсон, 1999р.);

- республіканській науково-методичній конференції у Московському технологічному інституті легкої промисловості (м. Москва, 1991р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресс - 92” (м. Іваново, 1992р.); науково-технічній конференції країн СНД “Якість і конкурентна здатність товарів широкого вжитку” (м.Хмельницький, 1993р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології та машини” (м. Хмельницький, 1998р.);

- науковій конференції “Средства индивидуальной защиты работающих” (ВНДІ охорони праці ВКП СРСР, м.Санкт-Петербург, 1991р.);

- науково-практичній конференції Івано-Франківского інституту нафти і газу, 1997р.; науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 2001”; ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м.Київ, 1998р.);

- науково-технічній раді відділу протитеплових засобів науково-дослідного інституту гірничорятувальної справи НВО “Респіратор” (НДІГС, м. Донецьк, 1991-2002 рр.); засіданнях секції охорони праці Українського центру екології, безпеки та охорони праці в нафтогазовій галузі (УЦЕБОПнафтогаз, м.Харків, 1995-2000рр.);

- спеціалізованих виставках “Охорона праці” (1994-1998 рр. та 2000-2003рр.); спеціалізованій виставці обладнання легкої, шкіряної та взуттєвої промисловості 1996 р. (м. Київ, НВЦ України).

Розроблені види спецодягу експонувалися в постійно-діючих експозиціях виставок на ВДНГ УРСР (1990-1992рр.) та в Національному виставковому центрі України в 1994-1999 рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 50 робіт, з яких 21 наукова стаття у фахових журналах, 10 тез доповідей на наукових конференціях, 9 патентів України на винаходи та промислові зразки.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертацію подано на 376 сторінках друкованого тексту, із них 84 сторінки ілюстрації, 25 сторінок таблиць, 265 літературних джерел на 26 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 472 сторінки, включаючи 6 додатків на 97 сторінках.

термозахисний спецодяг технологічний проектування

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, поставлено мету та сформульовано завдання досліджень, показано наукову новизну і практичне значення роботи.

Перший розділ присвячено огляду літературних джерел, за якими вивчено стан питань, що відносяться до теми. Огляд здійснювався системно і відповідно до цілей і задач дослідження з таких питань: дослідження умов середовища функціонування виробничих систем; аналіз теплових станів людини та методів і засобів індивідуального захисту працюючих в умовах мікроклімату, який характеризується наявністю теплового навантаження; принципів створення проектно-технологічних рішень та їх вплив на захисні властивості спецодягу; аналіз матеріалів для виготовлення ТЗСО та методів вивчення їх теплофізичних властивостей; аналіз особливостей застосування видів термозахисного спеціального одягу в різноманітних умовах експлуатації. Виконано огляд досліджень щодо впливу конструктивно-технологічних параметрів термозахисного спецодягу на процес теплообміну між тілом людини та навколишнім середовищем.

Встановлено, що найбільш гострою є проблема створення надійного ефективного спецодягу для захисту від комплексу агресивних факторів навколишнього середовища - високих температур повітря, інфрачервоного випромінювання, контакту з нагрітими предметами, рухливості повітря, а також рівня вологості в навколишньому середовищі та підкостюмному просторі.

В результаті аналізу проблеми створення ефективного термозахисного спецодягу виявлено, що існуючі види ТЗСО не повною мірою забезпечують необхідний захист, а в окремих випадках створюють додаткові фактори теплової небезпеки. Незадоволення споживачів спричинено відсутністю в супровідних документах інформації про припустимі межі використання такого одягу. Це стосується насамперед ТЗСО для проведення аварійно-рятувальних робіт, який використовується під час ліквідації наслідків природних та техногенних катастроф. Встановлено, що рівень потенційної небезпеки експлуатації ТЗСО залежить від вибору матеріалів та їх комбінації в пакетах спецодягу. Залежно від умов навколишнього середовища та основних функцій спецодягу (тепло ізолювання й тепловідведення), необхідно створювати системи ТЗСО із застосуванням пасивного та активного теплового захисту.

