Показатели теплового обмена человека с окружающей средой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа № 1. Показатели теплового обмена человека с окружающей средой

теплоотдача человек температура поток

Цель работы: изучение и анализ показателей, характеризующих теплопродукцию и теплоотдачу человека.

Оборудование и материалы: калькулятор, наглядные пособия.

Исходные данные:

Пол	Женский
Рост	1,6
Масса	58
Возраст	25
Температура воздуха	-10
Виды деятельность	Ходьба по наклонной местности под углом 5є со скоростью 3,2 км/ч
	Ходьба по ровной местности со скоростью 4,8 км/ч
	Ходьба по ровной местности со скоростью 6,4 км/ч
	Ходьба по магазинам
	Работа продавца

Решение:

Расчет теплопродукции человека при различных видах физической деятельности представлен в таблице 1.

В таблице А.5 в приложении А выбрать вариант по последней цифре зачетной книжки.

В соответствии с заданием по таблице А.1 определить величину основного обмена, Qo, Вт/м2, в зависимости от возраста и пола человека. Qо=39,5 Вт/м2

По таблице А.2 установить значения энерготрат, Qэт и термический коэффициент полезного действия, з для предложенных видов деятельности.



Таблица 1

Виды деятельность	Энерготраты Qэт	Термический коэффициент, з
Ходьба по наклонной местности под углом 5є со скоростью 3,2 км/ч	174	0,10
Ходьба по ровной местности со скоростью 6,4 км/ч	221	0
Ходьба по ровной местности со скоростью 4,8 км/ч	151	0
Ходьба по магазинам	93	0
Работа продавцом	116	0-0,

Найти значение площади поверхности тела человека, согласно таблице А.3 или рассчитать по формуле (1.18):

S = 0,203·580,425•1,600,725 = 1,26м2

где - М - масса тела человека, кг;

Р - рост человека, м.

Вычислить теплопродукцию тела человека, Qт.п для различных видов физической деятельности по формуле (1.3).

Ходьба по наклонной местности под углом 5є со скоростью 3,2 км/ч:

Qтп=174-0,1(174-39,5) =160,55

Ходьба по ровной местности со скоростью 6,4 км/ч :

Qтп =221-0(221-39,5) =221

Ходьба по ровной местности со скоростью 4,8 км/ч :

Qтп =151-0(151-39,5) =151

Ходьба по магазинам:

Qтп =93-0(93-39,5) =93

Работа продавцом

Qтп =116-0,1(116-39,5) =108,35

Рассчитать значения Qисп.дых, Qисп.к, Qдых.н, Qосн, согласно формулам (1.11), (1.14), (1.15), (1.17) соответственно.

Результаты расчетов представить в таблице.



Расчет теплопродукции человека при различных видах физической деятельности

Вид физической деятельности человека	Ходьба по наклонной местности под углом 5є со скоростью 3,2 км/ч	Ходьба по ровной местности со скоростью 6,4 км/ч	Ходьба по ровной местности со скоростью 4,8 км/ч	Ходьба по магазинам	Работа продавцом
Основной обмен, Qо Вт/мІ	39,5
Термический коэффициент полезного действия, з	0,10	0	0	0	0-0,1
Энерготраты, Qэ.т, Вт	174	221	151	93	116
Теплопродукция человека, Qтп, Вт	160,55	221	151	93	108,35
Потери тепла, при испарении влаги с верхних дыхательных путей Qисп.дых, Вт	10	12,71	8,69	5,35	6,67
Общие теплопотери испарением влаги (диффузионной и пота), Qисп.к Вт	60,85	75,40	53,73	35,78	42,90
Потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха, Qдых.н, Вт	9,0132	11,4478	7,8218	4,8174	6,0088
Радиационно-конвективные (общие) теплопотери, Qосн, Вт	80,6868	121,4422	80,7622	47,0526	52,7712



Контрольные вопросы

Дайте определение понятию «Тепловой баланс», его влияние на самочувствие человека. Уравнение теплового баланса.

Охарактеризуйте понятие «теплопродукции человека» как показатель соответствия одежды деятельности человека и условиям внешней среды.

Пути отдачи тепла организмом человека.

Расчет потерь тепла радиацией, конвекцией, кондукцией, испарением.

Ответы

1. Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на выработку тепла в организме (теплопродукции) и его выведение -- теплоотдачу. Он осуществляется аппаратом химической и физической терморегуляции человека, а также путем приспособительных действий человека, направленных на создание оптимального микроклимата, и использования одежды («поведенческая» терморегуляция).

Тепловой баланс в общем виде можно описать уравнением:

(2.1)

где Qт.п - теплопродукция человека, Вт;

Qт.н - внешняя тепловая нагрузка, Вт;

Qрад - потери тепла радиацией, Вт;

Qконв - потери тепла конвекцией, Вт;

Qконд - потери тепла кондукцией, Вт;

Qисп.д - потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи, Вт;

Qисп.дых - потери тепла испарением влаги с верхних дыхательных путей, Вт;

Qисп.п - потери тепла испарением выделяемого пота, Вт;

Qдых.п - потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха, Вт;

ДQт.с - изменение теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме).

Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров.

2. Энергия, выделяемая в организме в виде тепла (теплопродукция) и обеспечивающая поддержание постоянного уровня температуры тела, составляет при физической работе только часть энерготрат Qэ.т.. В случае, когда вырабатываемая в организме человека энергия не расходуется на внешнюю механическую работу, она вся практически превращается в тепловую. Например: человек в состоянии относительного физического покоя и выполняющего некоторые виды физической работы (ходьба по ровной местности). Энергия, расходуемая на выполнение внешней работы N, может быть определена [1]:

(1.2)

где з - термический коэффициент полезного действия;

Qо - величина основного обмена, Вт/мІ.

3. Теплоотдача - переход теплоты, освобождаемой в процессах жизнедеятельности, из организма в окружающую среду. Теплоотдача происходит преимущественно через кожу (83%) и отчасти через слизистые оболочки. Регулируется она путем изменения циркуляции крови и за счет повышения или ослабления потоотделения. Сужение сосудов способствует сохранению вырабатываемого тепла (до 70%), а расширение создает условия для его потери (почти на 90%).

