WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«Монография УДК ББК Авторский коллектив Прохоров В.Т., Осина Т.М., Жихарев А.П., Михайлов, А.Б., Михайлова И.Д. Рецензенты: Доктор технических наук, профессор А. Жаворонков (г.Шахты) Доктор ...»

-- [ Страница 3 ] --

Время охлаждения стопы, мин., до температуры кожи большого пальца 18С в обуви с различными суммарными тепловыми ви, м2*0С/Вт 0,09 30 20 10 - Закономерность изменения температуры кожи стопы при охлаждении может быть представлена на полулогарифмических графиках, если на них наносить не температуру кожи стопы, а разность между температурами кожи стопы и окружающего воздуха. При этих условиях рассматривается передача тепла через систему материалов обуви и далее во внешнюю среду. Такой подход позволил увидеть, что закономерность изменения температуры кожных покровов выражается прямой, причем температура в отдельные моменты времени колеблется около прямой, поэтому данная закономерность может быть выражена линейной зависимостью. Однако известно, что линейной зависимостью на полулогарифмических графиках выражается экспоненциальное изменение температуры во времени, а это в свою очередь подтверждает предположение о том, что отдача тепла телом человека во внешнюю среду описывается закономерностью, близкой к закону Ньютона.

Приведенные данные подтверждают возможность и целесообразность применения метода математического описания процесса изменения теплового состояния стопы человека для определения температуры кожи стопы при носке обуви в определенных метеорологических условиях.

2.4 Оценка теплового состояния человека в теплозащитной обуви Чем сильнее неблагоприятное воздействие окружающей среды, тем большей защитной способностью должна обладать обувь. Поэтому теплозащитные свойства обуви имеют исключительное значение для тепловой защиты ног и создания при пониженных температурах окружающей среды нормального теплового состояния всего организма.

Теплозащитные свойства обуви зависят от метеорологических условий. Показатели теплозащитных свойств, особенности конструкции обуви зависят от ее целевого назначения, интенсивности выполняемой физической работы. Судить об этих показателях позволяют данные, характеризующие тепловое состояние человека в указанной обуви, характер его ответных реакций на воздействие окружающей среды [109].

В условиях холода, при разнице между температурами тела человека и окружающей среды, происходит непрерывный теплообмен, переход тепловой энергии от тела человека в окружающую среду. При изучении процесса перехода тепла от стопы человека к внутренней поверхности обуви стопу можно рассматривать как тело с более высокой температурой, отдающее тепло. Температура кожного покрова стопы определяется соотношением количества поступающего к ней (регулируемого организмом) тепла и интенсивности отдачи его в окружающую среду при определенной теплоизоляционной способности обуви и ее конструктивных элементов (верха и низа, утепления отдельных участков обуви). Температура кожи на разных участках стопы изменяется во времени.

В низкотемпературных районах выделяют территорию, на которой утепленная обувь, применяемая в северо-восточных районах страны, не обеспечивает необходимых теплозащитных свойств. Это территория с особо низкой температурой, где сильное охлаждение стопы обусловлено сочетанием низкой температуры воздуха (до – 40С) с сильным ветром (до 40 м/с). Неблагоприятное влияние этих условий на стопу больше, чем влияние температуры до – 60 0С при скорости ветра до 2м/с. Температура стопы на открытом воздухе в первом случае может понизиться до 5С.

Нарушение кровотока нижних конечностей резко сказывается на общем теплообмене, поэтому в условиях низких температур (от минус 50 до минус 70) обувь должна обеспечивать естественную подвижность стопы. Лучшей защитной обувью в этих условиях многие считают местную обувь типа мягких сапог из меха взрослого оленя (торбаса, комусы) и внутренние чулки из меха молодого оленя- пыжика.

Высокие теплозащитные свойства обуви этих видов объясняют строением волоса оленьего меха, внутри которого находится воздух. Благодаря этому тепло стопы сохраняется даже и в ветреную погоду при низкой температуре. Тонкая плотная кожевая ткань оленьего меха сохраняет гибкость обуви при очень низкой температуре, при которой овчина становится ломкой.

Развитие производства синтетических и искусственных материалов с заданными свойствами открыли широкую перспективу для разработки конструкций обуви с теплозащитными свойствами, значительно превышающими теплозащитные свойства всех видов обуви, применяемых в этих условиях.

В высокогорных районах (более 2000м. над уровнем моря) с пониженным парциальным давлением кислорода и пониженной температурой воздуха наблюдается повышенная чувствительность человека к холоду из-за кислородного голодания. На высоте 3000м. над уровнем моря температура стопы понижается на 3-5 0С. В этих условиях обувь и одежда должны быть максимально облегчены и утеплены.

К наиболее важным характеристикам метеорологических условий, влияющих на человека, которые следует учитывать при разработке требований к материалам и конструкции обуви, предназначенной для носки в зимний период, необходимо отнести температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как давление и влажность воздуха, в обычных условиях имеют второстепенное значение, однако при большой влажности воздуха заметно повышается равновесная влажность материалов обуви и их теплопроводность.

Мокрый снег или тающий лед создает условия высокой теплоотдачи от поверхности обуви во внешнюю среду и может приводить к значительному охлаждению стопы человека в обуви. Поэтому, при носке обуви в зимних условиях (при наличии снега) должна быть исключена возможность попадания снега внутрь обуви через верхний край или шнуровку. Снег не должен прилипать к поверхности обуви или забиваться в ворс, так как при входе в теплое помещение снег тает и увлажняет обувь.

В период напряженной терморегуляции отмечается более интенсивное кровообращение в конечностях, чем в других частях тела, поэтому целесообразно вносить поправки в указанные характеристики.

Так как обувь является защитным барьером между стопой человека и окружающей средой, она снижает неблагоприятное воздействие среды, облегчает организму возможность через систему терморегуляции обеспечить нормальные или комфортные условия для человека.

В холодное время года обувь используют с внутренней обувью: носками, колготками. Часто применяют специальные утеплители, входящие в комплект обуви. Таким образом, пространство между стопой и обувью всегда заполнено прослойками из волокнистых материалов (трикотаж, текстильные, нетканые или войлочные материалы, натуральный или искусственный мех и др.). Структура этих материалов включает в себя большое количество воздушных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими материалами, между слоями материалов, а также между поверхностью материалов и внутренней поверхностью обуви образуются воздушные прослойки различной толщины и протяженности, изменяющиеся при передвижении человека и при его покое. Степень сжатия материалов внутренней обуви изменяется. Материалы могут увлажняться потом, при этом влага вытесняет воздух из ячеек и даже заполняет отдельные поры и капилляры. Тогда перенос тепла сопровождается влагопереносом.

При выборе обуви по размерам стоп обращается внимание так же на то, чтобы обувь была впорной. Вместе с тем замеры линейных размеров стопы и размеров применяемой обуви указывают на то, что это условие не всегда соблюдается.

При носке обуви, размеры которой не учитывают толщину внутренних утеплителей, происходит сдавливание кровеносных сосудов, затрудняется кровообращение, т.е. результат противоположен тому, который ожидают получить от применения внутренних утеплителей.

Таким образом, передача тепла от стопы к обуви является сложным процессом в связи с различной степенью соответствия формы обуви, стопам разных людей, наличием воздушных прослоек при неодинаковой степени сохранения их в носке. Поэтому сложность системы материалов и воздушных прослоек обуви привела к необходимости использовать в практических расчетах упрощения, при которых тепловые свойства внутренней обуви рассматриваются и оцениваются отдельно и учитываются при последующих расчетах общего показателя теплозащитных свойств обуви.

При нахождении человека в спокойном состоянии, после ночного сна температура кожи стопы выравнивается с температурой кожи на других участках тела. Днем, при нахождении человека в спокойном состоянии, сидя, стоя или при выполнении легкой работы даже при комнатной температуре в результате теплообмена с окружающей средой температура кожного покрова стопы снижается и различна на разных ее участках. Наиболее высокая температура наблюдается на голени тыльной стороны стопы; более низкая – на подошве и еще более низкая – на отдаленном участке – опорной подушечке большого пальца. Указанное обстоятельство послужило основанием для исследования температуры именно на этом участке, по которому можно судить о тепловом состоянии стопы, учитывая температуру кожного покрова стопы и на других ее участках (тыльной стороне, подошве).

2.5 Теплообмен обуви с внешней средой Теплообмен у наружной поверхности обуви обычно рассматривается как процесс переноса тепла от поверхности тела во внешнюю среду и наоборот. При соприкосновении с воздухом тепловая энергия частиц твердого тела первоначально путем теплопроводности передается тем частицам воздуха, которые соприкасаются с поверхностью тела. Через некоторый интервал времени температура прилегающего к телу слоя воздуха повышается. Таким образом, вблизи тела образуется пограничный слой воздуха, имеющий более высокую температуру. Так как более теплый воздух обладает меньшей плотностью, то на некотором расстоянии от поверхности тела возникают конвективные токи, перемещающие отдельные объемы воздуха, т.е.

передача тепла осуществляется путем конвекции.

Размеры пограничного слоя воздуха, условия его существования и разрушения зависят от свойств и состояния газообразной среды, температуры тела, состояния поверхности, геометрических размеров, формы тела и расположения его в пространстве.

Одновременно с передачей тепла конвекцией от нагретой поверхности тела тепло передается излучением. Интенсивность процесса зависит от температуры тела, а также от температуры и свойств воспринимающих тепло предметов, особенностей отдающей тепло поверхности тела. Такими путями происходит отдача тепла от наружной поверхности верха обуви.

