авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 8 |

«ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ВОЗДЕЙ- СТВИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР Монография УДК ББК Авторский коллектив Прохоров ...»

-- [ Страница 4 ] --

Рис. 2.2. Изменение температуры стопы при выполнении физической нагрузки средней интенсивности При движении человека в обуви на энергозатраты организма влияет ее жесткость. Потребление энергии при носке жесткой обуви по сравнению с гибкой больше на 8,6%, и по сравнению с ходьбой без обуви - на 12,7%, увеличение средней температуры стопы при носке гибкой обуви составляет 1,5°С, жесткой - 5°С.

Одной из важнейших особенностей физиологии стопы являет ся ее способность изменять температуру кожной поверхности в широ ких пределах (10 -16°С). Если средняя температура кожи человека может меняться без ощущения дискомфорта на 0,5°С- 1,0°С, то размах колебаний температуры стопы составляет 6°С-8°С.

Зависимость температуры стопы от внешних условий может быть представлена следующим образом (рис. 2.3) [3].

Рис. 2.3. Изменение температуры стопы (Тс) от температуры окружающего воздуха (Тв):

1 - область пальцев;

2 - средняя часть подошвы;

3 - область пятки Роль стоп, как важнейших теплообменников организма, обу словлена высокой плотностью распределения потовых желез на их поверхности. Количество выделяемого стопой пота зависит от осо бенностей организма, условий среды и уровня мышечной деятельно сти. Так, например, при легкой нагрузке, скорость потовыделения стопы составляет 2-5 мг/мин., при нагрузке средней интенсивности - - 10 мг/мин., при тяжелой физической работе - 11 - 15 мг/ мин.

Распределение пота по поверхности стопы крайне неравно мерно. С помощью йодокрахмалъного метода была получена сле дующая картина: свод и узкая область вдоль оснований пальцев оста ются почти бесцветными, тогда как все остальные участки окрашива ются в темный цвет, причем, сильнее всего окрашены те области плантарной поверхности стопы, которые выполняют роль опорных поверхностей. В таблице 1.3 приведены данные об активности пото вых желез стопы человека и их топографии, полученные методом «синения бромфенола» [7].

Т а б л и ц а 2. Плотность распределения потовых желез на стопе человека Количество потовых желез на 1 см2 поверхности Участок стопы тыльной плантарной 1. Пальцы стопы 210 2. Свод стопы 170 3. Пяточная часть 180 Из таблицы 2.10 видно, что наиболее активной зоной потоот деления является область пальцев стопы;

наименее активна область свода стопы, на плантарной поверхности стопы потовые железы рас положены более густо, чем на остальной ее поверхности. Значитель ное выделение пота этой зоной стопы объясняется также и высокой интенсивностью функционирования потовых желез, связанной с по вышенным давлением на них в процессе ходьбы.

В таблице 2.11 приведены показатели температуры кожи, теп лоотдачи и потовыделения стопы в различных условиях: в обуви и без нее, в состоянии покоя и при ходьбе человека со скоростью 1,5 м/с, при состоянии окружающей среды от сухого холодного до теплого влажного воздуха, движущегося со скоростью 0,15 м/с [7].

Т а б л и ц а 2. Показатели состояния стопы в обуви Состояние атмосферы Теплоотда- Выде Температура Относи Условия ча стопы, ление кожи стопы, Температура, тельная Вт/м пота, испытаний влажность, °С °С г/м2ч % Сидя без 27,5 60 32,4 49,9 58, обуви 32,0 80 35,0 39,2 118, Сидя в 20 40 28,2 41,7 30, обуви 32 80 36,1 25,3 130, Ходьба без 20 40 29,3 169,6 148, обуви 32 80 35,1 57,8 340, Ходьба в 20 40 33,6 103,6 183, обуви 32 80 37,3 57,3 308, 2.9 Тепловой обмен в системе «стопа - обувь - окружающая среда»

Одним из показателей комфортности обуви, как было отмече но выше, является температура внутриобувного пространства. Под держание ее в нормальных пределах достигается путем подбора мате риалов с определенными теплофизическими характеристиками (ТФХ), которые оцениваются, в основном, показателями теплового сопротивления, тепло- и температуропроводности.

Для описания процессов прохождения тепла через обувные материалы необходимо, прежде всего, рассмотреть общие закономер ности теплопередачи через сплошные тела. Научные основы теплопе редачи через материалы, закономерности теплообмена в разных сре дах разработаны и изложены в трудах советских ученых М. А. Михее ва, А.В. Лыкова и др.

Процесс переноса тепла происходит в пространстве и времени.

В зависимости от количества параметров, определяющих закон теп лопередачи, температурное поле может быть стационарным и не ста ционарным. Теплопередача в условиях стационарного температурного поля описывается уравнением Фурье:

T Q= S, (2.27) где Q - количество тепла, которое передается от одной поверхности тела к другой, Вт/м2: Т - разница температур на противоположных поверхностях тела, °С;

- толщина тела, м;

S - площадь поверхно сти тела, м2;

- время, с;

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м2С).

Коэффициент теплопроводности () характеризует способ ность тела к теплопереносу и соответствует количеству тепла, переда ваемого в единицу времени через поверхность в 1м2 тела толщиной в 1 м при разности температур на его гранях в ГС.

Тепловое сопротивление (Р) является величиной, обратной ко эффициенту теплопроводности, характеризует способность материа лов препятствовать прохождению тепла:

P=. (2.28) Однако, экспериментальное изучение ТФХ обувных материа лов нельзя ограничить лишь определением коэффициента теплопро водности, характеризующим эти свойства только в условиях стацио нарной теплопроводности, так как наряду со стационарными в обуви неизбежны нестационарные тепловые явления [6].

В большинстве случаев нахождение в среде с повышенной или пониженной температурой бывает не настолько длительным, чтобы установился стационарный режим между стопой и окружающей сре дой. В начальный момент надевания обуви процесс теплообмена так же сопровождается изменением ее теплового состояния. В этом слу чае более важным показателем ТФХ материалов становится их тем пературопроводность.

Температуропроводность (а) служит мерой скорости, с кото рой материал передает изменение температуры от одной точки к дру гой, т.е. рассеивает тепловую энергию:

=, (2.29) с где - температуропроводность материала, м2/с;

с - удельная теп лоемкость материала, Дж/(кг·°C);

у - плотность материала, кг/м3.

Процесс теплопереноса в системе «стопа – обувь – окружаю щая среда» состоит из двух стадий: передачи тепла материалом и теп лоотдачи на границе поверхности обуви.

По закону Ньютона тепловой конвективный обмен между те лом и окружающей воздушной средой выражается следующей зави симостью:

Q = (T1 T2 ) S, (2.30) где Q - количество тепла, передаваемого теплом в окружающее пространство в единицу времени, Вт;

Т1 и Т2 - температура поверхно сти тела и окружающей среды, °С;

S - площадь поверхности тела, м2;

- коэффициент теплоотдачи, характеризующий процесс теплообме на на границе поверхности тела и среды, Вт/ (м2·°С) Конвективный процесс теплоотдачи стопы в обуви обусловли вается в большей степени состоянием внешней среды, чем тепловыми свойствами тела, поэтому коэффициент теплоотдачи стопы в обуви обусловливается в большей степени состоянием внешней среды, чем тепловыми свойствами тела, поэтому коэффициент теплоотдачи ха рактеризует, в основном, условия охлаждения тела, а не его тепловые свойства.

Поскольку обувная заготовка верха обуви и низ обуви пред ставляют собой многослойные системы, в качестве характеристик те пловых свойств обуви могут быть использованы показатели тепловых свойств пакетов материалов. Такие конструкции можно условно представить в виде сложных или составных «стенок» (рис. 2.4) [9].

а б Рис. 2.4. Схемы прохождения через сложную (а) и составную (б) «стенки»

Общий поток тепла через поверхность материала площадью можно определить из уравнений T Q= S, (2.31) где Q - количество тепла, которое передается от одной поверхности тела к другой, Вт/м2: Т - разница температур на противоположных поверхностях тела, °С;

- толщина тела, м;

S - площадь поверхности тела, м2;

- время, с;

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м2С).

Коэффициент теплопроводности () характеризует способ ность тела к теплопереносу и соответствует количеству тепла, переда ваемого в единицу времени через поверхность в 1м2 тела толщиной в 1 м при разности температур на его гранях в ГС.

Тепловое сопротивление (Р) является величиной, обратной ко эффициенту теплопроводности, характеризует способность материа лов препятствовать прохождению тепла:

P=. (2.32) Однако экспериментальное изучение ТФХ обувных материа лов нельзя ограничить лишь определением коэффициента теплопро водности, характеризующим эти свойства только в условиях стацио нарной теплопроводности, так как наряду со стационарными в обуви неизбежны нестационарные тепловые явления [6].

В большинстве случаев нахождение в среде с повышенной или пониженной температурой бывает не настолько длительным, чтобы установился стационарный режим между стопой и окружающей сре дой. В начальный момент надевания обуви процесс теплообмена так же сопровождается изменением ее теплового состояния. В этом слу чае более важным показателем ТФХ материалов становится их тем пературопроводность.

Температуропроводность (а) служит мерой скорости, с кото рой материал передает изменение температуры от одной точки к дру гой, т.е. рассеивает тепловую энергию:

=, (2.33) с где - температуропроводность материала, м2/с;

с - удельная теп лоемкость материала, Дж/(кг·°C);

у - плотность материала, кг/м3.

Процесс теплопереноса в системе «стопа – обувь – окружаю щая среда» состоит из двух стадий: передачи тепла материалом и теп лоотдачи на границе поверхности обуви.