Складність процесів у системі теплообміну тіла людини з навколишнім середовищем зумовлює розмаїття підходів до методів розрахунків термозахисного спецодягу. Встановлено, що критеріальні показники методів теплових випробувань недостатньо інформативні для оцінки відповідності проектних рішень ТЗСО обраній системі цілей, а випробувальна апаратура не дає можливості адекватно моделювати умови експлуатації та визначати показники з високим ступенем точності при розв'язанні задач нестаціонарної теплопровідності з урахуванням показника величини енерговитрат за різних умов діяльності. Тому проблема створення ТЗСО не може бути вирішена за традиційного підходу до розроблення і проектування, і її необхідно розглядати як невід'ємну складову системи “навколишнє середовище - ТЗСО- людина” .

Необхідною умовою забезпечення фізіологічно прийнятного теплового стану людини є визначення температурних режимів та ступеня напруженості організму в поєднанні з показниками психоемоційного стану людини та параметрів мікроклімату. Досі залишається невизначеним єдиний показник ефективності використання термозахисного спецодягу, що не дає можливості враховувати його параметри у взаємопоєднанні. Введення показника тривалості захисної дії комплектів ТЗСО уможливить комплексне вирішенню проблеми шляхом застосування методів математичного моделювання. Ці передумови і визначили мету й завдання досліджень, що забезпечило у подальшому розвиток наукових основ створення термозахисного спецодягу.

Другий розділ присвячено дослідженню екстремальних ерготермічних умов високотемпературних середовищ та застосуванню методів системного підходу до створення наукових основ проектування термозахисного спецодягу. Дослідження здійснено з використанням аналітико-експериментальних методів на базі основних положень теорії тепломасоперенесення, теорії термогазодинаміки, теорії автоматичного управління, теорії термопружності оболонок і пластин.

Як свідчать результати досліджень, на ефективність роботи в умовах високотемпературних середовищ впливають фактори ерготермічного навантаження. Однак досі в літературі немає єдиної класифікації спецодягу, яка б дала можливість пов'язати діапазони температур повітря, де проводяться регламентовані роботи, з застосуванням окремих видів ТЗСО у кожному з них та розробити фізичні моделі з пасивним і активним захистом. Це унеможливлює визначення в загальному вигляді температурних інтервалів, що найменш забезпечені ЗІЗ. В цій роботі запропоновано схему (рис.2), яка дозволяє усунути зазначені недоліки та запровадити основні підходи до створення нових видів спеціального захисного одягу (СЗО) для роботи в кожному температурному діапазоні і дослідження його властивостей. Науково обґрунтовано припущення щодо реалізації принципу поєднання пасивних і активних способів захисту під час створення ефективних засобів індивідуального захисту від впливу екстремальних температур.

В основу розроблення пасивних способів захисту покладено принцип багатошаровості, поліфункціональності і взаємозумовленості характеристик окремих шарів пакета матеріалів. Відповідно до цього принципу ефективність пасивних способів захисту визначається здатністю матеріалів спецодягу протистояти зовнішньому тепловому навантаженню та забезпечувати безпосередній захист від дії теплового стресора. Розроблено класифікацію матеріалів за способами отримання та складом сировини для виготовлення спеціального термозахисного одягу.

В основу розроблення фізичної моделі термозахисного спецодягу з пасивним захистом покладено відомі методи та результати проведених досліджень теплозахисних характеристик матеріалів - коефіцієнта теплопровідності , Вт/(мК); питомої теплоємності с, Дж/(кгК); термічного опору R,(м²К)/Вт, для обґрунтування складу пакетів при розробленні конструктивно-технологічних параметрів спецодягу з прогнозованими властивостями (табл.1). Визначено, що пасивний тепловий захист не гарантує безпеки людини вже за помірно високих (35-50⁰С) температур, і під час виконання фізичної роботи швидко настає перегрівання органіЇму. Обґрунтовано необхідність та розроблено фізичну модель створення захисного спецодягу з активним теплозахистом. Запропоновано схеми активного теплозахисту (рис. 3) з конвективним, кондуктивним та комбінованим способами теплознімання і тепловідведення з продуктами метаболізму з підкостюмного простору.

