Разработка изотермического устройства в виде портативного термоконтейнера

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ИЗУЧЕНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА

ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ЭКОНОМИКИ РЕГИОНА

1.1 Актуальность исследования на основе нормативно-законодательных актов

1.2 Краткая историческая справка по вопросу исследования

1.3 Описание физических процессов, заложенных в работу объекта исследования

1.4 Разработка классификации изучаемых устройств

1.5 Рейтинг российских и зарубежных лидеров - производителей изотермической продукции

1.6 Обзор аналогов технических устройств

1.6.1 Устройства, защищенные охранными документами РФ

1.6.2 Устройства, отраженные в открытых источниках СМИ

1.7 Основные выводы по первой главе

2 ОПИСАНИЕ СУТИ РАЗРАБОТКИ И ЕЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1 Описание разрабатываемого устройства на основе

полученного патента на полезную модель № 182385

2.2 Технические характеристики

2.3. Основные выводы по второй главе

3 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ

3.1 Общие данные

3.2 Планирование эксперимента

3.3. Результаты расчетно-экспериментальных исследований

3.3.1 Испытания при низких температурах окружающей среды

3.2.2 Испытания при высоких температурах окружающей среды

3.4 Основные выводы по третьей главе

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

КОММЕРЦИАЛИЗАЦИИ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПРОДУКТА

4.1 Постановка задачи

4.2 Резюме проекта

4.3 Общая характеристика производства

4.4 Характеристика товара

4.5 Исследование и анализ рынка сбыта

4.6 План маркетинга

4.7 Организационный план

4.8 Финансовый план

4.9 Расчет фактического экономического эффекта

4.10 Потенциальные риски

4.11 Основные выводы по четвертой главе

5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ В

ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

5.1 Общие положения

5.2 Обеспечение безопасности в условиях

повышенных температур окружающего воздуха

5.3 Обеспечение безопасности в условиях

пониженных температур окружающего воздуха

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1(обязательное) Презентация выпускной

квалификационной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ 2(обязательное) Копии наград

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Рынок новых технологий на сегодняшний день развивается достаточно стремительно. Изобретение и внедрение новых высокотехнологических товаров - это перспективная отрасль не только экономики, но и важнейшая часть научно-технического развития страны. Данная деятельность является основной тенденцией развития.

Реализация и разработка нового или усовершенствованного продукта является конечным результатом инновационной деятельности, который представляется на рынке в качестве нового или усовершенствованного технологического процесса, который в дальнейшем используется в практической деятельности.

Целью диссертационной работы является разработка изотермического устройства в виде портативного термоконтейнера, служащего для транспортировки пищевых и непищевых продуктов, медикаментов и напитков в различных климатических условиях, а так же проведение расчетно-экспериментальных исследований эффективности её применения.

Для достижения указанной цели, были поставлены следующие задачи:

- проведение аналитического исследования существующих разработок и определение критериев эффективности проекта;

- разработка конструкции с учетом оптимальных условий технических характеристик;

- проведение расчетно-экспериментальных исследований по оценке эффективности изотермического устройства для двух крайностей климатических условий;

- разработка элементов бизнес-плана по организации производства предлагаемого инновационного товара.

Методы исследования: моделирование физического процесса; системный подход; идеализация физической модели; анализ документов авторского и патентного права; экспериментальные методы исследования в натурных условиях; методы статистической обработки результатов.

Научная новизна данного исследования заключается в создании эффективного изотермического устройства для функционирования человека в экстремальных климатических условиях.

Технический результат проведенных исследований - снижение тепловых потерь термос - контейнера, увеличение срока термостатического хранения; создание продукции (с учетом региональных возможностей и на условиях импортозамещения) для реализации в рамках научно-исследовательской деятельности университета.

Магистерская работа соответствует паспорту магистерской программы обучения 130401, затрагивая такие направления: термостатическое и холодильное оборудование специального назначения, технологические процессы, применяемые в профессиональной деятельности выпускника. Основными видами деятельности, на которые ориентирована программа, являются: научно-исследовательский и педагогический.

термоконтейнер устройство изотермический

1 ИЗУЧЕНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ЭКОНОМИКИ РЕГИОНА

1.1 Актуальность исследования на основе нормативно-законодательных актов

Актуальность темы исследования эффективности нового портативного термоконтейнера объясняется ее востребованностью использования преимущественно в сфере здравоохранения и туризма. Последовательная реализация государственной политики в этой сфере, выполнение федеральных и региональных программ, таких как «Развитие здравоохранения», утвержденная Постановлением Правительства РФ № 294 от 15 апреля 2014 года и «Развитие внутреннего и въездного туризма в Российской Федерации (2011-2018г.)», позволяют достичь определенных результатов [1],[2].

Для России развитие туризма играет достаточно важную роль, так как служит благоприятной средой для развития малого и среднего бизнеса и перспективна для привлечения иностранных инвестиций в широких масштабах и в короткие сроки.

По данным Федерального агентства по туризму РФ, этим летом жители России предпочли отдыхать на отечественных курортах; летом 2017 года туристский кластер Сочи был загружен на рекордные 80%, а в определенные месяцы количество отдыхающих на этом курорте выросло на 23-40%. По данным представителей туроператоров, серьезный рост турпотока по внутренним направлениям был зафиксирован в июле этого года.

В настоящее время поставлена задача по сохранению достигнутых результатов, совершенствованию качественных сторон организации туристских программ и созданию условий для максимизации положительного социального эффекта от развития туризма в стране. Кроме того, новые задачи стоят перед сферой туристских услуг в связи с вхождением в состав Российской Федерации новых субъектов - Республики Крым и г. Севастополя. Традиционно популярные места отдыха россиян в Республике Крым увеличивают привлекательность внутреннего туризма, что накладывает дополнительную ответственность на органы исполнительной власти в сфере туризма за качество услуг и объектов туристской инфраструктуры, безопасность туристов, обеспечение рабочих мест и вклада туризма в бюджет Российской Федерации. Поэтому реализация федеральных и региональных стратегий и программ развития туризма в настоящее время весьма актуальна.