На участках плотного контакта поверхности обуви с твердыми частицами грунта (при стоянии или ходьбе человека) происходит перенос тепла теплопроводностью. На участках низа обуви, не соприкасающихся с грунтом (например, в геленочной части обуви), тепло в воздух отдается теплопроводностью, конвекцией и излучением. Общая отдача тепла от поверхности низа может условно характеризоваться эквивалентным коэффициентом теплоотдачи, учитывающим как теплопроводность на участках плотного контакта низа с грунтом, так и отдачу тепла на участках, не имеющих с грунтом плотного контакта. Общий эквивалентный коэффициент теплоотдачи от поверхности низа определяется как средневзвешенный коэффициент теплоотдачи в грунт и воздух с учетом площади контакта с грунтом и окружающим воздухом.

Отдача тепла конвекцией При естественной конвекции при повышении температуры воздуха увеличивается длина свободного пробега молекул и температура пограничного слоя, уменьшается плотность воздуха, вследствие чего на некотором расстоянии от поверхности тела возникают конвективные потоки воздуха [58,91]. Отдача тепла конвекцией поверхностью тела, имеющей температуру Tп, в газообразную среду, имеющую более низкую температуру Tc, определяется законом Ньютона где qk плотность потока тепла, теряемого за счет конвекции единицей поверхности тела в единицу времени;

k коэффициент теплоотдачи конвекцией;

Tп Tc разность температур поверхности тела и среды (воздуха).

Теплопотери единицы поверхности тела dS за момент времени находят по зависимости Принято полагать, что вся сложность процесса теплоотдачи конвекцией характеризуется основной величиной – коэффициентом теплоотдачи, представляющим собой сложную функцию большого числа параметров, влияющих на процесс теплообмена, где Ф совокупность параметров, характеризующих форму, строение и размеры тела. Коэффициент объемного расширения газов Физические параметры для воды обычно берут из таблиц.

Многочисленные исследования привели к выводу о том, что решающее влияние на процесс естественной конвекции имеют физические свойства воздуха и температурный напор T = Tп Tc между телом и средой. Конфигурация тела имеет меньшее значение.

Теоретически определить зависимость между всеми параметрами удается лишь для простых случаев теплоотдачи при известных допущениях и упрощениях. По этой причине результаты расчетов нередко существенно отличаются от данных опыта. Поэтому единственным надежным средством для выяснения зависимости теплоотдачи от различных параметров является эксперимент. Обычно уменьшают число исследуемых параметров на основе теории подобия с использованием безразмерных комплексов или критериев подобия.

Из работ [16,17,82,91], известно, что явления естественной конвекции характеризуются следующими критериями:

критерием Прандтля Pr =, где L характерный (определяющий) геометрический размер тела.

териальным уравнением При теплообмене, подчиняющемся закону степени, k рассчитывается по формулам:

для вертикально ориентированной поверхности, цилиндрической поверхности и сферы для горизонтально ориентированной поверхности с верхней нагретой стороной для горизонтально ориентированной поверхности с нижней нагретой стороной В коэффициент A3 вошли все физические параметры среды Формула (2.8) пригодна для вычисления k при теплоотдаче от тел разной формы, т.е. возможно ее использование для приближенного вычисления k для обуви.

Отдача тепла излучением Всякое нагретое тело часть своей энергии отдает в окружающее пространство в виде электромагнитных волн – излучением, или радиацией. В окружающем пространстве, заполненном воздухом и водяными парами, часть энергии излучения поглощается. Если на пути теплового излучения встречается другое тело, то тепловая энергия частично поглощается этим телом, частично отражается и частично может проходить сквозь тело.

Теплоотдача излучением подчиняется закону Стефана:

где E константа, зависящая от природы поверхности, более или меуниверсальнее приближающейся к «абсолютно черному телу», ная константа Стефана и, следовательно, пропорциональна разнице четвертых степеней абсолютных температур тела человека и среды.

Однако, в условиях охлаждения тела одетого человека отклонение от линейной зависимости теплоотдачи от разности температур организма и среды невелико – около 5% [7]. По мере снижения внешней температуры, как мы увидим далее, падает и доля теплоотдачи излучением (по сравнению с теплопроводностью и конвекцией).

Одновременная отдача тепла излучением и конвекцией А.В. Лыков [75] предложил формулу учета одновременной отдачи тепла излучением и конвекцией. Если температура окружающей среды и температура воспринимающего тепло тела одинаковы, а коэффициент поглощения лучей воздухом очень мал, то величина передаваемого потока тепла может быть найдена по формуле, отражающей закон Ньютона:

Здесь Tп температура теплоотдающей поверхности;

Tc температура окружающей среды;

k коэффициент теплоотдачи конвекцией;

T коэффициент лучистого теплообмена.

2.6 Методы прогнозирования теплозащитных свойств изделий Первые приборы для определения теплопроводности обувных материалов были созданы работниками Центрального научноисследовательского института кожевенно-обувной промышленности (ЦНИИКПа) и УкрНИИКПа [58], а затем И.Г. Манохиным и Е.Н. Чунихиной [81] исследованы тепловые свойства основных обувных материалов на приборе Всесоюзного теплотехнического института специальными методами и на приборах, разработанных авторами.

В ЦНИИКПе М.Г. Любичом [78] и Ю.Л. Кавказовым [53] созданы методы оценки тепловых свойств обувных материалов и конструкций обуви при нестационарном теплообмене. В работах ЦНИИКП впервые показана возможность использовать условия теплообмена в регулярном тепловом режиме для оценки теплозащитных свойств обуви.

Е.А. Мирошниковым [78] исследована теплопроводность обувных материалов и влияние на этот показатель различных факторов.

А.И. Саутиным [96] при изучении гигиенических свойств искусственных материалов и обуви из них установлена связь между лабораторными показателями теплозащитных свойств обуви и теплопотерями человека, реакциями организма, определяемыми физиологогигиеническими испытаниями обуви.

Принцип работы первых приборов для оценки теплозащитных свойств обуви, изготовленных В. Бахманом, А.Д. Астафьевым, Г.А.

Казаковым, П.В. Рамзаевым и П.Е. Калмыковым [58], основан на стационарном теплообмене. В обувь, испытываемую на приборах, вкладывается ядро, форма которого примерно соответствует форме обуви.

В ядро помещены электронагреватель и термопары для измерения температуры ядра в обуви. Температура внешней среды поддерживается постоянной. После нагревания ядра до температуры выше температуры внешней среды тепло от ядра передается через обувь во внешнюю среду. Мощность электронагревателя, а, следовательно, и количество выделяемого тепла регулируются до тех пор, пока система не достигнет режима стационарного теплообмена. Оценка теплозащитных свойств осуществляется по одному из нижеуказанных способов:

а) по абсолютному количеству тепла Q, передаваемому через обувь во внешнюю среду в единицу времени:

где K сум суммарный коэффициент теплопередачи; S об общая внутренняя поверхность обуви; (Tя To ) разность температур ядра и внешней среды;

б) по относительному охлаждению, т.е. по отношению количества тепла, отдаваемого поверхностью обуви в окружающую среду, к количеству тепла, отдаваемого от поверхности ядра, когда на него не надета обувь, выраженному в процентах;

в) по сопоставлению величин Q для двух сравниваемых видов обуви, один из которых является эталоном.

К приборам, предназначенным для экспериментального изучения теплового сопротивления обувных материалов и пакетов из них, реализующим принцип стационарного теплового режима, следует отнести прибор, созданный на кафедре товароведения промышленных товаров МИНХ имени Плеханова [77]. Для снятия изотерм и одновременного контроля постоянства теплового потока на поверхности исследуемого образца используются жидкокристаллические термоиндикаторы (ЖКИ) в виде термопленки, обладающие способностью избирательно рассеивать свет в зависимости от температуры.

Жидкокристаллическая термоиндикаторная пленка, обладающая незначительной теплоемкостью, высокой чувствительностью к изменению температуры, обеспечивает высокую степень точности контроля температуры и постоянства теплового потока. Особенностью прибора является и то, что теплоизолирующий корпус его выполнен открытым, это позволяет проводить испытания в условиях, наиболее приближенных к эксплуатационным, одновременно определять коэффициенты теплопроводности, теплоотдачи и проводить по ним расчет суммарного теплового сопротивления. Использование указанного прибора для измерения суммарного теплового сопротивления многослойных пакетов, моделирующих различные участки верха (носок, союзка, задинка) позволило исследовать теплозащитную способность отдельных участков обуви и выявить ряд факторов, обусловливающих неравномерность теплозащитных свойств поверхности обуви.

При нестационарном теплообмене теплозащитные свойства обуви оцениваются при регулярном тепловом режиме, теория которых разработана Г.Н. Кондратьевым [75, 110, 89]. При испытании в обувь закладывается специальное ядро, т.е. обувь с ядром, по существу, является бикалориметром.

В работе М.Г. Любича [78], ядром бикалориметра являлась деревянная колодка, а в работе Ю.Л. Кавказова [53] – резиновая пустотелая колодка, заполненная водой. Температура ядра бикалориметра была выше температуры внешней среды, поэтому тепло от него через обувь передавалось во внешнюю среду. Скорость охлаждения ядра зависела от теплозащитных свойств обуви. Для регулярного теплового режима скорость охлаждения ядра выражалась через темп регулярного охлаждения m, одинаковый для любой точки ядра бикалориметра и определяемый для двух моментов времени по формуле:

ми 2 и 1 замера температур.

В указанных работах определялись темпы регулярного охлаждения обуви различных видов и ядра бикалориметра без обуви. О теплозащитных свойствах обуви судили по отношению указанных темпов регулярного охлаждения в процентах.