Таблиця 1

Характеристики матеріалів для виготовлення ТЗСО

Призначення шару матеріалу в пакеті	Назва матеріалу, виробник	Код	Поверхнева густина, г/м2	Питома теплоємність, С, Дж/ (кг·К)
1 Тепловідбиваючий	Тканина фенілонова металізована на силіконовому поліуретановому клеї за допомогою переносу, арт. ПЕТФ/ЕП/0299263/10, (Росія)	В1	390	1546
	Тканина балонна аеростатна, арт. 500, металізована напиленням (Росія)	В6	330	1524
2 Термостійкий	Тканина фенілова штапельна, (Росія)	С1	320	1918
	Матеріал Тайвек-про-тек (Дюпон,Швейцарія)	С8	41	1618
	Тканина спеціальна термостійка (ТСТ) (ТУ У 17242-41-96, Україна)	С10	248	1924
3 Водотривкий	Матеріал мембрана Горе-текс, (Горе ГМбХ, Німеччина)	Г1	160	-
	Тканина прогумована арт. 356, (Україна)	Г2	380	1830
4 Теплоізоляційний	Фенілонове гладкофарбоване полотно, (Росія)	Т1	364	2762
	Поліамідна синтетична ватка (синтепон), (Україна)	Т4	338	2950
	Вовно-фенілоновий в”язально-прошивний ватин (Україна)	Т5	416	2135
	Голкопробивне неткане полотно з волокон номекс, ( Дюпон, Швейцарія)	Т6	190	1998
	Голкопробивне неткане полотно з волокон поліаміду 70%, вовни 15 % та номекс 15 % (Україна)	Т7	348	2315
5 Підкладковий	Тканина бавовнянополіефірна (арт.СП322, Україна)	П2	130	-
	Бязь гладкофарбована (арт. 524, ГОСТ 11680-76, Україна)	П3	124	-
	Сатин гладкофарбований (ГОСТ 6391-80)	П4	122	-
	Тканина підкладкова з волокон номекс (Дюпон, Швейцарія)	П5	115	-

При проектуванні термозахисного одягу головною вимогою є збільшення тривалості захисної дії. Для створення належних умов роботи в ТЗСО, необхідно визначити його основні параметри та розрахувати гранично-припустимі значення показників теплового стану людини. Досліджені процеси, що відбуваються на межі та в пакеті спецодягу, і фактори, які впливають на зменшення потоку тепла з навколишньої атмосфери в підкостюмний простір. Дана оцінка різниць температур середовища і поверхні одягу, а також поверхні одягу і підкостюмного простору. Для розв'язання рівняння теплового балансу визначено складові коефіцієнта тепловіддачі за рахунок конвекції та радіації з урахуванням еквівалентної температури, Т_е, К, випромінювання навколишніх предметів



де Q_R - подача тепла (+) або тепловіддача (-) випромінюванням, Вт; Q_c - подача тепла (+) або тепловіддача (-) конвекцією, Вт; - температура навколишнього середовища, К; - температура поверхні СЗО, К; - конвективна складова коефіцієнту тепловіддачі, Вт/(м²К); - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/(м²К⁴); - ступінь чорноти поверхні СЗО.

Радіаційна складова коефіцієнта тепловіддачі залежить від температур оточуючих тіл і ступеня їх чорноти:

де .

Кількість теплоти, яка відводиться за рахунок теплопровідності, становить

де - температура підодягового простору; - термічний опір пакета ТЗСО, (м²К)/Вт; - товщина шару пакета, м; -коефіцієнт теплопровідності відповідного шару, Вт/(мК); n- кількість шарів пакета.

Температура поверхні ТЗСО визначається рівнянням:



Наведені залежності подано у графічному вигляді на рис. 4, що свідчить про ефективність застосування металізованого тепловідбивного покриття для суттєвого зменшення температури поверхні ТЗСО і комплекту спецодягу в цілому.

Третій розділ присвячено теоретичному обґрунтуванню створення наукових основ ТЗСО з пасивним теплозахистом. В основу розрахунків теплового балансу покладено рівняння для розрахунку теплоізоляції одягу, який забезпечує тепловий комфорт у підкостюмному просторі, оскільки в таких умовах фізіологічні реакції організму відбуваються з найменшим напруженням, і рівняння дає можливість врахувати параметри з більшою достовірністю.

Складові рівняння теплового балансу тіла людини з навколишнім середовищем при тепловій рівновазі:

де Q_e - тепловіддача випаровуванням вологи, Вт; Q_k - подача тепла (+) або тепловіддача (-) кондукцією, Вт; Q_м - метаболічне тепло, Вт.