Программа по сохранению здоровья определяет развитие здравоохранения в России до 2020 года, реализуется в два этапа, одним из которых является развитие инновационного потенциала в здравоохранении.

Географическое положение России позволяет ей быть одновременно и одной из самых холодных, и одной из самых теплых стран. Главным образом погодные условия страны определяются ее протяженностью с востока на запад и с юга на север. Особенности рельефа также оказывают влияние на климат. Для России характерно четкое разделение на теплый и холодный период.

В районах с крайне жарким климатом, к таким городам в России можно отнести: Волгоград (48,00С), Астрахань (40,00С), Сочи (39,50С), Крым (40,70С), а в зарубежных странах: Каир, Египет (49,00С), Феникс, США (50,00С), Гонконг, Китай (54,00С).

Температура воздуха - важнейший фактор внешней среды и основной физический раздражитель, влияющий на теплообмен организма.

Изменения метеорологических условий могут оказать неблагоприятное влияние на здоровье человека вследствие перенапряжения аппарата терморегуляции и нарушения теплового баланса. При воздействии высокой температуры воздуха происходит интенсивное потоотделение (до 6-10 литров), что приводит к обезвоживанию организма, потере минеральных солей и водорастворимых витаминов. При высокой температуре воздуха и дефиците воды в организме усиленно расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки. Действие высокой температуры вызывает серьезные и стойкие изменения в деятельности сердечно-сосудистой системы.

Высокая температура окружающей среды оказывает значительное влияние на организм человека: от расслабленного и вялого состояния, неспособности к физической или умственной активности до теплового удара, сопровождающегося патологическими реакциями в виде головокружения, затруднения дыхания, тошноты, нарушения координации движений и потери сознания.

Следует помнить о комплексе экипировки в целом: носить подходящую одежду, свободную, светлых оттенков; закрывать голову от воздействия прямых солнечных лучей (шляпа с полями, косынка); защита лица и рук обеспечивается за счет различных солнцезащитных кремов и гелей; максимально уменьшить употребление тяжелой и жирной пищи, увеличить в своем рационе долю фруктов, овощей и свежевыжатых соков, рекомендуется следить за количеством жидкости в организме, обильное питье - подсоленную воду (можно минеральную), холодный чай, кофе (взрослым). Воду пьют многократно, небольшими порциями (по 75-100 мл) [3].

При нахождении людей в зонах повышенных температур в качестве индивидуального средства защиты (частью экипировки), может использоваться термос-контейнер, в котором можно транспортировать охлажденную воду, чай и другие охлажденные продукты, при применение которых, активизируются внутренние резервы наших человеческих организмов, приводит к сужению сосудов, снижению температуры и притока крови ко всем внутренним органам, охлажденная жидкость является катализатором внутренних обменных процессов (рисунок 1). Для группы людей возможно применение терморюкзаков большего размера и вместимостью.

Рисунок 1- Применение устройства для транспортировки

пищевых и не пищевых продуктов

Северные территории России охватывают 2/3(11 млн. км2) площади страны и воспринимаются, по большей части, в качестве сырьевой базы. Судьбу северных регионов в целом, должен определять государственный подход, при учете геополитического значения для страны, и хозяйский - к его богатствам и людям, которые осваивают их в экстремальных условиях.

Арктика и Север сегодня являются главными направлениями политической и экономической деятельности, поэтому на сегодняшний день существуют различные программы и стратегии по развитию Арктических зон [4],[5],[6]. Арктика представляет собой наиболее важный и перспективный регион, который в свою очередь характеризуется суровым климатом с экстремальными колебаниями (полярный день, полярная ночь) и температуры, ледовой и снежной зимой, коротким летом.

К городам в России с экстремально низкими климатическими условиями, относятся: Верхоянск (-67,80С), Якутия (-60,00С), Новосибирск (-51,10С), Великий Устюг (-40,00С), а в зарубежных странах: США, штат Аляска (-62,00С), Эстония, Нарва (-40,00С), Канада, Снедж (-63,00С), Казахстан, Астана (-45,00С) и другие.

Не может быть никакого сомнения в том, что столь важный фактор окружающей среды, как температура, оказывает на организм человека сильное и многогранное воздействие. Всем известны терапевтические свойства тепла - такие тепловые процедуры, как горчичники, горячие ванны, компрессы и многое другое. Однако холод - это как бы обратная сторона тепла, и он также просто не может не обладать какими-то целебными свойствами. Действительно, воздействие холода на человеческий организм велико и многогранно.

При переохлаждении организма уменьшается функциональная деятельность органов человека, скорость биохимических процессов, снижается внимание, затормаживается умственная деятельность и, в конечном счете, снижается активность и работоспособность человека. Длительное воздействие низкой температуры, особенно в сочетании с повышенной скоростью движения воздуха (ветром), может привести к переохлаждению организма ниже допустимого предела - гипотермии [7].

Существуют различные способы сохранения здоровья в зонах с экстремально низкими температурами: головной убор, с возможностью закрыть уши; отдавать предпочтения варежкам; подбирать правильную обувь из натуральных материалов, которая должна быть свободной, во избежание нарушения кровообращения; лучше надеть многослойную одежду, которая создает воздушную прослойку, способную удерживать тепло; стараться как можно больше двигаться; употреблять здоровую калорийную пищу, но самое главное - сохранять энергобаланс организма и включать в свой рацион горячие напитки во время пребывания на открытом воздухе (рисунок 2).

В районах с низкими температурами окружающей среды использование термостатических устройств важно, возможность транспортировки горячих продуктов питания, в том числе питьевых жидкостей, после употребления, которых происходит энергетический обмен: начинается в полости рта, когда горячий напиток касается слизистой полости рта, тепло проникает в кровь, а она переносит тепло в ткани, поэтому горячие напитки не только помогут согреться, но и укрепить состояние своего здоровья.

Рисунок 2- Пример продукции

Реализация программы по развитию туризма в России позволит повысить конкурентоспособность отечественного туристского рынка, создать условия для развития туристской инфраструктуры, привлечь инвестиции в отрасль. Мероприятия Программы направлены также на повышение эффективности продвижения национального туристского продукта на внутреннем и международном рынках.