Теплоотдача осуществляется в основном теплопроводностью, конвекцией, излучением, дыханием, испарением

4. Радиационный теплообмен - в любых условиях жизнедеятельности человека между ним и окружающими телами происходит теплообмен путем инфракрасного излучения (радиационный теплообмен). Человек в процессе своей жизнедеятельности часто подвергается нагревающему воздействию инфракрасных излучений с разными спектральными характеристиками: от солнца, нагретой поверхности земли, зданий, отопительных приборов и т.д.

При небольшой разности температур, что практически наблюдается в реальных условиях жизнедеятельности человека, уравнение для определения потерь тепла радиацией Qрад, Вт, можно определить по закону Стефана-Больцмана:

(2.4)

где брад - коэффициент излучения(зависит от температуры окружающих предметов), Вт/(мІ·єС);

Sрад - площадь поверхности тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, мІ;

t1 - температура поверхности тела (одежды) человека, єС;

t2 - температура поверхности окружающих предметов, єС.

Потому процесс теплообмена между телом и воздухом называется конвекционным теплообменом.

Конвекционный теплообмен - способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха. Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи.

(2.5)



где бконв - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(мІ·єС);

S - площадь поверхности тела человека, участвующей в конвекционном теплообмене, мІ (справочная величина);

tод - температура поверхности тела (одежды) человека, єС;

tв - температура окружающего воздуха, єС.

Кондукционный теплообмен - теплоотдача от поверхности тела человека к соприкасающимся с ним твердым предметам осуществляется проведением (кондукцией). Потери тепла кондукцией в соответствии с законом Фурье:

(2.8)

где Qконд - количество тепла, прошедшего через стенки с площадью S, мІ, в течении времени ф, Вт;

л - коэффициент теплопроводности пакета материалов одежды, Вт/(мІ·єС);

t1 - температура внутренней стороны пакета материалов одежды, єС;

t2 - температура наружной (холодной) стороны пакета материалов одежды, єС;

д - толщина пакета материалов одежды, м;

S - площадь поверхности тела, соприкасающейся с твердым предметом, мІ.

Теплоотдача испарением - важным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота.

Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи Qисп.д, Вт, можно выразить уравнением:



(2.9)

где tк - температура кожи, єС;

pа - парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.

Лабораторная работа № 2. Определение показателей теплового состояния человека

Цель работы: изучение и анализ показателей, характеризующих тепловое состояние человека.

Оборудование и материалы: калькулятор, наглядные пособия.

Исходные данные:

Пол	Женский
Рост	1,62
Масса	60
Возраст	25
Виды деятельность	Вид деятельности ходьба по ровной местности со скоростью 2,2 км/ч

Значения температуры кожи и тепловых потоков

t1	t2	t3	t4	t5	t6	t7	t8	t9	t10	t11
38,2	35,8	22,5	32,5	33,6	33	32,2	33,6	33,5	28,3	26,4
q1	q2	q3	q4	q5	q6	q7	q8	q9	q10	q11
40,9	49,3	56,3	49,3	140,6	90,5	94,7	102,3	10,3	180	84,4

Решение:

В таблице Б.1 в приложении Б выбрать вариант по последней цифре зачетной книжки. В соответствии с заданием по таблице А.2 определить величину энерготрат для конкретного вида физической деятельности. QЭТ=116

Определить площадь поверхности человека по таблице А.3. S = 0,203·600,425•1,620,725 = 1,64м2

Рассчитать по формуле (2.1) температуру тела («ядра»).

tр =36,61+0,007*116/1,64=37,1

Рассчитать по формуле (2.2) средневзвешенную температуру кожи. Определить согласно данным таблицы 2.1 теплоощущения, соответствующие расчетной средневзвешенной температуре.

tck =0,0086*38,2+0,34*(35,8+22,5+32,5+33,6)/4+0,134*33+0,045*32.2+

+0,203*(33,6+33,5)/2+0,125*28,3+0,064*26,4=28,81

Рассчитать комфортный уровень температуры кожи по формуле (2.3), сравнить со средневзвешенной температурой кожи.

(2.3)

tck ком =36,07-0,0354*116/1,64=33,57

По известному теплоощущению определить величину изменения теплосодержания в соответствии с данными в таблице 2.3. Теплоощущение при 28,81 ? соответствует ощущению холодно, дефицит тепла 450 КДж.

Рассчитать средневзвешенную плотность теплового потока, используя формулу (2.4) и комфортный уровень плотности теплового потока в соответствии с (2.5).



qcn =81,184 qcn ком =146,95 , при ?=0

По величине энерготрат и установленному теплоощущению по таблицам определить величину влагопотерь организма человека. Результаты расчетов всех показателей теплового состояния оформить в таблице 2.7.

Таблица 2. Результаты расчетов всех показателей теплового состояния человека

Показатели теплового состояния человека	Единица измерения	Значение показателя
Температура тела «ядра», tp	єС	37,1
Средневзвешенная температура кожи, tс.к	єС	28,81
Комфортный уровень средневзвешенной температуры кожи, tс.к ком	єС	33,57
Средневзвешенная плотность теплового потока, qс.п	Вт/м2	81,184
Комфортный уровень плотности теплового потока, qс.п ком	Вт/м2	146,95
Влагопотери	г/ч	90-140
Теплоощущение	-	холодно

Контрольные вопросы

Дайте определения понятиям «тепловое состояние человека», «изменение теплосодержания», «температура тела», «температура кожи», «средневзвешенная температура кожи», «плотность теплового потока»?

Какими показателями оценивается тепловое состояние человека?

Ответы

1. Под тепловым состоянием человека понимают функциональное состояние, характеризующееся содержанием и распределением тепла в глубоких и поверхностных («оболочка», «ядро») тканях организма, а также степенью напряжения механизмов терморегуляции.

Изменение теплосодержания.