З урахуванням викладеного визначено показники припустимої _пр і граничної _гр тривалості роботи, які залежать від приросту кількості теплоти в організмі людини та результуючого теплового потоку. Розроблено математичну модель, розраховано і графічно побудовано залежності, якими визначається вплив параметрів середовища (температури, ерготермічного навантаження, вологості, рухливості повітря) на припустиму та граничну тривалість роботи (рис.5).

Створення адаптивного термозахисного спецодягу потребує під час проектування спецодягу з пасивним способом захисту одночасно проектувати систему охолодження ТЗСО, в якій важливе значення має раціональний розподіл теплознімання з різних ділянок підкостюмного простору, які відповідають частинам тіла людини. На основі теорії теплоперенесення визначено конвективний тепловий потік, що проникає з навколишнього середовища у підкостюмний простір

де - коефіцієнт тепловіддачі від оточуючого повітря до зовнішньої поверхні костюму і від внутрішньої поверхні оболонки костюму до повітря в підкостюмний простір, Вт/(м²К); S - площа поверхні одягу, м². Розраховані значення необхідного теплознімання з визначених ділянок у відносних величинах.

Для оцінки впливу шкідливих газоподібних речовин на спецодяг, що проектується, вивчено закономірності тепломасоперенесення в газозахисному спецодязі за наявності в навколишньому середовищі кількох шкідливих речовин односпрямованої дії з урахуванням їх масової концентрації С_В і гранично-припустимої концентрації С_Д та коефіцієнта токсичної небезпеки К_ТН :

Одним із основних факторів, який характеризує захисну здатність газозахисного одягу, є коефіцієнт проникності матеріалу його оболонки. Чим більший коефіцієнт токсичної небезпеки середовища, тим меншим має бути коефіцієнт проникності матеріалу оболонки, який визначається такими залежностями:

де - об'ємна витрата токсичної речовини, яка проходить крізь оболонку костюма, м³/с; - перепад парціального тиску токсичної речовини по обидва боки оболонки, Па; - приведений об'єм токсичного газу, який проникає в підкостюмний простір, м³; - об'єм повітря в підкостюмному просторі, м³; - об'ємна частка токсичної речовини в підкостюмному просторі, яка відповідає значенню С_Д , %; _T- густина токсичної речовини, кг/м³; - атмосферний тиск, Па; - об'ємна частка токсичної речовини в навколишньому середовищі, %. Визначено аналітичні залежності тривалості захисної дії комплектів газозахисного спецодягу за умови впливу суміші токсичних речовин.

Швидкість розвитку пожежі і ії параметри в різні проміжки часу залежать від низки чинників та умов виникнення і перебігу процесу горіння. Врахування взаємного розташування тіла, яке випромінює і тіла, яке сприймає випромінювання (рис. 6), проводиться за допомогою коефіцієнта опромінення.

Визначена кількість теплоти dQ, яка випромінюється з елементарного кільцевого поясу dF₂ сферичної оболонки на елемент поверхні dF₁ крізь кульовий поглинаючий шар. За наявності непоглинаючого середовища

де Е₀ - енергія повного випромінювання напівсферичного абсолютно чорного тіла за температури Т.

Прийнявши: А - відстань від елементарного об'єму dv до довільно орієнтованої площадки з нормаллю ; б - кут між напрямом нормалі і прямої, яка з'єднує центри випромінюючої сфери, і поглинаючої площадки. Тоді інтенсивність теплового потоку крізь сферу радіусом А з урахуванням закону Ламберта дорівнює:

де величина

являє собою коефіцієнт опромінювання. Саме за допомогою цього коефіцієнта можна врахувати розташування об'єктів у просторі відносно поверхні, яка випромінює. Вираз (10) дозволяє за відомим законом просторового розподілу температури і коефіцієнтів послаблення у факелі полум'я розрахувати густини падаючих променевих потоків крізь поверхні різноманітної орієнтації. На основі отриманих залежностей розроблено алгоритм та виконано обчислювальний експеримент. В результаті розрахунків визначено раціональний склад пакетів матеріалів та обґрунтовано вибір фізичних моделей для проектування комплектів термозахисного спецодягу.

