Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 9
1.1 Тепловой комфорт как необходимое условие нормальной жизнедеятельности 9
1.2 Анализ факторов окружающей среды 13
1.3 Математическое моделирование параметров дождя 15
1.4 Физиолого-гигиенические и конструктивные аспекты проектирования одежды для защиты от дождя 20
1.5 Принципы обеспечения вентиляции пододежного пространства с помощью специальных элементов 26
1.6 Анализ конструкций одежды с элементами системы вентиляции по додежного пространства 29
1.6.1 Анализ конструкций воздухозаборных элементов 30
1.6.2. Анализ вариантов промежуточного слоя для удаления влаги из пододежного пространства 33
1.6.3. Анализ воздухоотводящих элементов 36
Выводы по главе 1. Постановка целей и задач исследований 38
Глава 2. Разработка математической модели процессов тепломас сообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда" в условиях субнормальных температур и атмосферных осадков ... 41
2.1 Оценочные величины и методики расчета динамики теплозащитных свойств швейных изделий при увлажнении 41
2.2 Влияние влаги на теплоперенос в капиллярно-пористых коллоидных телах 47
2.3 Расчет влажностной составляющей теплового баланса 54
2.3.1 Влияние скорости сушки на совокупный процесс тепломассообмена 56
2.3.2. Расчет равновесного и максимального сорбционного влагосодержаний 59
2.3.3 Оценка влияния критерия Ребиндера на массообмен тканой оболочки с окружающей средой 63
2.4 Результаты модельных исследований 65
Выводы по главе 2 70
Глава 3. Разработка методик теоретических и экспериментальных исследований элементов конструкции одежды с естественной вентиляцией пододежного пространства 73
3.1 Теоретические представления о течении воздуха в конических раструбах 73
3.2 Влияние конфузоров на движение воздуха в канале 75
3.3 Разработка методики экспериментальных исследований элементов системы организации и регулирования естественной вентиляции пододежного пространства 78
3.3.1. Анализ существующих методик измерения конвективной составляющей теплообмена в пододежном пространстве 78
3.3.2 Уравнение теплового баланса воздушной прослойки 79
3.3.3 Методика измерения термодинамических параметров вентилирующего воздуха 82
3.4 Теоретическая и экспериментальная оценка влияния конструктивных параметров воздухозаборных элементов на уровень вентилируемости 86
3.5 Теоретическая и экспериментальная оценка влияния параметров системы естественной вентиляции пододежного пространства на уровень вентилируемости 92
3.6 Расчет эффективности системы вентиляции пододежного пространства 97
Выводы по главе 3 98
Глава 4. Разработка установки для моделирования параметров дождя, методов и методик экспериментальных исследований теплофизических свойств влажных пакетов одежды 100
4.1 Недостатки существующих методов моделирования осадков 100
4.2. Анализ существующих дождевальных аппаратов 102
4.3. Исследование истечения жидкости через отверстия малых диаметов 106
4.4 Расчет интенсивности дождевания 108
4.5 Расчет параметров экспериментальной установки для моделирования дождя 111
4.6 Режимы работы установки для моделирования параметров дождя 115
4.7 Разработка методики экспериментальных исследований теплофизических свойств пакетов одежды при увлажнении 117
Выводы по главе 4 , 121
Глава 5. Использование результатов исследований при разработке спецодежды для защиты от дождя 123
5.1 Анализ условий труда работников сельскохозяйственной отрасли.
5.2 Разработка конструкции брюк 125
5.3 Разработка конструкции куртки 130
5.4 Разработка конструкции капюшона 131
5.5. Лабораторные испытания одежды 132
Выводы по главе 5 142
Заключение 144
Литература 147
Приложения 160
- Физиолого-гигиенические и конструктивные аспекты проектирования одежды для защиты от дождя
- Влияние влаги на теплоперенос в капиллярно-пористых коллоидных телах
- Разработка методики экспериментальных исследований элементов системы организации и регулирования естественной вентиляции пододежного пространства
- Исследование истечения жидкости через отверстия малых диаметов
Введение к работе
Актуальность работы: Потребность в одежде для защиты от атмосферной влаги испытывает широкий круг работников сельскохозяйственной отрасли, сотрудники санитарно-гигиенических, патрульно-постовых служб, особенно в переходные периоды года
В настоящее время, для защиты от атмосферной влаги в условиях субнормальных температур используются плащи, накидки, надеваемые поверх утепляющей одежды. Эти изделия при длительной эксплуатации в условиях затяжных дождей во многих случаях не способны поддерживать нормальное тепловое состояние организма человека. В процессе их эксплуатации под одеждой могут накапливаться продукты метаболизма, в том числе, пот в виде парогазовой и влажной фазы. Активными сорбентами пододежной влаги являются бельевой слой и слой утеплителя, при намокании которых суммарное тепловое сопротивление пакета одежды значительно снижается. Для поддержания оптимального состояния микроклимата, необходимо быстро удалять влагу и другие продукты метаболизма из-под одежды.