Если физиологические механизмы, внешняя среда и средства защиты не могут обеспечить теплового баланс, нарушается соотношение тепла, вырабатываемого в организме и отдаваемого в окружающую среду. В теле человека образуется дефицит тепла или происходит его накопление, т.е. теплосодержание организма Qт.с изменяется. Изменение теплосодержания ДQт.с может быть определено либо по разнице теплоотдачи и теплопродукции, либо по изменению средней температуры тела tст.

Под температурой тела подразумевают температуру внутренних органов и тканей.

В настоящее время для обобщающей характеристики температурного поля поверхности тела человека принято использовать средневзвешенную температуру кожи (tс.к), рассчитываемую в соответствии с ее значением на отдельных участках и площадью этих участков по отношению ко всей поверхности тела.

Одним из показателей, позволяющим косвенно с учетом фактора времени судить о тепловом состоянии человека, является плотность теплового потока с поверхности тела q, Вт/мІ, который отражает сумму потерь тепла радиацией и конвекцией.

2. Показателями теплового состояния человека являются: температура тела, температура кожи (средневзвешенная и локальная), потоотделение, теплосодержание в организме и его изменение (дефицит и накопление), теплоощущение, показатели гемодинамики (частота сердечных сокращений, артериальное давление, минутный объем кровотока, пульсовое давление и др.), функции дыхания (частота дыхания), энерго- и водосолевого объема, умственная и физическая работоспособность.

Лабораторная работа № 3. Изучение методов расчета теплозащитных свойств бытовой и специальной одежды

Цель работы:

освоение методики проведения расчетов теплозащитной одежды для обеспечения теплового комфорта человека;

проведение расчетов теплозащитных свойств пакета одежды на участках шеи, плеч, туловища, бедер, голени с учетом открытых и закрытых одеждой участков тела;

формирование структуры пакетов одежды по основным участкам тела;

сравнительный анализ теплозащитных свойств сформированных пакетов с данными, полученными расчетным путем;

определение суммарной толщины пакетов по основным участкам.

Таблица 3. Исходные данные

Вид изделия	Q, Вт	Исходные данные для расчетов
		Рост, см	Вес, кг	Удельные коэффициенты	Параметры среды	Вид физической работы	Приведенная степень черноты
				X	Y	Z	tв, °С	Vв, м/с
Комбинезон мужской утепленный	200	187	79	0,20	0,07	0,12	-4,0	4,0	Слесарные работы	0,8

Решение:

Пользуясь данными, приведенными в таблице 3, определить величину M=Q, а также величины Qucn, Qдых и Lмex:

Qucn = 0,20 *200=40 Вт; Qдых = 0,07*200=14 Вт.

Lмex = 0,12 *200=24,0 Вт.

Оценить величину общих допустимых основных конвективных и радиационных теплопотерь организма в окружающую среду по формуле (3.2)

Qосн =122Вт.

Пользуясь данными таблицы A.3, по заданному весу и росту человека определить расчетную величину поверхности тела S [17].

S = 2,04м2.

Пользуясь данными таблицы Г.2, определить размеры поверхностей тела человека, закрытых и открытых одеждой (3.3) и (3.4)

=0,06 м2;

=1,98 м2.

По формулам и рассчитать значения и с учетом данных таблицы Г.1 и таблицы Г.4.

= 22,4 Вт/(м2 °С);

= 3,545 Вт/(м2 °С).

Используя формулы и , рассчитать величины и R0.

б общ =22,4+3,545=25,945Вт/(м2 °С);

R?=0,04(м2 °С) /Вт.

Определить часть общих основных теплопотерь, приходящуюся на участки тела, не покрытые одеждой, по формуле (3.5) [17]

Q осн.откр. =(0,06*(33-(-4))/0,04=55,5Вт.

Найти часть общих основных теплопотерь, приходящуюся на участки тела, покрытые одеждой, по формуле (3.6)

Q осн.закр =122-55,5=66,5Вт.

Рассчитать среднее для всей одежды термическое сопротивление теплопроводности для пакета одежды по формуле (3.7)

Rср =(1,98*(32,4-(-4))/66,5-0,04=1,04 (м2 °С) /Вт.

Все полученные расчетные значения занести в итоговую таблицу 4.



Таблица 4. Предварительные расчеты

Расчетная величина теплопродукции М, Вт	Значение удельных коэффициентов	Теплопотери организма человека, Вт	Расчетные значения площадей поверхности, м2
	x	y	z	Qисп	Qдых	Lмех	Qосн	Sобщ	Sзакр	Sоткр
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
200	0,20	0,07	0,12	40	14	24	122	2,04	1,98	0,06
Температура поверхности тела град	Физические параметры окружающей среды	Основные теплопотери, Вт	Термические сопротивления, (м2 °С)/Вт
		tв, °С	Vв, м/с	, Вт/(м2 °С)	, Вт/(м2 °С)	Qосн. закр	Qосн.откр
12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
33	33,4	-4,0	4	3,545	22,4	66,5	55,5	0,04	1,04

Расчет теплопотерь с участков тела выполняют по формуле (3.8)

Q гол.шея =66,5*4,5/100*91/100=2,72

Q тулов =66,5*36,7/100*63/100=15,37

Q плечи предпле =66,5*13,7/100*81/100=7,38

Q кисти рук =66,5*4,6/100*136/100=4,16

Q бедр.ягод =66,5*12,9/100*99/100=8,49

Q голени =66,5*21/100*196/100=27,37

Q стопы ног =66,5*6,6/100*180/100=7,9

После произведенного расчета оценивают величину относительной ошибки, которую определяют по формуле [17]

?Q уч =2,72+15,38+7,38+4,16+8,49+27,37+7,9=73,37

^Х=(73,37-66,5) /73,5=9,3%

Допустимая величина ошибки не превышает 10%.

