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 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 8 |

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

-- [ Страница 5 ] --

При носке обуви в зимний период (при наличии снега) должна быть исключена возможность попадания снега внутрь обуви через верхний край, а также прилипания снега к поверхности обуви, т.к. при входе в теплое помещение снег тает и увлажняет обувь.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состоя ния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, ха рактеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю среду (шероховатости внешней поверхности, цвета и т.д.).

При изучении процесса перехода тепла от стопы человека к внутренней поверхности обуви стопа рассматривается как тело с бо лее высокой температурой, отдающее тепло. Температура кожного покрова стопы определяется соотношением количества поступающего к ней тепла и интенсивности отдачи его в окружающую среду при оп ределенной теплоизоляционной способности обуви и ее конструктив ных элементов (верха и низа, утепления отдельных участков обуви).

Температура кожи на разных участках стопы изменяется во времени.

В зимний период обувь используют с внутренней обувью: нос ками, чулками. Часто применяются специальные утеплители, входя щие в комплект обуви. Обычно обувь обеспечивает возможность не которого изменения стопы, что необходимо для нормального функ ционирования кровеносных сосудов при передвижении и покое чело века.

Таким образом, пространство между стопой и обувью всегда заполнено прослойками из волокнистых материалов (трикотаж, тек стильные, нетканые или войлочные материалы, натуральный или ис кусственный мех и др.).

Структура этих материалов включает в себя большое количе ство воздушных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими мате риалами, между слоями материалов, а также между поверхностью ма териалов и внутренней поверхностью обуви образуются воздушные прослойки различной толщины и протяженности, способствующие сохранению тепла в обуви.

Территория Российской Федерации расположена в различных климатических зонах. Для защиты человека от воздействия низких температур должна изготавливаться специальная обувь, которая обес печивала бы создание комфортных условий в течение того периода носки, который обусловлен технологическим режимом нахождения человека в этих условиях.

При изготовлении обуви материалы, входящие в конструкцию верха, подвергаются различным обработкам, что оказывает влияние на тепловые свойства конструкции верха обуви. Соединение деталей между собой, метод их крепления также вносит определенный допол нительный эффект, влияющий на тепловые свойства верха, вследствие образования утолщения, уплотнения, а также воздушных прослоек и пр.

Влияние всех этих факторов учесть весьма трудно. Подсчет суммарных тепловых сопротивлений верха обуви, как многослойной системы, можно произвести только приближенно.

К тому же баланс теплообменных процессов человека с окру жающей средой, характеризующиеся равенством количества тепла, образующегося в организме и поступающего извне, и всех его тепло потерь наблюдается достаточно редко. При быстро меняющихся усло виях внешней среды и режиме физической нагрузки поддерживать со стояние тепловой уравновешенности практически невозможно.

Поэтому при разработке конструкции обуви величина показа теля теплозащитных свойств и рациональная величина соотношений тепловых сопротивлений низа и верха должны быть выявлены из обобщенных экспериментальных данных по гигиенической оценке разных видов обуви при носке ее человеком в различных метеороло гических условиях.

Технологический процесс производства комфортной обуви представляет собой сложную систему со многими факторами, изуче ние которого продолжает выполняться традиционными методами проведения Комфортность является сложным эргономическим свойством обуви, характеризующим её способность обеспечивать нормальное состояние стопы и всего организма человека при различных условиях и в течение всего срока эксплуатации, определяемых назначением обуви. Составляющие комфортности обуви - это соответствие внут ренней формы и размеров обуви форме и размерам стопы при отсут ствии чрезмерного давления на стопу при носке, и гигиеничность способность поддерживать нормальный влаго-температурный режим стопы и всего организма при отсутствии вредных и токсических воз действий. [10] Обувь создаёт вокруг стопы человека определённый микро климат, на состояние которого оказывает влияние три основных фак тора:

• условия внешней среды;

• организм носчика;

• конструкция и свойства материалов обуви.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состоя ния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, ха рактеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю сре ду. К наиболее важным факторам, влияющим на человека, которые следует учитывать при разработке требований к обуви для защиты от воздействий низких температур, необходимо отнести температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как давление, влажность воздуха, в обычных условиях имеют второсте пенное значение, однако при большой влажности воздуха заметно по вышается равновесная влажность материалов обуви и их теплопро водность.

Окружающей средой для человека в обуви являются воздух, твёрдый грунт или снег и вода. Обувь должна обладать комплексом теплозащитных свойств, смягчающим неблагоприятное воздействие на человека внешней среды. Поэтому её теплозащитные свойства имеют исключительное значение для защиты ног и создания при по ниженных температурах окружающей среды комфортных условий для всего организма.

Влияние организма носчика определяется его тепловым со стоянием и интенсивностью потовыделения, зависящими от уровня физической нагрузки и индивидуальных особенностей человека. Од ной из важнейших зон терморегуляторных реакций у человека явля ются дистальные отделы конечностей, особенно стопы. Так, у челове ка, находящегося в комфортной зоне, уровень теплообразования в ор ганизме изменяется в прямой связи с термическими воздействиями на стопу. В частности, при холодовом раздражении стоп у человека, тело которого находится в условиях высокой температуры окружающей среды, теплообразование усиливается. Наоборот, активное нагревание ног извне при общем холодовом воздействии на тело приводит к уменьшению теплообразования.

В организме человека поддерживается оптимальная темпера тура - около 37°С, лишь при этой температуре гармонично осуществ ляются жизненные процессы. При охлаждении кровеносные сосуды кожи сужаются и, следовательно, снижаются теплопотери, то есть те плопередача уменьшается. Кроме того, уменьшается поступление крови в капилляры кожи, что также снижает теплоотдачу. Тепловой баланс организма в основном зависит от количества выработанного им тепла. Возникновение тепловой энергии в организме является ре зультатом усвоения кровью продуктов питания. На коже человека располагаются многочисленные (примерно 5000000) рецепторы, раз дражение которых вызывает тактильную чувствительность. Общее количество рецепторов, воспринимающих тепло и холод, составляет 280000, из них 30000 реагируют на тепло, а 250000 - на холод. Резкое охлаждение конечностей приводит к общему охлаждению организма, а также к возникновению простудных и других заболеваний. Несмот ря на относительно небольшие размеры стопы (масса стопы составля ет 2% от веса, а площадь - 3,2% от общей поверхности тела человека), температурное поле её неоднородно. Характер распределения темпе ратуры на поверхности стопы представлен в таблице 2.17.

Т а б л и ц а 2. Температурная топография стопы в условиях комфорта Температурный интервал, Средняя температура, Участок стопы 0 С С Голень 30-32,3 31, Тыл стопы 26,7-31,5 29, Пальцы стопы 19,8-33,2 26, Стопа в целом 29,3-30,6 30, Наиболее подверженной действию холода является область пальцев, которые при стоянии и частично при ходьбе человека 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 низом обуви менее плотно прилегает к стопе и не подвергается сжатию, поэтому имею щиеся воздушные прослойки способствуют повышению изоляции стопы от холода.

Изучая действие охлаждения на организм человека, можно от метить, что процесс охлаждения происходит в несколько стадий, раз личающихся характером и напряжённостью работы нервной и сосуди стой систем, компенсаторных терморегуляторных механизмов, вы званных действием внешней среды, степенью отклонений деятельно сти важнейших органов от нормы и нарушениями их деятельности.

Ещё на начальной стадии охлаждения тепловое состояние организма не нарушается, хотя отмечается начало снижения температуры, и ак тивная деятельность компенсаторных терморегуляторных механизмов только развивается. На следующей стадии охлаждения тела чётко проявляются колебания температуры кожи, более заметные на боль шом пальце, подошве, тыльной части стопы при выполнении челове ком физической работы. Меньше заметны колебания средневзвешен ной температуры кожи стопы человека, находящегося в состоянии от носительного покоя.

После прекращения охлаждения организма и обогрева темпе ратура кожи стопы ног восстанавливается. На дальнейших стадиях охлаждения ощущается недостаточность компенсаторных терморегу ляторных функций организма, постепенно усиливается травмирующее действие холода. Охлаждение конечностей до такой степени недопус тимо. При ещё большем охлаждении ног происходит нарушение функционирования и омертвление тканей, отморожение ног. Границы между охлаждением стопы носят, естественно, условный характер.

При комфортном состоянии температура кожи стопы не должна быть ниже 25-29°С, уже при температуре кожи большого пальца 15-17°С большая часть людей начинает ощущать охлаждение, а при ниже 15°С около 80 % людей ощущают холод [2].

Поддержание стопы в нормальных пределах достигается путём подбора материалов с определёнными теплофизическими характери стиками. Особо большое влияние на комфортность обуви оказывают гигиенические свойства материалов, используемые для изготовления деталей и узлов. Вполне естественным является использование для из готовления заготовки верха материалов, обладающих высокими ги гиеническими показателями, к которым относятся натуральные кожи, тканые и нетканые материалы на основе натуральных волокон.

Комфортность обуви достигается путём правильного подбора материалов верха и низа обуви, методов крепления деталей [1].

2.13 Теоретические предпосылки для оценки тепловых свойств материалов 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.

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.

Существуют две группы методов исследования теплофизиче ских материалов и изделий из них: методы стационарного теплового режима и методы нестационарного теплового режима.

Итак, проанализировав факторы, влияющие на оценку ком фортности обуви при воздействии на стопу низких температур, следу ет учесть их важность при конструировании и выборе материалов. К наиболее важным факторам необходимо отнести температуру возду ха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как влаж ность воздуха и давление имеют второстепенное значение. При разра ботке рекомендаций по оценке комфортности обуви при воздействии на стопу низких температур необходимо учитывать температуру воз духа, скорость ветра, атмосферные осадки, характер опорной поверх ности.