По закону Ньютона тепловой конвективный обмен между те лом и окружающей воздушной средой выражается следующей зави симостью:

i - для сложной стенки Q=S (2.34) ( i/ i ) S i Q = (T1 T2 ) - для составной стенки (2.35) Pi Полное суммарное сопротивление обуви (Рсум) может быть вы ражено суммой тепловых сопротивлений всех элементарных слоев и прослоек воздуха, входящих в систему (Рсум) и отдачи тепла от наруж ной поверхности обуви во внешнюю среду (Рп).

Рсум= Рсис+ Рп= Рсис+1/, (2.36) где Рсис - сопротивление передаче тепла через систему материалов;

Рп - сопротивление передаче тепла от наружной поверхности обуви во внешнюю среду;

- коэффициент теплоотдачи.

2.10 Методы определения теплообменных свойств материалов и обуви 2.10.1 Определение теплофизических характеристик материалов К основным теплофизическим характеристикам обувных ма териалов, как было отмечено выше, относятся коэффициенты тепло- и температуропроводности. Методы их определения делятся на стацио нарные и нестационарные.

К стационарным методам исследования коэффициента тепло проводности относится так называемый метод «плиты» [14]. Сущ ность метода заключается в установлении стационарного теплового потока через исследуемый образец материала, помещенный между плитой и холодильником.

Рис. 2.5. Схема центрального узла прибора для исследования теплопроводности в стационарном режиме Исследуемому материалу придается форма относительно тон кой круглой или квадратной пластинки. Устройства нагрева и охлаж дения также имеют плоскую форму с тем, чтобы обеспечить идеаль ный контакт с образцом. Значения температур, между которыми про текает процесс, обычно выдерживаются в средних пределах условий эксплуатации обуви: высшая - близкая температуре стопы (35- 42°С), низшая - температуре водопроводной воды (8-12°С).

Тепловой поток, выделяемый нагревателем, измеряется с по мощью вольтметра и амперметра или ваттметра: температура поверх ности исследуемых образцов - с помощью термопар, зачеканенных на поверхностях холодильника и нагревателя. При выборе типа термопа ры и способа ее установки необходимо обеспечить помимо чувстви тельности хороший тепловой контакт температуры с объектом, наи меньшее искажение теплового потока на основном нагревателе мини мальные габариты. Этим условиям лучше всего отвечает медь - кон стантовые термопары с диаметром термоэлектродов 0,2 мм.

Электронный автоматический потенциометр регистрирует пе репад температур в исследуемом образце. На диаграммной ленте вы черчивается график следующего вида Рис. 2.6. Термограмма перепада температур в образце Расчет коэффициента теплопроводной () производят по фор муле:

IU =K, (2.37) T где I - показания амперметра, А;

U - показания вольтметра, В;

толщина материала, м;

Т - разница температур между нагревателем и холодильником, °С;

К - поправочный коэффициент.

Широкое применение стационарных методов в теплофизиче ских исследованиях обусловлено высокой точностью измерений, од нако их главным недостатком является длительность испытаний, свя занная с установлением стационарного теплового режима.

Из нестационарных методов исследования рассмотрим метод мгновенного источника тепла, предложенный В.А.Смирновым [15], и метод двух температурно-временных интервалов, разработанных В.С.

Волькенштейном.

Суть первого метода заключается в исследовании распределе ния энергии теплового импульса по толщине образца. Коэффициенты тепло- и температуропроводности определяются следующим образом:

0,121Q = f ( ), (2.38) F M M = =2, (2.39) 2 M (1 ) ln (1 ) 2 M где М - время, через которое в точке, отстоящей от нагревателя на расстоянии, наблюдается максимальная избыточная X = температура;

-0/М -максимальная температура;

М - мощность на гревателя;

F - площадь нагревателя.

Рассмотренный метод относится к разряду относительных, по скольку для определенных искомых величин необходимо знать точ ные теплофизические характеристики эталонного образца (например, оргстекла). Однако он привлекает быстротой измерения и возможно стью вычисления на основании одного опыта нескольких теплофизи ческих коэффициентов, а также влияние на них влажности, темпера туры, плотности материала, удельного давления, направления тепло вого потока и последовательности расположения материалов в пакете.

Метод двух температурно-временных интервалов основан на использовании одномерного нестационарного теплового потока. При соприкосновении нагревателя с образцом исследуемого материала те пло от нагревателя через образец передается теплоприемнику, от чего температура системы «образец-теплоприемник» растет. На регистри рующем приборе, фиксирующем разницу температур между нагрева телем и теплоприемником, вычерчивается кривая вида.

Расчет теплофизических характеристик производится по сле дующим формулам a=, (2.40) 4 pI = boe a, (2.41) где - толщина материала;

bo - постоянная теплоприемника (для орг стекла b=560) - интервал времени;

p, - безразмерные величины.

Значение параметров р = f1(к) и =f2(к), где к = 2/ 1 со ставленные для различных отношений N1/N2 N1/N3, определяются из рабочих таблиц.

Рис. 2.7. График зависимости показаний прибора от времени:

NП, NЛ - крайние правая и левая границы, соответствующие температуре нагревателя и окружающей среды Достоинством метода двух температурно-временных интерва лов является быстрота измерения, что позволяет проводить много кратные испытания, и невысокая температура нагревателя /20-36°С/, практически исключающая влияние испарения влаги образцов на точ ность результатов эксперимента.

Итак, обзор методик и приборов для оценки теплофизических свойств материалов показывает, что они, при всем разнообразии, мо гут быть разделены на две группы. К первой относятся приборы, принцип действия которых основан на создании в системе стационар ного температурного режима, ко второй - регулируемого. Предпочте ние, отдаваемое в настоящее время приборам второй группы, связано с высокой скоростью проведения эксперимента, возможностью созда ния реальных условий, комплексным характером исследований и за частую более простым конструктивным оформлением приборов.

2.10.2 Определение теплозащитных свойств обуви Поскольку в конструкцию обуви входят детали из различных материалов, для характеристики теплообмена между стопой в обуви и внешней средой принято пользоваться термином «теплозащитные свойства обуви». Для оценки теплозащитных свойств обуви исполь зуют следующие показатели:

- полное суммарное тепловое сопротивление обуви;

- абсолютное количество тепла, передаваемое обувью в ок ружающую среду;

- относительное охлаждение, представляющее собой отно шение количества тепла, отдаваемого обувью, к количеству тепла, от даваемого ядром.

Исследование теплозащитных свойств обуви проводится в стационарном и нестационарном режимах. Стационарный тепловой поток в направлении от внутренних стенок обуви к наружным созда ется при помощи ядра, форма которого приблизительно соответствует форме обуви. В качестве ядра могут быть использованы резиновые чулки, заполненные раствором этиленгликоля [2]. Постоянная темпе ратура ядра поддерживается электронагревателем, для измерения температуры стенок обуви используют термопары. Для приближения условий испытаний к реальным обувь можно поместить в климатиче скую камеру с заданной температурой и влажностью. Предполагается, что все тепло, выделяемое нагревателем ядра, проходит через обувь в окружающую среду. Показателем теплозащитных свойств обуви слу жит коэффициент теплопередачи (К), рассчитываемый по уравнению:

Q К=, (2.42) ST где Q- мощность нагревателя;

S- внутренняя поверхность обуви;

T разница температур внутренней и наружной поверхности.

Для исследования топографии теплозащитных свойств обуви могут быть использованы специальные малогабаритные тепломеры, позволяющие измерить величины локальных тепловых потоков qi на различных участках обувной поверхности. Тепловое сопротивление i го участника Pi определяется по формуле:

T Pi =. (2.43) qi Наглядная картина неоднородности теплозащитных свойств обуви может быть получена с помощью нанесения на ее поверхность жидкокристаллических термоиндикаторных пленок, обладающих спо собностью избирательно рассеивать свет в зависимости от температу ры. При нагревании пленки на ней появляются четко выраженные по цвету и конфигурации изотермические области, измерение площадей которых дает возможность рассчитать теплозащитные свойства обуви в каждой точке ее поверхности, т.е. представить конструкцию изделия в развернутом виде. Для точного воспроизведения внутренней формы обуви и неизменности тепловых потоков во всех ее зонах в качестве ядра используют сыпучие теплоносители с высоким коэффициентом температуропроводности.

Испытания обуви в нестационарном тепловом режиме прово дят, в основном, методом бикалориметра, теория и техника которого были разработаны Г.М. Кондратьевым. Бикалориметром является са ма обувь с вложенным в нее ядром. В качестве ядра была использова на колодка - или деревянная, или заполненная водой пустотелая рези новая. Скорость охлаждения ядра зависит от теплозащитных свойств обуви и выражается для регулярного теплового режима через темп ре гулярного охлаждения т, определяемый по формуле:

bT1 ln T m=, (2.44) 2 где T1, T1 - разности температур ядра и окружающего воздуха для двух моментов времени;

2 – 1 - интервал времени между моментами замера температур.

В указанном методе о теплозащитных свойствах обуви судят по отношению темпов регулярного охлаждения обуви и ядра без обу ви. Полученный показатель не может достаточно полно характеризо вать тепловые свойства обуви, к тому же ядро бикалориметра, выпол ненное в виде жесткой формы, не обеспечивает точного и плотного прилегания его поверхности к внутренней поверхности обуви.

Обстоятельный анализ теплозащитных свойств обуви был проведен Л.В. Кедровым [9]. Разработанная ими методика, также ос нованная на теории регулярного теплового режима, легла в основу прибора, созданного в ЦНИИКП [27]. В качестве ядра бикалориметра используется тонкая резиновая оболочка, заполненная дистиллиро ванной водой, Сущность метода состоит в охлаждении предваритель но нагретого и опущенного в обувь теплоносителя при автоматиче ском отсчете времени охлаждения и заданном интервале перепада температур между теплоносителем и окружающей средой. Показате лем теплозащитных свойств обуви является суммарное тепловое со противление, определяемое расчетным путем по формуле:

Рсум =, (2.45) Ф / т БВ / где Ф - фактор теплоносителя, равный отношению полной теплоем кости теплоносителя к площади его поверхности, Дж/м2°С;

Б - коэф фициент, учитывающий соотношение теплоемкостей теплоносителя и обуви;

В - коэффициент, представляющий собой поправку на рассеи вание теплового потока через площадку из термоизоляционного мате риала, с-1.