На наш взгляд, такое отношение, не выраженное через показатели тепловых свойств, не может достаточно полно характеризовать теплозащитные свойства обуви, а метод не может быть принят для прогнозирования теплозащитных свойств обуви, так как ядро бикалориметра, выполненное в виде жесткой или полужесткой формы, не может обеспечить точного и плотного прилегания его поверхности к внутренней поверхности обуви.

А.И. Саутиным и Л.В. Кедровым [58, 96], а также П.Я. Ажевским [1] были проведены комплексные физиолого-гигиенические испытания обуви, включающие в себя гигиеническую, санитарнохимическую и токсикологическую оценку обуви и материалов, из которых она изготовлена, теплозащитные свойства обуви оцениваются носчиками в процессе эксплуатации. При испытаниях теплозащитных свойств обуви фиксируются показатели внешней среды и физиологические реакции организма: температура тела и средневзвешенная температура кожного покрова стопы и отдельных ее участков, разница температур кожи на груди и на стопе; снижение температуры кожи стопы во время опыта; время, в течении которого снижается температура кожи стопы до предельно допустимой, радиационноконвективные теплопотери (тепловые потоки) различных участков стопы; электрическое сопротивление кожи, характеризующее интенсивность потоотделения стопы, привес внутренней обуви в результате увлажнения. Учет общего теплового состояния организма и его ответных реакций на охлаждающее действие внешней среды, а также показателей гигиенических свойств обуви дает достаточно полное представление о теплозащитной способности обуви в условиях эксперимента, приемлемости ее с гигиенической точки зрения для носки в заданных условиях.

Л.В. Кедровым [58] создан метод, позволяющий оценивать суммарное тепловое сопротивление обуви, характеризующее его фактическую теплозащитную способность, получить данные для расчета тепловых сопротивлений конструктивных элементов обуви – верха и низа, установить коэффициент теплоотдачи при различных состояниях окружающей среды, учесть форму обуви и влияние деталей конструкции на суммарный показатель теплозащитных свойств. Метод основан на теории регулярного теплового режима и испытан на различных видах обуви. Теплоносителем является ядро с нагретой водой, заполняющей тонкую резиновую оболочку – баллон, помещаемый в обувь. Результирующим показателем, характеризующим теплозащитные свойства обуви, является полное суммарное сопротивление обуви R'сум :

где Rсум – среднее тепловое сопротивление внутренней теплопроводности через систему материалов обуви; Rn среднее поверхностное тепловое сопротивление обуви; об средний коэффициент теплоотдачи на границе с внешней средой.

Показатели Rсум ', Rсум, Rn, об определяют при испытании обуви в условиях естественной конвекции и при очень большом коэффициенте теплоотдачи.

В работе [49] производится оценка комфортности обуви по параметрам внутриобувного микроклимата, а именно по температуре Tк и относительной влажности мени носки обуви.

Проведенные эксперименты показали, что изменения температуры стопы, а также температуры и относительной влажности внутриобувного воздуха в зависимости от продолжительности непрерывной носки обуви всех вариантов имеют один и тот же характер в начальный период все контролируемые параметры возрастают и примерно через 1-1,5 ч носки достигают максимальных значений, после чего остаются примерно на достигнутом уровне независимо от продолжительности носки.

В работе [24] с целью оценки теплозащитных свойств обуви разработаны новые методы определения, расчета и прогнозирования теплопереносных свойств обувных материалов. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

- теоретическое обоснование и практическая реализация методов экспериментального определения теплопроводности обувных материалов;

- изучение, систематизация и обобщение теоретических и экспериментальных данных по теплопроводности обувных материалов;

- разработка методов расчета и прогнозирования теплопроводности обувных материалов в зависимости от структурных характеристик.

На наш взгляд, разработанные в указанных работах методы лабораторных испытаний позволяют достаточно точно оценивать и прогнозировать теплозащитные свойства обуви, проектируемой для определенных тепловых условий ее эксплуатации.

В работе указывается, что при определении числа видов обуви учитывается то обстоятельство, что носчики должны быть обеспечены обувью на все периоды носки: от переходного до крайне холодного, характерного для указанного района, т.е. каждый период носки требует определенной теплозащитной обуви. Указано, что потребное число видов обуви для человека может быть вычислено из отношения времени носки данного вида обуви к средней продолжительности службы, а число видов обуви в общем ассортименте и количество обуви каждого вида для одного человека может служить в качестве базового ассортимента для данного района. Также отмечается, что при определении ассортимента обуви учитывается повышенный спрос на отдельные виды или модели обуви, а также уменьшенный спрос на другие ее виды. На наш взгляд, установление базового ассортимента для данного района должно служить базой для отработки рационального ассортимента обуви с теплозащитными свойствами, необходимыми для холодных периодов носки на определенный год.

Проведенный обзор по методам оценки теплозащитных свойств изделий позволяет сделать следующие выводы:

а) в настоящее время проблемы прогнозирования теплозащитных свойств обуви и одежды достаточно хорошо изучены. Все эти методы основываются или на стационарном или на нестационарном тепловых режимах и позволяют производить усредненное прогнозирование теплозащитных свойств изделий, причем методы, основанные на нестационарном тепловом режиме, более тяготеют к теории регулярного теплообмена Г.М. Кондратьева;

б) во многих работах определяется выраженное в процентах отношение темпов регулярного охлаждения обуви различных видов и ядра бикалориметра без обуви, что не в полной мере характеризует теплозащитные свойства обуви ввиду отсутствия в этом отношении тепловых свойств материалов;

в) на наш взгляд, выработка рациональных принципов зонального утепления обуви должна вестись с учетом локального теплообмена стопы человека в обуви с внешней средой наподобие того, как это сделано в работах Р.Ф. Афанасьевой для одежды, т. е. необходимо проводить локальное прогнозирование теплозащитных свойств.

2.7 Анализ имеющихся математических моделей оценки теплозащитных свойств обуви при нестационарном тепловом процессе.

Уравнение теплообмена, происходящего между стопой человека и окружающей средой, может быть выражено следующим образом:

где M теплообразование стопы за счет кровообращения (Вт/м); R внешняя тепловая нагрузка (солнечная радиация); Q потери тепла конвекцией; Qr потери тепла радиацией; Qe потери тепла испарением; D дефицит или накопление тепла в организме;

При носке обуви зимой испарение пота не имеет основного значения в терморегуляции, поэтому Qe часто принимается как часть Q + Qr :

Коэффициент K 0 меньше 1 А.Бартон и О. Эдхолм [7] считают, что K может быть равно 0,21.

При тепловом состоянии организма, когда теплообразование уравновешивается теплоотдачей (теплопотерей), создается тепловой баланс (D=0). При D0 тепло накапливается в организме, и теплосодержание и средняя температура тканей тела человека повышаются, а при D0 теплосодержание и средняя температура тканей снижаются.

Дефицит тепла D может быть установлен из следующего соотношения [7] где m масса тела; с- средняя теплоемкость тканей человека; S – площадь поверхности тела; – изменение средней температуры теd ла за интервал времени.

Отношение m / c является теплоинерционной характеристикой и для человека может быть вычислено по уравнениям, таблицам или номограммам, широко используемым в расчетах физиологами и гигиенистами.

Основываясь на уравнении теплового баланса, Л.Д. Лебедевой в [58,67,68,69,70,71] построена математическая модель процесса охлаждения стопы в обуви. Расчет средней температуры кожи стопы Tср.к производится по формуле:

где T0.ср.к начальная средняя температура кожи; TВ температура окружающего воздуха; время; Q теплообразование стопы;

них тканей стопы; Pсум полное суммарное тепловое сопротивление.

При получении данной математической модели было использовано следующее представление для плотности теплового потока от стопы через обувь посредством конвекции и излучения:

Эта формула справедлива для стационарного процесса теплообмена, когда температура кожи постоянна и не зависит от времени.

Поэтому математическая модель Л.Д. Лебедевой точнее описывает температуру кожи по истечении некоторого времени, когда распределение температуры в обуви будет близким к устоявшемуся.

По формуле (2.21) представляется возможность расчета средневзвешенной температуры стопы, что не дает детального представления о ее локальном тепловом состоянии. Охлаждение голени, подошвы, тыльной и носочной части стопы происходит с различной скоростью. Это зависит от различного теплообразования участков стопы за счет периферийной кровеносной системы, от пакета материалов, составляющих обувь, от различных коэффициентов теплоотдачи для различных участков поверхности обуви, от формы той или иной части поверхности обуви и т.д. Наиболее подвержена охлаждению носочная часть стопы и может случиться так, что ее температура будет достаточно низкой, хотя средневзвешенная температура стопы будет в пределах допустимой нормы. Полное суммарное тепловое сопротивление в формуле (2.22) представляет собой совокупность тепловых сопротивлений низа и верха, а также среднее поверхностное тепловое сопротивление обуви [99]:

где Pсум среднее тепловое сопротивление внутренней теплоотдаче через систему материалов обуви; Pп среднее поверхностное тепловое сопротивление обуви; PН, РВ суммарные тепловые сопротивления верха и низа; средний коэффициент теплообмена на границе с окружающей средой; S В, S Н, SОб внутренние площади поверхности верха, низа и всей обуви.

Тепловое сопротивление низа будет неоднородно за счет различной толщины пакетов материалов, использующихся для изготовления подошвы, а также при неплоской внешней части подошвы (например, наличие каблука) коэффициенты теплоотдачи различных частей подошвы будут разными. Для верха обуви тепловые сопротивления носочной части, союзки, пяточной части или голенища также будут разные из-за использования различных пакетов материалов, формы, коэффициента теплоотдачи.