Четвертий розділ присвячено створенню термозахисного спецодягу на основі розгляду систем “навколишнє середовище - термозахисний спецодяг - людина” з активним способом теплового захисту в зв'язку з неможливістю застосування систем пасивного теплового захисту за температур вище 60⁰С. В основу розробки способів активного теплозахисту покладено положення теорії теплоперенесення. Проте, створення абсолютно адекватних умов переміщення теплових потоків у пакеті матеріалів і в підкостюмному просторі дає змогу розв'язувати задачі розподілу температур, виходячи з прийнятих гіпотез, граничних умов та припущень. Розглянуто системи активного теплозахисту за конвективного, кондуктивного та комбінованого способів теплообміну.

Припустимо теплоізолюючий шар одягу у вигляді плоскої нескінченної пластини товщиною , виготовленої з матеріалу з наскрізною пористістю, який характеризується постійним коефіцієнтом теплопровідності . З однієї сторони пластини підтримується температура близька до температури тіла людини Т_Т, з протилежної сторони - підвищена температура Т₁ (граничні умови першого роду). Задача теплопровідності в цьому випадку стає одномірною, а потік тепла крізь пластину рівним:

де - термічний опір системи.

За умови проходження крізь пластину потоку газу теплоємністю с_р та його вихідної температури , де витрати крізь одиничну поверхню становлять , кг/(м²с), розподіл температури у пластині описується диференційним рівнянням:

де .

Розв'язок рівняння (13) має вигляд:

З урахуванням граничних умов:

за х=0

за х=

з рівняння (14) випливає:

Тепер рівняння (14) має такий вигляд:

Кількість теплоти, що проникає з повітрям крізь пластину до тіла людини, можна розрахувати за рівнянням:

де - термічний опір активного теплового захисту пластини.

Співставлення цього виразу з виразом, яким описується звичайна теплопровідність пластини, дає змогу оцінити ефективність запропонованого способу теплового захисту. Так, термічний опір пластини в останньому випадку збільшується в n разів:

Величину можна назвати коефіцієнтом ефективності активного теплового захисту.

Для умов кондуктивного теплознімання запропоновано проектно-технологічні рішення та виконано розрахунки ТЗСО відповідно до обраних температурних діапазонів середовища: охолоджувальний жилет з капюшоном і охолоджувальні комбінезони з різноманітними топографією та кількістю охолоджувальних елементів. У комплектах захисного спецодягу для температур понад 100⁰С необхідно забезпечити теплознімання з кистей рук і стоп ніг, для чого запропоновано систему з маятниковим рухом води. В усіх схемах передбачено обов'язкове охолодження голови.

В результаті проведеного дослідження режимів руху води визначено залежності її витрати q_v, м³/с, від гідравлічних параметрів:

де - внутрішній діаметр трубки, м; - п'єзометричний напір, м; Н_Т - гідравлічний опір трубки, м; - прискорення вільного падіння, м/с².

Гідравлічний опір трубки складається із втрат напору на тертя по довжині і місцевих опорів:

де - коефіцієнт опору по довжині трубки; - швидкість руху води, м/с; - довжина трубки, м; k_с- сумарний коефіцієнт місцевих опорів.

Максимальна швидкість руху води у трубці в момент торкання ноги з ґрунтом дорівнює:



де ₁ - тривалість руху води у системі, с; - тривалість руху води по трубці протягом одного кроку рятувальника, с.

Кількість води, яка надійшла з охолоджувального елемента в устілки, кг:

де ₁ - густина води, кг/м³.

Спочатку вода рухається в ламінарному режимі, а з досягненням критичної швидкості за числа Рейнольдса Re_кр

ії рух переходить у турбулентний. При цьому критична швидкість визначається за формулою

де - коефіцієнт кінематичної в'язкості, м²/с.

Для визначення коефіцієнтів опору за ламінарного и турбулентного руху води відповідно скористаємося залежностями:

Тоді вираз для визначення швидкості води набуває вигляду:

Отримані рівняння для розрахунку параметрів систем охолодження кінцівок рук та ніг стали основою для розрахунку тривалості захисної дії відповідно до умови адекватності основної складової спецодягу.