Рассчитать значения термического сопротивления теплопроводности пакетов одежды по формуле (4.9), при этом значение выбрать из таблицы Г.5, a вычисляют по формуле (3.10)

S гол и шеи =1,98*4,5/100=0,089

S туловища =1,98*36,7/100=0,73

S плеч.предпл. =1,98*13,7/100=0,27

S кисти рук =1,98*4,6/100=0,091

S бедра ягодицы =1,98*12,9/100=0,25

S голени =1,98*21/100=0,42

S стопы ног =1,98*6,6/100=0,13

R гол.шея = (0,089*(34,3-(-4))) /2,72-0,04=1,2

R тулов = (0,73*(34,3-(-4))) /15,38-0,04=1,78

R плеч.предпл. = (0,27*(34,3-(-4))) /7,38-0,04=1,36

R кисти рук = (0,091*(34,3-(-4))) /4,16-0,04=0,8

R бедр.ягод. = (0,25*(34,3-(-4))) /8,49-0,04=1,09

R голени = (0,42*(34,3-(-4))) /27,37-0,04=0,55

R стопы ног = (0,13*(34,3-(-4))) /7,9-0,04=0,59

Сформировать пакеты материалов для каждого из выделенных локальных участков поверхности тела человека [17].

После проведения расчетов термических сопротивлений пакетов одежды по локальным участкам переходят к формированию пакетов одежды по каждому участку. Структура пакета образуется путем подбора его элементов так, чтобы по каждому участку было определено необходимое расчетное значение термического сопротивления теплопроводности. Необходимо учитывать также назначение изделия и толщины воздушных прослоек, располагающихся между элементами пакета.

Для наглядности расчета структуру пакета по каждому участку представляют графически. Пример структуры пакета одежды, сформированного на участке туловища, приведен на рисунке 1.



Рисунок 1. Схема структуры пакета одежды на участке туловища: 1, 3, 5, 7 - воздушные прослойки, 2 - нижнее белье, 4 - верхняя сорочка, 6 - джемпер, 8 - подкладка комбинезона, 9 - ветрозащитная подкладка , 10 - утеплитель, 11 - неклеевой флизелин, 12 - основной материал.

Таблица 5. Пример расчета пакета одежды

Данные расчета структуры пакета материалов
№	Состав пакета	Толщина и значения л и R для слоев пакета
		д, м	л, Вт/м°С	Rфакт, (м2°С)/Вт
1	Воздушная прослойка	0,001	0,010	0,100
2	Нижняя рубашка (белье)	0,0008	0,042	0,019
3	Воздушная прослойка	0,001	0,010	0,100
4	Сорочка х/б	0,0001	0,034	0,003
5	Воздушная прослойка	0,001	0,010	0,100
6	Джемпер	0,0009	0,042	0,021
7	Воздушная прослойка	0,001	0,010	0,021
8	Подкладочная ткань	0,0003	0,046	0,007
9	Ветрозащитная подкладка	0,0003	0,046	0,007
10	Синтепон	0,01	0,10	0,13
11	Неклеевой флизелин	0,0003	0,046	0,007
12	Основной материал	0,003	0,038	0,079
Итого:	0,549
Расхождение	6%

Если термическое сопротивление пакета, полученное в результате подбора его элементов, отличается от расчетного значения не более чем на 10%, то считается, что структура пакета была сформирована корректно. Если же расхождение больше 10%, то требуется изменить структуру пакета, добавив в нее, например, утепляющий слой.

Контрольные вопросы

Приведите составляющие уравнения теплового баланса организма человека.

Как проявляются воздействия внешних факторов на человека?

Какова доля основных радиационно-конвективных теплопотерь в общих потерях тепла человеком?

Какие факторы влияют на изменение величины теплопродукции человека?

Как осуществляется регулирование теплоотдачи с поверхности тела человека?

Что называется общим обменом? Что такое основной обмен?

В чем состоят особенности теплового расчета одежды?

Ответы:

уравнения теплового баланса, определяющего состояние теплового равновесия человека с окружающей средой, которое имеет вид [17]:

М = Qконв + Qpaд + Qucn + Qдых + Lмex, (3.1)

где Qконв - конвективные потери тепла с поверхности тела, Вт;

Qpaд - радиационные потери тепла с поверхности тела, Вт;

Qucn - потери тепла на испарение влаги с поверхности слизистых оболочек дыхательных путей и с поверхности кожи, Вт;

Qдых - потери тепла на нагрев воздуха при дыхании, Вт;

Lмex - мощность, затрачиваемая при выполнении человеком мышечной (механической) работы, Вт.

2. Механизм теплообразования неравномерно распределяет тепло по внутренним органам и тепловые потоки, а, следовательно, и температура поверхности тела на разных участках неодинаковы. В то же время физическое регулирование теплоотдачи с поверхности тела человека имеет избирательный характер пластического приспособления к окружающей среде. Суть этого процесса состоит в том, что в ответ на охлаждающее воздействие окружающей среды на какой-то участок тела организм реагирует сужением кровеносных сосудов и еще большим охлаждением этого участка. Техническим решением, компенсирующим возникающий тепловой дискомфорт, является локальное утепление отдельных участков тела, таких, как голова, туловище, верхние и нижние конечности.

3. Радиационный теплообмен - в любых условиях жизнедеятельности человека между ним и окружающими телами происходит теплообмен путем инфракрасного излучения (радиационный теплообмен). Теплоотдача излучением в комфортных метеорологических, условиях составляет 43,8--59,1% общих теплопотерь. При наличии в помещении ограждений с температурой более низкой, чем температура воздуха, удельный вес теплопотерь человека излучением возрастает и может достигать 71%. Этот способ охлаждения и нагревания оказывает более глубокое воздействие на организм, чем конвекционный. При небольшой разности температур, что практически наблюдается в реальных условиях жизнедеятельности человека, уравнение для определения потерь тепла радиацией Qрад, Вт, можно определить по закону Стефана-Больцмана:

(2.4)

где брад - коэффициент излучения(зависит от температуры окружающих предметов), Вт/(мІ·єС);

Sрад - площадь поверхности тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, мІ;

t1 - температура поверхности тела (одежды) человека, єС;

t2 - температура поверхности окружающих предметов, єС.

Конвекционный теплообмен - способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха. Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20 °С, а относительная влажность -- 40--60 %, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопроведения и конвекции около 25--30 % тепла (естественная (свободная) конвекция). При увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция) значительно возрастает и интенсивность теплоотдачи (принудительная (вынужденная) конвекция).