Использование портативного термоконтейнера является примером усовершенствованного туристского продукта в качестве средства индивидуальной защиты для транспортировки горячих (охлажденных) пищевых и не пищевых продуктов, и может представлять интерес для всех видов культурного - познавательного, экологического и лечебно-оздоровительного туризма. Устройство может быть полезно людям разного возраста.

1.2 Краткая историческая справка по вопросу исследования

С древних времён люди стремились сохранять температуру продуктов на определённом уровне, но вопрос о том, как сохранить температуру пищи в течение нескольких часов, взяв её с собой в дорогу, многие века оставался открытым.

В основе создания изотермических устройств лежит производство термосов.

Термос - вид бытовой теплоизоляционной посуды для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры продуктов питания, по сравнению с температурой окружающей среды.

Создание термоса является родоначальником производства подобных изделий: термосумок, термоконтейнеров, сумок-холодильников и других.

Первый «термос» был разработан в 1881 году немецким физиком А. Ф. Вейнхольдом для хранения сжиженных газов. Это был стеклянный контейнер с двойными стенками и откачанным из межстеночного пространства воздухом. Для того чтобы уменьшить площадь испарения шотландский ученый Джеймс Дьюар в 1892 году усовершенствовал разработку А. Ф. Вейнхольда и заменил прямоугольный контейнер двойной колбой с узким горлом, сохранив принцип вакуума в межстеночном пространстве. Рейнгольд Бургер - производитель стеклянных изделий из Берлина, он спрятал колбу в металлический корпус, добавил пробку и крышку-стаканчик. Также, им была придумана система поддержки колбы, которая до этого держалась только у горловины сосуда, и поэтому была крайне уязвима.

30.09.1903 года Рейнгольд Бургер подал заявку на патент в Германии и получил его. После он объявил конкурс на лучшее название для нового изобретения: житель Мюнхена предложил название «Термос», которое понравилось Бургеру. 3.12.1907 года он получил патент США U.S. Patent 872 795. Возникла компания American Thermos Bottle Company, которая унаследовала патент на изготовление термосов в Америке. Со временем еще 2 компании приобрели право на производство термосов: канадская Thermos Bottle Co и британская Thermos Limited. Таким образом, некоммерческое открытие стало прибыльным бизнесом для нескольких больших компании.

На этом история термоса не закончилась. После появление термоса со стеклянной колбой в США, местный ученый-физик Уильям Стэнли младший решил усовершенствовать этот сосуд и оснастил его стальной колбой. В 1913 году он запатентовал цельнометаллический термос. Таким образом он избавил людей от главной проблемы термоизделий того времени - хрупкой и недолговечной стеклянной колбы.

Неоспоримое преимущество нового термоса стало основанием для открытия его собственной компании - Bottle Company Stanley.

С этого момента начинается путь одной из известнейших в мире компании-производителей термосов и термопосуды. Термосы Стенли изначально позиционировались как очень качественный и надежный продукт, который никогда не подведет.

Уильям Стэнли, который всю жизнь посвятил работе с электричеством на больших заводах и различных предприятиях, понимал, как важно для рабочего человека иметь возможность согреться теплым напитком и перекусить во время рабочего дня.

В настоящее время существует значительный арсенал легких переносных устройств, таких как: термос, термоконтейнер, термосумка и другие. К основным их недостаткам относятся: недостаточные термостатические свойства материала, из которого изготовлено устройство; объем, вес и габариты устройств весьма завышены, что неприменимо для индивидуального использования для личных целей.

1.3 Описание физических процессов, заложенных в работу объекта исследования

Все вышеуказанные устройства функционирует на основе закона теплообмена веществ. Чтобы сохранить жидкость горячей, нужно как можно дольше препятствовать передаче тепла от содержимого изотермического устройства к окружающему воздуху. А чтобы сохранить жидкость холодной, нужно предотвратить передачу тепла от окружающего воздуха к содержимому.

На рисунке 3 изображен физический процесс, тело с температурой t вн и тепловым потоком q1 , находится в замкнутом пространстве, стенка покрыта теплоотражающим слоем, для эффективного отражения невидимых лучей тепловой энергии (излучение), на нее извне действует температура t нар и тепловой поток q2, за счет теплозащитного слоя, уменьшается процесс теплопроводности и конвекции.

Рисунок 3- Физический процесс

Применение предлагаемого термоконтейнера может быть довольно разнообразно: подобная продукция потенциально востребована спортсменами, занимающимися зимними видами спорта и любителями активного зимнего отдыха, туристами; не менее активно могут использоваться в медицине для транспортировки лекарств, биологических образцов и вакцин, которые моментально теряют свою эффективность, если их нагреть или, наоборот, сильно заморозить; портативные термоконтейнера удобны и для хранения продуктов питания во время работы в критических низких температурных условиях (на улице, на даче и т.п.); молодым мамам также не обойтись без них, так как в них удобно хранить готовую молочную смесь, грудное молоко, детскую бутылочку с питьевой водой во время прогулки или поездки.

1.4 Разработка классификации изучаемых устройств

Существует довольно большое разнообразие классификаций изотермических устройств (рисунок 4), которые подразделяются: на специализированные, предназначенные для отдельных видов грузов, имеющие специфические свойства и универсальные, для однородных групп грузов по физико-химическим свойствам и условиям перевозки. Специализированные делятся на автосцепные устройства и грузовые вагоны. Термоизделия могут быть крупнообъемными, среднеобъемными и малообъемные.

Рисунок 4- Схема классификации изотермических устройств (утолщенная линия - направление исследований)

К классификации малообъемных изотермических устройств относятся:

1. Автомобильные холодильники, которые способны поддерживать температуру без аккумуляторов холода, работоспособность которых обеспечивается подзарядкой от энергосистемы автомобиля.