Однако этот метод мало применим для исследования бытовой обуви, отличающейся от обуви специальной большим разнообразием видов, фасонов и т.п., вследствие необходимости изготовления значи тельного количества каучуковых баллонов, соответствующих по фор ме и размерам колодке, применяемой при производстве обуви. Кроме того, вода, как известно, является теплоинерционным материалом, по этому для поддержания постоянного температурного поля теплоноси теля требуется применение специальных устройств: мешалки, меха низма, приводящего ее в движение. Это значительно усложняет про цесс проведения испытаний. В качестве теплоносителя наряду с дис тиллированной водой может быть использована охотничья свинцовая дробь №9, которая обеспечивает соответствие формы теплоносителя внутриобувному пространству и высокую однородность температур ного поля.

В качестве основных критериев комфортности обуви приняты показатели, характеризующие «нормальное» состояние стопы в про цессе эксплуатации:

- отсутствие механических повреждений стопы;

-температура и влажность внутриобувного пространства;

- температура стопы;

- степень допустимого сжатия стопы обувью.

В настоящее время оценить комфортность обуви только ана литическим путем вряд ли реально, т.к. имеющиеся математические модели внутриобувного микроклимата имею ряд существенных не достатков. Поэтому для оценки комфортности новых конструкций обуви из новых материалов наряду со стандартными лабораторными испытаниями необходимо проведение стендовых испытаний в усло виях близких к реальным и опытной носки.

2.11 Тепловые свойства При операциях сушки, влажно-тепловой обработки, прессования, гла женья и др., необходимых при изготовлении материалов «изделий, полуфабрикаты и материалы подвергаются тепловому воздействию.

Эффективность той или иной операции зависит от способности мате риала взаимодействовать с тепловым полем.

При эксплуатации изделий теплообмен между телом человека „ окружающей средой должен протекать таким образом, чтобы темпе ратура воздуха в пододежном и внутриобувном пространстве находи лась в пределах 20...25°С. Этот температурный интервал гарантирует комфортные условия работы и отдыха человека. Увеличение или уменьшение температуры приводит к перегреву или переохлаждению тела, вызывая дискомфорт. Теплообмен между физическими телами и окружающей средой может происходить путем теплопроводности, конвекции и излучения. Передача тепловой энергии теплопроводно стью (конвекцией) происходит при соприкосновении частиц контак тирующих поверхностей твердых тел благодаря образующим механи ческие «тепловые» волны упругим колебаниям, а также диффузии атомов и молекул. Передача тепловой энергии конвекцией осуществ ляется перемещением частиц с образованием тепловых потоков в жидкостях и газах и всегда сопровождается теплопроводностью.

Передача тепловой энергии излучением - это распространение энергии в виде электромагнитных волн. Излучение сопровождается двойным переходом энергии - тепловой в лучистую и обратно - лучи стой в тепловую.

Теплообмен между человеком и окружающей средой происхо дит через материалы одежды или обуви. Исходя из начальных усло вий тепловая энергия (теплота) Q Дж, будет передаваться через Мате риал толщиной и площадью S от тела человека в окружающую среду или от окружающей среды телу человека тремя перемещений:

Q=Qк+Qт+Qл, (2.46) где Qк - тепловая энергия, передаваемая конвекцией;

Qт - тепловая энергия, передаваемая теплопроводностью;

Qл - энергия, передавае мая излучением.

В свою очередь QK = ;

S (T1 T2 ) S (T1 T2 ) QT = (2.47) ;

T 4 T Q Л = C 0 S 1 2, 100 где - коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м2К);

- тепло проводность стенки, Вт/(м·К);

- коэффициент черноты стенки;

С0 коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4 ).

Если учесть реальные условия носки обуви и одежды на тер ритории России, где температура окружающей среды в течение года может изменяться от -50 до +500С, то согласно многочисленным ис следованиям следует признать, что превалирующую роль в теплопе редаче играет теплопроводность. В черной и цветной металлургии, при горячей обработке металлов и в других производствах, связанных с выделением большого количества теплоты от материалов и агрега тов, передача энергии от источника теплоты до одежды и обуви осу ществляется в основном излучением, а от материалов одежды и обуви до тела человека - теплопроводностью. Если в обувном и пододежном пространстве есть воздушные зазоры, то в нем возможна циркуляция воздуха, и тогда передача тепловой энергии происходит путем тепло проводности и конвекции. Поэтому при расчете тепловых свойств одежды и обуви надо четко представлять реальные условия эксплуа тации и конструктивные особенности изделий. К показателям, харак теризующим теплофизические свойств материала, относятся тепло проводность, Вт/(м·К);

удельная теплоемкость с, Дж/(кг·К);

темпера туропроводность а, м/с, тепловое сопротивление RT, м2К/Вт.

Теплопроводность показывает, какое количество теплоты прошло через 1 м2 площади толщиной I м за 1 с при перепаде темпера тур 1 К:

Q =. (2.47) S (T1 T2 ) Рис. 2.8. Схема установки для определения теплопроводности (а);

график изменения температуры во времени при стационарной теплопроводности (б);

график изменения температуры во времени при нестационарной теплопроводности (в):

1- нагреватель;

2 - проба материала тела Расчет площади поверхности S, через которую проходит теп ловая энергия, определяется формой тела. Если S1 - площадь внутрен ней поверхности, а S2 - внешней, то при S2/S1 2 площадь вычисляют по формуле S=(S1+S2)/2;

при полой цилиндрической стенке, но при S2/ S1 2S = (S1 – S2)/ln(S2/ S1) для шаровой полой стенки S = S1 S 2. Осу ществить теоретический расчет теплопроводности материалов, осо бенно имеющих столь сложное строение, как материалы изделий лег кой промышленности, весьма сложно. Поэтому ее определяют экспе риментальными методами. Существует несколько методов определе ния теплопроводности материалов, из которых в основном можно вы делить два: метод стационарной теплопроводности, используемый при Q=соnst, и метод нестационарной теплопроводности, который применяется, когда Q=f().

Определение теплопроводности материалов стационарным ме тодом осуществляют следующим образом. Подвод тепловой энергии к материалу и ее прохождение через материал регистрируется прибора ми по схеме, приведенной на рис. 2.8, а. Момент наступления условия Q=соnst характеризуется тем, что перепад T=T1-T2 на пробе мате риала не изменяется во времени, т.е. Т= соnst, (рис. 2.8, б). Тепло проводность материала рассчитывают по формуле (2.8).

Теплопроводность материала наиболее целесообразно опреде лять при небольшом перепаде температур, т.е. при T не более 10 К.

Особенно это важно для гидрофильных материалов. Если определять теплопроводность гидрофильных материалов при температуре более 293 К, то проба высохнет, что приведет к искажению реальной вели чины теплопроводности материала. Поэтому при определении тепло проводности гидрофильных Материалов целесообразно исходить из нестационарной теплопроводности, используя метод мгновенного ис точника тепла Данный метод основан на том, что возрастание темпе ратуры в материале в результате подвода внешней энергии носит пе реметный характер в каждой точке материала по толщине. Например В некоторой точке В (см. рис. 2.8, а) при мах температура достигает экстремальной величины (рис. 2.8, в). Нагреватель при испытании включается на время то, равное 5...10с, причем мах0 то из-за инерци альности процесса передачи тепловой энергии через материал. Из-за небольшой продолжительности испытания и величины T исходное состояние материала не изменяется.

Теплопроводность материалов рассчитывают по формуле:

Q =, (2.48) 8 S max T где = 2,72.

Тепловое сопротивление Л, м3- К/Вт, - показатель, характери зующий способность материала препятствовать прохождению тепло вой энергии определяющий теплозащитные свойства материала. Он вычисляется по формуле:

R = /. (2.49) Для определения суммарного теплового сопротивления мате риала при нестационарном режиме применяют прибор ПТС-225, ко торый позволяет проводить испытания при действии на пробу воз душного потока заданной скорости.

Для характеристики скорости прохождения тепловой энергии через материал в тепловых процессах применяют показатель темпе ратуропроводность а, м /с, который можно вычислить по формулам:

a = / ( pc ), (2.50) при стационарной теплопроводности a = 2 / 2 max, (2.51) при нестационарной теплопроводности (р - средняя плотность материала;

с- удельная теплоемкость).

Удельная теплоемкость С, как и теплопроводность, является важнейшей характеристикой материала и показывает, какое количест во тепла необходимо сообщить 1 кг материала для его нагревания на К:

C=Q/m ( T2 – T1 ). (2.52) Зная удельную теплоемкость материала, можно рассчитать температуру нагревателей в сушильных камерах, установках по акти вированию клеевой пленки на затяжной кромке, температуру поверх ности гладильных агрегатов и т. д. Удельную теплоемкость материа лов определяют по-разному. Наиболее распространенными при опре делении удельной теплопроводности материалов являются методы смешивания и микрокалориметрии.

Рис. 2.9. Схемы определения удельной теплоемкости:

а - методом смешивания;

б - микрокалориметрическим методом;

в - график изменения температуры материала;

1 - тело;

2 - калориметр;

3 - рабочая жидкость;

4 - нагреватель;

5 - микрокалориметр Метод смешивания (рис. 2.9, а) базируется на уравнении теп лового баланса:

Qот=Qпол. (2.53) где Qот - энергия, отдаваемая более нагретым телом;

Qпол - энергия, которую получает менее нагретое тело.