Потери тепла конвекцией могут быть определены по уравнению:

(2.5)

где бконв - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(мІ·єС);

S - площадь поверхности тела человека, участвующей в конвекционном теплообмене, мІ (справочная величина);

tод - температура поверхности тела (одежды) человека, єС;

tв - температура окружающего воздуха, єС.

4. Теплоотдача испарением - важным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота. Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи. Потери тепла, при испарении влаги с верхних дыхательных путей. Потери тепла при испарении пота - потоотделение представляет собой один из наиболее мощных механизмов терморегуляции, играющих важную роль в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы.

5. Основной обмен - расход энергии в состоянии полного покоя, т.е. минимальная активность организма). Это минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания жизненных основных процессов, при условии полного покоя, при расслаблении мышц, отсутствие внешних раздражителей, натощак, в комфортных микроклиматических условиях.

Для определения теплопродукции человека, выполняющего физическую работу, необходимо знать его общие энерготраты Qэ.т, термический коэффициент полезного действия и основной обмен:

(2.3)

Основной обмен веществ является мерой расхода энергии в состоянии покоя. Основной обмен характеризуется минимально необходимым для организма уровнем процессов, постоянно поддерживающих различные органы и системы организма человека (работа почек, дыхание, работа печени, сердцебиение и др.) измерение проведено при расслабленных мышцах, отсутствии внешних раздражителей, натощак, комфортных микроклиматических условиях.

На величину основного обмена веществ максимальное влияние (в среднем) оказывают три фактора: возраста, пол и масса.

Лабораторная работа № 4. Проектирование одежды для защиты от пониженных температур

Цель работы: изучить особенности проектирования летней бытовой одежды и спецодежды для защиты повышенных температур; изучить свойства материалов, применяемых для изготовления этой одежды; рассмотреть влияние конструктивных решений на эксплуатационные характеристики одежды.

Оборудование и материалы: картотека образцов спецодежды, нормативно-техническая документация на спецодежду, каталоги образцов материалов для изготовления спецодежды.

Специальная одежда - это производственная одежда, которая используется для защиты тела человека от воздействия опасных и вредных факторов в некоторых. Такая одежда выдается бесплатно в соответствии с установленными нормами.

В зависимости от назначения и в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4.103 - 83 «Система стандартов безопасности труда. Одежда специальная, обувь специальная и средства защиты рук. Классификация» специальная одежда подразделяется на 15 групп и 36 подгрупп в зависимости от ее защитных свойств.

К основным группам относится специальная одежда, защищающая от повышенных и пониженных температур, нефти, кислот, биологических факторов, радиоактивных веществ, рентгеновских излучений и т. п.

Существует большое разнообразие видов специальной одежды, которые в зависимости от конкретных условий производства могут быть рекомендованы для обеспечения безопасности. К основным из них относятся куртка, блуза, верхняя сорочка, брюки, полукомбинезон, комбинезон, жилет, фартук, рукавицы, перчатки, нарукавники, гамаши, бахилы, наколенники, наплечники, различные головные уборы и др.

Эти виды специальной одежды могут применяться как отдельно, так и в сочетании.

При разработке конструкции моделей специальной одежды должны быть очень обстоятельно изучены конкретные условия труда и технические требования, предъявляемые к данной одежде.

Условия труда включают в себя характер производственных факторов, их воздействие на тело человека, тяжесть выполняемой работы, наиболее характерные движения работающего, микроклимат, режим труда и отдыха, эстетические требования и срок эксплуатации.

В соответствии с конкретными условиями труда выбирают соответствующие материалы и разрабатывают конструкцию, обеспечивающую нормальные условия для производственной деятельности человека.

В основу разработки рациональной конструкции должны быть положены размерные признаки типовых фигур, эргономические схемы основных движений работающего, свойства используемых тканей и других материалов, обеспечивающих необходимую защиту тела человека и требования к данному виду одежды.

К основным требованиям, которым должна отвечать специальная одежда, относятся предохранение от воздействия опасных и вредных производственных факторов, обеспечение безопасных условий труда, сохранение нормального функционального состояния человека, его работоспособности. При этом сама одежда не должна оказывать токсичного действия на организм человека при ее эксплуатации.

К каждой группе спецодежды предъявляются конкретные требования в соответствии с условиями ее эксплуатации.

Назначение, маркировка, показатели качества специальной одежды

Влияние вида конструкции одежды на показатели ее теплозащитных свойств. В связи с тем, что теплоизоляционные свойства одежды во многом определяются подвижностью заключенного в ней воздуха, следует предположить, что тепловое состояние человека при прочих равных условиях будет зависеть от вида конструкции одежды, обусловливающей различное попадание наружного воздуха в пододежное пространство.

Наибольшими теплоизоляционными свойствами обладает комбинезон. По отношению к термическому сопротивлению комбинезона термическое сопротивление куртки и брюк составляет 94,5%, пальто -- 91,5%.

Большее, чем у пальто, термическое сопротивление комбинезона и куртки с брюками в условиях относительно спокойного воздуха обусловлено большим утеплением нижних конечностей. Каких-либо существенных различий в теплоизоляции туловища не наблюдается.

При движении человека теплоизоляционные свойства его одежды снижаются. Во время ходьбы (3,0--3,5 км/ч) теплопотери человека, одетого в комбинезон или куртку с брюками, увеличиваются на 6--8%, одетого в пальто -- на 24%. При этом термическое сопротивление конструкции одежды в первых двух случаях уменьшается на 5,5-- 7,5%, а во втором -- на 20%. Наибольшие различия наблюдаются в области нижних конечностей. Тепловой поток в области нижних конечностей во время ходьбы увеличивается у одетых в комбинезон и куртку с брюками на 16,4%, в пальто -- на 36,9%'. Термическое сопротивление конструкции одежды в этой области снижается соответственно на 13,6 и 28,4%. Если теплоизоляционные свойства одежды в комплекте с комбинезоном принять за 100%, то термическое сопротивление одежды, включающей куртку и брюки, составит 91%, пальто -- 77%.

Снижение теплоизоляционных свойств конструкции одежды во время движений может играть и положительную роль (например, при поддержании теплового баланса человека в процессе выполнения им физической работы).