Существует три вида автомобильных холодильников:

- Термоэлектрические. Принцип работы основан на так называемом «Эффекте Пельтье»: через металлические пластины проходит ток, в процессе чего одна из них нагревается, а вторая охлаждается. Электрическая термоёмкость имеет недостаток - зависимость температуры внутри от температуры окружающей среды. Устройство способно поддерживать разницу не более чем в 30 градусов. То есть, если на улице плюс 30, температура в контейнере будет не ниже 0.

- Компрессионные. Миниатюрная портативная версия бытового холодильника, работающая с применением хладагента. Условия окружающей среды не оказывают никакого влияния на работу прибора. Компрессионные холодильные установки способны не только охлаждать, но и замораживать продукты, при этом они достаточно экономичны. К недостаткам относятся большие габариты и высокая стоимость приборов.

- Абсорбционные. По принципу работы похожи на термоэлектрические модели, но источником энергии может быть электрическая сеть от прикуривателя и сжиженный баллонный газ. Способны поддерживать разницу в 30 градусов с температурой за пределами холодильного отделения, быстро подстраиваться под изменения температуры окружающей среды.

2. Термоконтейнеры (из твердого пластика). Это ящик, стенки которого заполнены пенопластом или пенополиуретаном. Закрывается он герметичной крышкой. С помощью охлаждающих элементов изделия способны сохранять холод до 24 часов. Их вес от 300 грамм (малый объем) до нескольких десятков килограмм (большие объемы). Универсальными в использовании их называют из-за большого количества вариантов применения.

По предназначению термоконтейнеры делятся:

- Термоконтейнер медицинский - незаменимый атрибут в перевозке медикаментов, должен быть надежным, прочным, иметь все разрешительные документы на использование в конкретных целях и соответствовать всем требованиям.

- Термоконтейнер для продуктов питания.

- Термоконтейнер для бутылочек. Маленькие термоконтейнера могут вмещать от одной до шести детских бутылочек различных размеров.

3. Портативные сумки. Внешние стенки выполнены из мягкого материала, внутренний слой - из плотного светоотражающего ПВХ, который помогает сохранять продукты свежими. Между двойными стенками находится особая прослойка из пенополиуретана, которая помогает сохранять продукты охлажденными/горячими в течение нескольких часов.

- Сумка - холодильник - изотермическая сумка, которая сохранит продукты свежими и вкусными, а напитки прохладными.

- Термосумка (портативный термоконтейнер) - специальный вид сумок для продолжительного сохранения более низкой температуры продуктов питания (напитков или блюд), по сравнению с температурой окружающей среды. Изготавливаются с использованием теплоизоляционных материалов.

Объектом исследования является использование портативного термоконтейнера, в различных сферах: туризма, медицине, а так же для индивидуального применения. Материалом для наружной части обычно служит нейлон, полиэстер или поливинилхлорид (ПВХ), обладающие водоотталкивающими свойствами и не пропускающие ультрафиолетовые лучи, эти виды тканей легко чистятся от различных загрязнений и быстро сохнут, со стороны внутреннего пространства расположен теплоизолирующий слой с отражающей поверхностью, присутствие ручки, которая фиксируется в нескольких положениях, удобно для транспортировки.

Термоконтейнер, изготавливаемый из твердого пластика, не совсем удобен в применении в повседневной жизни, при этом к недостаткам автомобильного холодильника относится необходимость подзарядки от источника энергосистемы, высокая цена. Объем, вес и габариты данных устройств весьма завышены, что неприменимо для индивидуального использования.

1.5 Рейтинг российских и зарубежных лидеров - производителей изотермической продукции

По рейтингу основных российских и зарубежных лидеров - производителей изотермической продукции на 2018/2019 год выделим:

Первое место занимает компания «Арктика» (Россия), которая была основана в 2008 году и на сегодняшний день являющая ведущим российским производителем термосов и изотермической продукции.

На втором месте находится компания «Supra», которая выпускает более 10000 моделей бытовой техники, а так же холодильники и изотермические сумки и многое другое. Страной производителем является Китай.

На третьем месте находится компания «MOBICOOL» (Китай), основана в 1991 году, на сегодняшний день считается одним из ведущих производителей мобильных холодильных установок в регионах Дальнего Востока и Азии.

Четвертое место занимает компания «Ezetil». История основания торговой марки EZETIL -1953 год. EZETIL обеспечивает полный спектр продукции в сфере мобильного охлаждения. Одними из приоритетных направлений брэнда являются: портативные автомобильные холодильники, портативные морозильные камеры, аккумуляторы холода. Компания «Технологии Холода 2000» является официальным эксклюзивным дистрибутором немецкой торговой марки Ezetil на территории России, Белоруссии и Казахстана.

Компания основана в 1999 году как дистрибутор мобильных термоэлектрических контейнеров (автохолодильников), сумок-холодильников торговой марки EZETIL(Германия), термосов и термокружек, развивается в сегменте товаров для активного отдыха и туризма.

На пятом месте находится компания «Camping World», организованная в 2003 году, успешно продвигается на рынках России, Китая и ближнего зарубежья. Производит следующие товарные группы: термоэлектрические автохолодильники, электрогазовые холодильники, изотермические контейнеры и сумки, аккумуляторы холода и многое другое.

Шестое место занимает компания «Igloo», начал свою историю в 1947 году. В линейке брэнда Igloo представлено более 500 различных продуктов: изотермические контейнеры, сумки-холодильники, кружки-термосы.

1.6 Обзор аналогов технических устройств

1.6.1 Устройства, защищенные охранными документами РФ

Проведение патентного поиска в информационно-поисковой системе ФИПС показало, количество имеющихся патентов по запросу: «термосумка» -1 ед.; «сумка-холодильник»-12 ед.; «термоконтейнер»- 20 ед.

