CC BY
18
УДК 629.7.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ МАТЕРИАЛОВ
ЗАЩИТНОЙ ОДЕЖДЫ
М. Р. Нягулов, И. В. Хромова
Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20 Е-mail [email protected]
В работе представлена методика моделирования процессов теплообмена в системе термостабилизации человека (СТС). Проводятся модельные исследования влияния термического сопротивления защитной одежды на тепловое состояние человека.
Ключевые слова: системы жизнеобеспечения, система термостабилизации, компьютерное моделирование, низкие температуры, защитная одежда, тепловое сопротивление.
RESEARCH OF THE THERMAL RESISTANCE OF THE PROTECTIVE
CLOTHING MATERIALS
M. R. Nyagulov, I. V. Khromova
Novosibirsk State Technical University 20, Karla Marksa Prospekt, Novosibirsk, 630073, Russian Federation Е-mail [email protected]
In this work the simulation method of heat transfer processes in the human thermoregulatory system (HTS) is presented. The work carried out the modeling researches of influence thermal resistance of the protective clothing, on the human thermal state.
Keywords: life-support systems, human thermoregulation system, computer simulation, low temperature, protective clothing, thermal insulation.
Одной из актуальных задач в области разработки систем жизнеобеспечения является исследование влияния охлаждения на организм человека, а также разработка средств защиты. При создании защитной одежды необходимо учитывать различные свойства материалов, из которых она изготавливается. Это связано с требованиями, которым должна удовлетворять одежда, например малая масса и высокое тепловое сопротивление. Также защитная одежда должна защищать от охлаждения в состоянии покоя и не вызывать перегрева во время физической работы. Для расчета величины тепловых потерь необходимо знать теплофизические свойства материалов, из которых изготовлена защитная одежда, а также учитывать тепловые процессы, проходящие внутри системы термостабилизации человека в зависимости от параметров окружающей среды и индивидуальных особенностей организма. Для решения данной проблемы целесообразно использовать модельные исследования, которые позволяют существенно расширить границы и сократить объем дорогостоящих и опасных экспериментов.
Целью настоящей работы является исследование эффективности средств индивидуальной защиты в зависимости от их теплового сопротивления, индивидуальных особенностей организма человека, а также воздействия факторов окружающей среды (вода/воздух, их температура и скорость движения). Отдельное исследование посвящено оценке влияния мощности внутренних источников тепла вследствие физической нагрузки на процесс теплоотдачи в костюмах с различным термическим сопротивлением.
Секция «Экология человека и обеспечение комфортных условий жизнедеятельности»
Модель системы терморегуляции человека. Для моделирования работы системы термостабилизации человека используется условное разделение объекта на «оболочку» - покровные ткани тела и «ядро» - внутренние органы и мышцы [5]. Это многослойная многоэлементная модель, в которой каждая часть тела представлена расчетным элементом (рис. 1) с соответствующим количеством и видом слоев [6].
Кровеносная система работает совместно с системой терморегуляции (СТР) и осуществляет перенос тепла от внутренних органов к поверхности тела [6, 7]. Для расчета процесса охлаждения используется система нестационарных одномерных дифференциальных уравнений теплопроводности для каждого расчетного элемента (многослойной цилиндрической стенки) с учетом тепловых процессов, которые происходят в каждом из его слоев.
м ы ы ц
гмышц
' гжра гка г; стр год
Рис. 1. Схема расчетного элемента
В результате рассчитываются тепловые потоки, температуры на границах слоев и средне-массовые температуры. Проверка достоверности проведена путем сравнения полученных результатов с известными экспериментальными и расчетными данными, установлено качественное и количественное соответствие, расхождение не более 10 % [2, 5, 6].
Исследование средств защиты от холода. На процесс охлаждения оказывают влияние многие параметры - условия окружающей среды: водная или воздушная среда, ее температура и скорость движения; физиологические особенности организма: пол, возраст, процентное содержание жира, внутренние тепловыделения организма; свойства защитной одежды: тепловое сопротивление, воздухопроницаемость. При создании средств индивидуальной защиты необходимо обеспечить должное тепловое сопротивление при минимальных затратах и массе. С этой целью важно провести исследование эффективности защитной одежды, изготовленной из материалов с разными величинами теплового сопротивления при различных условиях окружающей среды.
В работе проводится исследование эффективности индивидуальных средств защиты в условиях низких температур в зависимости от теплофизических свойств тканей, состояния организма и параметров окружающей среды. Установлен предпочтительный материал для защитной одежды. Выявлено, что при очень низких температурах окружающей среды использование материалов с большим тепловым сопротивлением нецелесообразно, так как эти материалы при таких условиях ненамного эффективнее материалов с низким тепловым сопротивлением. При умеренно низких температурах окружающей среды увеличение теплового сопротивления защитной одежды до 3 с1о (1 с1о = 0,155 м2 °С/Вт) значительно увеличивает допустимое время нахождения на холоде [3].
На основании анализа распределения температур и тепловых потоков в различных частях тела определяются места расположения и термическое сопротивление утепляющих элементов в
конструкции нательного белья для космонавтов. Исследование влияния индивидуальных параметров организма на процесс охлаждения позволяет подобрать соответствующий теплозащитный костюм для конкретного человека с учетом особенностей его строения. Результаты исследования могут быть полезны специалистам при проектировании термобелья для космонавтов на орбите, высотно-компенсирующих костюмов летчиков, а так же при совершенствовании элементов систем термостабилизации скафандров.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-38-00257.
Библиографические ссылки
1. Исследование влияния свойств окружающей среды и индивидуальных средств защиты от холода на тепловое состояние человека = Properties of environment and individual means of protection from the cold on the human thermal state / И. В. Хромова, А. В. Чичиндаев, Н. Н. Евтушенко, А. Н. Денисова // Экологические системы и приборы. - 2015. - № 9. - С. 20-26.
2. Компьютерное моделирование физических процессов / А. В Чичиндаев, И. В. Хромова, Н. Н. Евтушенко / Электронно-методический комплекс, 2014. - Режим доступа: http://dispace.edu.nstu.ru/didesk/course/show/2982
3. Хромова И. В. Моделирование и исследование эффективности средств индивидуальной защиты человека от воздействия низких температур / И. В. Хромова, А. Н. Денисова // Авиакосмическое приборостроение. - 2011. - № 7. - С. 17-26.
4. Чичиндаев А. В. Влияние внутренних источников тепла на процессы теплообмена в системе "человек - тепловая защита - окружающая среда" = Effect of internal heat sources on the processes of heat transfer in the system «human - thermal protection - environment» / А. В. Чичиндаев, Ю. В. Дьяченко, И. В. Хромова // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2016. - № 1 (30). - С. 108-115.
5. Чичиндаев А.В. Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе « человек- окружающая среда / А. В. Чичиндаев, Ю. В. Дьяченко, И. В. Хромова // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2014. - № 4 (25). - С. 137-142.
6. Чичиндаев А.В. Моделирование тепловых процессов системы «человек - окружающая среда» в условиях низких температур / А. В. Чичиндаев, И. В. Хромова // Научный вестник НГТУ. - 2009. - № 4. - С. 197-201.
7. Чичиндаев А.В. Численное моделирование кровеносной системы человека / А. В. Чи-чиндаев, И. В. Фомичева, В. В. Толстошеева // Авиакосмическое приборостроение. 2006. № 11. -С. 35-46.
© Нягулов М. Р., Хромова И. В., 2017