Учитывая, что материалы делятся на гидрофильные и гидро фобные, к выбору рабочего тела при использовании метода смешива ния необходимо подходить осторожно. Если материал гидрофилен, то в качестве рабочего тела нельзя брать воду, так как при взаимодейст вии с ней наблюдается выделение теплоты сорбции, которая будет влиять на установившуюся температуру тел 9. Поэтому для гидро фильных материалов целесообразно использовать такое рабочее тело, взаимодействие с которым не приведет ни к поглощению, ни к выде лению дополнительной энергии и в котором полимерное вещество не будет набухать и растворяться. Метод микрокалориметрии (рис. 2.9, б) пригоден практически для всех материалов. Суть его заключается в том, что проба Материала, помещенная в специальный микрокалори метр, нагревается (охлаждается) с постоянной скоростью 0,1 К/мин от температуры Т1 до температуры Т2.

Зная затраты энергии на нагрев (охлаждение) массы пробы ма териала, рассчитывают искомую величину по формуле:

c=nIU/m(T2 – T1), (2.54) где n - коэффициент, характеризующий термодинамические свойства установки;

I - сила тока;

U - напряжение;

- время.

Выбор метода определения удельной теплоемкости материала зависит от условий испытания материала и его агрегатного состояния (газ, жидкость, твердое вещество), а также от того, с какой точностью необходимо определить искомый показатель, В табл. 2.12 приведены показатели теплофизических свойств основных материалов, а также газа (воздуха), жидкости (воды) и кри сталлических тел (льда, меди).

Теплопроводность текстильных полотен, кож и резины в 3 раз превосходит теплопроводность воздуха, но в 3...10 раз меньше тепло проводности воды и намного меньше теплопроводности льда и меди.

Температуропроводность текстильных полотен, кожи и резины близка к этому показателю воды, но существенно уступает температуропро водности воздуха, льда и меди. Удельная теплоемкость текстильных полотен близка к этому показателю воздуха и льда. Таким образом, показатели теплофизических свойств основных материалов имеют промежуточное значение между показателями воздуха и воды.

Большинство основных материалов состоит из волокон. Теп лопроводность волокон влияет на теплозащитные свойства материа лов. У волокон шерсти, равна 0,03 Вт/(м·К), шелка и льна 0, Вт/(м·К), а хлопка 0,05 Вт/(м·К). Более низкие значения волокон шерсти связаны с ее химическим составом и особенностями строения.

Волокна шерсти, кроме пуха, более пористые, чем остальные волокна.

Теплопроводность материалов зависит от пористости;

чем выше пористость материалов, тем ниже теплопроводность. По дан ным И. Г. Манохина увеличение пористости кож для верха обуви от 38,33 до 47,97 % приводит к уменьшению, от 0,094 до 0,08 Вт/(м·К).

Т а б л и ц а 2. Показатели теплофизических свойств материалов при нормальных условиях а·107,, с, Материал м2/с Вт/(мгК) кДж/(кг·К) Текстильное полотно 0,03...0,11 7,17...16, 33 1,09...2, Кожа (для верха и низа 0Э06...0,22 0,53...1,36 1,32-1, обуви) Резина (пористая и моно 0,05...0,35 1,81...2,36 1, литная) Воздух 0,026 214,17 1, Вода 0,68 1,43 4, Лед при температуре 0°С 2,25 10,80 2, (273К) Медь 386,12 1144,44 0, Теплопроводность кож для наружных деталей верха обуви и изменяется в пределах 0,05...0,11 Вт/(м·К), а кож для наружных дета лей верха и одежды - 0,15...0,22 Вт/(Дм·К). Более высокая теплопро водость кож для низа обуви связана с малой пористостью. Аналогич ные зависимости наблюдаются для текстильных полотен. При пони жении атмосферного давления, по данным М.И. Сухарева, Б.А. Бузо ва, В.А. Смирнова, А.П. Жихарева и др., теплопроводность текстиль ных материалов уменьшается. Например, теплопроводность хлопча тобумажной ткани при нормальном атмосферном давлении равна 0, Вт/(Дм·К), при понижении давления воздуха до 10-3 Па теплопровод ность уменьшается до 0,016 Вт/(Дм·К) и становится меньше, чем у воздуха при нормальном атмосферном явлении. Уменьшение А, при понижении давления воздуха до 10-3 Па свидетельствует о том, что перенос тепла при нормальном давлении воздуха в материалах, имеющих пористую, волокнистую и сетчатую структуры, осуществ ляется не только твердым веществом (каркасом), но и воздухом, нахо дящимся в порах. Снижение X хлопчатобумажной ткани до 0, Вт/(Дм·К) при давлении воздуха не более 10-3 Па вызвано тем, что на скорость распространения тепловой энергии в материале оказывают влияние температурные контактные сопротивления между волокнами нитей, образующих ткань. Поэтому, определяя X пористых материа лов при нормальных ставнях, следует вести речь об определении не истинной, а эффективной теплопроводности.

По данным Е.А. Мирошникова при увлажнении кож тепло проводность возрастает (рис. 2.12), причем у кож, применяемых для низа обуви, изменения меньше, чем для верха обуви. При увлажнении кожи влага заполняет микро- и макропоры и ее пористость снижается.

В данном случае перенос тепловой энергии происходит не только по полимерному веществу и воздуху, находящимся в порах, но и по вла ге, имеющей более высокую теплопроводность. Подобное явление на блюдается у кож при увеличении содержания жирующих веществ и у тканей при их аппретировании.

Например, при повышении содержания жирующих веществ в коже от 10,05 до 26,52% теплопроводность изменяется от 0,077 до 0,095 Вт/(Дм·К). При сжатии пористых, волокнистых и сетчатых ма териалов уменьшается суммарный объем пор, что увеличивает тепло проводность подкладочных кож и стельки на 22,9...74,1 %, триплиро ванных материалов на 133 %.

Теплопроводность твердых кристаллических тел изменяется в зависимости от температуры материала:

=0 (1+kT). (2.55) где и 0 - теплопроводность тела при измеряемой и фиксированной температурах;

k - коэффициент, зависящий от состава материала.

Рис. 2.10. Зависимость теплопроводности от влажности:

1 - юфть таннидного дубления;

2 - подошвенная кожа;

3 - юфть хромово го дубления;

4 - опоек хромового дубления Теплопроводность материалов для обуви и одежды также за висит от температуры. Так, при влажности кож низа обуви хромтан нидного дубления 1...6 % при увеличении температуры от 233 до К, возрастает, что описывается уравнением (2.55). При температуре ниже 273 К теплопроводность кож влажности 28 и 50 % не уменьша ется, а увеличивается, причем чем выше влажность материала, тем выше теплопроводность (рис. 2.11). Для кож влажности 50 % наблю дается скачок в значениях, который объясняют образованием в струк туре материала кристаллов льда. Лед имеет более высокую теплопро водность, чем воздух, коллаген и вода.

Рис. 2.11. Изменение теплопроводности кожи для низа обуви хромтаннидного дубления в зависимости от влажности, % Термическое сопротивление Rт материалов также зависит от перечисленных выше факторов окружающей среды, так как эта харак теристика исходя из уравнения (2.49) является производной от тепло проводности. Однако термическое сопротивление зависит от толщины материала. Поэтому при одинаковой теплопроводности теплозащит ные свойства будут выше у того материала, который толще.

Т а б л и ц а 2. Термическое сопротивление материалов (по данным В.Ю. Игнатова, Б.А. Бузова, Ю.П. Зыбина и др.) Кт, Кт, Полуфабрикат Полуфабрикат м2·К/Вт м2·К/Вт Мех Песец голубой Белек 0,487 0, Олень северный Ондатра 0,421 0, Лисица красная Кролик щипаный 0,379 0, Мерлушка крупноза Заяц-беляк 0,374 0, витковая Овчина стриженая Козлик 0,312 0, Соболь Лямка 0,275 0, Мерлушка мелкозавит Кролик Длинноволосый 0,264 0, ковая Белка якутская Кролик стриженый 0,246 0, Котик морской Крот 0,241 0, Искусственный мех Трикотажный Каракуль 0,327 0, Смушка 0, Текстильные материалы Ватин одежный Ватин х/б 0,327 0, Диагональ шерстяная Фланель 0,129 0, В таблице 2.13 приведены значения термического сопротивле ния меха и некоторых материалов, применяющихся в качестве утеп ляющих прокладочных или подкладочных материалов. Термическое сопротивление натурального меха зависит от характеристик строения и соотношения волос, входящих в состав волосяного покрова. Для ис кусственного меха и утепляющих материалов Rт зависит от волокни стого состава, характеристик строения и толщины.

Существенное влияние на теплозащитные свойства материа лов и изделий оказывает скорость ветра (рис. 16.5). При увеличении скорости ветра до 15 м/с термическое сопротивление текстильных ма териалов для наружных деталей одежды и кож для обуви снижается в четыре и более раз. Уменьшение термического сопротивления с уве личением скорости ветра связано с нарушением теплообмена между материалом и окружающей средой. Чем выше скорость ветра, тем больше тепловой энергии отдает материал в окружающую среду и тем ниже становится температура материала.

Рис. 2.12. Изменение термического сопротивления в зависимости от воздухопроницаемости тканей при разной скорости ветра:

1,2-4 м/с при Rт = 0,12 м2·К/Вт;

3,4 - 15 м/с при Rт =0,58 м2·К/Вт Если верх изделия выполнен из текстильного материала, то вводится ограничение на его воздухопроницаемость. Воздухопрони цаемость тканей для деталей верха зимней одежды не должна превы шать 40 дм3/(м2·с). Теплозащитные свойства меха зависят от строения волосяного покрова и его расположения по отношению к воздушному потоку (рис. 2.13). Падение термического сопротивления и теплоза щитных свойств материалов при возрастании скорости ветра и пони жении температуры ведет к уменьшению температуры воздуха в по додежном и внутриобувном пространстве и, как следствие, к умень шению температуры тела человека.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 V, м/с Рис. 2.13. Изменение суммарного теплового сопротивления мериносной овчины с разной высотой волоса в зависимости от скорости воздушного потока (по данным Д. А. Мендельсона):

/, 3 - кожевая ткань обращена к воздушному потоку (1 - высота волоса 20 мм;

3-12 мм);

2,4 - волос обращен к воздушному потоку (2 - высота волоса 12 мм;

4-20 мм) Для поддержания исходной температуры кожного покрова ор ганизм начинает продуцировать больше внутренней энергии, однако этот процесс не может быть длительным и при неблагоприятных ус ловиях наступает обморожение кожного покрова. Поэтому народы, проживающие в северных широтах, при изготовлении меховой одеж ды и обуви применяют мех в качестве и наружного, и подкладочного материала.