В основі розрахунків принципу рідинного теплознімання лежить використання в ролі холодоагенту льоду, а в ролі холодоносія - рідини від танення льоду. На основі розв'язків рівнянь теплового балансу за умов рідинного теплознімання встановлено залежності витрати холодоносія m, кг/с на вході і виході з охолоджувальної системи для різних значень теплових потоків Q , Вт, які потрібно відвести. Визначено, що для значень 200<Q <1400 значення витрат охолоджувача становлять 3,6<m<23,3. Виявлено залежності та розраховано раціональні значення витрат у разі використання водяного льоду за заданих значень перепаду температур.

На основі розроблених фізичних моделей і розв'язку рівнянь теплопроводності за різних способів захисту і теплознімання створено математичну модель нестаціонарних процесів теплоперенесення в системі “навколишнє середовище - ТЗСО - людина” з активним теплозахистом. Оскільки матеріал костюма являє собою багатошаровий пакет з різноманітних тканин (рис. 3), рівняння теплопровідності представимо у вигляді:



де і - номер шару в пакеті.

Усередині пакета між шарами тканини є повітряні прошарки, на межах яких потоки тепла рівні між собою і підпорядковуються закону Ньютона:

де індекс “П” вказує на праву границю і-го шару, а індекс “Л” - на ліву границю (і+1)-го шару в пакеті.

Розв'язок рівняння (25) із граничними умовами може бути отриманий лише чисельними методами. Представимо його в кінцевих різницях:

де х_і - перемінний крок по просторовій координаті, м; - крок по часу, с.

Тоді температуру усередині кожного шару можна визначати на черговому кроці по часу через уже відомі значення температури пакета

де - параметр скінчено - різницевого рівняння (26), що є аналогом диференційного рівняння (25).

Доведено, що для усталеності і збіжності рівняння (27) до точного рішення необхідно і достатньо прийняти параметр р_і 0,5. Так, за умови р_і р_max= 1/3 збіжність і усталеність будуть забезпечені. Можна прийняти , де _і - товщина і-го шару в пакеті, м. Тоді параметр , а його максимальне значення

,

звідки визначається крок по часу:

Подаючи співвідношення (25) у кінцевих різницях, одержимо формулу для розрахунку температури на правій границі кожного шару, за винятком внутрішньої поверхні пакета, та на лівій внутрішній границі кожного шару

де - число Біо для лівих внутрішніх поверхонь шарів, а - число Біо для правих границь внутрішніх поверхонь шарів.

Температура Т у підкостюмному просторі є невідомою величиною і може бути знайдена з рівняння балансу теплових потоків, які надходять від системи охолодження, від навколишнього середовища крізь теплозахисний костюм і від тіла людини:

де Т_х - температура холодоагенту, К; Т_Т - температура тіла людини, К; - коефіцієнт теплообміну між холодоагентом і повітрям у підкостюмному просторі, Вт/(м²К); - коефіцієнт теплообміну між повітрям у підкостюмному просторі та внутрішньою поверхнею пакета одягу і шкірою людини, Вт/(м²К).

Рівняння балансу (31) свідчить, що тепло , яке надходить крізь костюм і від тіла людини, відводиться з підкостюмного простору завдяки організації системи охолодження.

Використовуючи співвідношення (30) та (31), можна знайти формули для визначення температури на внутрішній поверхні пакета:

і температури усередині підкостюмного простору:

Під час вибору коефіцієнта конвективного теплообміну в підкостюмному просторі необхідно виходити із загальної кількості енергії (Вт) з урахуванням метаболізму людини для певного способу тепловідведення і виду холодоагенту, що застосовується (лід, охолоджена до визначеної температури газоповітряна суміш та інше). Коефіцієнт теплообміну можна визначити, виходячи з рівняння:

Знайшовши початкове і граничне значення температури Т_н та Т у підкостюмному просторі, можна визначити потужність N (Вт) системи охолодження за умов її часткового і повного навантаження відповідно:

Для оптимізації розрахунків потужності системи охолодження та створення комфортних умов у підкостюмному просторі розроблено алгоритм і програму розрахунку параметрів нагрівання термозахисного костюма. Розраховували температури на поверхнях шарів та в шарах пакетів одягу, а також у підкостюмному просторі та визначали тривалість захисної дії комплектів ТЗСО з урахуванням складності праці людей в умовах високотемпературного середовища.

