Введение к работе
Актуальность работы
На значительной территории России преобладают холодные природно-климатические условия с сочетанием низкой температурой воздуха, ветром и различным уровнем влажности. В условиях длительного воздействия холода у человека возникает как локальное, так и общее переохлаждение, появляются тормозные процессы в коре головного мозга, нарушается координация движений и, как следствие, ухудшается работоспособность. Это повышает риск травматизма и вероятность чрезвычайных ситуаций на производстве.
В последнее десятилетие идет стремительное промышленное освоение северных территорий Российской Федерации, где лидирующей является нефтегазовая отрасль. В течение рабочей смены работники вынуждены находиться длительное время на открытой территории независимо от погодных условий. Для защиты человека от холода используется специальная теплозащитная одежда. Современное научно обоснованное проектирование специальной одежды, как известно, базируется на работах отечественных и зарубежных ученых: Р.Ф. Афанасьевой, П.А. Колесникова, З.С. Чубаровой, Р.А. Делль, И.Ю. Бринка, Л.А. Бекмурзаева, Е.Я. Сурженко, И.В. Черуновой, А. Barton, О. Edholm, К. Umbach, I. Holmer и др.
Как правило, на производстве человек двигается с различной интенсивностью с соответствующим уровнем теплопродукции. В теплозащитной одежде человек может перегреться за счет избытка тепла во время физической работы и, в дальнейшем, переохладиться при длительном пребывании на холоде. Задача по разработке способа поддержания комфортного состояния человека в холодных климатических условиях с учетом его переменной физической активности является весьма актуальной. Одним из решений данной проблемы служит использование теплоаккумулирующих материалов, которые способны поглощать и накапливать избыток тепла от тела человека и отдавать его обратно. При разработке специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующим материалом необходимо предусмотреть ее безопасность для применения в конкретных условиях производства.
Цель работы заключается в создании специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующими материалами с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
формулирование требований, предъявляемых к теплоаккумулирующим материалам, для использования в одежде;
разработка математической модели процесса теплообмена в системе «Человек-Одежда-Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде;
компьютерное моделирование процесса теплообмена в системе «Человек-Одежда-Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде;
исследование теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;
разработка элементов с теплоаккумулирующим материалом для специальной теплозащитной одежды;
исследование эксплуатационных свойств элементов с теплоаккумулирующим материалом;
разработка специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;
натурные испытания специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом.
Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов математического и компьютерного моделирования, теории теплопередачи. Экспериментальные исследования проводились на базе экспериментально-теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные действительности, с применением методов статистической обработки экспериментальных результатов и теории планирования эксперимента. В работе использованы средства векторной и растровой компьютерной графики. Диссертационная работа реализована с применением программных продуктов Microsoft Word 2007, Microsoft Excel 2007, CorelDraw x5, IntorIIS, OriginPro 7.0, MathCAD 6.0, FlexPDE 6.0.
Научная новизна работы:
экспериментально установлено, что для использования в специальной одежде наиболее перспективными теплоаккумулирующими материалами с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека могут быть углеводороды (парафины): октадекан (С18Н38), нонадекан (С19Н40), эйкозан (С20Н42);
разработана математическая модель теплообмена в системе «Человек-Одежда-Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде, позволяющая определить необходимую массу теплоаккумулирующего материала для различных условий эксплуатации;
установлена зависимость времени отдачи тепла теплоаккумулирующим материалом от параметров окружающей среды и пакета теплозащитной одежды;
теоретически обоснованы параметры элементов с теплоаккумулирующим материалом и место их расположения в области туловища человека с учетом физиологических особенностей терморегуляции и поддержания теплового баланса;
экспериментально доказано, что выбранные в качестве теплоаккумулирующих материалов для одежды, углеводороды с количеством атомов в углеродной цепи С18-С20 обладают достаточной удельной теплоемкостью.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработан элемент для специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;
разработана технология изготовления элемента с теплоаккумулирующим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;
разработана конструкция и технология промышленного производства специальной одежды (жилета) с теплоаккумулирующим материалом;
в натурных испытаниях доказана работоспособность предложенного технического решения специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека.
Апробация результатов исследования.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на:
Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в 2010 г. в г. Санкт-Петербург;
Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» в 2010 г. в г. Новочеркасск;
Международной научно-практической конференции «Текстиль – одежда – обувь – средства индивидуальной защиты – 21 век», аккредитованной Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, в рамках программы «У.М.Н.И.К.-2010», «У.М.Н.И.К.-2011», ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» в 2010, 2011 гг. в г. Шахты. Проект включен в число лауреатов программы;
Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Мода и дизайн. Современная одежда и аксессуары 2009» в 2009 г. в г. Ростов-на-Дону;
Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности человека» в 2011 г. в г. Львов (International Science Conference «Safety of Life and Activity of Person», 2011, Lviv);
Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных «Эврика» в 2011 г. в г. Новочеркасск. Проект включен в число лауреатов программы;
Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Машиностроение, приборостроение, экономика и гуманитарные науки. Актуальные проблемы науки и техники» в 2009 в г. Уфа;
Межвузовских научно-технических конференциях РАС ЮРГУЭС в 2009, 2010 гг. в г. Ростов-на-Дону;
Межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК - 2011) в 2011 г. в г. Иваново.
Внедрение результатов исследований. Технология промышленного производства специальной одежды (жилета) с элементами с теплоаккумулирующим материалом внедрена на швейных предприятиях ООО «БВН инжениринг» г. Новочеркасск, ТПК «Озон» г. Ростов-на-Дону. Результаты диссертационной работы также внедрены в учебном процессе на кафедре «Моделирование, конструирование и технология швейных изделий» Ростовского технологического института сервиса и туризма (филиала) ФГБОУ ВПО «Южно-Россиийский государственный университет экономики и сервиса» при подготовке студентов по направлению «Конструирование изделий легкой промышленности».
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК, получено 1 свидетельство на программный продукт.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации составляет 175 страниц текста, включающие 66 рисунков и 29 таблиц. Список использованной литературы содержит 182 источника. Приложения представлены на 30 страницах.