Удельная теплоемкость текстильных материалов в зависимо сти от волокнистого состава изменяется в пределах 1,09...2,18 кДж/(кг К). Удельная теплоемкость материалов, как и теплопроводность зави сит от химического состава, строения, влажности и температуры ок ружающей среды. На рис. 2.14 приведены кривые изменения удельной теплоемкости при постоянном (ср) давлении кож для наружных дета лей низа (кривые 1,2) и верха обуви в зависимости от температуры.

При понижении температуры от 273 до 163 К наблюдается снижение ср для кож независимо от их влажности, что связано с уменьшением их внутренней энергии. Однако у абсолютно сухих кож (кривые 1, 3) значения ср при соответствующих температурах меньше, чем у кож, находящихся в гигроскопическом состоянии (2,4).

Т, К 173 193 213 233 253 Рис. 2.14. Изменение удельной теплоемкости при постоянном давлении в зависимости от температуры:

1,2 - подошвенная кожа;

3,4 - юфть (1,3 - абсолютно сухих;

2,4 - в гигроскопическом состоянии) Более высокая удельная теплоемкость у влажных кож связана с тем, что содержащаяся в коже влага имеет более высокую удельную теплоемкость, чем воздух и коллаген (см. табл. 2.12).

Таким образом, теплофизические свойства материалов непо стоянны и зависят от температуры, влажности, атмосферного и меха нического давления, а также от комплексного действия нескольких факторов окружающей среды. Поэтому при выборе материала для со ответствующей детали нужно четко знать, какие факторы окружаю щей среды будут воздействовать на данные материалы в условиях эксплуатации изделия.

а-107, X, Материал м2/с Вт/(м·°С) Чепрак винтовой 0,09... 0,22 1,19... 1, Кожа стелечная 0,10... 0,14 1,04.

Резина подошвенная непористая 0,35 2, Резина подошвенная пористая 0,14... 0,23 1, Юфть хромтаннидного дубления 0,10... 0,16 0,86... 1, Выросток хромового дубления 0,10... 0,13 0,72... 0, Кожа подкладочная 0,08... 0,09 0,53... 0, Кожкартон 0,12 Войлок 0,15 0, Тик-саржа 0,06 Байка полушерстяная арт. 4917 0,03 Воздух 0,026 Вода 0,68 1, Лед при температуре 0°С 2,21 38, Лед при температуре 20°С 2,24 ----- Медь 386,12 1027, Из приведенных данных видно, что тепло- и термопровод ность непористых резин больше, чем пористых. Возрастание пористо сти кожи с 38,33 до 47,97 % приводит к снижению теплопроводности с 0,094 до 0,080 Вт/(м·°С). Аналогичные изменения наблюдаются для тканей, нетканых материалов и др. Уменьшение теплопроводности материалов с увеличением их пористости связано с тем, что у воздуха и других газов, заполняющих пустоты в материалах, значительно ни же, чем у полимерного вещества, из которого изготовлен тот или иной материал.

Давление воздуха, Материал Па 105 ИР Перкаль 0,041 0, Пряжа х/б плотностью 430, диаметром 0.13 мм 0,070 0, Стеклоткань ТСОН-нп плотностью 200, диаметром 0,33 мм 0,036 0, Пакеты тканей из нитей капроновых диаметром 1,7 мм 0,103 0, Пакеты тканей из нитей лавсановых диаметром 1,5 мм 0,084 0, Исследования, проведенные Л.А. Онищенко, М.А. Сухаревым, В.А. Смирновым, А.П. Жихаревым, Б.А. Бузовым и другими автора ми, показали, что теплопроводность пористых материалов (в частно сти, тканей, пакетов и нитей) существенно зависит от давления атмо сферы.

С понижением атмосферного давления с 105 до 10-3 Па тепло проводность уменьшается для тканей и пакетов тканей в 2,5...6 раз, нитей – 1,1...1,6 раза. Полученные данные свидетельствуют о том, что в тканях и других пористых мате риалах теплопередача осуществляет ся не только по твердому веществу материала при нормальном атмо сферном давлении, но и конвекцией, и излучением. Поэтому опреде ляемая из опытов теплопроводность обувных материалов учитывает все виды теплопередачи. Таким образом, увеличение пористости ма териалов или наличие воздушных прослоек в пакетах материалов су щественно уменьшает тепло- и термопроводность обувных материа лов, что увеличивает их термическое сопротивление и, следовательно, теплозащитные свойства. При производстве и эксплуатации изделий на материалы действуют различные внешние факторы: влага, темпе ратура, внешнее давление и др. Изменение теплопроводности кож по мере увеличения их влажности зависит от вида исходного сырья, по крытия, технологии изготовления и назначения кож. Увеличение теп лопроводности кож с повышением их влажности связано с тем, что влага заполняет микро- и макрокапилляры кожи, а теплоперенос осу ществляется теплопроводностью как по твердому веществу кожи, так и по воде, теплопроводность которой в шесть и более раз выше, чем у абсолютно сухой кожи.

Подобные явления наблюдаются в кожах, тканях, нетканых материалах при отделке, жировании, крашении, пропитке. Например, увеличение содержания жирующих веществ в коже с 10,05 до 26,52 % ведет к возрастанию теплопроводности с 0,089 до ОДЮ Вт/(м°С).

При движении человека внутренние детали обуви испытывают давление сжатия от 0 до 0,19 МПа, что приводит к изменению плотно сти, пористости и, следовательно, теплопроводности материалов.

Опыты показали, что действие на материалы указанного давления увеличивает теплопроводность свиных подкладочных кож на 22,9%, спилка подкладочного на 74,1 %, искусственной кожи, дублированной пенополиуретаном, на 133%. Теплофизические свойства кож при из менении температуры окружающей среды непостоянны. На рис. 2. приведены данные В.С. Каштана о влиянии температуры на тепло проводность кожи хромтаннидного дубления различной влажности.

Из кривых следует, что наибольшую теплопроводность имеют кожи влажностью 50 %. Теплопроводность кож влажностью 50 % при тем пературе менее 0°С выше, чем при температуре более 0°С.

Рис. 2.15. Зависимость теплопроводности кожи хромтаннидного дуб ления (чепрак) от температуры влажности кожи, %: 1-6,2-28,3- Это связано с тем, что в коже при температуре менее О °С в макрокапиллярах, заполненных водой, проходит процесс фазового пе рехода воды из жидкости в лед. Теплопроводность льда в 3,2 раза вы ше теплопроводности воды, поэтому эффективная теплопроводность кож, у которых макрокапилляры заполнены льдом, выше теплопро водности кож, макрокапилляры которых заполнены водой.

Рис. 2.16. Зависимости удельной теплоемкости от температуры кож в сухом и гигроскопическом состоянии Удельная теплоемкость кож с изменением температуры от О до - 110°С уменьшается (рис. 2.16). Данное изменение Ср связано с уменьшением подвижности макромолекул полимерного вещества кож из-за снижения внутренней энергии. Присутствие в коже 6...9 % влаги независимо от температуры увеличивает теплоемкость подошвенной кожи и юфти (кривые соответственно 2 и 4) по сравнению с теплоем костью абсолютно сухих кож (кривые 1 и 3).

Таким образом, показатели физических свойств обувных мате риалов зависят от химического состава, строения, технологии получе ния и условий окружающей среды. Следовательно, чтобы осущест вить рациональный выбор материалов на изделия для соответствую щих климатических зон, необходимо провести всесторонние испыта ния, имитирующие условия эксплуатации. Зная теплофизические свойства материалов при соответствующих условиях эксплуатации изделия, можно определить эквивалентную теплопроводность пакета материалов для верха или низа обуви с последующим уточнением его свойств после лабораторного опробования. В процессе производства изделий из кожи и иногда при их эксплуатации материалы подверга ются действию повышенных и пониженных температур. Для оценки стойкости материалов к действию повышенных температур опреде ляют их тепло- и термостойкость. Теплостойкость характеризуют максимальной температурой, при которой изменения свойств мате риала носят обратимый характер. Термостойкость характеризуют температурой, при которой начинается термический распад материа ла, т. е. свойства изменяются необратимо.

При нагревании полимерных материалов поглощение тепло вой энергии приводит к движению молекул и атомов, т.е. увеличению подвижности макромолекул, сопровождающейся снижением прочно сти и повышением деформируемости материала, При более значи тельном повышении температуры в ряде случаев происходит химиче ская деструкция полимера и необратимое изменение свойств материа лов. Например, полиэтилен при нагревании деструктурируется, а по ливинилхлорид претерпевает химические изменения без разрыва свя зей в главной цепи.

Важнейшим фактором, определяющим тепло- и термостой кость полимеров, является энергия связи между атомами в главной цепи. Наиболее устойчива к действию тепла углерод - углеродная связь. Наличие атомов водорода в молекуле полимера резко снижает энергию связи. Неразветвленные полимеры, особенно стереорегуляр ные, более термостойкие, чем разветвленные. При наличии кислорода в составе полимера (например, в целлюлозе) его термостойкость неве лика.

Изделия из пластмасс эксплуатируются в твердом состоянии – кристаллическом или стеклообразном, поэтому их теплостойкость ог раничивается температурой стеклования. Для определения отношения материала к действию повышенных температур используют термоме ханический метод.


