CC BY
37
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
• за год показатели уровня гигиены улучшились в группе 1 - на 1,32-3,93%, в группе 2 - на 0,5514,65% (р>0,01);
• распространенность кариеса временных зубов у детей в группе 1 снизилась на 5,27%, а постоянных зубов - выросла на 3,95%. Распространенность кариеса постоянных зубов в группе 2 за год не изменилась;
• значения индекса интенсивности кариеса у обследованных детей составил 6,397+1,084. Через год этот индекс имел значение 6,185+1,055, что можно объяснить физиологической сменой зубов. В группе 2 индекс КПУ за год практически не изменился и составил 5,913+1,031 и 5,934+0,997 соответственно. Примечательно, что изначально в структуре индекса показатель «к»/«К» превосходит показатель «п»/»П», а через год - наоборот;
• среди заболеваний пародонта за истекший период отмечается снижение тяжести проявления гингивита на 15,2-18,7%;
• встречаемость заболеваний слизистой оболочки по -лости рта практически одинакова как при первичном, так и при повторном осмотре;
• у всех обследованных детей имелась ортодонтиче-ская патология, причем в структуре диагноза у данных детей более часто встречались проявления ди-стальной, перекрестной окклюзии, открытой и глубокой резцовой дизокклюзии, причем ортодон-тическое лечение проводили лишь 10,53% детей группы 1 и 4% группы 2;
• в структуре хирургической патологии в основной группе выявлены аномалии уздечек и преддверия полости рта. Хирургическое лечение пациентами не проводилось по причине отказа от хирургических манипуляций;
• при оценке уровня стоматологического комплаенса выявлены средние показатели, однако, в течение года отмечается незначительный рост показателей (на 13,2-24,1%).
Поэтому, лечение данного контингента детей должно иметь комплексный характер, включающий в себя стоматологические манипуляции (миогимнастику, санацию полости рта, ортодонтическое и хирургическое пособие, и профилактические меры) и полноценную психологическую протекцию и санитарно-просветительскую работу в качестве начального этапа.
Список литературы
1. Гуленко О.В. Структурно-функциональный анализ стоматологического статуса у детей с умственной отсталостью / О.В. Гуленко, В.В. Волобуев, И.К. Севастьянова, Н.И. Быкова, Е.А. Фарапонова, С.Б. Хагурова // Кубанский научный медицинский вестник. - 2013. - № 6. - с.81-85.
2. Гуленко О.В. Конструирование анкеты для определения уровня стоматологического комплаенса / О.В. Гуленко, В.В. Волобуев // Новые стандарты модернизации педагогического образования в формировании здорового образа жизни и безопасности жизнедеятельности: материалы III Региональной научно-практической конференции ЮФО 11 декабря 2014 г. - Краснодар: ИпЦ КубГУ, 2015. - С. 54-59.
3. Детская психиатрия и основы социальной психологии: учеб. пособие / В.Г. Косенко, Г.А. Набиркин, Л.Ф Смоленко, Т.А. Чебуракова. - Краснодар: Совет. Кубань, 2011. - 392 с.
4. Менделевич Б.Д. Заболеваемость психическими расстройствами и расстройствами поведения детского населения Российской Федерации / Б.Д. Мен-делевич // Электронный научный журнал «Социальные аспекты здоровья населения». - №3. - 2009 (11) (дата обращения 21.03.2015)
5. Михейкина О.В. Эпидемиология умственной отсталости (обзор литературы) / О.В. Михейкина // Обозрение психиатрии и медицинской психологии. -
2012. - №3. - С. 24-33.
6. Medicaid Compliance for the Dental Professional / L. D. Mouden / December 12, 2013. URL: http:// www. aapd.org/ assets/1/7/ Medicaid Compliance Webinar
2013.pdf (дата обращения 22.03.2015)
К РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА
Юдаев Николай Владимирович
Кандидат технических наук, профессор Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова
Потоцкая Людмила Николаевна
Кандидат экономических наук, доцент Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова TO THE SUBSTANTIA TION OF THE PARAMETERS OFMICROCLIMA TE
YudaevNikolayVladimirovich, Candidate of technical sciences, Professor of the department of "Technosphere safety and transport and technological machines", "Saratov State Vavilov Agrarian University"
Pototskaya Lyudmila, PhD, associate professor of Saratov State Agrarian University.Vavilov: Russia, 410012, Saratov Region,. Saratov, Theatre Square, 1 АННОТАЦИЯ
В описании теплообмена человека с окружающей средой (воздухом) большей частью используются эмпирические уравнения, которые зачастую не раскрывают природу происходящих явлений. Необходимо с учетом достаточно большой базы экспериментальных данных других авторов, на основе известных законов физики, термодинамики получить зависимости которые не только количественно достоверны, но и позволят дополнить, уточнить существующую модель теплового обмена, дать более обоснованную качественную оценку известным процессам.