Для исследования процесса теплообмена между стопой и окружающей средой через обувь М.Н. Ивановым было использовано уравнение теплопроводности где t - потенциал переноса тепла (температура); x - координата, по которой распространяется тепловой поток; a - температуропроводность; - время.

Критерием комфортности выбирается температура контакта между стопой и обувью. Температура в зоне контакта t k будет изменяться в зависимости от термических свойств материалов конструкции обуви, начальной температуры t k = t 0 (температура окружающей среды), температуры стопы tc и продолжительности контакта. В первый период температура в зоне контакта резко повышается от t0 до t k, а затем в зависимости от свойств материалов и начальной температуры изменяется по одному из следующих вариантов:

а) если потери тепла через обувь меньше количества тепла, вырабатываемого терморегуляторной системой организма, то температура в зоне контакта будет повышаться;

б) если потери тепла больше, чем выделения стопы, то t k снижается, в этом случае рефлекторно сужаются кровеносные сосуды стопы, уменьшается приток крови, следовательно, тепла, в результате чего снижается температура стопы;

в) если потери тепла равны или близки количеству тепла, вырабатываемого организмом, то температура контакта останется примерно постоянной. Именно это состояние обеспечивает комфорт стопе. Таким образом, в условия комфортности обуви входит как постоянство температуры самой стопы, так и постоянство температуры в зоне контакта стопы с обувью. При этом температура в зоне контакта не должна превышать температуры стопы.

Заготовка верха обуви в [49] представляется в виде полуограниченного тела 2 с уложенной на него бесконечной пластиной 1 толщиной l1 из другого материала (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Расчетная схема для определения теплоотдачи пературы тела и пластины равны по всему объему и имеют величину t0. С момента 0 на поверхности x = 0 поддерживается постоянная температура контакта t k. Математически задача описывается следующей системой уравнений:

начальные условия граничные условия Здесь t1,t 2 температура, 1, 2 коэффициенты теплопроводности, a1, a2 коэффициенты температуропроводности, сти материалов соответственно пластины и тела.

Решение задачи имеет вид:

Рассмотренная математическая модель теплообмена между стопой и окружающей средой через обувь предполагает неизменной температуру контакта t k стопы и обуви, т.е. стопа пребывает все время в комфортных условиях. В реальных условиях пребывания человека на холоде температура контакта как правило не остается постоянной, поэтому формула (2.24) не дает ответ на вопрос о предельном времени пребывания в условиях недостатка тепла. Также в постановке задачи теплоотдача с окружающей средой определяется только температурой t0 окружающей среды. Между тем плотность теплового потока с поверхности обуви в окружающую среду зависит, например, от скорости ветра, влажности воздуха, солнечного излучения и т.д., и часто выражается законом Ньютона и соответствующим коэффициентом теплоотдачи. Стоит также отметить, что заготовка верха обуви рассматривается как плоское тело без учета его конструктивных особенностей.

В работе О.Г. Арутюняна [4] для построения математической модели были использованы результаты [16] расчетов несимметричного температурного поля в многослойной пластине. Математическая модель теплообмена в системе «стопа – обувь – окружающая среда»

представляется системой уравнений теплопроводности с краевыми условиями III рода:

где TC – температура окружающей среды;

T0 – температура внутриобувного пространства;

а – наименьшая температуропроводность из всех слоев;

– теплопроводность слоя с температуропроводностью а;

– толщина этого слоя;

i = – безразмерная толщина i-го слоя;

Ti ( xi, t ) температура i-го слоя;

i (i, F0 ) = – относительная температура i-го слоя;

ki = - безразмерная температуропроводность;

hi = - безразмерная теплопроводность, i= 1, … n.

Начальное распределение температуры Граничные условия Между слоями подошвы предполагается идеальный контакт, который выражается условиями сопряжения на стыках.

В [1] проведен расчет поля температур трехслойной заготовки верха при температуре окружающей среды –15°С и постоянной температуре внутриобувного пространства, равной 30°С. В такой постановке задачи предположение о постоянстве температуры внутриобувного пространства делает практически бесконечным время пребывания стопы в комфортных условиях и не дает возможности реального представления о предельном времени пребывании в обуви в условиях холода. Также следует отметить, что использование в модели только многослойной пластины сводит рассмотрение заготовки верха обуви только к плоскому случаю без учета формы этой заготовки.

Анализ рассмотренных математических моделей «стопа – обувь – окружающая среда» приводит к выводу о необходимости создания математической модели, с помощью которой можно будет рассчитать зависимость температуры внутриобувного пространства от времени для различных участков стопы. Это даст возможность ответить на вопрос: сколько времени в комфортных условиях может находиться в обуви человек в условиях низких температур. Математическая модель должна использовать основные факторы, влияющие на температуру внутриобувного пространства: условия окружающей среды, теплообразование стопы человека, теплофизические свойства и форму пакетов материалов, из которых составлены различные детали обуви.

2.8 Оценка и прогнозирование технологических свойств пакетов материалов для защиты стоп от воздействия на них низких температур (Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса) Качество обуви определяется уровнем разработки образцаэталона (проекта) и качества его производственного исполнения (соблюдения требований, норм, технологических предписаний, ТУ, стандартов и т.д.); именно на стадии проектирования и разработки ассортимента закладывается качество будущей готовой обуви, предопределяется спрос населения и эффективность производства.

Ошибки в оценке уровня качества образца (проекта) обуви приводят к затовариванию или неоправданно высоким производственным затратам.

В ряду потребительских свойств обуви одно из первых мест принадлежит комфортности, т.е. обеспечению удобств при эксплуатации. Чем выше степень соответствия обуви условиям жизнедеятельности человека, тем лучше его самочувствие, выше работоспособность. Удобство обуви определяется как соответствием ее внутренней формы и размеров стопы, так и гигиеничностью. Создание комфортной обуви невозможно без объективной оценки качества материалов с целью обоснованного формирования пакетов обувных материалов путем подбора рациональных сочетаний верха, подкладки, стельки, подошвы; выбора конструкции обуви, а также технологий сборки заготовок и обуви.

Комфортность является сложным эргономическим свойством обуви, характеризующим ее 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 внутренней формы и размеров обуви форме и размерам стопы при отсутствии чрезмерного давления на стопу при носке (впорность обуви).

Гигиеничность - способность поддерживать нормальный влаготемпературный режим стопы и всего организма при недопустимости воздействия вредных и токсических веществ на нее [1].

В настоящее время за основные критерии комфортности приняты следующие показатели, характеризующие нормальное состояние стопы и всего организма в процессе эксплуатации обуви:

- отсутствие механических повреждений стопы и травм;

- отсутствие токсического воздействия на стопу и организм;

- температура стопы 27-33°С;

- температура внутриобувного воздуха 21-25°С;

- относительная влажность внутриобувного воздуха 60содержание СО2 во внутириобувном пространстве не более 0,08% - давление обуви на стопу 1060-8010 Па.

Обувь создает вокруг стопы человека определенный микроклимат, на состояние которого оказывает влияние три основных фактора: организм носчика, условия внешней среды и собственно обувь [2]. Влияние организма носчика определяется его тепловым состоянием и интенсивностью потовыделения, зависящими от уровня физической нагрузки и индивидуальных особенностей человека; влияние внешней среды - температурой, влажностью и скоростью движения воздуха; влияние обуви - ее конструкцией и свойствами используемых материалов.

Эти свойства обуви имеют жизненно важное значение для организма, особенно в условиях очень высоких или низких температур.

Жизнедеятельность организма ограничена температурой тела 32-42°С [3]. При нормальной температуре тела в подмышечной впадине температура над поверхностью икорной мышцы равна 32,2°С, голеностопного сустава - 30°С, пальцев стопы - 24,4°С. Температура поверхности стопы должна быть 19-33°С [2]. При понижении температуры стопы появляется ощущение холода; уменьшение температуры до 15°С может вызвать простудные заболевания. Повышение температуры тела резко активизирует потовыделение.

Колебания температуры внешней среды воспринимаются двумя видами терморецепторов: одни возбуждаются холодом, другие теплом. Этими рецепторами снабжена не только кожа, но и слизистые оболочки. Число рецепторов равно 280000, 90% из них воспринимают холод и только 10% - тепло. Это в среднем составляет на 1 см2 кожи от 6 до 23 рецепторов холода и 3 тепловых. Неравномерное распределение рецепторов по поверхности тела определяет разную чувствительность отдельных участков его к температуре внешней среды [4].

Теплозащитные свойства являются важными характеристиками обуви, если принять во внимание, что многие районы РФ отличаются продолжительной зимой, низкой температурой и значительным снежным покровом. Для многих районов характерны также и сильные ветры. Учитывая эти особенности климата, исследованиям теплозащитных свойств обуви всегда уделялось большое внимание [5-17].

Под теплозащитными свойствами понимают способность обуви препятствовать излишней теплоотдаче стопы в окружающую среду.

Эти работы позволили выявить закономерности терморегуляционных реакций организма и его теплового состояния, разработать средства и методы лабораторных исследований теплозащитных свойств обуви, определить параметры для конкретных условий среды и наметить пути обеспечения теплозащитных свойств обуви из новых материалов с заданными параметрами тепло-, влаго- и ветрозащитных свойств. Теплозащитные свойства обуви характеризуются показателями теплового сопротивления, которые складываются из теплового сопротивления пакетов материала для верха и низа обуви. Тепловое сопротивление пакетов материалов для верха и низа обуви определяется в основном свойствами применяемых материалов, то есть их теплопроводностью и толщиной.