Одним из путей решения поставленной проблемы может стать создание одежды с регулируемой естественной вентиляцией пододежного пространства, которая позволит обеспечить нормализацию теплового состояния человека при различных уровнях тяжести работ и изменении параметров окружающей среды.
Цели и задачи исследований: Основной целью работы является разработка конструкции и создание экспериментальных образцов специальной влагозащитной одежды с системой естественной вентиляции пододежного пространства, позволяющей задавать уровень теплоотдачи человека при изменении его уровня физической активности и метеорологических факторов окружающей среды.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ существующих аналогов одежды с элементами системы вентиляции пододежного пространства;
получить зависимости для расчета теплофизических свойств влажных пакетов одежды;
разработать экспериментальную установку для моделирования дождя различной интенсивности и методику проведения исследований зависимости теплофизических свойств материалов и пакетов одежды от осадков различной интенсивности;
выбрать и обосновать основной критерий оценки вентилируемости пододежного пространства;
разработать экспериментальные методы определения вентилируемости пододежного пространства;
разработать элементы системы вентиляции пододежного пространства;
разработать экспериментальные образцы вентиляционных элементов и одежды с естественной регулируемой вентиляцией воздуха;
провести сравнительные испытания образцов одежды.
Методы и средства исследований: Работа базируется на использовании методов математического и физического моделирования процессов комбинированного тепломассообмена в системе «человек - одежда - окружающая среда». Теоретические исследования процессов атмосферного осаждения проводились с помощью статистических методов, мультирекурсивных и стохастических моделей дождя.
В работе использованы численные методы решения дифференциальных уравнений комплексного процесса тепломассопереноса в пористо-дисперсных средах.
Для исследования физиолого-гигиенических характеристик специальной одежды использованы оригинальные методики: расчета суммарной мощности; измерения скорости воздуха в макропрослойках одежды; определения теплозатрат на поддержание теплового баланса, измерения температур по-
верхностей слоев пакета бесконтактным способом. При проведении экспериментальных исследований применялись методы и методики: измерения скорости воздуха в пододежном пространстве, фотометрический метод счета капель с использованием оптопары с открытым каналом.
Автоматизация сбора и обработки экспериментальных данных проводилась с помощью пакетов прикладных программ: M-Single, Porta Win, MS Excel. Для реализации численных методов решения дифференциальных уравнений и статистических методов процессов осаждения использовался пакет математических программ Maple 6.
Научная новизна работы: научная новизна предлагаемой работы состоит в следующих основных результатах, выносящихся на защиту:
Разработана математическая модель процесса тепломассопереноса в текстильных материалах и пакетах одежды при совместном взаимодействии полей температуры и влагосодержания.
Получены теоретические оценки влияния геометрических параметров элементов системы естественной вентиляции на уровень вентириуемости по-додежного пространства.
Разработаны экспериментальные методы оценки вентилируемости по-додежного пространства;
Разработана экспериментальная установка для моделирования параметров дождя различной интенсивности и методики экспериментальных исследований изменения теплофизических свойств материалов и пакетов одежды в зависимости от осадков различной интенсивности.
Разработаны элементы конструкции и одежда с регулируемой вентиляцией пододежного пространства.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
- прогнозировании уровня снижения теплозащитных свойств утепляющего пакета при увлажнении эндогенной влагой для различных значений ме-
теорологических факторов окружающей среды и уровня физической активности человека;
определении интенсивности вентиляции, необходимой для удаления избыточной влаги из пододежного пространства;
обосновании геометрических параметров элементов системы вентиляции пододежного пространства, обеспечивающих необходимый уровень вентилируемости;
- оценке влияния дождя различной интенсивности на теплозащитные
свойства пакетов одежды.
Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях по охране труда ОрелГТУ, (2004, 2005, 2006), научно-технических конференциях конструирования одежды ОрелГТУ, (2004, 2005, 2006), научной конференции Орел ГАУ, (2005), международной научной конференции "Технология - 2006" (Турция).