Ключевыеслова: энергия, температура, производство и передача тепла, излучение, конвекция, испарение, оптимальные величины. ABSTRACT
In the description of heat exchange of a person with the environment (air) mostly often are used the empirical equations which often don't reveal the nature of the occurring phenomena. Taking into account a rather big data base of experimental data
of other authors and on the basis of the known laws ofphysics and thermodynamics, it is necessary to get the dependences that are not only quantitatively reliable, but also will allow to add and specify the existing model of heat exchange, to give more detailed qualitative assessment of the known processes.
Key words: energy, temperature, heat production and transfer, evaporation, heat exchange, convection.
Определены оптимальные и допустимые параметры внешней среды (микроклимата) и обоснованно внесены в самые значимые нормативные документы: ГОСТ, СанПиН. Довольно много публикаций, монографий с приведением результатов, экспериментальных оценок процессов теплообмена и материалы доведены до включения их в учебники по гигиене, охране труда, безопасности жизнедеятельности. Вместе с этим,актуально и следующее утверждение [[1,2],Тимофеева Е. И., Кириллов В. Г., Федорович Г.В.]: «необходимо принятие и признание системы основных постулатов науки о гигиене микроклимата, внятно их сформулировать и неукоснительно придерживаться» Безусловно, вряд ли можно использовать какие-то законы термодинамики к процессам производства энергии организмом, но процессы отвода тепла во внешнюю среду вполне адекватно описываются. И как только, мы пытаемся использовать классические формулы и законы в реальных, не идеальных условиях возникают необходимость введения поправок, дополнений. К сожалению, многие аналитики приводят только формулы которые не проверены расчетом, имеет место использование не достаточно глубокое обоснование каких-то «constant» все больше используется субъективных оценок. (Это также как, например, если устанавливать точно-сколько процентов соли в пище по её вкусу). Наверное, гигиенистам необходимо, также как и физикам (у которых есть Стандартная модель атома) разработать Стандартную модель теплообмена человека со средой. Собственно это во многом сделано в работах [Тимофеева Е. И., Кириллов В.Г., Федорович Г.В.] однако это не умаляет необходимости уточнение, проверки конкретными расчетами предложенного этими авторами, может даже повторить, используя основные законы [3,4] Архимеда, Ньютона, Дальтона, Авогадро, Клапейрона, Больцмана.
Отправным моментом в описании теплообмена является выбор параметров начала координат. Таким началом, безусловно, является определение количества производимой организмом энергии, точнее скорости её производства.
Человек принимая: пищу, воду, кислород с помощью набора химических реакций преобразует полученное «топливо» в энергию и отходы. Процессы превращения (называют метаболическими, что в переводе с греческого «преобразование») происходят непрерывно, они не могут быть остановлены, скорость данных преобразований, т.е. количество производимых Джоулей в единицу времени
[— = Вт] не может быть меньше определённого уровня, который называют по разному: основным, нулевым, фоновым, единичным, минимальным. Большинство исследователей называют его основным, подчеркивая значимость этого уровня, его фундаментальность. Для того чтобы определять основной уровень продуцируемого тепла мо-делируюттак называемые «нулевые» условия для «Стандартного господина, человека».Экспериментально количество производимой энергии определяют по объёму потребляемого кислорода.Для «Стандартной модели теплообмена» можно принимать скорость производства энергии в состоянии покоя равной: М0 =88 Ватт.
При любом отклонении параметров воздуха от естественных (нормальных и комфортных, сложившихся в результате эволюции), реакция организма такова, что он
начинает вырабатывать сверх основного дополнительное тепло Мдоп. Дополнительная энергия необходима не только для защиты от жары или холода от отрицательного воздействия, влажности, скорости движения воздуха, но и для интенсификации трудовой деятельности.
В самом общем виде влияние изменения внешних условий на положение равновесия для систем описывает принцип Анри Луи ЛёШателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывать внешнее воздействие, то положение равновесия смещается в такую сторону, чтобы ослабить внешнее воздействие.
Основное назначение вырабатываемого тепла обеспечение постоянства температуры тела, которая в нормальных условиях «автоматически» без напряжения сердечно-сосудистой системы и прочих возможных регуляторов меняется в узких пределах: 36,6 Заметим что «поле допуска» не симметрично относительно середины. Одно из утверждений о том, почему температура тела человека равна 36,6°С, говорит о том, что именно при данной температуре все химические реакции протекают наиболее эффективно. Применительно к человеку, как к системе находящейся в равновесии при воздействии на человека внешнего тепла (температуры), равновесие химических процессов смещается в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры - в сторону экзотермической реакции.Смещение происходит в такую сторону, что бы для нагревания тела подведенным теплом его стало (будет) недостаточно, т.е. химические реакции уменьшат количества производимого тепла..