При стационарных режимах с помощью источника тепла по стоянной мощности в исследуемом объекте создается стационарное температурное поле. Измеряют температуру в характерных точках, геометрические параметры и пересчитывают их с помощью уравнения Фурье для определения коэффициента теплопроводности. Оценки те плозащитных свойств обуви можно произвести при этом либо по ко личеству теплоты, переносимому через обувь в единицу времени, ли бо по относительному охлаждению нагревательного ядра обуви, соот ветствующего внутренней его форме (без обуви и с обувью), либо сравнением потерь теплоты обувью с ее эталоном [6].

Из методов стационарного теплового режима при испытании обуви получил набольшее распространение метод регулярного тепло обмена при помощи бикалориметра, который заключается в регуляр ном охлаждении некоторой составной системы, состоящей из тепло вого ядра и окружающей его теплозащитной оболочки, помещенной в среду с постоянной температурой. Важным условием этого метода яв ляется возможность проводить исследования при коэффициенте теп лоотдачи =.

Наличие ядра – эталона позволяет установить расчетные фор мулы для определения коэффициента теплопроводности ( ), коэффи циента объемной теплоемкости (С), коэффициента температуроспо собности (а), коэффициента теплоотдачи (), термического сопротив ления теплопроводности R обуви и обувных пакетов [6].

Регулярный теплообмен – нестационарный процесс теплопро водности, при котором поле избыточной температуры = t-tf автомо дельно по времени, т.е. остается подобным при изменении времени.

Избыточной называется температура любой точки тела t, на ходящегося в регулярном теплообмене со средой, отсчитываемая от любой характерной для данного процесса температуры. В нашем слу чае такой температурой является температура окружающей среды tf.

Для понимания существа регулярного режима рассмотрим ре шение задачи об охлаждении произвольного тела в среде с постоян ной температурой. Общее решение одномерного уравнения нестацио нарной теплопроводности имеет следующий вид a nk = t ( x1 ) tf = Ak k ( x)e l, (2.70) k = где Ак - постоянные коэффициенты, зависящие только от начальных условий;

k (x) - функции, зависящие от координат и числа БИО l Bi =.

l Число БИО Bi = характеризует интенсивность теплооб мена на поверхности тела. Здесь - коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м-К);

l - характерный размер тела, м;

a = - коэффициент c теплопроводимости тела, м2/с Можно ввести еще безразмерный критерий времени, называе мый чиcлом Фурье F0 = a/c2 в решении (2.70) F0 есть коэффициент при nk2. Обычно множитель при обозначают буквой m.

a mk = nk, (2.71) l Поведение температуры в теле во времени, т.е. процесс охлаж дения тела можно разбить на две стадии - начальную и регулярную.

Начальная стадия охлаждения тела характеризуется неупоря доченностью процесса, зависящего от многих случайных факторов, когда процесс охлаждения захватывает все новые и новые области те ла.

С течением времени влияние начального поля ослабляется и во второй стадии нестационарный теплообмен регулируется (упорядочи вается). Математически это означает, что все члены уравнения (2.70), кроме первого, становятся малыми и ими можно пренебречь. В связи с этим закон изменения поля температуры в этой стадии принимает наипростейшую экспоненциальную форму = A ( x) e mt (2.72) Из (6.4) следует, что в регулярном режиме теплообмена ln изменяется с течением времени по линейному закону (2.73) ln = m0 + c Показатель m в конечных разностях ln 1 ln tg, m= (2.74) 2 характеризует быстроту регулярного охлаждения (или нагревания) те ла и называется теплом регулярного режима. Из (2.71) следует, что a m = m1 = ni, (2.75) l где ni - первое значение собственного числа nk.

По известной величине темпа m можно определить некоторые конкретные физические параметры и величины, например коэффици енты теплопроводности () и температурности (а), теплоемкость (с), коэффициент теплоотдачи () и др.

В связи с этим необходимо выразить важные для обуви вели чины (температуропроводность и коэффициент теплоотдачи) через темп регулярного теплообмена m.

Связь между а и m вытекает непосредственно из общего реше ния (2.70) и (2.71). Представим ее в следующем виде:

l a = m = k m, (2.76) n l где K = - коэффициент формы тела, зависящий от его конфигу n рации и размеров тела, поскольку n1 зависит от формы тела и числа В1 (т.е. от ) Например, для тела простейшей формы – шара К определен и имеет следующее значение R K =, (2.77) где l - R - радиус шара, а, n1= [6].

Получим выражение для темпа охлаждения тела через коэф фициент теплопередачи.

Для этого рассмотрим систему, состоящую из нескольких плотно соприкасающихся между собой тел с различными теплофизи ческими свойствами, которая находится в теплообмене с окружающей средой, имеющей постоянную температуру tf=const.

Рассуждения будет проводиться на примере системы, которая состоит из нагретого ядра (Я), окруженного со всех сторон, плотно прилегающей к нему тонкой оболочкой (В) толщиной и помещенной в среду с температурой tf=const. При этом предполагается, что обо лочка обладает малой теплоемкостью (Соб) по сравнению с теплоем костью ядра (Ся),(СобСя), а также Fя и F ввиду тонкости оболочки.

Ядро находится в регулярном теплообмене со средой через оболочку.

Коэффициент теплопередачи между ядром и средой, усредненный по поверхности F, равняется K=, (2.78) + R где R = - термическое сопротивление теплоотдачи от системы n n в среду;

- средний коэффициент теплоотдачи;

R = R = i =1 i = полное внутреннее термическое сопротивление теплопроводности оболочки, состоящей из п слоев.

Согласно закону сохранения энергии изменение внутренней энергии всей системы (ядро + оболочка) за любой промежуток време ни равно количеству тепла, отданного ядром через оболочку окру жающей среде в регулярном режиме охлаждения.

Исходя из определения темпа регулярного охлаждения тела, имеем d я d ln я K Fя, m= = = (2.79) я d d Cя где - безразмерный параметр, характеризующий неравномерность распределения температуры в системе ядро-оболочка.

Для системы без оболочки К= -, тогда Fя, m= (2.80) Cя Темп m и параметр зависит от условий теплообмена на по верхности системы.

Формула (2.79) отражает основную суть регулярного охлажде ния ядра в оболочке. Её работоспособность подтверждена опытным путем. Данную формулу можно использовать для различных практи ческих целей.

Важное применение описанная выше теория нашла в исследо вании процессов регулярного охлаждения двух составных тел (ядро + оболочка), условно названных «бикалориметрами».

Бикалориметр представляет собой тело, состоящее из ядра с равномерно распределенной температурой ( =1) и плотно облегаю щего оба слоя исследуемого теплоизоляционного материала в виде оболочки.

Чтобы ядро имело однородное поле температур ( =1), его обычно изготавливают из хорошо проводящего тепло металла.

Оболочка может состоять из одного или нескольких слоев раз ных материалов различной толщины (1, м) [6].

Полученные теоретически результаты используются при по строении и калориметра, который изображен на рисунке 1В (При ложение В), для определения теплозащитных свойств обуви в целом.

В качестве ядра использована подогретая до 370C вода, поме щенная в тонкий каучуковый баллон, выполненный по форме внут ренней обуви. Оболочкой является сама исследуемая обувь. Верхняя часть баллона надежно изолируются от потерь тепла теплоизоляцион ной крышкой. В крышке крепятся дифференциальная термопара для измерения избыточной температуры = t я t f и винтовая мешалка.

Мешалка позволяет хорошо выравнивать температуру по всему объе му ядра, что необходимо для выполнения условия =1. Составная оболочка бикалориметра (сама испытуемая обувь) удовлетворяет тре бованию малой толщины, т.е. условие / l 1 / 8 для обуви выполняется всегда. Здесь - полная толщина оболочки, l – характерный размер ядра бикалориметра. Теплоемкость обувной оболочки много меньше теплоемкости ядра.

Поскольку в описанном бикалориметре выполняются основ ные требования теории регулярного охлаждения ядра, то, следова тельно, к нему можно применить уравнение баланса энергии в форме d я = K F я я, Cя = (2.81) d Большой практический интерес представляет выражение для темпа охлаждения ядра в форме, m= (2.82) 1 Фя R + где Фя = Ся/Fя – «фактор» ядра. Учитывая однородность поля ядра ( =1), имеем 1 1 m= =, (2.83) 1 Фя R Фя R + где в качестве показателя теплозащитных свойств обуви принимается полное термическое сопротивление теплопередачи обуви, равное 1 = R +, а также внутреннее термическое сопротивление тепло R= k проводности обуви n n R = R1 =. (2.84) i =1 i = Фактор ядра зависит от геометрии обуви. Для стандартной Вт мужской обуви Фя =12,4 12,7. Для мужской обуви специаль м2 К Вт ного назначения Фя =12,7 15,1.

м2 К Вт Для стандартной женской обуви Фя =11,3 12,0.

м2 К Следовательно, для определения полного термического сопро тивления теплопередачи (R) необходимо определить при известном факторе ядра Фя Темп m регулярного режима охлаждения ядра бика лориметра в обувной оболочке.

Тогда согласно (2.83) R=. (2.85) m Фя Темп m определяется по опытным данным регулярного охлаж дения ядра в обувной оболочке.

Процедура определения темпа m упрощается, если проводить эксперименты при вполне определенных избыточных температурах я и я Например, я = 15 C и я = 10 С 0 1 2 1 ln 15 ln 10 ln 15 / 10 ln 3 / m= = =. (2.86) 2 1 И все измерения в опыте сведутся лишь к определению отрез ка времени, за которое происходит заданное изменение ln я.

Для определения внутреннего термического сопротивления теплопроводности обувной оболочки R без внешнего термического сопротивления теплоотдачи (1/-) необходимо организовать весьма интенсивную теплоотдачу ( ) от поверхности обуви. Тогда R примет следующую форму:

R =, (2.87) m Ф я где m = lim m, Для организации такого предельного теплообмена обувной бикалориметр погружают в резервуар со смесью воды и тающего льда. Обувь при этом одевают в тонкий малотеплоемкий резиновый чехол, плотно облегающий бикалориметр. Термическим сопротивле нием чехла можно пренебречь. Чехол предохраняет бикалориметр от размокания.