Так, во время ходьбы (3 км/ч) энерготраты человека, одетого в пальто, увеличиваются примерно на 36%, а теплопотерн радиацией и конвекцией -- на 24%, т. Е. Большая часть дополнительно образующегося в организме тепла фактически отдается во внешнюю среду за счет усиления вентиляции пододежного пространства. При той же физической активности в организме человека, одетого в комбинезон, происходит накопление тепла, так как энерготраты в данном случае увеличиваются намного больше на 36%), чем теплопотери (на 6%). Поэтому при конструировании одежды в комбинезонах, куртках и брюках должны быть предусмотрены специальные устройства способствующие вентиляции пододежного пространства и снижению теплоизоляционных свойств одежды при усилении физической деятельности.

Теплоизоляционные свойства одежды при различном прилегавнии ее к поверхности тела человека. Теплоизоляционные свойства одежды во многом определяются толщиной конструирования ее пакета, которая включает толщину материалов и воздушных прослоек. Исходя из этого следовало ожидать, что путем увеличения толщины воздушных прослоек в одежде можно повысить ее термическое сопротивление. Однако результаты исследований ряда авторов показывают что эффективно это лишь в определенных пределах толщины воздушных прослоек (5 мм).

При ветре роль воздушных прослоек в повышении термического сопротивления уменьшается. В этих условиях определенное значение имеет воздухопроницаемость пакета материалов одежды, например, при воздухопроницаемости, равной 60 дм3/(м2-с), термическое сопротивление пакета материалов, плотно прилегающего к поверхности прибора, оказывается больше, чем при наличии воздушной прослойки. Следует также ожидать, что эффективность, воздушных прослоек в повышении термического сопротивления, одежды зависит от ее вида.

Исследования показали, что термическое сопротивление расклешенного пальто ниже, чем плотно прилегающего. Это можно объяснить большей конвекцией воздуха под расклешенным пальто. Однако следует предположить, что в «замкнутой» одежде, подвижность воздуха в пододежном пространстве меньше, в результате чего и воздушная прослойка, обусловленная степенью прилегания одежды к поверхности тела человека, играет положительную роль.

Авторами исследованы два комбинезона, пакет конструкции одежды которых состоял из ткани верха (капроновая), утеплителя (один слой полушерстяного вязально-прошивного ватина), подкладки (сатин). Толщина пакета материалов комбинезона составляла 5,3 мм (при давлении 196 Па, или 2 гс/см2), воздухопроницаемость -- 58 дм3/(м2-с).

Комбинезоны отличались один от другого степенью прилегания к телу и были сконструированы с учетом особенностей конкретной фигуры.

Припуск на свободу облегания во втором комбинезоне был стандартным, принятым для данного вида изделия с целью обеспечения свободы движений человека.

Полученные данные свидетельствовали о том, что при плотном прилегании комбинезона к телу человека теплопотери его в условиях относительно неподвижного воздуха выше, а температура кожи -- ниже, чем при свободном облегании. Различия между средневзвешенными величинами теплового потока составляют 14%, между средневзвешенными показателями температуры кожи -- 0,4°С. Указанные различия в радиационно-конвективных теплопотерях и температуре кожи обусловлены различиями в теплозащитных свойствах этих комбинезонов, составляющих 14%. Таким образом, одежда «закрытого» типа конструкции, более плотно прилегающая к поверхности тела человека при одной и той же толщине пакета ее материалов, имеет худшие показатели теплоизоляции. Причиной этого следует считать меньшую фактическую толщину одежды в результате вытеснения воздушных прослоек.

Подобное явление наблюдается и при надевании под верхнюю одежду большого количества предметов, которые, с одной стороны, мобилизуют воздух, а с другой,--уменьшают толщину воздушной прослойки.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что и при ветре термическое сопротивление комбинезона, свободно облегающего фигуру, выше, чем прилегающего. В то же время в конструкции одежды пакеты материалов той же воздухопроницаемости при неплотном прилегании их к поверхности (5 мм) имеют меньшее термическое сопротивление. По-видимому, это обусловлено тем, что при эксплуатации одежды воздействию ветра подвергается только часть поверхности тела человека. При этом в результате особенностей конфигурации тела давление, создаваемое движущимся воздухом, не на всех его участках одинаково, вследствие чего и фактическая воздухопроницаемость, и снижение термического сопротивления одежды на различных участках тела человека неодинаковы.

Так, при направлении ветра в спину термическое сопротивление плотно прилегающего комбинезона снижается в области лопаток на 50% (при скорости ветра 3 м/с), а в области поясницы-- на 8%' при практически одинаковых исходных величинах. Если же на человеке надет свободно облегающий комбинезон, термическое сопротивление в области спины уменьшается примерно на такую же величину (48%), а в области поясницы, где одежда прилегает меньше, -- на 14 %. Это означает, что охлаждение участков тела, непосредственно подвергающихся воздействию ветра, зависит от степени прилегания одежды к поверхности тела. Участки тела, к которым одежда прилегает неплотно, охлаждают» больше.

Анализ изменений температуры кожи и теплового потока в других участках поверхности тела показал, что при эксплуатации свободно облегающего комбинезона теплопотери на большинства участков поверхности тела человека ниже, а температура колец выше. Исключение, как было отмечено выше, составляет область поясницы. Это дает основание говорить о необходимости, конструирования одежды, с плотным прилеганием в этой области с целью предотвращения охлаждения при воздействии ветра.

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о преимуществах конструкций одежды «замкнутого» типа (комбинезон, или куртка и брюки, или полукомбинезон), свободно облегающей теля человека. В этом случае при проектировании верхней одежды необходимо учитывать толщину предметов одежды, надеваемых под нее, чтобы сохранить определенную свободу облегания тела изделием. При проектировании конструкций одежды «открытого» типа (пальто, куртки) необходимо обеспечивать плотное прилегание ее к поверхности тела.