Соблюдение принципа ЛёШателье можно проанализировать гораздо глубже и более обоснованно, не только относительно этого оптимального (малого) диапазона воздействия со стороны внешних условий среды на температуру тела или кожи.
Ещё в 1988г. Павлов И.П. определил, что человеческий организм состоит из двух частей: теплокровная -ядро, имеющее небольшие колебания температуры и холоднокровная - оболочка, допускающая колебания на 10°С и более.При повышении температуры ядра, увеличивается, и температура в некоторой части слоя оболочки. Такая способность теплоотведения указывает на регулирующую способность оболочки по ускорению или замедления отдачи тепла от тела. Оболочка ядра выполняет свои защитные функции уже в большем диапазоне внешних воздействий, который называют допустимым. Отправным моментом в этом случае может служить «поле допуска33-|°С» температуры кожи.В качестве внешних факторов воздействия следует проанализировать не только температуру, но и относительную влажность воздуха, которая тоже имеет известный оптимум(40...60%). Можно оценить количественно и скорость движения воздуха (допустим в интервале: 0,0...0,6—) т.к. искусственная конвекция (за счет принудительного движения воздуха) может усилиться, быть комфортной или отсутствовать. Заметим, что и естественная конвекция может происходить как вверх, так и вниз.
Далее на третьем этапе можно описать природу воздействия, в случае если внешние условия меняют температуру тела до вредных, критических, смертельно опасных значений «полей допуска» допустим по температуре тела (36,6 ) или по интенсивности испарения пота
(800г/час). В этом случае, какая то плавность скорости реакций прекратиться, наступит экстремальные их течение. И если уж быть последовательными, поскольку в названии условий среды используются чисто математические термины: оптимальный, допустимый, то и третий диапазон следует называть не вредным, а экстремальным.
В нормативных документах [6] (ГОСТ, СанПиН) для характеристики работ по категориям энергозатрат используют суммарную величину:
Мсум = Мо + МдОП
Отношение, называемое коэффициентом физической активности:
М
*сум
М
= ш
может увеличиваться до 4 (Benzinger). Только в этих пределах физическая и химическая терморегуляция организма способна обеспечить равновесие, тепловой баланс, т.е. отводить столько же тепла сколько его производит организм. Приводятся и другие данные: считается предельно допустимым в течении ряда лет если ш <3;хотя воз-можно[5] и увеличение этого соотношения до 8...10. Из всей дополнительно производимой энергии только 20.21,7% расходуется на механическую работу Ммех(её иногда называют управляемая энергия). То есть максимально КПД человека всего лишь: п = — =0,2
м
Мдоп
Используют и эмпирическую формулу по определению энергозатрат (Вт), как функцию частоты
пульса [п, уДар], за время [Д^ мин] при массе тела [тч, кг]: Мх = 0,016 • тч • Дt • (0,12п - 7)
Общее количество тепла (не управляемая энергия) производимая организмом есть:
МТ = Мо + Мдоп(1 - п)
Экспериментальное определение количества производимой энергии (Мсум), как и для основного уровня
(Мо), чаще всего производится по объёму потребляемого кислорода.
Можно предположить, что количество дополнительно производимой энергии возрастает прямо пропорционально физической нагрузке, однако это обеспечивается только при небольших нагрузках. Действительно, еслискорость лёгочной вентиляции определяемая как:
f
(0 -дыхательный объём легких в покое «0,5[литр], f —частота дыхания в покое 12.15 [мин-1]), при нагрузке будетвозрастать. Что в свою очередь увеличит потребление кислорода Ук, а значит количество вырабатываемой энергии:
Мк = Ек^к.
Прямая пропорция соблюдается только на легких работах, когда коэффициента физической активности ш < 2, т.е. при этом Мсум < 176 Вт. В дальнейшем темп роста потребления кислорода отстает от скорости легочной вентиляции, рост потребности в кислороде не вызывает увеличение его поглощения (достигается определённый предельный уровень поглощения), включаются бескислородные (анаэробные) виды метаболизма для производства тепла, увеличивается кислородный долг[1].
Здесь очевидно тоже можно, отказавшись от известного категорирования работ по энергозатратам, введя величину этого параметра как и для других факторов трудового процесса(температуры, влажности и т.п.). После чего определив для него Предельно Допустимый Уровень, установить общепринятые диапазоны: оптимальный, допустимый, экстремальный.
Наибольшее число исследований о теплообмене выполнено по оценке влияния основного параметра внешней среды обитания человека - температуре воздуха. Качественная оценка изменения обмена веществ, по потреблению кислородаот температуры, по Маршаку М.Е. которую никто не оспаривает, приведена на рис.1.