Коэффициент теплоотдачи - можно определить эксперимен тально по известным опытным значениям m и m 1 1 1 = = R R, (2.88) Ф я m m Фя или =, (2.89) 1 m m Сравнение расчетных и экспериментальных значений -а по зволяет судить о правильности постановки экспериментальных иссле дований теплозащитных свойств обуви при помощи бикалориметра.

В среднем для стандартной обуви на открыто воздухе Вт = 6.7 7.5. (2.90) м2 К По значению m можно определить коэффициент температу ропроводности, усредненный по всей обувной оболочке.

Коэффициент формы оболочки Коб можно определить из двух сравнительных опытов темпа охлаждения mоб двух ядер без оболочки, выполненных в форме обуви и шара одинаковых объемов. Для шара – эталона K m =. Тогда аоб=Коб·mоб – для обуви;

аш=Кш·mш – для R шара. Полагая аоб=аш, находим K об mоб = К ш mш. (2.91) И, следовательно, mш K об = К ш. (2.92) mоб Окончательно получаем:

mш а = Кш m. (2.93) mоб Как известно, обувь имеет разнообразные формы, которые оп ределяются, с одной стороны, ее функциональным назначением, с другой, диктуются модой. Поэтому фактор ядра бикалориметра Ся, будет иметь различное значение, а соответственно, и скорость Ф= Fя охлаждения бикалориметра также будет меняться.

Теплозащитные свойства обуви определяется, во-первых, ис пользуемыми материалами и, во-вторых, конструктивным оформле нием.

Анализ опытных данных показывает, что значение R = R + для различных композиций материалов и конструкций i Вт обуви находится в пределах 0,15 0,29. Для обуви тяжелого ви м2 К Вт да величина R может составлять даже 0.6.

м2 К Наиболее высокими теплозащитными свойствами обладает обувь с верхом из толстых пористых, ворсовых и рыхлых материалов.

Например, драпы с подкладкой из искусственного и натурального ме ха и ворсовой полушерстяной байки, с подошвой из пористой резины и пористого полиуретана.

Организация пакетов из композитных материалов, обладаю щих высокими R требует знания физических механизмов теплопере дачи, и поэтому в каждом конкретном случае требует глубокого спе циального анализа.

В таблице 2.18 приведены допустимые тепловые сопротивле ния обуви для различных периодов ее эксплуатации.

Расчет внешнего термического сопротивления теплоотдачи обуви R =, а также непосредственные экспериментальные оцен Вт ки его дают величину R = 0.11 0.13 для стандартной уличной м2 К обуви в условиях естественной конвенции. Для обуви массивного ти Вт па R = 0.07 0.11. Это средние показатели внешнего термиче м2 К ского сопротивления. Обувь с верхним слоем из плотных материалов с глянцевой поверхностью имеет более низкое внешнее термическое сопротивление, что соответствует теоретическим представлениям.

Наоборот, более высокие показатели R имеет обувь с наружной по верхностью из ворсовых материалов, которые располагают более тол стым тепловым пограничным слоем. Наиболее высокой величиной внешнего термического сопротивления теплоотдачи обладает утяже ленная обувь с меховым ворсом наружу.

Т а б л и ц а 2. Допустимые тепловые сопротивления обуви для различных периодов ее эксплуатации Термическое сопротивление, Диапазон м2 К/Вт Период температур, RВ RН R °С для обуви для верха для низа Переходный +5,0/4,9 0,14-0,18 0,8-0,11 0,22 - 0, I. холодный -5,0-19,9 0,18-0,27 0,12-0,22 0,23-0, П. холодный -20,0 - 34,9 0,27 - 0,37 0,28 - 0,27 0,31-0, III. холодный -35,0 - 49,9 0,37 - 0,52 0,27 - 0,39 0,35-0, 1У. холодный -50,0 - 64,9 0,52 - 0,72 0,40 - 0,56 0,46 - 0, Величина R может составлять половину и более величины теоретического сопротивления теплопередачи R для некоторых кон струкций.

Термическое сопротивление обуви также зависит от различ ных конструкций обуви. Анализ опытных и расчетных данных пока зывает, что термические сопротивления верха обуви различных кон струкций различаются в несколько раз. Для обуви одного вида это различие определяется используемыми материалами.

К примеру, анализ некоторых данных показывает, что при прочих равных условиях кожаные материалы верха оказывают слабое влияние на термическое сопротивление верха. При переходе на ма терчатый верх это влияние становится весьма существенным.

Влияние подкладки и поднаряда весьма значительно и может изменять величину термического сопротивления верха обуви в 2- раза.

В последнее время разрабатываются различные конструкции сетчатых миниподкладок из хлопчатобумажного и хлоринового во локна, которые при правильном подборе толщины и композиции зна чительно улучшают теплозащитные свойства обуви. С другой сторо ны, повышается долговечность и формоустойчивость.

Подошвенный материал оказывает большое влияние на терми ческое сопротивление теплопередачи низа обуви, но в меньшей мере на полное термическое сопротивление всей обуви из-за сравнительно небольшой доли поверхности подошв в общей площади поверхности обувной оболочки.

На термическое сопротивление низа обуви большое влияние оказывает способ ее крепления (рантовый, клеевой, горячей вулкани зации, винтовой гвоздевой), а также специальные детали, вводимые для тех или иных целей в состав подошвенного пакета (фурнитура, подложки, гвозди и т.д.).

В зимний период широко используются дополнительные вкладные утеплители в виде стелек, носков и чулок. Эти детали игра ют большую роль, поскольку позволяют регулировать влажность и за грязненность внутриобувного пространства. Конструкции стелек и используемые для них материалы весьма разнообразны. Обычно они бывают двухслойные. Например, войлок плюс формоустойчивый ма териал.

Тепловое сопротивление низа обуви можно в значительных пределах (до 2 раз) менять при помощи вкладных стелек различной конструкции. Лучшими показателями обладают стельки, конструкция которых учитывает потери теплоты излучения при помощи соответст вующих экранирующих пленок. Хороший эффект утепления обуви дают и специальные вкладные утеплители в виде чулок и носков.

На теплозащитную способность обуви оказывает влияние так же вынужденная конвекция (ветер).

Анализ некоторых данных показывает, что с увеличением ско рости ветра средний коэффициент теплоотдачи (- ) от поверхности обуви увеличивается сначала быстро, а затем это увеличение стано вится небольшим.

Данные по для верха обуви из рыхлых и ворсовых мате риалов лежат несколько выше, чем для гладких кожаных материалов.

Увеличение внешней теплоотдачи обуви в потоке воздуха с ростом по скорости приводит к соответствующему падению полного термического сопротивления за счет увеличения среднего коэффици ента теплоотдачи обуви, т.е. уменьшения ее внешнего термического сопротивления теплоотдачи R = [6].

Оценкой тепловых свойств материалов служат следующие те плофизические характеристики: коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности а, объемная теплоемкость с = /а и тепловая активность или теплоусвояемость b = / a.

Известно большое число методов экспериментального опреде ления теплофизических характеристик материалов.

Наряду с методами, исследующими тепловые свойства мате риалов при высоких и низких температурах, а также при различных давлениях, имеется большая потребность в методах, предназначенных для теплофизических исследований материалов в условиях производ ственных лабораторий при обычных температурах 1540°С. При этом желательно, чтобы экспериментальные установки и техника измере ний были бы достаточно простыми. Обработка опытных данных не должна быть громоздкой. Исследование различных материалов удоб но проводить при единой технике измерений и на одной и той же ус тановке. Методы должны быть скоростными. Методы должны быть также комплексными, чтобы в одном опыте и на одном образце мож но было получать значения всех тепловых характеристик. Методы должны иметь критерий, позволяющий судить о степени достоверно сти полученных результатов.

Волькенштейн В.С. предложил различные варианты скорост ного метода определения теплофизических характеристик, в которых по возможности учтены перечисленные выше требования. Эти вари анты получили название «Методы двух температурно-временных интервалов». Все методы этой группы основаны на различных тем пературных полях, но связаны между собой единством техники изме рения и общими расчетными формулами.

Рассмотрим систему тел, состоящую из полуограниченного цилиндра В (теплоприемника) и плоскопараллельных пластин. На чальная температура системы равна t0, температура нагревателя tн по стоянна. Один из слоев дифференциальной температуры помещен в теплоприемнике, другой – в нагревателе. При этом начальное показа ние N0 гальванометра G, включенного в цепь термопары, соответству ет разности температур tн - t0, При соприкосновении нагревателя со свободной поверхностью системы температура в точке О системы начнет увеличиваться и пока зания гальванометра будут уменьшаться с течением времени. Изме нение показаний N гальванометра G со временем связано с измене нием относительной температуры = t / t н в точке О системы соотно шением:

N t t = н =1 =1. (2.94) N 0 tн t tн Уравнение = f ( ), описывающее процесс изменения относи тельной температуры в точке О системы, будет иметь различный вид в зависимости от состава тел, входящих в систему. Методы двух температурно-временных интервалов соответствуют различному со ставу тел системы.

Первый метод. Если система состоит только из одной иссле дуемой пластины и теплоприемника В, то метод основанный на такой двухсоставной системе, носит название первого метода двух темпера турно-временных интервалов.

Второй метод. Если система состоит из двух пластин и тепло приемника, то метод, основанный на такой трехсоставной системе, на зывается вторым методом двух температурно-временных интервалов.

Второй метод предназначен для исследования таких материалов, ко торые необходимо помещать в сосуд.

Третий метод соответствует четырехсоставной системе, в ко торой пластины металлические. Метод применяется при исследовании толстых слоев материалов, помещенных в сосуд (пакеты тканей).

Четвертый метод соответствует также четырехсоставной сис теме, но пластины - неметаллические. Материал пластин одинаков, но отличен от материала теплоприемника.