Влияние толщины пакета материалов на термическое сопротивление одежды (в условиях относительно неподвижного воздуха)

Как говорилось выше, теплоизоляционные свойства материалом обусловлены главным образом присутствием заключенного в ним инертного воздуха и мало зависят от вида волокон. Между термическим сопротивлением материалов или пакетов материалов и их толщиной существует прямолинейная связь, которая несколько нарушается для пакетов материалов большой толщины (16 мм). Эти данные позволяют практически, исходя из толщины пакета а материалов, подойти к проектированию конструкции одежды с необходимой величиной термического сопротивления.

Наибольшие изменения термического сопротивления конструкции одежды (комбинезон, куртка и брюки) наблюдаются при увеличении толщины пакета материалов от 0 до 11 мм. Увеличение толщины пакета материалов одежды более 23 мм приводит лишь к незначительному увеличению термического сопротивления одежды в целом. По мере увеличения толщины пакета материалов уменьшается доля термического сопротивления воздушных прослоек, что является отрицательным показателем, так как увеличивается материалоемкость одежды.

В одежде, в комплект которой входит пальто, наименьшая эффективность утепления наблюдается в области бедер, для которой характерна усиленная вентиляция пододежного пространства. Поэтому в конструкции одежды утепление бедер путем увеличения толщины пальто на этом участке нецелесообразно.

Неодинаковая эффективность утепления различных областей тела человека была положена в основу распределения теплоизоляционных материалов в одежде. При этом исходили из того, что если эффективность утепления различных областей тела человека неодинакова, то в конструкции одежды целесообразно в большей степени увеличивать толщину пакета материалов на тех участках одежды, где благодаря этому можно достичь и большего увеличения термического сопротивления (например, в областях туловища, плеча), так как увеличение толщины пакета материалов на других участках одежды после достижения определенного предела не приводит к повышению теплоизоляционных свойств одежды.

Показателем эффективности утепления каждого участка тела человека служит отношение суммарного термического сопротивления одежды, определенного на этом участке, к средневзвешенной величине термического сопротивления одежды в целом. Чем выше средневзвешенная толщина одежды, тем более неравномерна теплоизоляция различных областей тела человека.

Зная, какую средневзвешенную толщину пакета материалов должна иметь одежда, чтобы обеспечивать необходимый теплоизоляционный эффект, можно рассчитать рациональную толщину пакета материалов на каждом ее участке. Данный подход к вопросу утепления различных областей тела человека позволяет повысить термическое сопротивление одежды в целом, не увеличивая общего расхода материалов.

Одновременно такая одежда создает благоприятные условия для теплоотдачи с различных областей тела и обеспечивает нормальную топографию температуры кожи.

Зависимость показателей теплозащитных свойств одежды от скорости ветра и воздухопроницаемости пакета материалов. Так как теплоизоляционные свойства одежды обусловлены в основном заключенным в ней инертным слоем воздуха, ветер, проникая внутрь одежды и усиливая конвекцию в материалах и пододежном пространстве, снижает ее защитный эффект. Данные, имеющиеся в литературе, свидетельствуют о том, что в условиях ветрового воздействия в конструкциях одежды, теплоизоляционные свойства пакетов материалов зависят от их воздухопроницаемости и в меньшей степени от их толщины.

Несмотря на то, что вопросу влияния ветра и воздухопроницаемости материалов на теплоизоляционные свойства одежды посвящено много исследований, все же эти данные, полученные в основном на теплофизических приборах, не отражают всего многообразия факторов, относящихся к готовой одежде и эксплуатации ее человеком.

Показатели теплозащитных свойств одежды «закрытого» типа (куртка и брюки, комбинезон). В условиях ветра различия в суммарном термическом сопротивлении участков одежды, обусловленные различной толщиной пакета материалов конструкции одежды, сглаживаются, если эти участки подвергаются непосредственному воздействию движущегося воздуха. Так, при относительно спокойном воздухе I увеличение толщины пакета материалов в области плеча с 23 до I 36 мм приводит к повышению суммарного термического сопротивления на 15%, а при скорости ветра 4 и 10 м/с (при условии обдувания плеча) различия в теплоизоляции этого участка при воздухопроницаемости пакета материала, приблизительно равном 40 дм3/(м2-°С), практически сглаживаются. Происходит это, по-видимому, потому, что с увеличением толщины теплоизоляционного слоя в нем происходит усиление конвекции. Этот факт, наблюдаемый при относительно спокойном воздухе и являющийся одной из причин нелинейной зависимости теплового сопротивления одежды от ее толщины, приобретает в условиях ветра еще большую значимость. Однако зависимость средневзвешенного термического сопротивления одежды от толщины пакета ее материалов сохраняется! И в условиях ветра, так как воздействию ветра подвергается лишь I часть поверхности тела человека. Например, при увеличении толщины пакета материалов с 23 до 36 мм термическое сопротивление одежды вне зависимости от скорости ветра увеличивается на 10%. Зависимость средневзвешенных величин теплового потока, температуры кожи, дефицита тепла в организме и теплового сопротивления одежды от скорости ветра носит линейный характер. Степень уменьшения суммарного термического сопротивления одежды зависит как от скорости ветра, так и от воздухопроницаемости пакета материалов. При этом предполагается, что определенная величина воздухопроницаемости пакета материалов обеспечивается либо благодаря основной ткани, либо благодаря специальной прокладке, размещаемой под основной тканью.

Все исследователи указывают на преимущества конструкции одежды свободного покроя, обеспечивающей хорошую вентиляцию пододежного пространства, что требуется для лучшего удаления выделяющегося пота. Одежда свободного покроя уменьшает температуру и влажность воздушных прослоек, понижает температуру кожи.



Эскиз модели комбинезон мужской утепленный.

Описание внешнего вида модели

Комбинезон мужской «Сигма» сигнальный - 3кл., для защиты от пониженных температур

ГОСТ 12.4.281 - 2014 Одежда специальная повышенной видимости

ГОСТ Р 12.4.236-2011 Одежда специальная для защиты от пониженных температур.

Одежда специальная сигнальная повышенной видимости 3 класса, для защиты от пониженных температур воздуха и ветра 4 класса защиты-СоТнв.

Комбинезон мужской для защиты от пониженных температур выполнен из тканей двух цветов: флуоресцентного василькового (фоновый материал) и темно-синего.