Физиолого-гигиенические и конструктивные аспекты проектирования одежды для защиты от дождя
Как показано выше, дождь увеличивает "охлаждающее воздействие" окружающей среды. К настоящему моменту, для защиты пакета одежды от дождя, принято использовать верхний воздухо - влагонепроницаемый слой, предохраняющий пододежное пространство от попадания капель воды и препятствующий эффективному воздухообмену между пододежным пространством и окружающей средой [118-120,85].
В настоящее время для защиты от дождя работники постоянно находящихся на открытом воздухе используют плащи, куртки распашной конструкции, которые не обеспечивают полной изоляции пододежного пространства от попадания капель воды [32,76]. Ассортимент современной защитной одежды отечественного производства представлен на рисунке 3.
Специальная защитная одежда выполнена из водо- воздухонепроницаемых материалов и не обеспечивает должного уровня гигиенических свойств. Материал верха препятствует тепло-массообмену организма с окружающей средой, что приводит к накоплению в пододежном пространстве эндогенной влаги и увлажнению пододежного слоя с последующим снижением теплового сопротивления комплекта одежды. теплового сопротивления пакета одежды. В результате возникает дополнительная нагрузка на функциональные системы организма и, как следствие, значительное снижение работоспособности [6,7,17]. В то же время для сохранения теплового комфорта, значения основных показателей пододежного пространства должны находится в пределах оптимальных или допустимых значений (таблица 2) [53]. Поддержание параметров микроклимата в рамках указанных значений в случае воздухо- влагонепроницаемого слоя верха возможно за счет: - расчета времени работы; - проектирования конструктивных элементов, обеспечивающих венти ляцию пододежного пространства. Для расчета времени в работах [10,52,55,72] предложена номограмма, (рисунок 5), позволяющая учесть тяжесть выполняемой работы, а также влажность воздуха в пододежном пространстве. Регламентация времени работы не всегда возможна, поэтому второй подход является более целесообразным [67]. При проектировании конструктивных элементов, обеспечивающих вентиляцию пододежного пространства в одежде для защиты от дождя, необходимо решать несколько взаимоисключающих друг друга задач: обеспечивать воздухообмен между пододежным пространством и окружающей средой и одновременно ограничить доступ капель воды в пододежное пространство. Конструктивные элементы должны обеспечить регулирование уровня вентилируемое и суммарного теплового сопротивления пакета одежды, сохраняя параметры микроклимата в рамках, указанных в таблице 1 без ограничения времени работы [69]. В последнее время для решения проблемы эвакуации эндогенной влага в условиях дождя и ветра, для изготовления верхнего защитного слоя комплекта используются новые «дышащие» или мембранные материалы, имеющие пленочную структуру. Различают микропорные и гидрофильные мембраны. Микропорные мембраны имеют поры, размеры которых намного меньше капли воды, чем обеспечивается водоупорность, но больше молекулы воды. При потоотделении создается разница парциальных давлений водяных паров снаружи и под одеждой, что способствует удалению пара из пододеж-ного пространства. Гидрофильные мембраны не имеют пор и не пропускают воду, а выведение пота производится при разности парциальных давлений за счет открытых связей специальных химических соединений. Принцип "работы" таких тканей представлен на рисунке 6. Мембранные материалы имеют трехслойную структуру, в которой между двумя слоями гидрофильного материала вводится слой гидрофобного, покрытый перфорацией.
Влияние влаги на теплоперенос в капиллярно-пористых коллоидных телах
При теплообмене нагретого тела с окружающей средой, система уравнений пограничного слоя принимает вид (15) - (18) [66]: X - коэффициент теплопроводности. Система позволяет рассчитывать распределение полей температуры и влагосодержания в пограничном слое с учетом всех механизмов переноса. Однако, в такой постановке, аналитическая задача является слишком сложной и до сих пор не имеет численного решения. Это связано с динамикой граничных условий в зависимости от текущих значений основных параметров [58,64,65,66]. Частные решения системы могут быть найдены путем введения ограничений, исключающих из рассмотрения частные процессы, не оказывающие существенного влияния на распределение полей температуры и влагосодержания, но существенно затрудняющие поиск решений. Для рассматриваемого случая введем следующие ограничения: - эффекты термодиффузии, диффузионной теплопроводности и диффузии переноса энтальпии исключаются из рассмотрения; - не учитывается эффект сжимаемости жидкости при сорбировании; - исключается изменение физических свойств пакета во времени. Это значительно упрощает систему уравнений (15) - (18): п - индекс, обозначающий поверхность материала; с - индекс, обозначающий окружающую среду.