Он заключается в построении зависимостей де формации от температуры (термомеханических кривых). Материалы для изделий из кожи существенно различаются структурой и типом полимерной составляющей, поэтому их поведение при нагревании различно. Выдубленные коллагеновые волокна, являющиеся основой кожи, при нагревании до определенной температуры самопроизвольно укорачиваются вдоль своей оси. Сокращение образца кожи сопровож дается изменением ее свойств. Такое явление называют свариванием, а температура, при которой начинается резкая усадка образца, – тем пературой сваривания. Эту температуру можно считать пределом теп лостойкости кожи. Явление сваривания подробно описано в работах А.Н. Михайлова, Г.И. Кутянина, Р.С. Уруджева. С повышением тем пературы увеличиваются колебательные движения связей, соединяю щих коллагеновые цепи. При достижении температуры сваривания колебательные движения разрывают связи между цепями, что сопро вождается уменьшением размеров и предела прочности образца при растяжении.

На термостойкость кож существенно влияет характер связей в структуре коллагена и связей, возникающих в процессе дубления. Ус тановлено, что температура сваривания сухого коллагена не зависит от метода дубления, но под влиянием дубления момент появления те кучести коллагена при нагревании сдвигается в область более высо ких температур, так как разрушение образовавшихся при дублении более прочных связей требует большей температуры. Тепло- и термо стойкость кожи зависят от продолжительности термообработки, мето да дубления, содержания влаги и жира, других факторов.

Кривые термической усадки кожи приведены на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Кривые термической Рис. 2.18. Термомеханические усадки голья (/) и кожи кривые синтетических хромового дубления (2) кож СК-8 (/) и СК-2 (2) При воздействии тепла на сухую кожу решающее влияние на усадку оказывает время начального периода термообработки. Напри мер, основная усадка кожи при ее нагревании в течение 60 мин при постоянной температуре происходит на первой минуте – 40…80% общей усадки. Увлажнение кожи снижает температуру сваривания и увеличивает усадку, так как гидратация ослабляет силу связи между цепями. Температура сваривания кожи зависит от метода дубления и количества дубящего агента. Наибольшую устойчивость к нагреванию сообщают коже основные соли хрома, причем при увеличении содер жания хрома термостойкость кожи возрастает. При комбинированном методе дубления наибольший эффект дает сочетание солей хрома с алюминиевыми квасцами. Температура сваривания кожи таннидного дубления составляет 70...85°С, жирового – -65...-70°С. Свойства кожи зависят от температуры сваривания. Например, кожи с повышенной температурой сваривания имеют более высокий модуль упругости, малую остаточную деформацию и меньшую истираемость.

Увеличение содержания жира в коже снижает ее усадку. Кро ме температуры сваривания характеристикой термостойкости кожи является гигротермическая устойчивость. Ее определяют как отноше ние пределов прочности при растяжении группы образцов, подвергну тых гигротермической обработке (намокание 1 ч, выдержка в эксика торе над водой при температуре 60°С 4 ч, повторное намокание 0,5 ч), и группы образцов, только увлажненных в воде в течение 18 ч. Для подошвенных кож этот показатель должен быть не менее 80%.

Тепло- и термостойкость резин зависят от природы каучука, состава резиновой смеси и структуры вулканизующей группы. Наибо лее высокой тепло- и термостойкостью обладают резины на основе силиконовых каучуков. Удовлетворительна теплостойкость бутадиен нитрильных каучуков типа СКН-40М, на основе которых изготовляют подошвы спецобуви для рабочих горячих цехов металлургической промышленности. Низка теплостойкость подошв на основе бутадиен стирольных каучуков СКС-30, БС-45К, из которых изготовляют по дошвы для большинства видов обуви. Наличием звеньев стирола в бу тадиен-стирольных каучуках объясняется легкая формуемость подошв при нагревании. В результате возникает дефект «вылегание следа обуви», для предотвращения которого в резиновую смесь добавляют смолы с высокой температурой размягчения. Поведение резин при действии тепла зависит от типа вулканизатора. При использовании в рецептуре тиурама и термореактивных смол образуются углерод – уг леродные поперечные связи, обеспечивающие более высокую термо стойкость, чем полисульфидные в серных вулканизатах. Повышению теплостойкости способствует замена углеродных наполнителей (тех нический углерод) минеральными (асбест).

При литье подошв и каблуков из полимеров (поливинилхло рид, полиэтилен, полипропилен, капрон) последним необходимо обеспечить переход в вязкотекучее состояние при возможно более низкой температуре, которая и будет определять теплостойкость из делия, т.е. сохранение его формы при нагревании. Температура плав ления полиэтилена БД составляет 105...115°С, полиэтиленаНД – 125...131°С, полипропилена – -160...170°С, композиций поливинил хлорида – -120°С, капрона – -215°С.

Искусственные кожи для верха обуви испытывают действие повышенных температур в основном в процессах термофиксации, ко гда материал вытягивается на определенную величину (6...9%), а за тем при постоянной деформации подвергается термофиксации при температуре 150...200°С в течение 5...10 мин. Н.Ф. Вороновым полу чены термомеханические кривые деформации искусственных кож СК 2 и СК-8 (рис. 2.18), различающихся наличием у СК-2 промежуточно го слоя подлицевой ткани. Образцы были предварительно вытянуты усилием, составляющим 10 % нагрузки при разрыве. Для кожи СК- характерно интенсивное увеличение удлинений с повышением темпе ратуры с точкой перегиба при температуре 78°С, обусловленной раз мягчением материала. У кожи СК-2 наличие подлицевой ткани обу словливает постепенное нарастание удлинений при увеличении тем пературы без перегиба кривой. Увеличение предварительной вытяжки приводит к возрастанию максимальной термической усадки, особенно при более высоких температурах термофиксации. Теплостойкость тканей зависит в основном от их волокнистого состава. Целлюлозные волокна при нагревании до температуры 100°С снижают свою проч ность на 20…30%, но восстанавливают ее при охлаждении. Повыше ние температуры до 140...150°С приводит к необратимым химическим изменениям целлюлозных волокон. Полиэфирные волокна выдержи вают длительное нагревание при температуре 160°С, а полиакрило нитрильные - до температуры 180°С. Эти волокна плавятся при тем пературе 250...260°С, а асбестовые волокна – при температуре 1450...1550°С. При контакте ткани с нагретой поверхностью повреж дается наружный слой волокон. Если ткань увлажнена, то тепло рас пределяется на большую глубину и повреждение волокон будет меньшим.

При действии на материалы изделий из кожи пониженных температур (от 0 до -40°С) их свойства, прежде всего механические, существенно изменяются: повышаются показатели истираемости, же сткости, разрывная нагрузка возрастает в ряде случаев на 20...40%, снижаются разрывные удлинения на 10...30 %, сопротивление много кратному изгибу. Многократное охлаждение-нагревание изменяет структуру и свойства материалов. Характер изменения свойств мате риала при действии пониженных температур зависит от вида полиме ра, степени его гидрофильности и влажности материала. При пони женных температурах уменьшается тепловая подвижность полимеров.

У гидрофобных материалов, содержащих небольшое количество вла ги, влияние охлаждения-нагревания менее существенно, чем у гидро фильных. Это объясняется тем, что при фазовом переходе вода – лед объем льда увеличивается на 9 %. В гидрофобных материалах изме нение сказывается лишь на макроструктуре материала, а у гидро фильных, содержащих во много раз больше влаги, распространяется и на молекулярный уровень.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ТЕКСТИЛЬНЫХ ПОЛОТЕН Цель работы. Изучение аппаратуры и методики определения теплозащитных свойств полотен.

Задание 1. Изучить характеристики теплопроводности тек стильных полотен, аппаратуру и методику испытаний.

Задание 2. Определить показатели теплозащитных свойств полотна методом регулярного или стационарного теплового режима.

Основные сведения Теплозащитные свойства полотен зависят от их теплопровод ности-способности проводить тепло от более нагретой среды к более холодной. Основными характеристиками теплопроводности являются:

– коэффициент теплопроводности, [Вт/(м°С)], показываю щий тепловой поток, который проходит за 1 ч через 1 м полотна тол щиной 1 м при разности температур 1°С:

= Qb /( S (T1 T2 )), (2.56) где Q – тепловой поток, Вт;

b – толщина полотна, м;

S – площадь по лотна, м2;

– время прохождения теплового потока, ч;

Т1,Т2 – темпе ратура сред, °С;

Коэффициент теплопередачи К [Вт/(м °С)], показывающий теп ловой поток, который проходит за 1 ч через 1 м2 полотна при его фак тической толщине и разности температур сред 1 °С:

K = Q /( S (T1 T2 )), (2.57) 1Вт=0,86ккал/(чм°С).

Удельное тепловое сопротивление р (м·°С/Вт) -характеристика, обратная коэффициенту теплопроводности;

показывает, на сколько градусов охлаждается среда с более высокой температурой при про хождении через 1 м2 полотна условной толщины теплового потока в Вт:

p = S /(T1 T2 ) / (Qb ) = 1 /, (2.58) Тепловое сопротивление R(м2°С/Вт) – характеристика, обрат ная коэффициенту теплопередачи;

показывает, на сколько градусов охлаждается среда с более высокой температурой при прохождении через 1 м2 полотна фактической толщины b теплового потока в 1 Вт:

R = S (T1 T2 ) / Q = b / K (2.59) Удельное тепловое сопротивление р и тепловое сопротивление R характеризуют способность полотен препятствовать прохождению через них тепла, т.е. их теплозащитные свойства. Для текстильных полотен в качестве основной характеристики теплозащитности ис пользуют суммарное тепловое сопротивление Rсум (м2 ·°С/Вт):

Rсум=Rв +Rм +Rп (2.60) где Rв – сопротивление переходу тепла от более теплой среды к внутренней поверхности полотна;


Rм – тепловое сопротивление по лотна;

Rп – сопротивление переходу тепла от наружной поверхности полотна в окружающую среду.