Патент № 115055 «Термосумка» (рисунок 5) [8]. Полезная модель относится к ручным средствам транспортировки и предназначена для использования в качестве контейнера-сумки при транспортировке холодных и горячих продуктов питания в упакованном виде: замороженных или охлажденных продуктов. Ее используют в дороге, при отдыхе на природе и путешествии. Для увеличения времени сохранения качества продуктов в термосумках применяют аккумуляторы холода. Для изготовления термосумок применяют ткани, пластические массы, пленку поливинилхлоридную, полиэтилен вспененный, картон и другие материалы и фурнитуру. Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является увеличение срока поддержания пониженной температуры внутри сумки, приемлемой для хранения находящегося в ней продукта, повышение надежности и расширение ассортимента термосумок, удобны в эксплуатации.

Техническим результатом является увеличение герметичности стыковочных швов, что увеличивает теплоизоляцию и термостабильность на протяжении длительного срока эксплуатации.

Рисунок 5-Термосумка

1-крышку, 2-стенки, дно-3, 4-упрочняющий вкладыш, 5-карманы, 6-клапаны, 7-ручка,

8-ремни для переноски, 9-ножки корпуса, 10-молния

Применение термосумки осуществляется следующим образом. Предварительно охлажденные в холодильной камере продукты или медикаменты помещают внутрь корпуса и укладывают их на дно. Сверху располагают охладительный элемент, предварительно охлажденный в морозильной камере. Затем термосумку герметично закрывают и хранят или транспортируют в ней пищевые продукты. В сумке применяются гелевые или солевые аккумуляторы холода многоразового использования, имеющие сертификаты соответствия.

Термосумка, включающая днище, боковые стенки и крышку, выполненные секционными из наружного материала, утеплителя и жесткой вставки для обеспечения теплоизоляции, и оснащенная, по меньшей мере, одним телом, аккумулирующим холод, закрепленным изнутри, отличающаяся тем, что стыковка стенок между собой и дном по всем граням корпуса осуществляется соединением крайней части внутренней боковой плоскости одной стенки с торцовой плоскостью другой стенки или дна, выполняется ниточным швом, скрепляющим наружный материал обеих стенок и расположенным во внутреннем объеме одной из стенок.

Патент № 80436 «Сумка-холодильник для хранения и транспортировки медицинских и биологических материалов» (рисунок 6) [9].

Полезная модель относится к переносным сумкам-холодильникам для хранения и транспортировки медицинских и биологических материалов с соблюдением установленного температурного режима. Задачей настоящей полезной модели является создание сумки-холодильника для хранения и транспортировки медицинских и биологических материалов, позволяющей контролировать и обнаруживать факт превышения заданной температуры и определять продолжительность нахождения содержимого сумки-холодильника при температуре, превышающей заданную.

Поставленная задача решена благодаря тому, что в сумке-холодильнике для хранения и транспортировки медицинских и биологических материалов, содержащей корпус, стенка которого образована двумя слоями полимерного материала и теплоизолирующим материалом, размещенным между ними, и который выполнен в виде короба с крышкой, а также охлаждающие элементы, размещенные внутри корпуса, внутри корпуса дополнительно размещен одноразовый индикатор превышения заданной температуры. Использование индикатора превышения заданной температуры позволяет обеспечить контроль температурного режима в процессе хранения и транспортировки содержимого сумки-холодильника.

Рисунок 6 - Сумка-холодильник

1-жеский короб, 2-крышка, 3-ручки, 4-карман, 5-карман, 6-охлаждающие элементы,

7-индикатор, 8-индикаторное окно

Сумка-холодильник используется следующим образом.

Предварительно охлажденные элементы 6 размещают в карманах 4 и 5 сумки-холодильника. После этого загружают в сумку-холодильник материалы, предназначенные для транспортировки или хранения, отрывают язычок с одновременным удалением закрывающих средств и тем самым приводят в действие индикатор 7. Далее прикрепляют индикатор 7 к внутренней стенке короба 1 в его верхней части посредством самоклеящегося слоя и закрывают сумку холодильник с помощью застежки-молнии. После этого осуществляют хранение и/или транспортировку сумки-холодильника. По окончании хранения и/или транспортировки открывают сумку-холодильник и по цвету окон индикатора делают вывод о сохранности содержимого.

Изменение цвета индикаторного слоя необратимо, поэтому факт превышения заданной температуры при хранении и транспортировке медицинских и биологических материалов невозможно скрыть. Предложенная сумка-холодильник имеет корпус, выполненный в виде жесткого короба с крышкой. По краю короба и крышки выполнена застежка-молния, для закрывания сумки-холодильника. Короб и крышка выполнены из теплоизолирующего материала, короб снабжен ручками , прикрепленными к нему на двух противоположных сторонах и выполненных из полипропиленовой ременной тканой ленты.

На внутренней стороне одной из стенок короба выполнен один карман, а на внутренней стороне крышки выполнен другой карман, которые предназначены для размещения в них охлаждающих элементов. На внутренней стороне стенки короба в его верхней части размещен индикатор превышения заданной температуры. Индикатор выполнен в виде плоской подушки из следующих слоев: крепежный слой, на внешнюю поверхность которого нанесено самоклеящеееся вещество для крепления индикатора на корпусе, лицевой слой, в котором выполнены три индикаторных окна, и индикаторный слой, размещенный между крепежным и лицевым слоями.

Патент № 5849 «Сумка-холодильник» (рисунок 7) [10]. Сумка-холодильник, представляющая собой короб из теплоизолирующего материала, обтянутый полимерной пленкой, содержащая холодоаккумулирующий материал в виде пакетов, перед употреблением помещаемых в холодильник, отличающаяся тем, что внутрь короба помещен герметизируемый кулек из полимерного материала (для пищевых продуктов или медпрепаратов), на внутренних противоположных сторонах которого закреплены герметичный пакет с холодоаккумулирующим материалом (с одной стороны) и перфорированный пакет с пористым материалом (с другой стороны).

Рисунок 7- Сумка-холодильник

1- общий вид, 2-пакет, 3-пакет с пористым материалом,

4- перегибаемый запаянный край

Патент № 2330220 «Термоконтейнер - сумка» (рисунок 8) [11]. Изобретение предназначено для использования в качестве термоконтейнера-сумки, используемого для временного обеспечения в объеме рабочей камеры пониженной температуры.