Все методы двух температурно-временных интервалов связа ны единством техники измерений [7].

Работы по созданию метода оценки теплозащитных свойств обуви и исследование указанных свойств обуви различных конструк ций показывают, что рациональным методом оценки теплозащитных свойств является метод бикалориметра.

По изложенным методам можно рассчитывать теплозащитные свойства обуви на стадии проектирования и подготовки производства, установить оптимальные сочетания материалов в конструкции верха и низа, их необходимую толщину и сформулировать требования к теп ловым свойствам разрабатываемых материалов.

При проектировании рациональной комфортной теплозащит ной обуви необходимо обеспечить:

• долговечность;

• износоустойчивость;

• применение минимального количества металлических дета лей (супинаторов, гвоздей, шпилек), поскольку все они аккумулируют холод;

• комфорт внутриобувного пространства (за счёт подбора па кетов материалов верха и низа с учётом их физико-гигиенических свойств, метеорологических факторов окружающей среды);

• увеличение толщины стелечно-подошвенного пакета;

• герметизация швов верха и низа обуви;

• уменьшение массы обуви.

При разработке конструкции обуви учитываются теплозащит ные свойства и тепловые сопротивления низа и верха обуви при носке её человеком в различных метеорологических условиях. Интенсив ность теплоотдачи через низ обуви выше, чем через верх. Поэтому особое внимание при моделировании обуви уделяют подбору мате риалов подошвы, общей толщине низа обуви. Для утепленной обуви широко применяются пористые резины. Значительным преимущест вом пористых резин перед другими является их малая масса, высокая теплозащитность, сохраняющаяся во влажную погоду, хорошие фрик ционные и амортизационные свойства, гибкость и относительно малая цена. Использование пористых резин позволяет выпускать более лёг кую и эластичную обувь с низкой температуропроводностью, а, сле довательно, с хорошей комфортностью, что имеет немаловажное зна чение при климатических условиях нашей страны.

Для утеплённой обуви применяются также термоэластопласты (ТЭП). Наличие полидиеновых блоков определяет эластичность и мо розостойкость ТЭП, а ПС-блоков – высокие прочностные свойства материала. Оптимальными свойствами обладают трёхблочные поли меры с содержанием стирола до 20-З0%. Пористые формованные по дошвы на основе ТЭП отличаются стабильностью размеров (в отли чие от пористых резин), износостойкостью (уступают лишь ПЭУ подошвам), более высоким сопротивлением скольжению по сравне нию с ПЗУ, морозостойкостью (до -60°С) и стойкостью к изгибам. Их большим преимуществом является способность отходов производства и изношенных изделий перерабатываться вторично. В принципе, мо жет быть организовано безотходное производство. Однако существу ют определённые трудности, связанные с качественным приклеивани ем подошв на основе бутадиен-стирольных ТЭП. Эффективным сред ством улучшения прочности крепления подошв является галогениро вание их поверхности перед нанесением полиуретанового клея.

Подошва из полиуретана для утеплённой обуви применяется реже, чем пористые резины и ТЭП. Они обладают хорошими физико механическими свойствами: их истираемость в два раза меньше по сравнению с пористой резиной, химической стабильностью, морозо стойкостью (до - 20 °С).

Подошва должна обладать высоким сопротивлением скольже нию. В настоящее время разработана система безопасности анти скольжения «ОС SYSTEM» (Италия) с подвижной скобой, которая может быть использована в двух положениях: Grip-on, Grip-off. Сис тема создаёт удобство и уверенность при передвижении на обледене лой поверхности. В положении «Grip-on», благодаря наличию шипов, система позволяет передвигаться по обледенелой поверхности, пре дотвращая при этом скольжение и падение. В положении «Grip-off»

поверхность с шипами «убирается» (переворачивается), ходовая по верхность становится плоской, сто позволяет передвигаться по тради ционному напольному покрытию без нанесения каких-либо повреж дений. [6] Теплообмен через низ обуви осуществляется за счёт теплопро водности материалов низа и зависит от теплопроводящей способности материала опоры: чем она выше, тем быстрее отводится тепло от обу ви. Так, например, на мокром снегу, металлических плитах стопа ох лаждается гораздо быстрее, чем на сухом снегу, деревянном полу, при прочих равных условиях среды и площади опоры обуви о поверх ность. Но это вовсе не означает, сто при теплоизолирующей подошве в утеплённой обуви можно применять для её верха материалы с высо кой теплоотдачей.

Выделяют следующие группы обуви:

- с верхом из хромовых кож (хромовая обувь);

- с верхом из юфтевых кож (юфтевая обувь);

- с верхом из меха.

Группа хромовой обуви имеет ряд положительных свойств:

паро- и воздухопроницаемость, надёжность и пластичность, сравни тельную лёгкость и эластичность.

Для утеплённой обуви наиболее распространённая группа – с верхом из юфтевых кож. Она предназначается для носки в наиболее трудных условиях. Тяжёлые условия эксплуатации определяют и тре бования, которым должна соответствовать юфтевая обувь по конст рукции и свойствам материалов. Она характеризуется прочной конст рукцией, высокой износостойкостью и водонепроницаемостью. По следнее качество зависит не только от свойств материалов верха (лучшими обладают яловочная и конская юфть), но и от степени во донепроницаемости конструкции в местах соединения отдельных де талей друг с другом. Она наиболее тяжёлая, жёсткая на изгиб, видовое разнообразие её ограничено, декоративные элементы практически не используются.

Обувь с верхом из меха – это унты. Для них применяют мех оленя, собак, мехового опойка и жеребка. Применение шерстяных тканей и фетра позволяет получать изделия с высокими теплозащит ными свойствами. Данная обувь сравнительно лёгкая, характеризуется хорошей способностью поглощать и выводить влагу, имеет высокие гигиенические показатели по паро- и воздухопроницаемости. Но верх такой обуви быстро промокает и легко пропускает воду. По показате лям надёжности обувь с верхом из меха уступает обуви с верхом из кожи, так как износ ткани наступает значительно быстрее [9].

При изготовлении обуви материалы, входящие в конструкцию верха, подвергаются различным обработкам, что оказывает влияние на тепловые свойства конструкции верха обуви. Дубление – это ос новной процесс, который формирует тепловые свойства кож. Для уте плённой обуви наиболее часто применяют комбинированное дубле ние. При этом одновременно или последовательно применяют раз личные дубители. Поскольку каждый вид дубителя имеет свой эф фект, то в результате получают кожи, которые имеют большую тол щину, наполненность, устойчивость к действию влаги. Наиболее час то применяют: хром-танидное, хром-титано-циркониевое и хром растительное дубления. По сравнению с комбинированным, расти тельное дубление довольно длительное и малоэффективное. Хромовое дубление чаще применяется для тонких обувных кож. Свойства хро мовых кож (пористость, повышенные паро- и воздухопроницаемость) таковы, что их возможно использовать для классической обуви.

Однако не только дубление оказывает влияние на тепловые свойства верха обуви, но и отделка. Процесс жирования повышает гидрофобность и влагонепроницаемость кож. В разные виды кож вво дят различное количество жира, в обувной юфти его должно содер жаться не менее 26 % [14].

Для утеплённой обуви необходима герметизация швов для обеспечения влагостойкости, которая осуществляется с помощью спе циальной мастики [6].

Особенно сказываются на теплозащитных свойствах верха обуви свойства материалов подкладки. Число слоев в пакете материа лов имеет большое значение. Исследования показали, что включение в многослойную систему обуви хотя бы одного слоя с высоким тер мическим сопротивлением приводит к резкому уменьшению тепло проводности всей системы. В утеплённой обуви обязательно приме няются специальные утеплители, входящие в комплект обуви. Про странство между стопой и обувью всегда заполнено прослойками из волокнистых материалов (трикотаж, текстильные, нетканые или вой лочные материалы, натуральный или искусственный мех и другие).

Структура этих материалов включает в себя большое количество воз душных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими материалами, между слоями материалов, а также между поверхностью материалов и внутренней поверхностью стопы образуются воздушные прослойки различной толщины и протяжённости, способствующие сохранению тепла в обуви.

В качестве утеплителя используют полушерстяные ткани, имеющие определённую теплозащитность. Для подкладки в обуви также применяют ткани типа тик-саржи, репса, тик-ластика, байку, фланель. Наиболее часто в качестве утеплителей используют трико тажный мех. Ворсовый покров образуется ввязыванием в петли грунта пучка волокон. Трикотажный мех имеет следующие свойства:

- гигроскопичность;

- влагопоглощение (впитываемость);

- воздухопроницаемость;

- паропроницаемость.

В утеплённой обуви воздухопроницаемость должна быть не высокой, чтобы нога «дышала» и в то же время, чтобы не было потери тепла. Высота ворса влияет на внешний вид, сминаемость и сваливае мость меха, а от густоты ворса зависят его сопротивление истиранию и теплозащитные свойства.

Современная наука создала новые синтетические волокна, ко торые с успехом применяются в смесках с натуральными. Для обувно го меха оптимальным составом является 70-80 % шерсти и 20-30 % синтетики. Её наличие позволяет сохранить все преимущества нату рального волокна и сделать материал более носким. Всё более широ кое применение шерстяного меха вызвано красивым внешним видом, лёгкостью, высоким сопротивлением истиранию, значительно мень шей стоимостью по сравнению с натуральным.

В качестве утеплителя используется мех на основе кожи спил ка. Это материал, который может воспринимать двухстороннюю функциональную нагрузку. Поэтому его можно рекомендовать для из готовления утепленной обуви.