Коэффициент теплопередачи К, определяют как обратную ве личину суммарного теплового сопротивления: К= 1/К.

Суммарное тепловое сопротивление определяют методами ре гулярного стационарного режима.

Метод регулярного режима основан на измерении скорости (темпа) охлаждения нагретого до заданной температуры тела, изоли рованного от окружающей среды испытуемой пробой. Темп охлажде ния V (с-1) определяю по формуле:

u = (ln N i ln N k ) /, (2.61) где ln N i, ln N k – натуральные логарифмические функции показаний гальванометра, соответствующие перепадам температур;

– время ох лаждения пластины прибора (Т1 - Т2) в заданном перепаде температур, с.

На основании темпа охлаждения Rсум (м°С/Вт) рассчитывают в зависимости от применяемой аппаратуры по следующим формулам:

Rсум=1/(Ф);

(2.62) Rсум=Е/ФК(-ВЕ), (2.63) где Ф – фактор прибора, Дж/(м2°С);

Е – коэффициент, учитывающий соотношение теплоемкостей пластины и полотна, Дж/°С;

К – коэф фициент, учитывающий рассеяние теплового потока в пробе;

В – по правка на рассеяние теплового потока в приборе, с-1.

Коэффициент Е вычисляют по формуле:

Е=2С1/(3С1+С2), (2.64) где С1, С2 – полная теплоемкость соответственно пластины прибора и полотна, Дж/°С (С2 = 1,675-103· mS, где m - поверхностная плотность полотна, кг/м2;

S - площадь пластины, м2).

Коэффициент К вычисляют по формуле:

К=0,4+0,6/(1+2(b+bc)/d2), (2.65) где b – толщина пробы, мм;

c – толщина воздушной прослойки между пластиной и пробой, мм (при плотном прилегании bc = 0);

d – диаметр пластины прибора, мм.

Метод стационарного режима основан на определении количе ства теплоты, необходимого для поддержания постоянной разности температур двух сред, изолированных друг от друга испытуемой про бой. Коэффициент теплопроводности К [Вт/(м°С)] в стационарном режиме при работе на приборе ИТ-3 определяют из соотношения:

=qb/T, (2.66) q - плотность теплового потока, Дж/м2 [д = ед/Кд, где ед – где теплоэлектродвижушая сила (ТЭДС) теплового потока, мВ;

Кд – ко эффициент преобразования теплового потока в ТЭДС, мВ·м2/Вт (пас портная характеристика датчика)];

ДГ – разность температур поверх ностей пробы, °С ГДГ = Де/Ст, где Де - разность ТЭДС термопар е1 и е2 «горячей» и «холодной» поверхностей пробы, мВ;

Кт – чувстви тельность термопары, °С (паспортная характеристика термопары).

Таким образом, формула для определения коэффициента теп лопроводности полотна, испытанного на приборе ИТ-3, принимает вид:

=bKТ/ KД( eД/e), (2.67) Тепловое сопротивление полотна определяют по формуле (2.58). Средняя температура полотна (°С):

Т=0,5(Т1+Т2 ), (2.68) где Т1,Т2 – графические значения температур, полученные по ТЭДС термопар и соответствующие поверхностям пробы, обращенным к на гревателю и холодильнику.

Для проведения испытаний по методу регулярного режима ис пользуют бикалориметр и прибор ПТС-225 (ГОСТ 20489-75). Бикало риметр представляет собой полый стальной цилиндр 4, торцы которо го изолированы эбонитовыми колпачками 3 с теплоизоляционным ма териалом. Термоизоляционные колпачки имеют крючки для подвески бикалориметра. Температуру цилиндра и окружающей среды измеря ют термопарой 2, рабочие спаи которой припаяны к внутренней стен ке цилиндра;

вторые спаи, вмонтированные в специальную трубку, находятся в окружающей среде. Концы термопары подключены к гальванометру 7. Нагрев бикалориметра с надетой пробой 6 осущест вляется токами Фуко с помощью индукционной катушки до темпера туры приблизительно 40 °С. В процессе охлаждения пробы по деле ниям шкалы гальванометра ведут отсчет разности температур бикало риметра.Принципиальная схема прибора ПТС-225 показана на рис.

2.19. Пробу ткани 9 с помощью прижимного и игольчатого устройств закрепляют на передней крышке корпуса 2, В центре крышки распо ложена пластина 10 диаметром 225 мм, подогреваемая электронагре вателем И до заданной температуры. Для образования между пробой и пластиной воздушного зазора до 5 мм используют текстолитовое кольцо. Прижимной механизм 1 служит для создания определенного давления на пробу (при испытании меха ворсом к пластине). При ис пытании проб на воздушном потоке определенной скорости исполь зуют аэродинамическое устройство, состоящее из трубы 5 и вентиля тора 6, частота вращения которых регулируется автотрансформатором 7. Температуру окружающей среды определяют термопарой 3, а для измерения перепада температур между поверхностью пластины и ок ружающим воздухом используют гальванометр 8 с термопарой 4.

Рис. 2.19. Схема прибора ПТС-225 для определения суммарного теплового сопротивления МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ Для испытаний на бикалориметре выкраивают единичную пробу, длина которой равна окружности бикалориметра плюс 20 миллиметровый припуск на шов, а ширина – высоте бикалориметра.

Пробу сшивают в виде рукава и надевают на бикалорнметр, который подвешивают в камеру спокойного воздуха. Снизу на бикалориметр с пробой надевают индукционную катушку, подвешивая ее на крючки.

Катушку подключают в электросеть для нагревания бикалориметра и, включив осветитель гальванометра, проверяют нулевое положение его указателя. Проверку и установку нулевого положения указателя гальванометра производят перед каждым испытанием. После провер ки гальванометр подключают к бикалориметру. Указатель гальвано метра в виде светового квадрата фиксирует происходящий процесс.

Нагревание ведут до остановки указателя на делении шкалы «500».

Затем индукционную катушку выключают из электросети и удаляют из камеры. Указатель начинает перемещаться в обратном направле нии. При достижении им деления шкалы «450» включают секундомер и снимают его показания в 10 точках шкалы с интервалом между ни ми 10 мм.

Результаты первичных измерений записывают в таблицу 2.14.

По данным замеров строят график темпа охлаждения бикалориметра, откладывая по оси абсцисс время охлаждения (Т1), а по оси ординат – натуральные логарифмические функции показаний гальванометра (lnN). По координатам двух наиболее удаленных друг от друга точек, лежащих на прямолинейном участке графика, определяют темп охла ждения бикалориметра как тангенс угла наклона прямой к оси абс цисс, а затем по формулам (2.57) и (2.60) определяют коэффициент теплопередачи и суммарное тепловое сопротивление.

Т а б л и ц а 2. Показания гальванометра Время охлаждения Т, °С деления шкалы, мм lnN Для определения теплозащитных свойств изделия на приборе ПТС-225 выкраивают пробу размером 300X400 мм. Испытания можно проводить как в условиях естественной конвекции воздуха, так и при действии воздушного потока со скоростью 5 м/с, направленного по отношению к поверхности пробы под углом 45*. Пластину нагревают до перепада температур 60°С между пластиной и окружающим возду хом, затем электронагреватель отключают. При испытании в воздуш ном потоке включают вентилятор. Пластину охлаждают до перепада температур 55оС, а затем замеряют ее время охлаждения до перепада температур 45°С. Расчеты проводят по формулам (2.59), (2.61), (2.63), (2.64). Полученные данные записывают в отчетную таблицу 2.15.

Т а б л и ц а 2. Темп Суммарное тепловое Коэффициент охлаждения сопротивление теплопередачи, К, RCYM, -1 Вт/(м2· 0С) м с/Вт c При испытаниях по методу стационарного режима используют прибор ИТ-3. На приборе моделируются реальные условия эксплуата ции текстильных материалов, которые в процессе носки изготовлен ных из них изделий одежды и обуви контактируют одной стороной с нагретой поверхностью тела человека, передавая тепло более холод ной окружающей среде. Прибор ИТ-3 (рис. 2.20, а) состоит из двух пластин 2 и 7 с резиновыми прокладками, в которые вмонтированы термопары.

Рис. 2.20. Схема прибора ИТ-3 для определения коэффициента теплопроводности текстильных полотен (а) и тарировочная кривая для определения температуры пробы на приборе ИТ-3 (б) Испытуемую пробу 5 закладывают между резиновыми про кладками 4 к 6 так, чтобы рабочие спаи 13 и 14 термопар касались по верхностей пробы. Термопара 15 служит для замера температуры на гретой поверхности пробы, а термопара 16 – холодной поверхности пробы. «Холодные» спаи термопар помещены в термостат 17 с таю щим льдом, который поддерживает нулевую температуру с точностью ±0,5 °С. Рабочая проба имеет диаметр 100 мм при толщине не более 10 мм. Опускание и подъем верхней пластины на пробу 5 осуществля ется маховиком 10.

Ультратермостат 1 подает к нижней пластине 2 воду, нагретую до температуры окружающего воздуха. Верхняя пластина 7 обогрева ется электрическим нагревателем от стабилизированного источника напряжения 12. Мощность тока, подаваемая на пластину, регулирует ся в пределах 5-15 Вт. С помощью съемных грузов 11, расположенных на маховике, устанавливают давление верхней (горячей) пластины на рабочую пробу, толщину которой определяют толщиномером 9, вмон тированным в корпус прибора. Проверку и установку толщиномера на нуль производят с помощью кольца 8 до заправки пробы.