Термоконтейнер-сумка выполнен в виде ларя, содержит наружную и внутреннюю оболочки, которые выполнены из текстильного материала, между которыми размещено теплоизолирующее ограждение с внутренней полостью, рабочую камеру, крышку, установленную над полостью рабочей камеры, последняя выполнена в виде полого открытого сверху прямоугольного параллелепипеда или полого открытого сверху цилиндра, причем термоконтейнер-сумка также содержит выполненную из жесткого материала открытую сверху съемную емкость, устанавливаемую во внутреннюю полость теплоизолирующего ограждения. Применение данного контейнера позволяет наиболее полно использовать объем рабочей камеры при повышении его срока службы.

Рисунок 8- Термоконтейнер-сумка

1- оболочка, 2- крышка, 3- теплоизолирующий материал, 4- внутренняя оболочка, 5-теплоизолирующее ограждение, 6- рабочая камера, 7- застежки, 8- заслонки, 9- теплоизолирующий материал, 10- съемная емкость, 11- ремень для переносок, 12- карманы, 13- замок

Анализ патентного поиска свидетельствует о том, что охранных документов, относящихся к изотермическим переносным устройствам, достаточно много, при этом были выбраны наиболее близкие по функциональности и задачам разработки.

В таблице 1 показаны результаты анализа патентного поиска в информационно-поисковой системе ФИПС.

Таблица 1 - Анализ патентного поиска

Критерий	Аналог
	Патент № 115055 «Термосумка»	Патент № 80436 «Сумка-холодильник»	Патент № 5849 «Сумка-холодильник»	Патент № 2330220 «Термоконтейнер - сумка»
Мобильность	-	-	+	-
Простота конструкции	-	-	+	-
Аккумулирующее устройство	+	+	+	-
Устройство для транспортировки	+	+	-	+

В большинстве случаев, указанные устройства недостаточно мобильны, однако оборудованы устройствами для их транспортировки на расстояния и внутренним источником тепловой энергии для поддержания температурного баланса в изотермической емкости.

При этом можем выделить основные недостатки существующих аналогов:

1. Материалы, из которых изготавливаются изотермические контейнеры - это жесткий пластик, пенопласт (пенополистирол), что создает неудобство при их эксплуатации и низкую степень эргономичности.

2. Оборудованные устройства для транспортировки - это, чаще всего, ручки для переноса.

3. Все аналоги имеют большие объемы, что неприменимо при индивидуальном использовании в условиях туризма, работы или прогулки.

1.6.2 Устройства, отраженные в открытых источниках СМИ

Ассортимент изотермической продукции невероятно разнообразен и широк, начиная от маленьких емкостей для напитков, термосы, термосумки, сумки-холодильники, а так же различного типа и конфигурации термос-контейнеры.

Поиск в открытых источниках СМИ так же показал большой ассортимент существующих изотермических устройств.

Термоконтейнер - это ящик, изотермическая сумка или контейнер, выполняющий функцию термоса [12]. Они бывают различных конфигураций, степени хладоустоичивости, форм и размеров (от 1-140 л), предназначены для хранения и транспортировки продуктов питания, медицинских лекарств и вакцин и т.д. Главный недостаток - не удобен при его ношении (таблица 2).

Таблица 2 - Термоконтейнер «Термо-конт МК»

Производитель (страна)	«Термо-конт МК», Россия	Рисунок 9 -Термоконтейнер ТМ-5 (охлажденные)
Внутренний объем, л	5,7
Наличие хладоэлементов, шт	5
Ориентировочная продолжительность хладовоздействия для температурного диапазона внутреннего объема, час	не ниже 20С и не выше 80С при температурах окружающей среды 20-250С / +430С	73
	от -200С до 00С при температурах окружающей среды 20-250С:(с хладоэл-м)	39
Габариты, мм	320 x 260 x 270
Масса пустого, кг	1,2

Термоконтейнер изготовлен из жесткого заливочного пенополиуретана с замкнуто-ячеистой структурой. Обладает высокими теплоизоляционными характеристиками и повышенной ударной прочностью (рисунок 9).

Принцип работы: Изотермический контейнер (термобокс) изготовлен из специального материала - пенополиуретана, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами, который выполняет роль «термоса».

Термосумка - это сумка для перевозки или переноски продуктов для сохранения ею теплой или холодной температуры (рисунок 10). Компания ООО «Техник» является производителем термосумок THERMOPRO для транспортировки продуктов питания (таблица 3). Направления: для детского питания, туризм и отдых, профессиональные для доставки обедов и пицц, воды, доставки цветов, а также медицинских термосумок и расходных материалов для медицинских лабораторий [13].

Таблица 3 - Термосумка ООО «Техник»

Производитель (страна)	ООО «Техник» Россия	Рисунок 10 -Термосумка
Внутренний объем, л	2,6
Наличие хладоэлементов, шт	+
Сохранение температуры, час	До 20 ч
Габариты, мм	150x75x200
Масса пустого, кг	-

Сумка-холодильник-это теплоизолированная или изотермическая сумка, контейнер или емкость (рисунок 11). PACKiT - самый простой способ сохранить продукты и напитки охлажденными. PACKiT - складная, замораживаемая сумка-холодильник, которая работает подобно обычной термосумке, только лучше. Охлаждая продукты со всех сторон сумка холодильник PACKiT удерживает холод до 10 часов. Секрет PACKiT в специальном замораживаемом, термоёмком геле, встроенного во все поверхности сумки. Просто положите сумку в морозильную камеру на ночь (таблица 4).

Когда сумка холодильник замораживается, ее стенки начинают производить волны холодного воздуха, которые охлаждают продукты и напитки со всех сторон. [14].

Таблица 4 - Сумка-холодильник PACKiT

Производитель (страна)	PACKiT, США	Рисунок 11 -Сумка-холодильник
Внутренний объем, л	5
Наличие хладоэлементов, шт	-
Сохранение температруры, час	10
Габариты, мм	150Ч350Ч270
Масса пустого, кг	0,575

Торговая марка Thermos начала свое официальное существование в 1904 г. в Мюнхене (таблица 5). Сегодня группа компаний Thermos - процветающий глобальный производитель целого спектра инновационных и технологически продвинутых потребительских товаров: термосов, термосумок, аксессуары и запчасти (рисунок 12). Продукция марки Thermos, предназначена для обеспечения надежного сохранения температуры. В изотермических изделиях марки Thermos продукты и напитки остаются горячими/холодными в разы дольше, чем в аналогах. [15].