Использование такого материала- утеплителя исключает при менение подкладки и межподкладки. Названный утеплитель получают склеиванием руна меховой овчины со спилком. Новый материал - мех на основе кожи из спилка превосходит существующий аналог – мех на тканевой основе – по утилитарным и эстетическим свойствам. В про цессе склеивания руна со спилком или кожей формируется готовый пакет для производства и утеплённой обуви. Мех на основе кожи из спилка, в отличие от меха на тканевой основе, по своим теплозащит ным свойствам приближен к натуральной овчине. При этом уменьше ние высоты волосяного покрова меха на основе кожи из спилка не оказывает существенного влияния на теплозащитные свойства мате риала [8].

Соединение деталей между собой, метод их крепления также вносят дополнительный эффект, влияющий на теплозащитные свойст ва обуви. Для утеплённой обуви применяют рантовый метод крепле ния. Он наиболее сложный и дорогой, но обувь имеет высокую изно состойкость, влагозащитность, защиту верха от внешних механиче ских повреждений вследствие расширенной подошвы. Обувь комби нированных методов крепления также имеет высокую тепло защитность. Литьевой и клеевой методы крепления также применяют для утеплённой обуви. Обувь литьевого метода крепления влагоза щитная, надёжная, похожа на клеевую обувь, но имеет более моно литное крепление подошвы по периметру, часто имеет влагозащитный бортик.

При разработке утеплённой обуви необходимо учитывать мас су изделия.

Эксплуатация тяжёлой обуви требует дополнительных физи ческих нагрузок, поэтому при конструировании необходимо стре миться снизить массу обуви. Особо сильное влияние на неё оказывают толщина и вид материалов низа и верха обуви [14].

2.14 Исследование стационарного процесса теплообмена в системе «стопа – обувь – окружающая среда»

2.14.1 Математическое описание процессов теплопроводности Перенос теплоты теплопроводностью может происходить только при условии, что в различных точках тела температурное поле неоднородно, т.е. для того чтобы внутри тела возникал тепловой по ток, необходимо наличие градиента температуры, отличного от нуля [16, 91]. Тепловой поток в отличие от температуры имеет определен ное направление: от точек тела с более высокой температурой к точ кам с более низкой температурой. Для характеристики векторного по ля тепловых потоков вводится вектор q, называемый вектором плот ности теплового потока. В произвольной точке P непрерывного тем пературного поля в изотропном теле вектор q направлен противопо ложно градиенту температуры, т.е. его направление совпадает с на правлением переноса теплоты, а его значение определяется как коли чество теплоты dQ, проходящее в единицу времени d через едини цу площади изотермической поверхности dS :

dQ q=. (2.95) dSd Согласно предположению Фурье, тепловой поток через эле мент изотермической поверхности определяется значением темпера турного градиента в рассматриваемой точке. Опытные данные показа ли, что плотность теплового потока прямо пропорциональна градиен ту температуры, т.е. вектор плотности теплового потока определяется соотношением q = qradT = 1n (T / n ), (2.96) коэффициент пропорциональности, именуемый теплопровод где ностью.

Это равенство и составляет содержание основного закона теп лопроводности Фурье. Модуль вектора теплового потока q определя ется по формуле q = (T / n ). (2.97) Дифференциальное уравнение теплопроводности, выведенное на основе общих законов физики, устанавливает связь между времен ным и пространственным изменениями температуры в любой точке тела, в которой происходит процесс теплопроводности. Дифференци альное уравнение теплопроводности имеет в общем случае бесчис ленное множество решений. Чтобы из этого множества выбрать ре шение, характеризующее конкретный рассматриваемый процесс, и дать полное математическое описание этого процесса, необходимо к основному дифференциальному уравнению присоединить дополни тельные условия, включающие геометрические, физические и краевые условия.

Геометрические условия определяют форму и линейные раз меры тела.

Физические условия определяют теплофизические параметры:

коэффициент теплопроводности (Вт/(м·С)), a коэффициент температуропроводности (м/ч), плотность тела (кг/м), c удельную теплоемкость тела (Дж/(кг·С)), qv объемную плотность теплового потока (Дж/(м·С)).

Краевыми условиями называют совокупность начальных и граничных условий. Начальные условия задаются только при изуче нии нестационарных процессов и состоят в задании распределения температуры внутри тела в момент времени, выбранный за началь ный. Граничные условия отображают условия теплового взаимодей ствия между окружающей средой и поверхностью тела.

Граничные условия 1 рода. Задается распределение температу ры на поверхности S тела как функция координат и времени TS = ( x, y, z, ), x, y, z S. (2.98) К граничным условиям 1 рода можно отнести задачи разогрева и охлаждения системы при заданном изменении температуры на гра нице или при весьма интенсивном теплообмене на поверхности, когда температура поверхности близка к температуре среды.

Граничные условия 2 рода. Задается распределение плотности теплового потока на поверхности тела как функция координат и вре мени и согласно закону Фурье записывается в виде T = ( x, y, z, ), x, y, z S, (2.99) n S где n внутренняя нормаль к поверхности S.

Граничные условия 3 рода. На поверхности тела задается зави симость плотности теплового потока вследствие теплопроводности со стороны тела от температур поверхности тела TS и окружающей сре ды Tc.

В случае охлаждения (нагрева) тела имеем q S = ± (TS Tc ), (2.100) где коэффициент пропорциональности, называемый коэффициен том теплоотдачи (теплообмена), Вт/(м·С). Он характеризует интен сивность теплового взаимодействия среды заданной температуры Tc с поверхностью тела. Уравнение (2.6) выражает закон Ньютона. Плот ность потока, подводимая (отводимая) за счет теплопроводности к (от) поверхности тела, определяется по закону Фурье. Следовательно, на основании закона сохранения энергии с учетом уравнений (2.2), (2.6) имеем T = (TS Tc ), (2.101) n S где n внутренняя нормаль к поверхности тела.

В отличии от коэффициент теплоотдачи не является фи зической постоянной, характерной для того или иного вещества. В общем случае он отражает совместное действие конвекции, теплопро водности и зависит от многих факторов.

Граничные условия сопряжения 4 рода соответствуют тепло обмену поверхности тела с окружающей средой или теплообмену со прикасающихся твердых тел, когда температура соприкасающихся поверхностей одинакова. Задаются они как условия равенства темпе ратуры и плотностей теплового потока на поверхности соприкоснове ния двух сред (или тел):

T1S = T2 S ;

(2.102) T1 T 1 = 2 (2.103), n n S S где / n означает дифференцирование вдоль нормали к поверхности раздела. Условия (2.102)-(2.103) называют еще условиями идеального теплового контакта.

2.14.2 Прохождение тепла через многослойные системы обувных материалов при стационарном температурном процессе Математическая модель стационарного теплового процесса не дает, конечно, ответ на вопрос о времени, в течение которого возмож но комфортное пребывание в той или иной обуви в условиях холода.

Но при некоторых предположениях можно рассчитать размеры систе мы теплоизоляционных материалов, обеспечивающие критическое (минимальное или максимальное) суммарное тепловое сопротивление отдельных участков обуви. В работе Кондратьевым Г.М. развивается теория критического размера «наихудшей» теплоизоляции для сфери ческой и цилиндрической поверхностей, при котором тепловые поте ри будут максимальными.


Вишневским С.А. и Луцыком Р.В. в работе решается противо положная задача, в которой определяются критические размеры теп лоизоляции утепленной обуви и одежды, соответствующие мини мальному удельному тепловому потоку на поверхности стопы (тела) человека. Рассматривается задача о максимизации суммарных тепло вых сопротивлений для двухслойных цилиндрической или сфериче ской стенок, а также для двухслойной пластины конечных размеров (призмы), работающих в стационарном тепловом режиме.

Суммарные тепловые сопротивления для двухслойных цилин дрической и сферической стенок соответственно равны 1 d d1 d Rц ( d1 ) = ln + d1 ln 3 + ;

2 d 2 d 21 d1 2 d12 1 1 d12 1 1 1d Rc ( d1 ) = + + 1.

21 d1 d 2 21 d 2 d 3 d Здесь предполагается, что внутренний диаметр d1 является пе ременной величиной, внешние диаметры первого и второго слоев d 2 = const, d 3 = const ;

коэффициенты теплопроводности слоев коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности стен 1 2 ;

ки. Методами математического анализа находятся точки максимума d d1опт = ;

d exp 1 1 ln 3 + 2 d 2 Bi d d1опт =.

d 2 3 1 1 + 1 d 2 2 2 2 Bi d соответственно функций Rц и Rc ( Bi = критерий БИО). Плот ность теплового потока для цилиндрической стенки при таком значе нии внутреннего диаметра будет минимальной и равной t1 t qmin =.

1 d3 2 1 d d 2 1 ln + 2 ln d + d d 2 d 2 Bi 2 2 + 1 d3 2 d 21 exp1 ln + exp1 1 ln 3 + d d Bi 2 Bi 2 Часто с количественной стороны теплозащитная функция обу ви характеризуется величиной ее термического сопротивления тепло передачи R, которая определяет способность конкретной обувной оболочки сопротивляться переносу тепла от стопы во внешнюю среду с более низкой температурой. Способ определения величины терми ческого сопротивления при помощи бикалориметра [10, 11, 58] доста точно трудоемок и используется в основном при конструировании обуви специального назначения. Белоусовым В.П. [14, 15] был разра ботан расчетный способ, основанный на знании теплофизических, геометрических и конструктивных характеристик конкретной обуви и внешних условий теплообмена, а также на закономерностях теплопе редачи через сложносоставные пакеты обувных материалов при ста ционарном режиме. Обувь представляется в виде сложносоставной оболочки, состоящей из m многослойных пакетов различных мате риалов, сопряженных между собой каким-либо технологическим спо собом. Площадь поверхности j -го пакета теплообмена обозначается m через F j, а общая площадь поверхности оболочки F = F j. Терми j = ческое сопротивление j -го пакета материалов определяется решени ем стационарной задачи с граничными краевыми условиями третьего рода:

nj + ij / ij + Rk + 2 1, R j = R1 + R j + Rk + R 2 = (2.104) i = 1 где R1 = 1 и R 2 = 2 термические сопротивления внутренней 1 и 2 – средние по поверхности обуви ко и внешней теплоотдачи;

эффициенты конвективной теплоотдачи соответственно от стопы к внутренней поверхности обувной оболочки и от внешней поверхности nj обуви к окружающей среде, Вт/(м·С);

R = ij / ij термическое j i = сопротивление теплопроводности j -ой зоны, число слоев ( n j ) в ко ij, ij соответственно толщины и торой зависит от номера зоны j;

коэффициенты теплопроводности i -го слоя материала из j -го пакета;

величина Rk есть среднее значение контактного сопротивления меж ду соприкасающимися слоями материалов. Для практически важных случаев используется среднее значение коэффициента теплоотдачи = 5 15Вт /( м 2 o C ), что соответствует значениям R = 0,0667 0,2 м 2 o C / Вт. Также по данным Кедрова Л.В. для расчетов используется величина контактного сопротивления Rk = 0,01м 2 o C / Вт.