Теплопроводность обувных материалов определяется, главным образом, степенью их пористости. Материалы, обладающие малой плотностью и большим количеством пор, менее теплопроводны, чем материалы с большей плотностью и малым объемом пор. Последнее объясняется малой теплопроводностью воздуха, находящегося в порах материала. Теплопроводность материалов, используемьх при производстве образцов обуви, неодинакова и сильно колеблется, так как тепловое сопротивление тела прямо пропорционально толщине используемых материалов и обратно пропорционально их коэффициенту теплопроводности. Суммарное тепловое сопротивление пакета материалов верха и низа обуви, состоящих из нескольких слоев, равно сумме теплоизоляционных свойств этих слоев и воздушных прослоек между ними. Коэффициент теплопроводности материала характеризует передачу тепла при установившемся уровне теплообмена, т.е. когда потеря тепла стопой через обувь восстанавливается организмом, и температура в разных точках обуви постоянна. При отсутствии теплового равновесия, например, при низкой температуре, когда температура отдельных деталей еще не стабилизировалась, теплоемкость обуви изменяется. В этом случае теплообмен характеризуется более сложным показателем коэффициентом температуропроводности.

Чем больше коэффициент температуропроводности материала, тем быстрее температура внешней среды будет оказывать влияние на температуру внутренней поверхности обуви [5-9].

Тепло от стопы во внешнюю среду передается не только через многослойную систему обуви, но и от наружной поверхности ее.

При определении общего теплового сопротивления многослойной системы обуви, состоящего из теплового сопротивления низа Rн и заготовки Rв, учитывают и коэффициент теплоотдачи от верха обуви в воздух и от низа обуви во внешнюю среду через опорную плоскость в грунт. Коэффициент теплоотдачи низа зависит как от теплопроводности грунта, так и от характера поверхности подошвы (глубины рифления резиновых подошв) и каблука, а также от его высоты.

Исходя из этих положений, Л.В. Кедров устанавливает суммарное сопротивление теплопередачи от стопы во внешнюю среду [9]. Полученные им данные показывают, что потери тепла стопы в обуви зависят от теплозащитных свойств пакета материалов обуви (основной и внутренний), температуры и влажности окружающей среды, скорости движения воздуха, соотношения между размерами стопы и обуви, физической нагрузки на организм. Немалое значение имеют также возраст, физическое состояние человека и другие факторы. Теплообмен между стопой в обуви внешней средой - довольно сложный процесс, характеризуемый несколькими показателями.

Чтобы не перегружать конструкцию, в обувь для повседневной носки в осенне-весенний период целесообразно вкладывать утепленные стельки. Так, тепловое сопротивление кожаного низа ботинок из кож хромового дубления с кожаными стельками при применении вкладных фетровых стелек толщиной 2,4 мм увеличивается на 30%.

Но внутренние утеплители из искусственного меха повышают потовыделение стопы [13].

В увлажненной обуви теплоотдача увеличивается в результате повышения теплопроводности основной и внутренней обуви и потерь тепла при испарении влаги, так как коэффициент теплопроводности воды значительно выше, чем коэффициент теплопроводности вытесняемого водой из пор материала воздуха.

На теплозащитные свойства влияют такие факторы, как внутренний объем и форма обуви, наличие утепляющих прослоек (подкладки, вкладных стелек), метод крепления подошв и др. Широкая и высокая носочная части и повышенная полнота у обуви обусловливают изолирующее воздушное пространство между внутренней и основной обувью, которое увеличивает ее теплозащитные свойства.

Особенно благоприятно влияют на теплозащитные свойства обуви прокладочные воздухсодержащие упругие сетки [13]. При замене в мужских ботинках подкладки из тик-саржи меховой овчиной тепловое сопротивление обуви увеличивается более чем в 2 раза. Выявлено, что лучшими теплозащитными свойствами обладает обувь рантового метода крепления, худшими - обувь с креплением подошв металлическими крепителями. Клеевой метод занимает промежуточное положение. Более значительные потери тепла через низ обуви объясняется в основном свойствами материалов, меньшей воздушной прослойкой между стопой и обувью, более интенсивным потовыделением плантарной поверхности стопы и др.[13-17] При определении теплозащитных свойств обуви путём лабораторных исследований и расчетным методом выявляют показатели, характеризующие эти свойства, и определяют их оптимальные величины. Теплозащитные свойства определяются физиологогигиеническим экспериментом при носке обуви в различных метеорологических условиях. При этом замеряют температуру различных участков поверхности тела, стопы, тепловые потоки и выявляют самочувствие носчиков обуви [14].

Расчетный метод позволяет получить приближенную характеристику теплозащитных свойств обуви. Лабораторные методы широко применяются, так как позволяют получить более объективные данные о влиянии на свойства обуви различных метеорологических условий.

В основу метода определения теплозащитных свойств обуви, разработанного Л.В. Кедровым, положен принцип бикалориметра, который позволяет изучать теплозащитные свойства обуви для различны климатических условий.

Интересны конструкции обуви с электроподогревающим устройством, вмонтированным в низ обуви. Несмотря на технические трудности, работы в этом направлении продолжаются.

В низкотемпературных районах РФ выделяют территорию, на которой утепленная обувь, применяемая в северо-восточных районах страны, не обеспечивает необходимых теплозащитных свойств. Это территория с особо низкой температурой, где сильное охлаждение стопы обусловлено сочетанием низкой температуры воздуха (до С) с сильным ветром (до 40 м/с). Неблагоприятное влияние этих условий на стопу больше, чем влияние температуры до - 60°С при скорости ветра до 2 м/с. Температура стопы на открытом воздухе в первом случае может понизиться до 5°С [2, 13]. Нарушение кровотока нижних конечностей резко сказывается на общем теплообмене, поэтому в условиях низких температур (-50 -70°С) обувь должна обеспечивать естественную подвижность стопы. Лучшей защитной обувью в этих условиях многие считают местную обувь типа мягких сапог из меха взрослого оленя (торбаса, камусы) и внутренние чулки из меха молодого оленя - пыжика.

Высокие теплозащитные свойства обуви этих видов объясняют специфическим строением волоса оленьего меха, во внутренней полости которого находится воздух. Благодаря этому тепло стопы сохраняется даже и в ветреную погоду при низкой температуре. Тонкая плотная кожевая ткань оленьего меха сохраняет гибкость обуви при очень низкой температуре, при которой овчина становится ломкой [2].

В этих же климатических условиях в крупных населенных пунктах с благоустроенными жилищами применяют валенки и шерстяные носки. Но так как валенки ограничивают подвижность стопы, ими пользуются только при продолжительном пребывании на воздухе. Валенки являются основным видом обуви в северных и северовосточных районах Российской Федерации с более низкой температурой, в которых снежный покров достигает 70-80 см и держится дней в году.

Развитие производства синтетических и искусственных материалов с заданными свойствами открыли широкую перспективу для разработки конструкций обуви с теплозащитными свойствами, значительно превышающими теплозащитные свойства всех видов обуви, применяемых в этих условиях.

В высокогорных районах (выше 2000 м над уровнем моря) с пониженным парциальным давлением кислорода и пониженной температурой воздуха наблюдается повышенная чувствительность человека к холоду из-за кислородного голодания. На высоте 3000 м над уровнем моря температура стопы понижается на 3-5°С. В этих условиях обувь и одежда должны быть максимально облегчены и утеплены [2].

Рассмотрим некоторые особенности физиологии стопы человека.

Одной из важнейших зон терморегуляторных реакций у человека являются дистальные отделы конечностей, особенно стопы. Теплоощущения человека в большей степени зависят от температуры стопы. Так, у человека, находящегося в комфортной зоне, уровень теплообразования в организме 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 из вне при общем воздействии холода на тело человека приводит к уменьшению теплообразования.

Несмотря на относительно небольшие размеры стопы (масса стопы составляет 2% от массы, а площадь - 3,2% от общей поверхности тела человека), температурное поле ее неоднородно. Характер распределения температуры на поверхности стопы представлен в таблице 2.8.

Температурная топография стопы в условиях комфорта Среднюю температуру стопы можно определить по уравнению:

При расчетах, связанных с теплообразованием, необходимо принимать во внимание следующие факторы; возраст человека, его физическую активность и температуру окружающей среды. В таблице 2.9 приведены данные, характеризующие возрастные особенности терморегуляции стопы.

Зависимость температуры стопы от возраста человека Кроме возраста человека на температуру стопы влияет уровень мышечной нагрузки. В начальный период нагрузки происходит подъем температуры стопы. Примерно на двадцатой минуте температура стопы стабилизируется, но на более высоком уровне (рис. 2.2).

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 является ее способность изменять температуру кожной поверхности в широких 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, обусловлена высокой плотностью распределения потовых желез на их поверхности. Количество выделяемого стопой пота зависит от особенностей организма, условий среды и уровня мышечной деятельности. 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 неравномерно. С помощью йодокрахмалъного метода была получена следующая картина: свод и узкая область вдоль оснований пальцев остаются почти бесцветными, тогда как все остальные участки окрашиваются 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 потовых желез стопы человека и их топографии, полученные методом «синения бромфенола» [7].

Плотность распределения потовых желез на стопе человека Участок стопы 3. Пяточная часть 180 Из таблицы 2.10 видно, что наиболее активной зоной потоотделения является область пальцев стопы; наименее активна область свода стопы, на плантарной поверхности стопы потовые железы расположены более густо, чем на остальной ее поверхности. Значительное выделение пота этой зоной стопы объясняется также и высокой интенсивностью функционирования потовых желез, связанной с повышенным давлением на них в процессе ходьбы.

В таблице 2.11 приведены показатели температуры кожи, теплоотдачи 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].