Первые три уравнения описывают распределение полей влагосодержа-ния, а последнее - динамику температурных полей. В работе [62] представлены попытки решения системы относительно коэффициента теплопередачи для упрощенных граничных условий первого рода. На фоне ограниченности частных решений большое значение приобретают экспериментальные исследования теплофизических показателей комплексного процесса тепломассопереноса в пористо-дисперсных телах [61]. Обобщенные данные, полученные автором, иллюстрируются рисунком 22. Рисунок 22 иллюстрирует обобщенные данные, полученные на основе опытов. На представленных графических зависимостях прослеживается несколько критических точек, определяющих динамику процесса тепломассообмена: - максимальное сорбционное влагосодержание (WmKCCop6tl), определяющее границу между свободной и связанной влагой; - равновесное влагосодержание {Wpaetloeecii), определяющее границу между комплексным процессом тепло- массообмена и процессом "чистого" теплообмена. До достижения первой критической точки {WmeK WMmccop64l процесс тепло- массообмена аналогичен процессу испарения влаги со свободной поверхности, особенности которого описаны в работе [70]. Коэффициент теплоотдачи при этом постоянен и рассчитывается по закону Ньютона.
Разработка методики экспериментальных исследований элементов системы организации и регулирования естественной вентиляции пододежного пространства
К настоящему моменту, предложено несколько методик измерения конвективной составляющей теплообмена от тела человека в пододежное пространства. Все они основаны на измерении значения скорости движения воздуха [51]. Однако скорость движения воздуха является ограниченно информативной величиной и не позволяет учесть всего комплекса процессов, протекающих при теплообмене в воздушной прослойке. Полный расчет конвективной составляющей должен учитывать такие термодинамические параметры вентилирующего воздуха, как температура и влажность. На основании проведенного анализа, B.C. Кощеевым предложен принцип расчет конвективной составляющей теплообмена в прослойке, основанный на расчете общего уровня теплопотерь [51]: m - массовый расход воздуха, участвовавшего в теплообмене, рассчитывается через плотность (р) и скорость (и) воздуха по соотношению: AT- разность температур между соседними измерительными сетками: Т0 - температура окружающего воздуха, К; S - площадь поверхности тела человека, м2. Предложенная методика может быть применима как для исследования теплоотдачи человека при вынужденно конвективном движении окружающего воздуха, так и при естественно конвективном.
Основными недостатками метода, по нашему мнению, является несовершенство методики измерения скорости движения воздуха, участвующего в теплообмене. Для исследования процессов естественно конвективного движения воздуха в пододежном пространстве, в качестве тепловой модели тела человека используется биотехнический эмулятор процессов теплообмена в системе "человек - одежда - окружающая среда" [103, 87].
Рабочее тело эмулятора представляет собой вертикально ориентированный цилиндр, выполненный из алюминия и заполненный дистиллированной водой. Цилиндр имеет диаметр - 120 мм, длину - 1 м и толщина стенок - 3 мм. Именно такие параметры позволяют учесть все требования теории подобия для моделирования теплоотдачи человека со среднестатистическими антропометрическими параметрами [43]. Биотехнический эмулятор теплообмена является частью измерительного комплекса, который оснащен электронным интерфейсом и программным обеспечением для автоматизации эксперимента и обработки его результатов. Внешний вид измерительного комплекса представлен на рисунке 35. Пакет одежды с исследуемым вариантом системы естественной вентиляции пододежного пространства выполняется в виде концентрических оболочек, равномерно окружающих рабочее тело эмулятора 1 с образованием стабилизированной воздушной прослойки 2 (рисунок 36). Балансовое уравнение между количеством тепла, подводимым в рабочий объем эмулятора и количеством тепла, отданным с его боковой поверхности будет иметь следующий вид: где: \2общ - тепло, подведенного в рабочий объем эмулятора, Вт; Qwue- конвективная составляющая теплоотдачи, Вт; Qu3n - лучистая составляющая теплоотдачи, Вт. Общее количество тепла, подводимое в рабочий объем эмулятора, может быть рассчитано по соотношению: где: U- напряжение на ТЭНе,