Выражение для термического сопротивления обуви получено в виде формулы 1 m 1 m m R = F F j R j = F j F j R 1. (2.105) j j =1 j =1 j = Согласно закону Фурье, тепловой поток через поверхность рассматриваемого тела при стационарном процессе может быть опре делен по формуле:

dT Q = S (n), (2.106) dn где Q = const для любой изотермической поверхности;

S (n) поверх ность рассматриваемого тела;

температура T (n) зависит только от одной координаты n нормали к изотермической поверхности;

коэффициент теплопроводности.

Тогда можно проинтегрировать дифференциальное уравнение, предварительно разделив переменные, в пределах по n от n1 до n2, по T от T1 = T ( n1 ) до T2 = T (n2 ). Координаты нормали n1 и n2 соот ветствуют внутренней и внешней изотермическим поверхностям.

n2 T (T1 T2 ) Q dn Q dn (2.107) = dT ;

n1 S ( n) = dT ;

Q=.

S ( n) n dn T n1 S ( n ) n dn называют приведенной толщиной стенки.

Величину n1 S ( n) Конструкции верха и низа обуви состоят из нескольких слоев материалов, причем части конструкции различаются числом деталей и слоев. Такие конструкции рассматриваются в виде сложных и состав ных стенок. Стационарный режим теплообмена предполагает, что температура остается постоянной (не зависит от времени) для каждой точки сложной стенки, составляющих обувь.

Для многослойной стенки процесс прохождения тепла описы вается системой уравнений, подобных (2.10) с учетом граничных ус ловий.

Q n = 1 (T1 T2 ) dn S ( n ) ;

n n Q (2.108) = 2 (T2 T3 ) dn S ( n ) ;

n n = 3 (T3 T4 ) dn S ( n ) ;

Q n LLL = (Tn +1 Tc ) S n +1.

Q От стопы на внутренний слой обуви поступает тепловой поток плотности q. Теплообмен между внешней поверхностью обуви и ок ружающей средой (с температурой Tc ) происходит по закону Ньютона. Предполагается, что на границе с коэффициентом теплоотдачи слоев существует идеальный контакт, т.е. температура Ti и тепловые потоки на поверхности соседних слоев одинаковы.

Рис. 2.23. Схема прохождения тепла через сложную плоскую стенку а) плоская многослойная пластина с граничными усло виями 2-го и 3-го рода. Схема прохождения тепла через плоскую сложную стенку показана на рисунке 2.23. Пусть система материалов 1, 2,K n и коэффициентами тепло состоит из n слоев толщиной 1, 2,K n соответственно. Так как площадь поверхно проводности сти каждого слоя плоской стенки одинакова, в стационарном режиме распределение температур на поверхностях слоев определяется сис темой равенств:

q = (T1 T2 );

q = 2 (T2 T3 );

L q = n (Tn Tn +1 );

n q = (T T ).

n + c Решая систему относительно Ti, получим n 1 n q + + Tc ;

L Ti = q k + + Tc ;

Tn +1 = + Tc ;

Tn = q n k =i k n K T1 = q k + + Tc.

k =1 k k n Выражение R = + называется тепловым сопротивле k k = нием многослойного плоского пакета материалов. Если взять за кри терий комфортности температуру T1 контакта внутренней поверхно сти обуви и стопы, то можно просчитать тепловое сопротивление па кета P, обеспечивающее комфортные условия стопе в течение дли тельного времени.

б) цилиндрическая многослойная стенка с граничными ус ловиями 2-го и 3-го рода Схема прохождения тепла через сложную цилиндрическую стенку показана на рисунке 2.24. Пусть система материалов состоит из n слоев с внутренними и внешними радиусами r1, r2, K rn +1 и ко 1, 2,K n соответственно.

эффициентами теплопроводности Рис. 2.24 Схема прохождения тепла через сложную цилиндрическую стенку В системе (2.108) для i -го слоя цилиндрической стенки n i +1 ri + r dr ( 2rl ) = dn S (n) = ln i + 2l ri ni ri ( l высота цилиндра). Тогда система (2.108) примет вид:

Q = 2lr1q;

Q = (T T ) 1 ln r2 ;

2l r 11 1 r Q = 2 (T2 T3 ) ln 3 ;

2l r Q = (T T ) 1 ln r4 ;

2l r 33 LLL Q = (T T )2lr.

n +1 n + c Решая систему относительно температуры Ti, получим qr Tn +1 = + Tc ;

rn + ln(rn +1 rn ) Tn = qr1 + + Tc ;

rn + n n ln(rk +1 rk ) Ti = qr1 + + Tc ;

rn + k k =i n ln(rk +1 rk ) T1 = qr1 + + Tc ;

rn + k k =1 n ln(rk +1 rk ) 1 называется полным Выражение R = r1 + rn + k k =1 термическим сопротивлением многослойной цилиндрической стенки.

в) шаровая многослойная стенка с граничными условиями 2-го и 3-го рода Пусть многослойная шаровая стенка состоит из n слоев с внутренними и внешними радиусами r1, r2, K rn +1 и коэффициентами 1, 2,K n соответственно.

теплопроводности Для i -го слоя шаровой стенки ni +1 ri + 1 dr ( 4r 2 ) = dn S (n) = r r.

4 i i + ni ri Система (2.11) примет вид:

Q = 4r12 q;

Q = (T T ) 1 1 1 ;

4 r1 r 11 1 1 Q = 2 (T2 T3 ) ;

4 r2 r LLL Q = (Tn +1 Tc )4rn2+1.

Решая систему относительно температуры Ti, получим qr Tn +1 = 2 + Tc ;

rn + 1 1 Tn = qr12 r r r + Tc ;

+ n n n +1 n + n 1 1 Ti = qr + 2 + Tc ;

r r r k k +1 n + k =i k n 1 1 T1 = qr12 + 2 + Tc ;

r r r k k +1 n + k =1 k Выражение R = r12 1 1 называется полным 1 n r r + r k =1 k k + n + k термическим сопротивлением многослойной шаровой стенки.

Если считать комфортными условиями состояния стопы тем пературу контакта, равной 21°С – 25°С, то диапазон изменения теп лового сопротивления пакета обувных материалов низа обуви, обес печивающего эти комфортные условия длительное время (8 часов) при различной температуре окружающей среды, можно привести в таблице 2.19.

Т а б л и ц а 2. Тепловое сопротивление пакета материалов низа обуви (м·С/Вт), обеспечивающее комфортную температуру межобувного про странства 21°С – 25°С при различном уровне теплообразования стопы и при теплоотдаче с коэффициентом = 20 Вт /( м 2 o С ) Температура Плотность теплового потока стопы (Вт/м) окружающей 40 60 80 среды 0°С 0,48–0,58 0,31–0,37 0,22–0,27 0,17–0, –5°С 0,61–0,71 0,39–0,46 0,28–0,33 0,22–0, –10°С 0,73–0,83 0,47–0,54 0,34–0,39 0,27–0, –15°С 0,86–0,96 0,55–0,62 0,4–0,45 0,32–0, –20°С 0,98–1,08 0,63–0,7 0,46–0,51 0,37–0, В самом простом случае, когда рассматривается пакет из одно = r2 r1 и коэффициентом теплопроводно го материала толщиной, тепловое сопротивление сти для плоской пластины: Rп = r2 r1 ;


для полого цилиндра: Rц = r1 ln r2 ln r1 ;

для шарового сегмента: Rш = r1 1 r2, 2r где r1, r2 соответственно внутренний и внешний радиусы па кета. Если зафиксировать r1, то тепловые сопротивления будут функ r2 r1 можно циями от переменной r2. При показать, что Rп Rц Rш. Для этого составим две функции f1 ( r2 ) = Rп Rц и f 2 (r2 ) = Rц Rш. При r2 = r1 эти функции будут равны нулю. Произ 1 r2 r1 r водные f1(r2 ) = 0, f 2(r2 ) = 1 2 (r2 r1 ) 0. Следовательно, r2 r функции f1 ( r2 ) и f 2 (r2 ) возрастающие, а значит Rп Rц Rш. Таким образом, тепловое сопротивление пакета зависит от его формы. Зна чит, возникает необходимость рассматривать разбиение обуви на ло кальные участки, представляющие многослойные пакеты различной формы. В силу того, что полное сопротивление многослойных пакетов представляет сумму тепловых сопротивлений слоев, то соотношение Rп Rц Rш будет справедливо и для многослойных пакетов мате риалов.

В качестве примера, подтверждающего этот вывод, рассмот рим пакет материалов, состоящий из 5 слоев. Состав пакета и харак теристики материалов представлены в таблице 2.20.