У п'ятому розділі описано методи та вимірювальну апаратуру для експериментальних досліджень термозахисних властивостей одягу з пошаровою реєстрацією температур, що є найбільш ефективним для визначення показників та прогнозування поведінки комплектів спецодягу. Проте, наявна апаратура не придатна для вимірювання температури як у шарах пакетів, так і в підкостюмному просторі. Тому в рамках цієї роботи розроблені спеціальні прилади та методи вимірювання температури одягу, в якому застосовуються пасивний і активний способи захисту тіла людини.

Розроблено оригінальний прилад та метод вимірювання теплофізичних характеристик пакетів. Встановлено, що найкращими показниками характеризуються пакети, до складу яких входять текстильні матеріали з метаарамідних та метаарімідних волокон з термічним опором R=0,46-0,63 (м²К)/Вт, товщиною =0,012-0,014 м, коефіцієнтом температуропроводності а=(3,50-4,07)10^-7 м²/с. Це дало змогу оцінити теплову стійкість пакетів під впливом високотемпературного середовища для визначення температурних діапазонів використання та тривалості безпечної роботи (табл.2). Під час дослідження товстих матеріалів чи багатошарових пакетів для отримання нульової різниці фаз, тобто для встановлення довжини температурної хвилі, рівної товщині матеріалу, необхідно знижувати частоту температурних коливань до одиниць Герца, що зменшує точність фазових вимірювань. В разі збільшення частоти важко виключити неоднозначність результатів фазових вимірювань, якщо різниця фаз перевищує 2 (360), а точність вимірювання коефіцієнта температуропровідності залишається низькою.

Для підвищення точності вимірювання показників в умовах нестаціонарної теплопровідності розроблено фазовий спосіб для визначення коефіцієнта температуропровідності матеріалів і пакетів з розміщенням на сторонах матеріалів малоінерційних нагрівачів та теплоприймачів.

Функціональну схему реалізації способу наведено на рис. 7. За відсутності змінної складової теплообміну з навколишнім середовищем розподіл амплітуди та фази змінної складової температури _з уздовж осі координати x, що направлена перпендикулярно до площини поверхні пакета, описується виразом

де ₀ - амплітуда змінної складової температури на поверхні, що нагрівається (= 0) ; - кутова частота електромагнітних коливань генератора 1; a - коефіцієнт температуропровідності пакета 15.

Фазовий зсув температурної хвилі в місці приймання термоприймачем можна подати як

де ₁ та ₂ - теплові сталі часу відповідно нагрівача та термоприймача; m - ціла кількість довжин хвиль, які вкладаються у товщину матеріалу; p - дрібна частина довжини останньої хвилі, якщо mL.

Таблиця 2

Результати дослідження пакетів для визначення температурних діапазонів використання та тривалості безпечної роботи у ТЗСО

Порядковий номер пакету та відповідної кривої (рис.5.3)	Кодовий номер пакету (табл.1)	Код пакету	Товщина пакету, д, х 10-3, м	Термічний опір,R, (м2К)/Вм	Спосіб захисту та фізична модель	Коефіцієнт температуропроводності a, х 10-7, м2/с	Температурний діапазон використання ТЗСО згідно рис.2.2	Час безпечної роботи, с, при температурі повітря в камері, К
								313	333	523
1	9	С10Г1Т7П4	6,97	0,33	Пасивний ФМ 1	2,40	I	1908	696	249
2	12	С8Т6П5	4,96	0,32	пасивний ФМ 1, активний ФМ 2	2,47	I, II	235	828	245
3	8	С10Г2Т7П4	6,77	0,35	активний ФМ 2	2,34	II	1554	378	117
4	7	С1Г1Т1П3	6,98	0,34	активний ФМ 2	2,24	II	2100	864	223
5	6	В6Т4Т4П4	11,81	0,46	активний ФМ 2	3,83	II, III	2238	1560	300
6	5	В1С10Г1Т5Т7П2	13,69	0,61	активний ФМ 2	3,50	III	2790	2028	504
7	4	В1С1Г1Т7Т7П2	13,15	0,63	активний ФМ 2	3,86	II, III	2718	1956	539
8	2	В1С1Г1Т1Т4П2	13,05	0,59	активний ФМ 2	4,07	II, III	2526	1764	355