Таблица 5 - Термосумка «Thermos»

Производитель (страна)	Thermos, Великобритания	Рисунок 12 -Термосумка
Внутренний объем, л	6
Наличие хладоэлементов, шт	+
Сохранение температуры, час	10
Габариты, мм	260х184х178
Масса пустого, кг	0,2

Термосумки (рисунок 13) [16]. Изотермические ёмкости работают по принципу поддержания низкой температуры на одном и том же уровне в течение длительного времени. Эту способность обеспечивает особая конструкция сумки и дополнительные холодильные элементы (таблица 6).

По своей сути она похожа на колбу термоса: толстые стенки из отражающего материала, между которых находится слой термоизолирующей пены и пространство под холодовые аккумуляторы.

Помещенный внутрь провиант защищён от влияния окружающей среды слоем материала, который плохо проводит тепло, поэтому низкая температура сохраняется надолго. В термосумке также можно перемещать горячие продукты.

Таблица 6 - Термосумка ARCTICA 3000-10

Производитель (страна)	«Арктика», Россия	Рисунок 13- ARCTICA 3000-10
Внутренний объем, л	10
Хладоэлемент	200 гр на 6 л объема
Сохранение температуры, час	10
Габариты, мм	310х 170 х 245
Масса пустого, кг	0,55

В таблице 7 приведены результаты анализа существующих устройств в открытых источниках СМИ.

Таблица 7 - Анализ результатов поиска в источниках СМИ

Критерии	Термоконтейнер ТМ-5	Термос- сумка	Сумка-холодильник	Термос-сумка	ARCTICA 3000-10
Полезный объем, л	5,7	2,6	5	6	10
Виды источника энергии (тепло/хладо)	+/+	+/+	-/+	+/+	+/+
Мобильность габарит, мм	320х260х270	150x75x200	150Ч350Ч270	260х184х178	310х170х245
Сохранение температуры, час	39-70	20	10	10	10

Анализ поиска в открытых источниках СМИ свидетельствует о достаточном разнообразии существующих устройств, схожих по своим функциональным особенностям. Общими преимуществами является достаточно высокое количество хладоэлементов для поддержания температуры и довольно продолжительный период изотермического состояния в рабочем пространстве. Однако выделены и недостатки подобных устройств:

1. Достаточно большие объемы и габаритные размеры устройств обуславливают сложности их эксплуатации в бытовых условиях, не говоря уже о продолжительных пеших переходах;

2. Наличие внутренних источников энергии (хладоэлементов и теплоаккумуляторов) позволяет продлить время хранения содержимого термоконтейнера, но не все устройства способны работать на сохранение горячих продуктов и напитков, или наоборот - охлажденных в жарком климате.

1.7 Основные выводы по первой главе

Исследования эффективности нового портативного термоконтейнера является актуальной, применение его возможно в совершено различных сферах.

История создания первых разработок для хранения сжиженных газов начиналась с 1881 г., со временем они усовершенствовались, появлялись первые стеклянные колбы. Позднее стеклянные изделия стали оснащать стальной колбой. Главной проблемой данных термоизделий являлось их хрупкость и недолговечность.

На сегодняшний день представляется широкий спектр легких переносных изотермических устройств, к их основным недостаткам относятся: недостаточные термостатические свойства материала; объем, вес, габариты весьма завышены. Все термоизделия функционируют на основе закона теплообмена веществ, при котором, для сохранения горячих жидкостей требуется как можно дольше препятствовать передаче тепла от содержимого к окружающему воздуху, а для сохранения жидкости холодной нужно предотвратить передачу тепла от окружающего воздуха к содержимому.

Классификация изотермических устройств довольна разнообразна, рейтинг на 2019 г. показал, что к лидирующим компаниям по изготовлению изотермической продукции относятся как зарубежные, так и российские производители. После проведения патентного поиска и поиска аналогов в открытых источниках СМИ, были выделены основные недостатки существующих устройств.

Сформированы основные критерии эффективности и определенные диапазоны технических характеристик, определяющие новую конструкцию объекта исследования.

2 ОПИСАНИЕ СУТИ РАЗРАБОТКИ И ЕЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1 Описание разрабатываемого устройства на основе полученного патента на полезную модель № 182385

Представляемая разработка предназначена для транспортировки и хранения на непродолжительное время пищевых продуктов или медикаментов и может быть использована в быту и медицине [17].

Технический результат - снижение тепловых потерь термоса-контейнера и увеличение срока термостатического хранения пищевых продуктов или медикаментов.

В заявляемой полезной модели основные недостатки существующих прототипов устраняются следующим образом. В случае, когда размер крышки меньше размера верхней части термоса-контейнера, при открывании такой крышки для извлечения и возврата пищевых продуктов (к примеру, емкостей с водой) снижаются потери энергии в окружающую среду (в холодное время года - горячая вода в емкости меньше охлаждается, в жаркое время года - холодная вода в емкости меньше нагревается) за счет уменьшения выходного сечения для внутреннего воздуха. Оптимальная пропорция размеров крышки и верхней части термоса-контейнера находится в диапазоне от 1:4 до 1:2 и определяется условием беспрепятственного извлечения ее содержимого, а также средней шириной кисти взрослого человека (10..11 см) [ГОСТ Р 12.4.246-2008. Средства индивидуальной защиты рук. Перчатки. Общие технические требование, методы испытаний. Москва, Стандартинформ, 2009].

Кроме того, за счет размещения с внутренней стороны застежки-молнии крышки термоса-контейнера теплозащитного клапана-воротника, который в закрытом состоянии застежки-молнии плотно к ней прилегает, создается дополнительный термический барьер, который снижает тепловые потери энергии через нее.