испытаний 2.9 Тепловой обмен в системе «стопа - обувь - окружающая среда»

Одним из показателей комфортности обуви, как было отмечено выше, является температура внутриобувного пространства. Поддержание ее в нормальных пределах достигается путем подбора материалов 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 закономерности теплопередачи через сплошные тела. Научные основы теплопередачи через материалы, закономерности теплообмена в разных средах разработаны и изложены в трудах советских ученых М. А. Михеева, А.В. Лыкова и др.

Процесс переноса тепла происходит в пространстве и времени.

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

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 способность тела к теплопереносу и соответствует количеству тепла, передаваемого 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 коэффициенту теплопроводности, характеризует способность материалов препятствовать прохождению тепла:

Однако, экспериментальное изучение ТФХ обувных материалов нельзя ограничить лишь определением коэффициента теплопроводности, характеризующим эти свойства только в условиях стационарной 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 средой. В начальный момент надевания обуви процесс теплообмена также сопровождается изменением ее теплового состояния. В этом случае более важным показателем ТФХ материалов становится их температуропроводность.

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

где - температуропроводность материала, м2/с; с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг·°C); у - плотность материала, кг/м3.

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

По закону Ньютона тепловой конвективный обмен между телом и окружающей воздушной средой выражается следующей зависимостью:

где Q - количество тепла, передаваемого теплом в окружающее пространство в единицу времени, Вт; Т1 и Т2 - температура поверхности тела и окружающей среды, °С; S - площадь поверхности тела, м2;

- коэффициент теплоотдачи, характеризующий процесс теплообмена на границе поверхности тела и среды, Вт/ (м2·°С) Конвективный процесс теплоотдачи стопы в обуви обусловливается 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 характеризует, в основном, условия охлаждения тела, а не его тепловые свойства.

Поскольку обувная заготовка верха обуви и низ обуви представляют собой многослойные системы, в качестве характеристик тепловых 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].

Рис. 2.4. Схемы прохождения через сложную (а) и составную (б) Общий поток тепла через поверхность материала площадью можно определить из уравнений 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 способность тела к теплопереносу и соответствует количеству тепла, передаваемого 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 коэффициенту теплопроводности, характеризует способность материалов препятствовать прохождению тепла:

Однако экспериментальное изучение ТФХ обувных материалов нельзя ограничить лишь определением коэффициента теплопроводности, характеризующим эти свойства только в условиях стационарной 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 средой. В начальный момент надевания обуви процесс теплообмена также сопровождается изменением ее теплового состояния. В этом случае более важным показателем ТФХ материалов становится их температуропроводность.

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

где - температуропроводность материала, м2/с; с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг·°C); у - плотность материала, кг/м3.

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

По закону Ньютона тепловой конвективный обмен между телом и окружающей воздушной средой выражается следующей зависимостью:

Полное суммарное сопротивление обуви (Рсум) может быть выражено суммой тепловых сопротивлений всех элементарных слоев и прослоек воздуха, входящих в систему (Рсум) и отдачи тепла от наружной поверхности обуви во внешнюю среду (Рп).

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 материалов, как было отмечено выше, относятся коэффициенты тепло- и температуропроводности. Методы их определения делятся на стационарные и нестационарные.

К стационарным методам исследования коэффициента теплопроводности относится так называемый метод «плиты» [14]. Сущность 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 тонкой круглой или квадратной пластинки. Устройства нагрева и охлаждения также имеют плоскую форму с тем, чтобы обеспечить идеальный контакт с образцом. Значения температур, между которыми протекает 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 помощью вольтметра и амперметра или ваттметра: температура поверхности исследуемых образцов - с помощью термопар, зачеканенных на поверхностях холодильника и нагревателя. При выборе типа термопары и способа ее установки необходимо обеспечить помимо чувствительности хороший тепловой контакт температуры с объектом, наименьшее искажение теплового потока на основном нагревателе минимальные габариты. Этим условиям лучше всего отвечает медь - константовые термопары с диаметром термоэлектродов 0,2 мм.

Электронный автоматический потенциометр регистрирует перепад температур в исследуемом образце. На диаграммной ленте вычерчивается график следующего вида Рис. 2.6. Термограмма перепада температур в образце Расчет коэффициента теплопроводной () производят по формуле:

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 теплофизических исследованиях обусловлено высокой точностью измерений, однако их главным недостатком является длительность испытаний, связанная 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 распределения энергии теплового импульса по толщине образца. Коэффициенты тепло- и температуропроводности определяются следующим образом:

где М - время, через которое в точке, отстоящей от нагревателя на температура; -0/М -максимальная температура; М - мощность нагревателя; F - площадь нагревателя.

Рассмотренный метод относится к разряду относительных, поскольку для определенных искомых величин необходимо знать точные теплофизические характеристики эталонного образца (например, оргстекла). Однако он привлекает быстротой измерения и возможностью вычисления на основании одного опыта нескольких теплофизических коэффициентов, а также влияние на них влажности, температуры, плотности материала, удельного давления, направления теплового 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 тепло от нагревателя через образец передается теплоприемнику, от чего температура системы «образец-теплоприемник» растет. На регистрирующем приборе, фиксирующем разницу температур между нагревателем и теплоприемником, вычерчивается кривая вида.

Расчет теплофизических характеристик производится по следующим формулам где - толщина материала; bo - постоянная теплоприемника (для оргстекла b=560) - интервал времени; p, - безразмерные величины.

Значение параметров р = f1(к) и =f2(к), где к = 2/ 1 составленные 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 интервалов является быстрота измерения, что позволяет проводить многократные испытания, и невысокая температура нагревателя /20-36°С/, практически исключающая влияние испарения влаги образцов на точность результатов эксперимента.

Итак, обзор методик и приборов для оценки теплофизических свойств материалов показывает, что они, при всем разнообразии, могут быть разделены на две группы. К первой относятся приборы, принцип действия которых основан на создании в системе стационарного температурного режима, ко второй - регулируемого. Предпочтение, отдаваемое в настоящее время приборам второй группы, связано с высокой скоростью проведения эксперимента, возможностью создания реальных условий, комплексным характером исследований и зачастую 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 используют следующие показатели:

- полное суммарное тепловое сопротивление обуви;

- абсолютное количество тепла, передаваемое обувью в окружающую - относительное охлаждение, представляющее собой отношение количества тепла, отдаваемого обувью, к количеству тепла, отдаваемого ядром.

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

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:

Наглядная картина неоднородности теплозащитных свойств обуви может быть получена с помощью нанесения на ее поверхность жидкокристаллических термоиндикаторных пленок, обладающих способностью избирательно рассеивать свет в зависимости от температуры. 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 проводят, в основном, методом бикалориметра, теория и техника которого были разработаны Г.М. Кондратьевым. Бикалориметром является сама обувь с вложенным в нее ядром. В качестве ядра была использована колодка - или деревянная, или заполненная водой пустотелая резиновая. Скорость охлаждения ядра зависит от теплозащитных свойств обуви и выражается для регулярного теплового режима через темп регулярного охлаждения т, определяемый по формуле:

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 обуви. Полученный показатель не может достаточно полно характеризовать тепловые свойства обуви, к тому же ядро бикалориметра, выполненное 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 основанная на теории регулярного теплового режима, легла в основу прибора, созданного в ЦНИИКП [27]. В качестве ядра бикалориметра используется тонкая резиновая оболочка, заполненная дистиллированной водой, Сущность метода состоит в охлаждении предварительно нагретого и опущенного в обувь теплоносителя при автоматическом отсчете времени охлаждения и заданном интервале перепада температур между теплоносителем и окружающей средой. Показателем теплозащитных свойств обуви является суммарное тепловое сопротивление, определяемое расчетным путем по формуле:

где Ф - фактор теплоносителя, равный отношению полной теплоемкости теплоносителя к площади его поверхности, Дж/м2°С; Б - коэффициент, учитывающий соотношение теплоемкостей теплоносителя и обуви; В - коэффициент, представляющий собой поправку на рассеивание теплового потока через площадку из термоизоляционного материала, 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 значительного количества каучуковых баллонов, соответствующих по форме и размерам колодке, применяемой при производстве обуви. Кроме того, вода, как известно, является теплоинерционным материалом, поэтому для поддержания постоянного температурного поля теплоносителя требуется применение специальных устройств: мешалки, механизма, приводящего ее в движение. Это значительно усложняет процесс проведения испытаний. В качестве теплоносителя наряду с дистиллированной водой может быть использована охотничья свинцовая дробь №9, которая обеспечивает соответствие формы теплоносителя внутриобувному пространству и высокую однородность температурного поля.

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

- отсутствие механических повреждений стопы;

-температура и влажность внутриобувного пространства;

- температура стопы;

- степень допустимого сжатия стопы обувью.

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

При операциях сушки, влажно-тепловой обработки, прессования, глаженья и др., необходимых при изготовлении материалов «изделий, полуфабрикаты и материалы подвергаются тепловому воздействию.

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

При эксплуатации изделий теплообмен между телом человека „ окружающей средой должен протекать таким образом, чтобы температура воздуха в пододежном и внутриобувном пространстве находилась 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 теплопроводностью (конвекцией) происходит при соприкосновении частиц контактирующих поверхностей твердых тел благодаря образующим механические «тепловые» волны упругим колебаниям, а также диффузии атомов и молекул. Передача тепловой энергии конвекцией осуществляется 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 - лучистой в тепловую.

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

где Qк - тепловая энергия, передаваемая конвекцией; Qт - тепловая энергия, передаваемая теплопроводностью; Qл - энергия, передаваемая излучением.

где - коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м2К); - теплопроводность 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 территории России, где температура окружающей среды в течение года может изменяться от -50 до +500С, то согласно многочисленным исследованиям следует признать, что превалирующую роль в теплопередаче играет теплопроводность. В черной и цветной металлургии, при горячей обработке металлов и в других производствах, связанных с выделением большого количества теплоты от материалов и агрегатов, передача энергии от источника теплоты до одежды и обуви осуществляется 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 теплопроводности и конвекции. Поэтому при расчете тепловых свойств одежды и обуви надо четко представлять реальные условия эксплуатации и конструктивные особенности изделий. К показателям, характеризующим теплофизические свойств материала, относятся теплопроводность, Вт/(м·К); удельная теплоемкость с, Дж/(кг·К); температуропроводность 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 температур 1 К:

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):

Расчет площади поверхности S, через которую проходит тепловая энергия, определяется формой тела. Если S1 - площадь внутренней 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. Осуществить теоретический расчет теплопроводности материалов, особенно имеющих столь сложное строение, как материалы изделий легкой промышленности, весьма сложно. Поэтому ее определяют экспериментальными методами. Существует несколько методов определения теплопроводности материалов, из которых в основном можно выделить два: метод стационарной теплопроводности, используемый при Q=соnst, и метод нестационарной теплопроводности, который применяется, когда Q=f().

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

Теплопроводность материала наиболее целесообразно определять 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 величины теплопроводности материала. Поэтому при определении теплопроводности гидрофильных Материалов целесообразно исходить из нестационарной теплопроводности, используя метод мгновенного источника тепла Данный метод основан на том, что возрастание температуры в материале в результате подвода внешней энергии носит переметный 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 инерциальности процесса передачи тепловой энергии через материал. Из-за небольшой продолжительности испытания и величины T исходное состояние материала не изменяется.

Теплопроводность материалов рассчитывают по формуле:

где = 2,72.

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

Для определения суммарного теплового сопротивления материала при нестационарном режиме применяют прибор ПТС-225, который позволяет проводить испытания при действии на пробу воздушного потока заданной скорости.

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

при стационарной теплопроводности при нестационарной теплопроводности (р - средняя плотность материала; с- удельная теплоемкость).

Удельная теплоемкость С, как и теплопроводность, является важнейшей характеристикой материала и показывает, какое количество тепла необходимо сообщить 1 кг материала для его нагревания на Зная удельную теплоемкость материала, можно рассчитать температуру нагревателей в сушильных камерах, установках по активированию клеевой пленки на затяжной кромке, температуру поверхности гладильных агрегатов и т. д. Удельную теплоемкость материалов определяют по-разному. Наиболее распространенными при определении 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 теплового баланса:

где Qот - энергия, отдаваемая более нагретым телом; Qпол - энергия, которую получает менее нагретое тело.

Учитывая, что материалы делятся на гидрофильные и гидрофобные, к выбору рабочего тела при использовании метода смешивания необходимо подходить осторожно. Если материал гидрофилен, то в качестве рабочего тела нельзя брать воду, так как при взаимодействии с ней наблюдается выделение теплоты сорбции, которая будет влиять на установившуюся температуру тел 9. Поэтому для гидрофильных материалов целесообразно использовать такое рабочее тело, взаимодействие с которым не приведет ни к поглощению, ни к выделению 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 микрокалориметр, нагревается (охлаждается) с постоянной скоростью 0,1 К/мин от температуры Т1 до температуры Т2.

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

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 кристаллических тел (льда, меди).

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

Температуропроводность текстильных полотен, кожи и резины близка к этому показателю воды, но существенно уступает температуропроводности 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. Теплопроводность волокон влияет на теплозащитные свойства материалов. 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 данным 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).

Показатели теплофизических свойств материалов Текстильное полотно 0,03...0,11 7,17...16, 33 1,09...2, Кожа (для верха и низа обуви) Резина (пористая и монолитная) Лед при температуре 0°С (273К) Теплопроводность кож для наружных деталей верха обуви и изменяется в пределах 0,05...0,11 Вт/(м·К), а кож для наружных деталей верха и одежды - 0,15...0,22 Вт/(Дм·К). Более высокая теплопроводость кож для низа обуви связана с малой пористостью. Аналогичные зависимости наблюдаются для текстильных полотен. При понижении атмосферного давления, по данным М.И. Сухарева, Б.А. Бузова, В.А. Смирнова, А.П. Жихарева и др., теплопроводность текстильных материалов уменьшается. Например, теплопроводность хлопчатобумажной ткани при нормальном атмосферном давлении равна 0, Вт/(Дм·К), при понижении давления воздуха до 10-3 Па теплопроводность 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, осуществляется не только твердым веществом (каркасом), но и воздухом, находящимся 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 материалов при нормальных ставнях, следует вести речь об определении не истинной, а эффективной теплопроводности.

По данным Е.А. Мирошникова при увлажнении кож теплопроводность 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 влаге, имеющей более высокую теплопроводность. Подобное явление наблюдается 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 материалов уменьшается суммарный объем пор, что увеличивает теплопроводность подкладочных кож и стельки на 22,9...74,1 %, триплированных материалов на 133 %.

Теплопроводность твердых кристаллических тел изменяется в зависимости от температуры материала:

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 хромового дубления; 4 - опоек хромового дубления Теплопроводность материалов для обуви и одежды также зависит от температуры. Так, при влажности кож низа обуви хромтаннидного 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 уменьшается, а увеличивается, причем чем выше влажность материала, тем выше теплопроводность (рис. 2.11). Для кож влажности 50 % наблюдается скачок в значениях, который объясняют образованием в структуре материала кристаллов льда. Лед имеет более высокую теплопроводность, 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 характеристика исходя из уравнения (2.49) является производной от теплопроводности. Однако термическое сопротивление зависит от толщины материала. Поэтому при одинаковой теплопроводности теплозащитные свойства будут выше у того материала, который толще.

Термическое сопротивление материалов (по данным В.Ю. Игнатова, Б.А. Бузова, Ю.П. Зыбина и др.) В таблице 2.13 приведены значения термического сопротивления меха и некоторых материалов, применяющихся в качестве утепляющих прокладочных или подкладочных материалов. Термическое сопротивление натурального меха зависит от характеристик строения и соотношения волос, входящих в состав волосяного покрова. Для искусственного меха и утепляющих материалов Rт зависит от волокнистого состава, характеристик строения и толщины.

Существенное влияние на теплозащитные свойства материалов и изделий оказывает скорость ветра (рис. 16.5). При увеличении скорости ветра до 15 м/с термическое сопротивление текстильных материалов для наружных деталей одежды и кож для обуви снижается в четыре и более раз. Уменьшение термического сопротивления с увеличением 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. Воздухопроницаемость тканей для деталей верха зимней одежды не должна превышать 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 теплозащитных свойств материалов при возрастании скорости ветра и понижении температуры ведет к уменьшению температуры воздуха в пододежном и внутриобувном пространстве и, как следствие, к уменьшению температуры тела человека.

Рис. 2.13. Изменение суммарного теплового сопротивления мериносной овчины с разной высотой волоса в зависимости от скорости воздушного потока (по данным Д. А. Мендельсона):



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |
 


Похожие работы:

«А.В. АКСЕНЧИК, А.А. КУРАЕВ МОЩНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ С ДИСКРЕТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ (теория и оптимизация) БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ А.В. Аксенчик, А.А. Кураев МОЩНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ С ДИСКРЕТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ (теория и оптимизация) Минск Бестпринт 2003 УДК.621.385.6 ББК А Р е ц е н з е н т ы: Г.Я. Слепян, доктор физико-математических наук, Главный научный сотрудник НИИ ядерных проблем при БГУ М.А. Вилькоцкий, доктор технических наук, начальник НИЛ...»

«Международный издательский центр ЭТНОСОЦИУМ Составитель-редактор Ю.Н. Солонин ПрОблеМа ЦелОСТНОСТИ в гУМаНИТарНОМ зНаНИИ Труды научного семинара по целостности ТОМ IV Москва Этносоциум 2013 УДК 1/14 ББК 87 Издание осуществлено в рамках тематического плана фундаментальных НИР СПбГУ по теме Формирование основ гуманитарного и социального знания на принципах онтологии целостности, № 23.0.118.2010 Руководитель научного проекта Проблема целостности в гуманитарном знании Профессор, доктор философских...»

«Министерство образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Ю.Б. Колесов Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем Санкт-Петербург Издательство СПбГПУ 2004 УДК 681.3 Колесов Ю.Б. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 240 с. В монографии рассматривается проблема создания многокомпонентных гибридных моделей с использованием связей общего вида. Такие компьютерные...»

«0 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Монография Под редакцией академика НАН Беларуси А. П. Достанко и доктора технических наук А. М. Русецкого Минск Бестпринт 2011 1 УДК 621.762.27 ББК 34.55 А.П. Достанко, А.М. Русецкий, С.В. Бордусов, В.Л. Ланин, Л.П. Ануфриев, С.В. Карпович, В.В. Жарский, В.И. Плебанович, А.Л. Адамович, Ю.А. Грозберг, Д.А. Голосов, С.М. Завадский, Я.А. Соловьев, И.В. Дайняк Н.С. Ковальчук, И.Б. Петухов, Е.В. Телеш, С.И. Мадвейко...»

«Институт системного программирования Российской академии наук В.В. Липаев ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО СЛОЖНЫХ ЗАКАЗНЫХ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ СИНТЕГ Москва - 2011 2 УДК 004.41(075.8) ББК 32.973.26-018я73 Л61 Липаев В.В. Проектирование и производство сложных заказных программных продуктов. – М.: СИНТЕГ, 2011. – 408 с. ISBN 978-5-89638-119-8 Монография состоит из двух частей, в которых изложены методы и процессы проектирования и производства сложных заказных программных продуктов для технических...»