Тепло от нагретой пластины 7 через пробу с прокладками пе редается на нижнюю пластину 2 и с помощью датчика теплового по тока 3 регистрируется на шкале потенциометра 19. Вода, циркули рующая с помощью ультратермостата, поглощает тепло, охлаждает нижнюю пластину. Стабилизированный источник напряжения и ульт ратермостат автоматически поддерживают постоянную разницу тем ператур нагретой и холодной поверхностей пробы. Через 30 мин по сле включения нагрева верхней пластины с потенциометра поочеред но снимают показания ТЭДС термопар и датчика теплового потока.

При этом подача соответствующих напряжений на потенциометр осуществляется переключателем 18.

Т а б л и ц а 2. Наименование полотна № Числовые Показатели п/п значения Температура окружающего воздуха, °С Мощность нагревателя, Вт Толщина пробы, Температура воды в ультратермостате, °С ТЭДС датчика ед, мВ ТЭДС «горячей» термопары е, мВ ТЭДС «холодной» термопары е, мВ Коэффициент теплопроводности К, Вт/(м·°С) Тепловое сопротивление К9, м2 ·°С/Вт Средняя температура пробы, °С Зная значение ТЭДС (мВ), по рис. 2.20, б находят соответст вующие им значения температур Л и Гз, а также среднюю температу ру пробы. Затем по формулам (2.56) и (2.59) определяют коэффициент теплопроводности и тепловое сопротивление полотна. Полученные данные и результаты расчетов заносят в таблицу (таблица 2.16).

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ Отчет должен содержать: определение характеристик тепло проводности;

краткое описание температуры и методики определения теплозащитных свойств полотна;

результаты испытания полотен од ним из методов;

график темпа охлаждения, первичные результаты и расчеты.

2.12 Методы оценки При эксплуатации человек взаимодействует с обувью. В про цессе носки обувь воздействует на организм человека. При этом воз можно отрицательное влияние нерациональной конструкции обуви на здоровье и трудоспособность человека.

С гигиенической точки зрения систему «человек – обувь – среда» следует рассматривать более детально, а именно «человек (но га человека) – воздушный слой между ногой и так называемой внут ренней обувью – внутренняя обувь – воздушный слой между внутрен ней обувью и внутренними деталями обуви – детали обуви – среда».

Внутриобувной микроклимат – это воздушный слой, приле гающий к поверхности кожи и непосредственно влияющий на физио логическое состояние человека.

Внутриобувной микроклимат значительно отличается по сво им параметрам от климата окружающей среды. Он может создаваться как естественным (обмен компонентов через пространство между но гой и обувью, зазоры между деталями обуви и через материалы), так и искусственным путем. Его показателями являются относительные температура и влажность, а также содержание диоксида углерода СО2.

Наиболее благоприятными являются следующие относительные пока затели внутриобувного микроклимата: температура 21-33°С, влаж ность 60-73% (в обуви из натуральной кожи 64,3%), содержание СО2 0,8% [4].

Некоторые специалисты считают удовлетворительным Внут риобувной микроклимат, когда относительная влажность воздуха внутри нее не превышает 90%. При носке обуви с верхом из синтети ческой кожи такая влажность достигается за 1,5 – 2 ч, а в обуви с вер хом из натуральной кожи – за 5ч. Характер изменения температуры внутри обуви аналогичен характеру изменения относительной влаж ности.

Установлена зависимость между условиями внутриобувного микроклимата и изменениями объема стопы [4].

Температура воздуха внутри обуви имеет большое значение для физиологических функций человека, его самочувствия и работо способности.

Нормальная температура тела человека 36,8°С. Однако, по не которым данным, поверхность стопы утром при температуре окру жающего воздуха 14-16°С имеет температуру 28-32°С, которая днем понижается и на поверхности, обращенной к стопе, она равняется 19 22°С, а в тыльной части 20-25°С.

Когда человек надевает обувь, температура поверхности стопы вначале несколько повышается, затем понижается и становится даже ниже температуры обнаженной стопы.

Это свойство характеризует способность обуви проводить теп ло. При анализе данного свойства возникает необходимость рассмат ривать сложную связь и зависимость действия двух тепловых пото ков: из внутреннего пространства обуви наружу, в окружающую среду и из окружающей среды внутрь обуви. Теплопроницаемость - это ги гиеническое свойство обуви, обеспечивающее выведение тепла, выде ленного стопой, из внутриобувного пространства наружу в окружаю щую среду.

Теплопроницаемость зависит от химического состава, строе ния и влажности материалов. Наибольшую теплопроницаемость име ют материалы малопористые и с высокой влажностью. Теплопрони цаемость будет выше при наличии крупных, прямых, сообщающихся и сквозных пор, обеспечивающих более свободный перенос тепла средой (потоками воздуха, пара и влаги) при увеличении скорости воздушного и теплового потока и давления. Низкой теплопроницае мостью обладает воздух. Поэтому пористые материалы, в порах кото рых находится воздух, имеют меньшую теплопроницаемость, чем по ристые. Потери тепла через обувь слагаются из двух различных про цессов: потери тепла через низ и верх обуви.

Из 700-800 см2 площади ног, покрытой обувью, на опорную поверхность приходится всего 150 см2, то есть 15-20%. Кроме того, между опорной поверхностью ноги и стелькой отсутствует воздушная прослойка, которая имеется между тыльной частью стопы и верхом обуви. Опорная поверхность стопы непосредственно соприкасаются с низом обуви, и через систему материалов тепло уходит в опору, грунт.

Способность тела проводить тепло характеризуется коэффи циентом теплопроницаемости, Вт/(мК), равным количеству энергии, проходящей за 1ч через 1м 2 тела толщиной 1м при разности темпера тур на его гранях 1°С.

С повышением влажности материала теплопроницаемость возрастает, так как теплопроницаемость влаги в 24 раза выше тепло проницаемости воздуха [4].

Одной из основных функций обуви является защита ног чело века от охлаждения под влиянием слишком низкой температуры ок ружающей среды.

Хладозащитные свойства обуви. Значительное количество бы товой и производственной обуви, используется для носки в зимний период при пониженной температуре воздуха и опоры.

Некоторые данные показывают, что на Севере 70-90% всех случаев отморожения составляет отморожение конечностей, что обу словлено недостаточными хладозащитными свойствами обуви.

Резкое охлаждение конечностей приводит к общему охлажде нию организма, а также к возникновению простудных и других забо леваний.

Как известно, наиболее подверженной действию холода явля ется область пальцев, которые при стоянии и частично при ходьбе че ловека плотно прилегают к низу обуви. Отдача тепла поверхностью обуви в опору (снег, мокрая почва) при плотном прилегании низа происходит более интенсивно, чем в воздух. Верх по сравнению с ни зом обуви менее плотно прилегает к стопе и не подвергается сжатию, поэтому имеющиеся воздушные прослойки способствуют повышению изоляции стопы от холода [4].

Необходимым условием возникновения потока теплоты явля ется наличие разности (т.е. градиента) температур отдельных частей тела или системы тел (твердых, жидких и газообразных).

Температура обозначена буквами Т или t, и измеряется соот ветственно, в Кельвинах (К) или градусах (°С) (ТК= t,°С=273).

Тепловой поток через площадь F (м2), перпендикулярную это му потоку, обозначим через Q (Вт);

плотность теплового потока, т.е.

поток теплоты сквозь единицу площади, через q 2, где Вт м q= Q/F, (2.69) Следовательно, градиент температуры в теле есть та движущая сила, которая определяет перенос теплоты.

В природе различаются три вида переноса теплоты: теплопро водность, конвекция, излучение.

Под теплопроводностью понимается процесс переноса тепло ты через соприкосновение структурных частиц тела (атомов, молекул, электронов и др.).

В разных системах механизм передачи теплоты различен. На пример, перенос энергии теплопроводностью в газах обусловлен, так называемым, двойными и тройными столкновениями молекул.

Другой механизм теплопроводности - перенос тепловых коле баний микрочастиц в виде упругих волн. Он характерен для твердых диэлектриков.

В металлах передача теплоты осуществляется в основном вследствие диффузии свободных электронов.

В дальнейшем будет использоваться феноменологическая тео рия теплопроводности, т.е. тела будут рассматриваться как сплошные системы, не вдаваясь в молекулярный механизм переноса.

Итак, процесс переноса теплоты и его направление связаны с характером распределения температур (t) в теле. В общем случае t=t (х, у, z, ). Эта скалярная функциональная зависимость носит название температурного поля. Здесь, х, у, z — декартовы координаты, а время (с). Если t зависит от времени, то поле называется неустановившимся (или нестационарным). В противном случае – установившимся (ста ционарным).

Температурное поле может быть 3-х, 2-х-и одномерным в за висимости от числа координат, определяющих его. В пространстве все точки с одинаковой температурой образуют изотермическую поверх ность. Любая кривая, принадлежащая этой поверхности, является изо термой. Изотермические поверхности либо замыкаются сами на себя, либо выходят на границы рассматриваемого тела [6].

В качестве характерного примера приведем картину поля тем пературы вокруг стопы человека, имеющей температуру более высо кую, чем температура окружающей среды (Приложение Б).

Цель основных методов оценки тепловых свойств обувных ма териалов – определить коэффициент теплопроводности и температу ропроводность, а также показатели свойств материалов, учитываю щих их толщину, тепловые сопротивления и коэффициент внутренней теплопередачи.

Рис. 2.21. Поле температуры вокруг стопы человека Рис. 2.22. Схема бикалориметра К наиболее важным факторам, влияющих на человека, кото рые следует учитывать при разработке требований к материалам обу ви для защиты от воздействий низких температур, необходимо отне сти температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как давление и влажность воздуха, в обычных условиях имеют второстепенное значение, однако при большой влажности воз духа заметно повышается равновесная влажность материалов обуви и их теплопроводность.

Мокрый снег или тающий лед создает условия высокой тепло отдачи от поверхности обуви во внешнюю среду и могут приводить к значительному охлаждению стопы человека в обуви. Данные условия можно охарактеризовать двумя показателями: коэффициентом тепло отдачи и влажностью материалов обуви.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.