В; г - сопротивление ТЭНа (г=40,2 Ом); t - время подачи импульса в рабочий Объем, с; Т- время между повторными включениями ТЭНа, с. Конвективная составляющая теплоотдачи, рассчитывается по соотношению: где S - площадь кольцевого канала, образованного внутренним диаметром исследуемого образца и внешним диаметром рабочего цилиндра эмуля 2 тора, м . v -скорость воздуха в кольце воздухозаборного устройства м/с; р - плотность воздуха, кг/м3 при температуре tn тек с = 1000 —— средняя теплоемкость воздуха. кг-К Лучистая составляющая теплоотдачи может быть рассчитана по разности температур рабочей поверхности эмулятора, излучающей тепло и внутренней поверхности исследуемого пакета, принимающей тепло: где: а-постоянная Стефана-Больцмана, (5,67Вт/ м2К4); є - степень черноты излучающей поверхности; F- площадь рабочей поверхности БЭТ (0,377м2); Ттр- температура рабочей поверхности БЭТ, К; Ттк- температура внешней поверхности исследуемого пакета, К. В рамках диссертационной работы разработана экспериментальная методика измерения основных термодинамических параметров, входящих в расчетные соотношения (49) - (52) При разработке методики измерения, в качестве основных термодинамических параметров вентилирующего воздуха выбраны: температура воздуха в окружающей среде (t0Kp) и температура воздуха на выходе из воздушной прослойки (teblx), скорость движения воздуха в воздушной прослойке
Исследование истечения жидкости через отверстия малых диаметов
При истечении жидкости из трубок с отверстиями малых диаметров, размеры и масса капли могут быть рассчитаны по уравнению баланса сил тяжести и поверхностного натяжения (рисунок 57), имеющего вид соотношения 56. о - сила поверхностного натяжения жидкости, Н/м; т - масса капли, получаемой при использовании отверстий заданного диаметра, г.
Точность расчета массы и размеров капли, истекающей из трубки зависит от точности измерения диаметра отверстия. Так, для случая использования медицинской иглы с диаметром отверстия і=0,8мм, значение массы капли составляет т=0,02г, для воды с температурой te=20). Зависимость скорости истечения капель из трубки от высоты столба жидкости над трубкой, может быть определена по массовому расходу экспериментальным путем, по схеме, приведенной на рисунке 58.
Массовый расход дождевальной жидкости определяется, исходя из экспериментальных данных для различных типов дождя. Принцип расчета интенсивности основан на применении математической модели дождя (4) - (10) и экспериментальных данных по выпадению дождя различной интенсивности [96,97].
Для расчетов нами использовались данные об интенсивности осадков для I и II климатических зон по классификации [46], представленные на диаграмме 60. Наблюдения и замеры на представленных метеорологических станциях проводились с помощью осадкомера Третьякова 01, сборный стакан которого представляет собой полый цилиндр с площадью основания 200ш2.
Приведенные данные позволяют рассчитать объем и массу влаги, выпадающей на ячейку пространственного (х = 2см2) и временного масштабов (t = \c). Расчет интенсивности (таблица 11) проведен по соотношению (10) На основании теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в разделах 4.1 - 4.4, была разработана механическая установка, моделирующая параметры дождя (рисунок 61).
Предлагаемая модель состоит из четырех основных систем: дождевальной (дождевальный резервуар 1 с иглами 2, выполненными по дну резервуара и закрепленными прижимной пластиной 3); подающей (дозаторная трубка 4 с переходником 5 и шлангом 6, ве дущим к дополнительному резервуару; на шланг 6 установлен шаровой кран); регулировочной (запирающий 7 и крепежный 8 узлы, запирающий поплавок 9); крепежной (крышка 10, опорный прут 11 и крепежная втулка 12).
Дождевания система представлена дождевальным резервуаром (1), вы полненным в виде полого цилиндра с диаметром основания DOCH=200MM (рисунок 62). По дну дождевального резервуара в отверстиях (2), посредством прижимной пластины (4), закреплены дождевальные иглы (3). Зазоры между иглами и пластиной заполнены герметиком (5). Прижимания пластина фиксируется посредством крепежных винтов (6).
Дождевальные иглы (рисунок 63) представляют собой пластиковые цилиндрически элементы (1) с конусовидными основаниями, установленные в отверстиях (2), выполненных по дну дождевального резервуара в количестве 100 штук (с учетом величины ячейки с х=2см) и закрепленные прижимной пластиной (3) с конусовидными отверстиями (4), совмещенными с каждой иглой. Пространство между дном дождевального резервуара и пластины заполнено герметиком (5) На основания цилиндрических элементов (1) установлены медицинские иглы (6), диаметром отверстия 0,8 мм. Пластина прижата ко дну дождевального резервуара посредством болтов (7).
Похожие диссертации на Проектирование специальной влагозащитной одежды с системой естественной вентиляции пододежного пространства