На рисунках 14, 15, 16 изображен общий вид портативного термоса-контейнера спереди и сверху; схема расположения основных элементов; фотография крышки портативного термоса-контейнера.

Портативный термос-контейнер выполнен в виде сумки, оболочка 1 которой состоит из текстильного материала, а внутренний теплозащитный слой 2 выполнен по меньшей мере из одного слоя эластичного теплоизолирующего материала, ламинированного слоем теплоотражающей пленки 3 со стороны внутреннего пространства 4, отличающийся от прототипа тем, что размер открывающейся с помощью застежки-молнии 5 крышки меньше размера верхней части термоса-контейнера, а с внутренней стороны застежки-молнии крышки термоса-контейнера размещен теплозащитный клапан-воротник 6, причем теплозащитный клапан-воротник выполнен снаружи из текстильного и внутри из теплоизолирующего материала и его поверхность ламинирована теплоотражающей пленкой и дополнительно, по крайней мере, на одной из сторон термоса-контейнера расположен карман 7 для термоаккумулятора или автономного источника тепловой энергии 8. Эффективность применения теплозащитного клапана-воротника и уменьшения выходного сечения для внутреннего воздуха для крышки термоса-контейнера подтверждена экспериментально.

Технический результат - снижение тепловых потерь термоса-контейнера. Дополнительная техническая задача, решаемая в заявляемой полезной модели - увеличение срока термостатического хранения пищевых продуктов или медикаментов.

Рисунок 14 - Общий вид термос-контейнера

Рисунок 15 - Схема расположения основных элементов

Рисунок 16 - Конструкция крышки

2.2 Технические характеристики

Таким образом, представлена разработка - портативное изотермическое устройство термоконтейнер (рисунок 17), имеющая следующие технические характеристики: выполнена в виде сумки, оболочка которой состоит из текстильного материала, а внутренний теплозащитный слой выполнен из слоя эластичного теплоизолирующего материала, ламинированного слоем теплоотражающей пленки со стороны внутреннего пространства.

Недостатки потерь тепловых энергий решаются: уменьшение размера крышки для извлечения и возврата пищевых продуктов, по крайней мере, на ј и более; за счет размещения с внутренней стороны застежки-молнии крышки контейнера теплозащитного клапана-воротника, который в закрытом состоянии застежки-молнии плотно к ней прилегает, создается дополнительный термический барьер, который снижает тепловые потери энергии через нее.

По своей конфигурации термос-контейнер прост в применении, и за счет малых габарит - мобилен и удобен (рисунок 17).

Рисунок 17 - Варианты исполнения

В таблице 8 приведены технические характеристики разработки.

Таблица 8 - Технические характеристики устройства

Характеристика	Мера измерения	Значение
Объем	л	2,6
Количество секций	шт	1
Габариты ДхВхШ	см	14х23х8
Вес	кг	0,2
Высота ремня	см	30-60
Сохранение температурного режима	ч	3-6
Коэффициент теплопроводности	Вт/м·єС	0,006

2.3 Основные выводы по второй главе

Основными результатами второй главы являются:

- получение патента на заявленную полезную модель № 182385 РФ «Портативный термос-контейнер» МПК B65D 81/00 (2006.01). Полезная модель предназначена для транспортировки и хранения на непродолжительное время пищевых продуктов или медикаментов и может быть использована в быту и медицине;

- подобраны оптимальные технические характеристики устройства, с устранением известных недостатков - тепловых потерь, существующие у известных прототипов;

- решена поставленная задача, по увеличению срока термостатического хранения.

3 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ

3.1 Общие данные

XXI век - эпоха инноваций. Реализация и разработка нового или усовершенствованного продукта, является конечным результатом инновационной деятельности, который представляется на рынке в качестве новейшего или более модернизированного технологического процесса, который в дальнейшем используется в практической деятельности.

Исследовано и запатентовано новое устройство - портативный термоконтейнер, служащий для транспортировки охлажденных либо горячих пищевых и не пищевых продуктов, медикаментов в экстремально низких или высоких температурах окружающей среды [патент РФ на полезную модель № 182385. МПК B65D 81/00 (2006.01). Опубл. 15.08.2018] [17].

Принцип работы предложенного устройства основывается на механизме сохранение температуры с помощью изоляции и отсутствии теплообмена с окружающей средой. Эффект от использования портативного термоконтейнера заключается в том, что в зонах с низкими или высокими температурами возможна транспортировка горячих или охлажденных продуктов питания, в том числе питьевых жидкостей.

Целью исследования является - проведение расчетно-экспериментальных исследований по разработке нового эффективного изотермического устройства, для возможности функционирования человека в условиях повышенных и пониженных температурных условиях внешней среды.

Для решения поставленной цели, необходимо выполнение следующих задач:

- разработка новой конструкции с учетом оптимальных технических характеристик;

- проведение исследований по эффективности разработки для различных климатических условий;

- исследование эффективности расчетно-экспериментальным методом.

Результатом данного исследования является, получение новых зависимостей динамики остывания продуктов питания (жидкость) при воздействии низких температур окружающего воздуха, и нагрева в условиях высоких температурных показателей внешней среды соответственно.

3.2 Планирование эксперимента

Планирование эксперимента - комплекс мероприятий, направленных на эффективную постановку опытов. Основная цель планирования эксперимента - достижение максимальной точности измерений при минимальном количестве проведенных опытов и сохранении статистической достоверности результатов.

Задачи эксперимента: установление зависимости между температурами окружающей среды и температуры вещества, находившегося в двух состояниях: нагретая и охлажденная вода.

Экспериментальное оборудование: термометр с термопарами TASI-8620.

Последовательность действий:

Устанавливается зависимость охлаждения/нагревания вещества (без применения термос-контейнера), от температуры окружающей среды, с помощью выносных датчиков температуры термометра TASI-8620. Данные фиксируются.

И по аналогии производится замер изменения температуры с применением термос-контейнера. Данные фиксируются, строится график, по которому наглядно отображается, эффективность применения данной разработки.

...