Розв'язавши рівняння відносно коефіцієнта температуропровідності а, отримуємо

Для товстих матеріалів або пакетів (0,01м) значення частот ₁ та ₂ близькі між собою. Тому можна вважати, що

Тоді коефіцієнт температуропровідності

Якщо перейти від кутової частоти до частоти f = 2/, яку вимірюють частотоміром 14, то, з урахуванням,

Із отриманого виразу (41) видно, що коефіцієнт температуропроводності a визначається за двома близькими значеннями частоти електромагнітних коливань, а результат не залежить від кількості фазових циклів, тобто від співвідношення товщини матеріалу або пакета, що досліджується, та довжини температурної хвилі. При цьому, на відміну від відомого методу, відпадає необхідність переміщення термоприймача по поверхні матеріалу з високою точністю та вимірювання компенсуючого фазового зсуву. На відміну від фазових вимірювань та вимірювань переміщень, похибка вимірювання частоти електророзрахунковими частотомірами вельми мала ( соті й навіть тисячні частки відсотка). Тому похибка визначення коефіцієнта температуропровідності залежить в основному від похибки вимірювання товщини матеріалу чи пакета, а також фіксації нагрівача і термоприймача на протилежних поверхнях зразка на відстані, що дорівнює його товщині.

Розроблено оригінальний метод і досліджено зміни температури в шарах пакетів матеріалів із застосуванням комбінованої системи активного теплозахисту (рідинного кондуктивного та конвективного). Метод реалізовано з використанням приладу, в якому зразок розташовується на випробувальному циліндрі у повітряному термостаті. ТермоЕРС термопари, що складається з напівпровідників з електронною та дірковою провідностями, визначається без урахування нелінійності виразом:

де Т₁ і Т₂ - температури робочого спаю та вільних кінців відповідно.

На початку експлуатації пристрій з напівпровідниковою термопарою 1 калібрують за відомої температури Т_к, яку вибирають з умови:

де і - відповідно максимальна і мінімальна температури діапазону вимірювання.

Якщо характеристика термопари є нелінійною, складові похибки поблизу робочої точки, яка визначається температурою , можна врахувати шляхом зміщення апроксимуючої дотичної (адитивна похибка) та її поворотом (мультиплікативна похибка) відносно вихідної дотичної, проведеної в точці до початкової ГХ. Тому результат вимірювання контрольованої температури представляємо у вигляді:

Розв'язуючи рівняння (46) відносно вимірюваної температури , отримаємо:

На рис.8 наведено функціональну схему термоелектричного термометра зі структурно-часовою надлишковістю, який повною мірою відповідає вимогам щодо чутливості термопари під час досліджень і дає змогу проводити вимірювання в нестаціонарних процесах з високим ступенем точності.

Запропоновано метод, за яким досліджено вплив інфрачервоного випромінювання полум'я на пакет ТЗСО, реалізований на експериментальній установці “КТІЛП-Бріз” із застосуванням систем пасивного і активного теплового захисту з імітацією умов, максимально наближених до реальних. Досліджено пакети спецодягу в умовах пасивного і активного теплозахисту. Встановлено, що за наявності пасивного теплозахисту зростання температури і густини теплового потоку протягом перших 5 хвилин відбувається майже пропорційно до часу; при досягненні 40-45 хвилин густина теплового потоку досягає досить високих величин - 180-250 Вт/м², а температура в підкостюмному просторі - 38,8-43,1 ⁰С. В разі застосування охолодження, зростання температури і густини теплового потоку різко уповільнюється і зменшується, а значення термічного опору пакетів зростають у 1,5-2 рази і досягають величин R=0,77-1,13 (м²К)/Вт. Показано, що пакети з утеплювачами з метаарамідних волокон забезпечують швидке і рівномірне проникнення повітря крізь термозахисний спецодяг (рис.11). Термограми зразків матеріалів, розміщених у задані потоки інфрачервоного випромінювання вуглеводневого полум'я за фіксованого значення температури навколишнього повітря, наведені на рис.12. Встановлено також, що використання кремнеземних матеріалів для одягу недоцільне через їх низькі термічні показники, а також тому, що вони створюють небезпеку для людини внаслідок високої температуропровідності та екологічну небезпеку.

...