Т а б л и ц а 2. Состав и характеристика материалов, входящих в пакет, 0, № Материалы, слоя входящие в пакет мм Вт/(м °С) Х/б носок 1 2 0, Меховая овчина 2 10 0, Бязь 3 0,3 0, Поролон 4 6 0, Выросток хромового дубления 5 1,2 0, Проанализируем, как изменится тепловое сопротивление в за висимости от формы пакета при = 8 Вт /( м 2 o С ) и внутренним ра диусом r1 = 63 мм.

k Rп = + = 0,535( м 2 o С / Вт), k =1 k 5 ln(rk +1 rk ) Rц = r1 + = 0,457( м 2 o С / Вт), r k k =1 5 1 1 Rш = r r r + r 2 = 0,393( м С / Вт).

2 2o k k +1 k =1 k Получили, что Rп Rц Rш. Чтобы выровнять значения теп ловых сопротивлений Rп, Rц и Rш нужно, например, увеличить тол щину меха в цилиндрическом пакете примерно на 3мм и соответст венно в сферическом – на 5,5мм. Таким образом, полное тепловое со противление пакета существенно зависит от его формы, что говорит о необходимости локального рассмотрения процесса теплообмена через различные конструктивные узлы обуви.

2.14.3 Описание процесса теплообмена в многослойных пакетах материалов в стационарном режиме с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры При понижении температуры теплопроводность у обувных ма териалов возрастает, что свидетельствует о снижении их теплозащит ных свойств. Это объясняется в первую очередь пористой разветвлен ной структурой этих материалов, в которых протекают сложные фи зико-химические процессы. При понижении температуры материалов происходит конденсация влаги, содержащейся в воздухе, на струк турные элементы материала. Протекание этого процесса изменяет ис ходные свойства и характеристики строения материалов. Количество сконденсированной влаги на структурных элементах материала зави сит от температуры охлаждения, площади удельной поверхности и теплоемкости материала. Чем ниже температура охлаждения, тем больше влаги из воздуха сконденсируется на поверхности структур ных элементов материала. Сконденсированная на структурные эле менты из воздуха влага заполняет микро- и макропоры, образуя между структурными элементами иммерсионные связи, которые увеличива ют теплопроводность материалов. Наибольшие изменения в значени ях теплопроводности относительно 293К наблюдаются у триплиро ванных материалов: теплопроводность возросла на 0,055 – 0, Вт/(мК), у кожи на 0,029 Вт/(мК), у байки х/б – 0,0183 Вт/(мК) и у синтетического велюра на 0,0170 Вт/(мК). В таблице 6 приложение приводится влияние температур охлаждения на теплопроводность не которых материалов [44].

На основе анализа экспериментальных результатов получена аналитическая зависимость T = 0 (1 + b T ), (2.109) T теплопроводность материала при некоторой температуре где 0 теплопроводность материала при температуре ис испытаний t, пытаний t 0 = 293К, T = 293o t – относительная температура, b (1/K) – коэффициент, который изменяется в пределах от 0,004 до 0,009 и за висит от вида и характеристик строения испытанных материалов.

Уравнение, определяющее тепловой поток через стенку в этом случае примет вид:

dT Q = 0 (1 + bT ) (2.110) S ( n).

dn Интегрируя (2.110) в пределах от T1 до T 2 и от n1 до n2 полу чим n2 T dn = 0 (1 + bT )dT.

n1 S (n ) Q T Вычислив интеграл справа, имеем S (n) = Q T2 T1 + 2 (T2 ) n dn b T12, n откуда n Q = 0 (T2 T1 )[1 + b(T2 + T1 ) / 2] / dn.

n1 S ( n) Введем среднеинтегральное значение теплопроводности T +T T ср. = 0 1 + b 1 2 = (T )dT, 2 T2 T1 T тогда тепловой поток Q на поверхности тела определим по формуле ср (T2 T1 ). (2.111) Q=n dn n1 S ( n) Для того чтобы получить распределение температуры в стенке при заданном постоянном тепловом потоке Q на поверхности, необ ходимо проинтегрировать уравнение (2.110) от T1 до T и от n1 до n :

( ), n dn b = 0 T T1 + T 2 T Q n1 S ( n) тогда n dn Q n1 S (n) b 2 b T +T + T1 + T1 = 0, 2 2 откуда b 2 n T1 + T1 + Q dn / 1 ± 1 + 2b 2 n1 S ( n ) = T1, 2.

b Физическому смыслу задачи удовлетворяет решение, где пе ред корнем необходимо взять знак плюс. В этом можно убедиться, подставив решение в граничные условия. Итак, n dn 2Q n1 S ( n ) 1 1 T= + 2 T1 + T12 +, 0b b b b или n dn 2Q n1 S ( n) 1 T = + T1 +. (2.112) 0b b b Выражение (2.112) дает нам распределение температуры по толщине стенки для всех трех геометрических форм. Рассмотрим кон кретные геометрические формы стенки.

Плоская стенка. Вычислим параметры обобщенного решения:

n n dn x dn S ( n) = S ;

S ( n) = S.

n1 n Тогда тепловой поток на поверхности стенки определим по формуле S Q = ср (T2 T1 ), а распределение температуры – по формуле 2ср (T2 T1 ) x 1.

T = + T1 + 0b b b Цилиндрическая стенка. Параметры обобщенного решения имеют вид n 1 r r n dn dn S (n) = 2l ln r ;

S (n) = 2l ln r2.

1 n1 n Тепловой поток, проходящий через цилиндрическую поверх ность S ср (T2 T1 ).

Q= 1 r ln 2l r Выражение для температурного поля имеет вид r ln r 2ср (T2 T1 ) 1.

T = + T1 + 0b r b b ln r Шаровая стенка. Приведенные координаты n 1 1 1 1 n dn 1 dn S (n) = 4 ;

S (n) = 4 r.

r r r 1 n1 n n dn S (n) в уравнение (2.111), Подставляя полученное значение n имеем [ T1 )] ср (T Q=.

1 1 4 r1 r Из решения (2.112) получим распределение температуры в шаровой стенке 2ср 1 r1 r (T T ) T = + T1 +.

0b 2 1 1 1 b b r1 r Формула (2.111) имеет такой же вид, что и формула (2.107) = ср ), поэтому можно рассматривать распределе (если положить ние температуры в многослойной конструкции, используя систему, подобную (2.108):

Аналитическое решение системы имеет довольно сложный вид даже в случае трех уравнений, поэтому ее лучше решать числен ными методами в каждом конкретном случае.

В качестве примера расчета теплового сопротивления рас смотрим пакет обувных материалов, составляющих низ обуви. Тол, их коэффициенты теплопроводности 0 при щина материалов 293К и коэффициенты линейной зависимости b формулы (2.12) при ведены в таблице 2.21.

Т а б л и ц а 2. Состав и характеристики пакета материалов, составляющих низ обуви, 0, № Материалы, входящие в b, слоя пакет мм Вт/(м °С) (1/K) Х/б носок 1 2 0,05 0, Меховая овчина 2 10 0,041 0, Картон (вкладная стель 3 1,2 0,12 0, ка) 4 2 0,09 0, Картон стелечный 5 15 0,06 0, Термоэластопласт Тепловое сопротивление пакета материалов при температуре равно 20С 0,002 0,01 0,0012 0,002 0, R0 = + + + + = 0,57( м 2 o С / Вт ).

0,05 0,041 0,12 0,09 0, Для пакета материалов низа обуви из таблицы 2.21 система (2.113) примет вид:

где Ti, Ti +1 относительная температура на внутренней и внешней поверхности i -го слоя пакета;

Tc относительная температура окру жающей среды;

T = 293o K t, t абсолютная температура в К.

выбирается боль При расчетах коэффициент теплоотдачи шим (40 Вт/(м·С)), что соответствует непосредственному контакту подошвы и земли.

Решая систему (2.114) при температуре окружающей среды 263К (–10С) и плотности теплового потока 60 Вт/м, получим рас пределение относительной температуры между слоями пакета:

T1 = 4,9o ;

T2 = 2,5o ;

T3 = 11,9o ;

T4 = 12,4o ;

T5 = 15,5o ;

T6 = 28,5o.

Абсолютная температура между слоями соответственно равна t1 = 297,9o K (24,9o C );

t 2 = 295,5o K (22,5o C );

t3 = 281,1o K (8,1o C );

t 4 = 280,5o K (7,5o C );

t5 = 277,5o K (4,5o C );

t6 = 264,5o K (8,5o C ).

Тогда в соответствии с формулой T +T Ti + ср.i = i 1 + bi i i +1 = (T )dT, i = 1, K 5, 2 Ti +1 Ti Ti изменившиеся от температуры коэффициенты теплопроводности бу дут равны ср.1 = 0,05(1 + 0,005(4,9 2,5) / 2) = 0,049 ;

cp.2 = 0,042 Вт /( м o С );

cp.3 = 0,13Вт /( м o С );

cp.4 = 0,1Вт /( м o С );

cp.5 = 0,07 Вт /( м o С ).

Тепловое сопротивление пакета при этом уменьшится и соста вит 0,53 м·С/ Вт.

Рассмотрен стационарный процесс теплопередачи через паке ты материалов с учетом зависимости коэффициентов теплопроводно сти от температуры. Проведены расчеты зависимости теплового со противления пакета материалов для низа обуви от воздействия низких температур.

Т а б л и ц а 2. Изменение теплового сопротивления (м·С/ Вт) пакета материа лов для низа обуви при воздействии низких температур Плотность теплового потока стопы (Вт/м) Температура окружающей среды 40 60 0°С 0,54 0,56 0, –10°С 0,51 0,53 0, –20°С 0,49 0,5 0, –30°С 0,47 0,48 0, 2.14.4 Определение коэффициентов теплопроводности и тепловых сопротивлений обувных материалов Основные теплофизические характеристики обувных материа лов определяют опытным путем с использованием метода стационар ной теплопроводности или методом нестационарной теплопроводно сти: регулярного режима I и II родов, граничных условий IV рода, зондового и др. [82,27,18]. Для исследования обувных материалов ме тод стационарной теплопроводности использовали, например, И.Е.