«Т.Ю. Овсянникова ИНВЕСТИЦИИ В ЖИЛИЩЕ Издательство Томского государственного архитектурно-строительного университета Томск 2005 1 УДК 330.332:728+339.13 0-34 Овсянникова, Т.Ю. Инвестиции в жилище [Текст] : Монография / Т.Ю. Овсянникова. – Томск : Изд-во Томск. гос. архит.-строит. ун-та, 2005. – 379 с. ISBN 5-93057-163-5 В монографии рассматриваются инвестиции в жилище как условие расширенного воспроизводства жилищного фонда и устойчивого развития городов. В работе получила дальнейшее развитие...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО УДМУРТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ СОЦИАЛЬНЫХ КОММУНИКАЦИЙ С. К. Белых ПРОБЛЕМА РАСПАДА ПРАПЕРМСКОЙ ЭТНОЯЗЫКОВОЙ ОБЩНОСТИ Ижевск 2009 ББК 81.66 - 0 УДК 811.511’0 Б 439 Рекомендовано к печати кафедрой истории и политологии ИСК УдГУ 2009 г. Рецензенты: к.и.н В.С.Чураков к.и.н. Е.М.Берестова Б 439 Белых Сергей Константинович Проблема распада прапермской этноязыковой общности. Монография. Ижевск, 2009. - 150 с. Книга посвящена одной из...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЛТАЙ – ГИМАЛАИ: ДВА УСТОЯ ЕВРАЗИИ Монография Под редакцией С.П. Бансал, Панкай Гупта, С.В. Макарычева, А.В. Иванова, М.Ю. Шишина Барнаул Издательство АГАУ 2012 УДК 1:001 (235. 222 + 235. 243) Алтай – Гималаи: два устоя Евразии: монография / под ред. С.П. Бансал, Панкай Гупта, С.В. Макарычева,...»

«Министерство науки и образования Российской Федерации Владивостокский государственный университет экономики и сервиса _ А.П. ЛАТКИН Е.В. ГОРБЕНКОВА РОССИЙСКО-ЮЖНОКОРЕЙСКОЕ ДЕЛОВОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО В ПРИМОРСКОМ КРАЕ из 1990-х в 2000-е Владивосток Издательство ВГУЭС 2011 ББК 65.05 Л 27 Латкин, А.П., Горбенкова, Е.В. Л 27 РОССИЙСКО-ЮЖНОКОРЕЙСКОЕ ДЕЛОВОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО В ПРИМОРСКОМ КРАЕ: из 1990-х в 2000-е [Текст] : монография. – Владивосток : Изд-во ВГУЭС, 2011. – 228 с. ISBN 978-5-9736-0191-...»

«МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛИТИЧЕСКОГО ДИСКУРСА Актуальные проблемы содержательного анализа общественно-политических текстов Выпуск 3 МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛИТИЧЕСКОГО ДИСКУРСА Актуальные проблемы содержательного анализа общественно-политических текстов Выпуск 3 Под общей редакцией И. Ф. Ухвановой-Шмыговой Минск Технопринт 2002 УДК 808 (082) ББК 83.7 М54 А в т о р ы: И.Ф. Ухванова-Шмыгова (предисловие; ч. 1, разд. 1.1–1.4; ч. 2, ч. 4, разд. 4.1, 4.3; ч. 5, ч. 6, разд. 6.2; ч. 7, разд. 7.2;...»

«Институт монголоведения, буддологии и тибетологии СО РАН Институт истории, археологии и этнографии ДВО РАН МОНГОЛЬСКАЯ ИМПЕРИЯ И КОЧЕВОЙ МИР Книга 3 Ответственные редакторы Б. В. Базаров, Н. Н. Крадин, Т. Д. Скрынникова Улан-Удэ Издательство БНЦ СО РАН 2008 УДК 93/99(4/5) ББК63.4 М77 Рецензенты: д-р и.н. М. Н. Балдано д-р и.н. С. В. Березницкий д-р и.н. Д. И. Бураев Монгольская империя и кочевой мир (Мат-лы междунар. М науч. конф-ии). Кн. 3. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2008. -498 с. ISBN...»

«Макроэкономический анализ и экономическая политика на базе параметрического регулирования Научная монография УДК 519.86 М 02 Авторский коллектив Ашимов А.А., Султанов Б.Т., Адилов Ж.М., Боровский Ю.В., Новиков Д.А., Нижегородцев Р.М., Ашимов Ас.А. Макроэкономический анализ и экономическая политика на базе параметрического регулирования: Научная монография. – М.: Издательство физико-математической литературы, 2010. - 284 с. В книге представлены результаты разработки и развития теории...»

«Б.Г.АЛИЕВ, И.Н.АЛИЕВ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА АЗЕРБАЙДЖАНА ЦЕНТР АГРАРНОЙ НАУКИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ МИКРООРОШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ НЕДОСТАТОЧНО УВЛАЖНЁННЫХ ЗОН АЗЕРБАЙДЖАНА БАКУ-2002 УДК.631.674.5 РЕЦЕНЗЕНТ: проф. Багиров Ш.Н. НАУЧНЫЙ РЕДАКТОР: проф. Джафаров Х. РЕДАКТОР: Севда Микаил кызы д.т.н. Алиев Б.Г., Алиев И.Н. ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ МИКРООРОШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Пермский государственный университет Н.С.Бочкарева И.А.Табункина ХУДОЖЕСТВЕННЫЙ СИНТЕЗ В ЛИТЕРАТУРНОМ НАСЛЕДИИ ОБРИ БЕРДСЛИ Пермь 2010 УДК 821.11(091) 18 ББК 83.3 (4) Б 86 Бочкарева Н.С., Табункина И.А. Б 86 Художественный синтез в литературном наследии Обри Бердсли: монография / Н.С.Бочкарева, И.А.Табункина; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2010. – 254 с. ISBN...»

«Министерство природных ресурсов Российской Федерации Федеральное агентство лесного хозяйства ФГУ НИИ горного лесоводства и экологии леса (ФГУ НИИгорлесэкол) Н.А. БИТЮКОВ ЭКОЛОГИЯ ГОРНЫХ ЛЕСОВ ПРИЧЕРНОМОРЬЯ Сочи - 2007 УДК630(07):630*58 ББК-20.1 Экология горных лесов Причерноморья: Монография / Н.А.Битюков. Сочи: СИМБиП, ФГУ НИИгорлесэкол. 2007. -292 с., с ил. Автор: Битюков Николай Александрович, доктор биологических наук, заслуженный деятель науки Кубани, профессор кафедры рекреационных...»

«В.Г. МАТВЕЙКИН, Д.Ю. МУРОМЦЕВ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ энергосберегающего управления динамическими режимами установок ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2007 УДК 62-52:66.012.37 ББК 32973+31.19 М91 Р е ц е н з е н т ы: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Московского государственного университета инженерной экологии В.М. Володин Доктор технических наук, профессор ТГУ им. Г.Р. Державина А.А. Арзамасцев Матвейкин, В.Г....»

«Российская Академия Наук Институт философии СОЦИАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ В ЭПОХУ КУЛЬТУРНЫХ ТРАНСФОРМАЦИЙ Москва 2008 УДК 300.562 ББК 15.56 С–69 Ответственный редактор доктор филос. наук В.М. Розин Рецензенты доктор филос. наук А.А. Воронин кандидат техн. наук Д.В. Реут Социальное проектирование в эпоху культурных трансС–69 формаций [Текст] / Рос. акад. наук, Ин-т философии ; Отв. ред. В.М. Розин. – М. : ИФРАН, 2008. – 267 с. ; 20 см. – 500 экз. – ISBN 978-5-9540-0105-1. В книге представлены...»

«Российская академия наук Институт этнологии и антропологии ООО Этноконсалтинг О. О. Звиденная, Н. И. Новикова Удэгейцы: охотники и собиратели реки Бикин (Этнологическая экспертиза 2010 года) Москва, 2010 УДК 504.062+639 ББК Т5 63.5 Зв 43 Ответственный редактор – академик РАН В. А. Тишков Рецензенты: В. В. Степанов – ведущий научный сотрудник Института этнологии и антропологии РАН, кандидат исторических наук. Ю. Я. Якель – директор Правового центра Ассоциации коренных малочисленных народов...»

«Центр проблемного анализа и государственноуправленческого проектирования Правовое противодействие расовой, национальной, религиозной дискриминации Москва Научный эксперт 2009 УДК 341.215.4 ББК 67.412.1 П 89 Авторский коллектив: В.И. Якунин, С.С. Сулакшин, В.Э. Багдасарян, А.В. Бутко, М.В. Вилисов, И.Ю. Колесник, О.В. Куропаткина, И.Б. Орлов, Е.С. Сазонова, А.Ю. Ярутич Правовое противодействие расовой, национальной, религиозной П 89 дискриминации. Монография — М.: Научный эксперт, 2009. — 224 с....»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ХИМИИ РАСТВОРОВ В. С. Побединский АКТИВИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЭНЕРГИЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ВЧ, СВЧ И УФ ДИАПАЗОНОВ Иваново 2000 2 УДК 677.027 Побединский В.С. Активирование процессов отделки текстильных материалов энергией электромагнитных волн ВЧ, СВЧ и УФ диапазонов.— Иваново: ИХР РАН, 2000.— 128 с.: ил. ISBN 5-201-10427-4 Обобщены результаты научных исследований отечественных и зарубежных исследователей по применению энергии...»














 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

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.