Комбинезон с притачной утепляющей подкладкой (ткань верха + 1 слой утеплителя) + (2 слоя утеплителя + спанбонд + подкладка), прямого силуэта, с центральной бортовой застежкой на двухзамковую тесьму - «молнию», с планкой под молнию с флисом в верхней части и ветрозащитным клапаном, фиксирующимся на контактную ленту в пяти точках, с воротником «стойкой» и съемным утепленным капюшоном.

Каждая полочка состоит из кокетки, на которой расположен вертикальный накладной карман с клапаном на 2-х кнопках. Верхние срезы клапанов входят в шов соединения нижних частей полочек со средними частями. Передние половинки полукомбинезона с боковыми карманами с отрезным бочком.

Спинка с низкой кокеткой. Низ спинки регулируется кулиской в шве подгибки. Рукава втачные, с двумя продольными швами и поперечным членением ниже линии локтя.

Воротник - «стойка», утепленный, с планкой и тесьмой - «молнией» для пристегивания капюшона. Внутренняя стойка выполнена из флиса.

Съемный капюшон двухшовный с 5 кнопками по горловине для пристегивания к комбинезону. По лицевому вырезу капюшона расположена кулиса, стягивающаяся шляпной резинкой, проходящей через две пары люверсов и фиксаторы с кольцами-ограничителями.

Притачная утепляющая. Рукава подкладки с трикотажными напульсниками.

Полосы из световозвращающего материала шириной 50 мм расположены: по одной горизонтальной полосе на рукавах и по одной горизонтальной полосе, охватывающей каждую ногу.

Применяемые материалы:

Ткань верха:

фоновый материал - «Абсолют», состав сырья 100% ПЭ, мембранная (водоупорность - 10000мм вод. ст., паропроницаемость - 8000 г/кв.м за 24 часа) ветрозащитная, дышащая, морозостойкая, с водоотталкивающей отделкой, плотность 170 г/кв.м; цвет флуоресцентный васильковый. Соответствует европейскому стандарту EN 20471 для сигнальной одежды повышенной видимости.

цвет темно-синий - «Абсолют», состав сырья 100% ПА, мембранная (водоупорность - 10000мм вод. ст., паропроницаемость - 8000 г/кв.м за 24 часа), ветрозащитная, дышащая, морозостойкая, с водоотталкивающей отделкой, плотность 150 г/м2.

Утеплитель: «Филгуд» 150 г/м2, состав сырья 100% ПЭ;

Спанбонд: нетканый материал для предотвращения миграции утеплителя, состав сырья 100%ПЭ, плотность 25 г/м2;

Подкладка: 100% ПЭ; плотность 60 г/м2, цвет темно-синий;

Сигнальные элементы: полосы из световозвращающего материала шириной 50 мм.

Контрольные вопросы

Сформулируйте проблему проектирования одежды для защиты от пониженных температур.

Опишите влияние пониженных температур на организм человека.

Перечислите основные гигиенические требования к бытовой, специальной одежде для защиты от пониженных температур.

Перечислите этапы проектирования одежды для защиты человека от холодного воздействия.

Охарактеризуйте влияние конструктивных особенностей, свойств материалов в условиях повышенных температур на физиологическое состояние организма человека.

Назовите этапы проектирования специальной одежды.

Какие требования предъявляются к спецодежде для защиты от холодного воздействия?



Ответы

1. При проектировании спец. одежды для защиты от пониженных температур необходимо учитывать, что все детали и элементы спецодежды должны отвечать требованиям эргономики, одежда должна быть удобной в использовании и функциональной. Спецодежда для защиты от холода должна позволять регулировать тепловое состояние организма в зависимости от физической нагрузки или погодных условий.

2. Холод способствует возникновению сердечнососудистой патологии, приводит к обострению язвенной болезни, радикулита, обусловливает возникновение заболеваний органов дыхания, увеличивая потери рабочего времени за счет заболеваемости с временной утратой трудоспособности. Возникновение или обострение ряда заболеваний (бронхита, пневмонии, тонзиллита, язвенной болезни желудка, эндокринных расстройств и др.: тесно связано с действием на организм экстремальных факторов внешней среды и с фазами адаптивных перестроек.

Общее и локальное охлаждение человека (особенно кистей) способствует изменению его двигательной реакции, нарушает координацию и способность выполнять точные операции, вызывая тормозные процессы в коре головного мозга, что может быть причиной возникновения различных форм травматизма. Энергетический обмен переключается с углеводного на жировой, т. е. повышается способность тканей утилизировать липиды. Даже при кратковременном влиянии холода в организме происходит сложная перестройка регуляторных и гомеостатических систем, изменяется иммунный статус организма.

3. Задача одежды - обеспечить нормальную жизнедеятельность человека, сохранить его здоровье и работоспособность в различных климатических и производственных условиях. Одежда позволяет защищать человека от неблагоприятных факторов внешней среды, низких и высоких температур, излишней солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков (тумана, дождя, снега), механических повреждений, вредных производственных факторов, а также создавать условия для нормальной жизнедеятельности человека - нормальное тепловое состояние организма, обеспечение нормального кожного дыхания и движений человека.

4. Разработка гигиенических основ проектирования одежды включает следующие этапы: 1. Установление взаимосвязи теплоощущений человека и объективных показателей его теплового состояния. 2. Исследование зависимости теплозащитных свойств одежды от ее конструкции, вида, теплофизических параметров ее материалов (толщины, воздухонепроницаемости), скорости движения воздуха. 3. Изготовление одежды в соответствии с конкретными условиями и эксплуатации. 4. Физиолого-гигиеническая оценка теплозащитных свойств одежды в лабораторных условиях. 5. Физиолого-гигиеническая оценка одежды в натурных условиях (производственная проверка).

5. Из всех метеорологических факторов, влияющих на тепловой баланс человека, наиболее важны температура воздуха, скорость ветра, относительная влажность воздуха и солнечная радиация, прич?м основным метеофактором, определяющим степень охлаждения человека, является температура воздуха; остальные же показатели только усиливают или ослабевают ее действие. Переохлаждение организма может привести к зн...