Манохин и Е.Н. Чунихина [81], метод регулярного режима I рода – Е.А. Мирошников и Л.В. Кедров [58], метод регулярного режима II рода – А.В. Лыков[82], метод граничных условий IV рода в системе двух тел и зондовый метод с плоским источником тепла – В.А. Смир нов и В.С. Каштан [56].

В работе для определения основных характеристик теплофи зических свойств материалов использована установка, созданная в МГУДТ, позволяющая проводить испытания материалов в интервале температур от 100 до 500 К и атмосферном давлении от 10 5 до Па и действии внешнего давления N до 2МПа. Схема установки при ведена на рисунке 2.25.

При использовании метода стационарной теплопроводности, Вт/мК материалов и пакетов вычисляют по формуле:

I U h, = (2.115) k 2 S T а при методе нестационарной теплопроводности по формуле, предло женной В.А. Смирновым:

I U t0 h = (2.116) k, 2 8e S tmax T где I сила тока в нагревателе, А;

U напряжение, В;

t 0 время включения нагревателя;

h толщина пробы, м;

постоянные – 3,14;

e = 2,72;

S площадь нагревателя, м;

t max время достижения максимального перепада температуры в материале;

T максимальное значение перепада температур в материале, К;

k тарировочный коэффициент установки, равный 0,84.

1 – пробы материалов;

2 – нагреватель;

3 – холодильники;

4 – вакуумный колпак;

5 – электросекундомер;

6 – источник питания;

7 – прибор для регистрации температуры пробы материала;

8, 16 – трубопроводы;

9 – вакуумметр;

10 – форвакуумный и паромасляные насосы;

11 – ультратермо стат;

12, 14 – вакуумные вентили;

13 – трубка;

15 – вакуумная плита;

17 – измери тель перепада температур на пробах материала Рис. 2.25. Схема установки для определения характеристик теплофи зических свойств материалов Тепловое сопротивление – R(м·К/Вт) материалов вычисляет ся по формуле:

R = h /. (2.117) При определении теплофизических характеристик обувных материалов использовалась методика, изложенная в [44].

Экспериментальные значения коэффициентов теплопроводно сти и тепловые сопротивления измеряемых обувных материалов пред ставлены в таблице 2.23.

Т а б л и ц а 2. Показатели теплофизических свойств материалов Коэффи Тепловое циент те Толщина плопро- сопротивле Наименование материала материала, ние, R, водности, мм, м·С/Вт Вт/м·С 1. Меховая овчина 12,41 0,039 0, 2. Искусственный мех на 13,05 0,046 0, трикотажной основе 3. Искусственный мех на 5,59 0,049 0, тканевой основе 4. Искусственный мех с 7,93 0,04 0, полушерстяным ворсом 5. Байка обувная 1,71 0,0520 0, хлопчатобумажная 6. Байка обувная полушерстяная 4,20 0,038 0, 7. Ткань дублированная для верха 4,85 0,0690 0, обуви группы А 8. Материал нетканый 1,34 0,0548 0, иглопробивной дублированный 9. Байка суровая 1,00 0,045 0, 10. Драп полушерстяной 1,60 0,045 0, 11. Сукно полушерстяное 0,98 0,0385 0, 12. Ткань обувная для 0,30 0,0411 0, межподкладки 13. Бязь суровая 0,32 0,038 0, 14. Тик-саржа 0,88 0,055 0, 15. Полукожник хромового 1,42 0,07 0, дубления для верха обуви 16. Выросток хромового дубления 1,59 0,052 0, для верха обуви 17. Кожа для верха обуви – шевро 1,02 0,047 0, 18. Кожа для верха обуви КРС – 0,90 0,049 0, нубук 19. Подкладочная кожа – козлина 0,51 0,069 0, 20. Подкладочная кожа – спилок 0,96 0,071 0, 21. Кожа стелечная ХРС дубления 2,47 0,12 0, 22. Кожа подошвенная ХРС 3,62 0,13 0, дубления 23. Непористая резиновая пластина 4,28 0,26 0, 24. Картон для простилок 2,2 0,09 0, 25. Картон с повышенным содер- 3,14 0,12 0, жанием кожевенного волокна 26. Картон «Texon» 2,11 0,099 0, Как и физико-гигиенические свойства, теплофизические ха рактеристики, полученные разными методами, лишь условно сравни мы. Их величины зависят от условий проведения испытаний: удельно го давления на образец, его начальной температуры и влажности (вла госодержания) материала. В большинстве ранее проведенных иссле дований определяли условные, по выражению А.В. Лыкова, теплофи зические характеристики обувных материалов при нормальных усло виях, а не истинные при влагосодержании, соответствующие реаль ным условиям эксплуатации обуви.

При исследовании характеристик теплофизических свойств ( и R) материалов: тканей, кож, искусственных кож и меха, комплекс ных и триплированных материалов Жихаревым А.П.[40, 44,45] уста новлено, что наиболее существенные изменения исходных характери стик наблюдаются при комплексном действии влаги и силового дав ления. При возрастании влагосодержания до 40% и давления до 157,35 кПа наблюдается снижение теплового сопротивления материа лов, что вызвано увеличением площади контакта между структурны ми элементами, уменьшением интегральной пористости материалов или средней плотности.

2.14.5 Влияние силового давления на толщину и теплофизические свойства искусственного и натурального меха Действие на материал внешней силы при сжатии, одноосном растяжении и изгибе приводит к сближению структурных элементов, при этом изменяются толщина, средняя плотность, пористость и дру гие характеристики строения и геометрических свойств материалов.

Поскольку эффективная теплопроводность материалов тесно связана с содержанием воздуха в объеме материала, то изменение геометриче ских характеристик и пористости материала должно отразиться на те плопроводности и тепловом сопротивлении [44].

Действие на материал внешнего давления приводит к измене нию исходной толщины материала (таблица 5 приложений), которая является одной из характеристик при расчете и R уравнения (2.116).

Если не учитывать изменение исходной толщины материалов при действии внешнего силового давления, то это искажает значения и R материалов в несколько раз. Так, например, при изменении давления до 157,35 кПа толщина искусственного меха арт. 9103 уменьшилась с 9,95 мм до 1,87 мм. Если при расчете теплового сопротивления мате риала при давлении 157,35 кПа взять исходную толщину материала в 9,95 мм, то значение теплового сопротивления будет завышено в 5, раза, что приводит к изменению истинных значений теплозащитных свойств этого материала [44]. Были проведены эксперименты по оп ределению зависимости толщины меха от действия давления в диапа зоне от 0,5 кПа до 20 кПа. Были взяты образцы натурального и искус ственного меха в форме круга диаметром 8 см. В таблице 2.24 пред ставлены исходные данные материалов и динамика изменения толщи ны меха при различном давлении.

Т а б л и ц а 2. Зависимость толщины меха от действия давления Наименование Масса груза Толщина меха Давление материала (кг) (мм) (кПа) 0 10 0,4 8,8 0, 0,5 8,1 1 7,5 2 6,1 Натуральная овчина 3 5,7 ГОСТ 4661- 4 5 5 4,5 6 4 8 3,5 10 3 0 8 0,4 7,3 0, 0,5 7 1 6,5 Искусственный мех 2 6,1 на трикотажной 3 5,5 основе 4 5 ТУ 17-09-87- 5 4,4 6 4 8 3,5 10 3 На рисунке 2.26 представлена динамика изменения толщины натурального меха, а на рисунке 2.27 – динамика изменения толщины искусственного меха под действием давления.

Рис. 2.26. Зависимость толщины натурального меха от действия дав ления Рис. 2.27. Зависимость толщины искусственного меха от действия давления В дальнейшем при теоретических расчетах зависимости темпе ратуры внутриобувного пространства от времени учитывалось изме нение толщины меха и коэффициента теплопроводности при давлении стопы человека 20 кПа.

Глава Разработка математической модели системы «человек – одежда – окружающая среда»

Существующая актуальная потребность в средствах индивиду альной защиты сопряжена с большими материальными и объектив ными сложностями, которые возникают при разработке и тестирова нии новых образцов защиты человека от окружающей среды. Подчас испытатели рискуют в большей степени, тестируя образец в макси мально допустимых условиях, в отличие от тех, для кого предназна чаются разрабатываемые комплекты индивидуальной защиты. Поэто му математическое моделирование системы «человек – одежда – сре да» (Ч-О-С), – эффективный инструмент, позволяющий сократить число натурных экспериментов [1,2].

С другой стороны отдельно от задач инженерного проектиро вания одежды существует математическое моделирование системы «Ч-О-С», которое нацелено на исследование состояния человека в рамках поставленных условий моделирования [3]. В системах автома тизированного проектировании одежды инженером-конструктором задаются коэффициенты на основании своего опыта и интуиции, а также общепринятых расчётов, базирующихся на математических мо делях малой точности.

Разработка математических моделей системы «Ч-О-С», позво ляющих создать алгоритмы расчета исходных параметров для САПР средств индивидуальной защиты человека является актуальной и пря мой задачей математического моделирования в рамках разработки средств индивидуальной защиты человека от высоких и низких темпе ратурных условий.

3.1 Существующие методики оценки и анализа теплового со стояния человека Организм человека можно представить как уникальную систе му, рациональное взаимодействие составляющих которой, обеспечи вает ее бесперебойное функционирование. На рис. 3.1. представлена структура взаимосвязи основных систем организма человека [4,5,6,7].

Чувствительные рецепторы Нервная Световой режим система Кожа Жир Мышцы Температурный режим Сердечно Пищеварительная Кровь сосудистая система система Моче Система Газовый состав половая дыхания система Организм человека Окружающая среда Рис. 3.1. Система взаимосвязи компонентов организма человека в условиях окружающей среды Несмотря на сложный массив воздействующих внешних фак торов, тепловой баланс человека обеспечивается рационально скон струированной системой тепловой защиты, которая компенсирует воздействие среды на человека там, где его физиологическая и хи мическая терморегуляция уже не способна это полностью обеспе чить.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.