Рис 1. Изменение обмена веществ (по потреблению кислорода) в зависимости от температуры воздуха
(по М.Е. Маршаку)
Очевидно, что касательная линия к данной зависимости, имеющей минимум, пересекается с осью ординат (величина теплопродукции) в точке, величина ординаты которой равна уровню основного метаболизма т.е. 88 Вт.
Увеличении теплопродукции, при уменьшении температуры воздуха ниже оптимальных (допустимых) значений происходит вместе с уменьшением теплоотдачи (или пропорционально теплоотдачи). При включении рецепторов, регулирующих способности оболочки «ядра»
как переносчика тепла, могут быть сужены кровеносные сосуды на 30%, что в свою очередь уменьшит интенсивность теплоотдачи. Природа срабатывания данных рецепторов окончательно не выявлена, рискнем предположить, что рецепторы реагируют и дают соответствующиий сигнал не на конкретное значение температуры воздуха, а на замедление или ускорение теплоотдачи. Косвенные подтверждения тому разные ощущения: 1) при контактном теплообмене человека с телами имеющими одинаковую
температуру но различную теплопроводность;2) при контактном обмене с подвижным и неподвижным воздухом температура которого постоянна (допустим 16°С);3) при воздействии одного и того же ветра на сухую и потную кожу. То есть во всех случаях, при постоянном температурном напоре между телом человека и окружающей средой, меняется только скорость отвода тепла (Дж/сек) что и вызывает ощущение холода или тепла.
Увеличении теплопродукции при увеличении температуры воздуха больше допустимых значений вместе с увеличением теплоотдачи обяснимо с точки зрения термодинамики. Для того чтобы вызвать теплоотдачу испарением (единственно возможный путь при температуре воздуха более чем температура кожи), необходимо кинетическую энергию движения молекул воды в теле повысить настолько, чтобы потенциальная энергия связи
этих молекулы с четырьмя другими была преодолена и началась «влажная» диффузия, интенсивное испарение. Некоторые исследования свидетельствуют, что в этом случае для отвода двух-трех единиц тепла необходимо израсходовать одну единицу призводимой энергии.
На основании качественной оценки изменения теплопродукции (по Маршаку) от температуры окружающей среды экспериментальных данных (различных исследователей) о влиянии температуры на теплопродукцию и теплоотдачу; при основном уровне теплопроизводства равным 88Вт;нами была получена следующая эмпирическая зависимость с коэффициентом корреляции = 0,95]:
Мсум = 0,25 Г2 - 11,бГв + 206(1)
Производство тепла, Вт 250
200 150 100 50
0
0
10
20
т
30
40
50
Рис 2 Эмпирическая зависимость производства тепла (Мсум,Вт) от температуры воздуха (^°С)
Приравнивая производную данной функции нулю: ^Мсум = 2 • 0,25Ц - 11,6 = 0,
^в в
находим, что оптимум функции будет при: ^ = 23,2°С. Вполне достоверна и эмпирическая зависимость, приведенная [1] для диапазона понижения температур от допустимых значений:
М
сум = М0 [3,8-10]
гии.Приводимая величина: сч = 3,48
кДж кг-град
удельная теплоёмкость тела человека.Организм в парилке напрягается: для отведения тепла потом, необходимо увеличить прозводство энергии (допустим) до 264 Вт, т,е. в 3 раза больше основного уровня (в пересчете на 1 кг семи-
(2)
По этому уравнению, для обнаженного человека находящегося в покое, т.е. когда Мсум = М0 , получим, что ^ = 28°С,а при нулевой температуре воздуха теплопродукция увеличиться в 3,8 раза.Выяснение причин, т.е. за счет каких процессов. каким именно образом телопродук-ция организма возростает довольно сложно и доступно только медикам, химикам, физиологам и до сих пор природа этих процессов описывается только качественно.От-метим только, что вблизи этой точки химическая терморегуляция в основном исчерпывает свои возможности. Далее включаются механизмы физической термрегуля-ции.
Отсутствие теплового баланса т.е. равенства скоростей производимого и отводимого тепла может привести к смерти. Например в парилке при 100 °С, когда тепло от тела почти не отводится,чтобы повысить температуру одного кг тела на 1°С необходимо подвести 3,48 кДж энер-
-средняя
уд кДж
дясятикилограммовой массы тела:Мд = 13,59-).
Определим, сколько времени (т) необходимо до достижения критического (смертельного) уровня температуры тела в 43°С (т.е. для повышения температуру тела на: Дt = 43 — 36,6 = 6,4°С ). В результате получим: сч • Дt 3,48 • 6,4
т = —=--— = 1,64 час = 98 мин
Муд 13,59
Заметим, что фактически в парилке человек не должен находиться более чем 7..15 мин,так какдаже приэтом температура тела увеличится на 1°С и чтобы сбить температуру желательно закопаться в снег. Так желожатся, закапываются в снег волк и песец реагирую (не на усталость!), на повышение температуры тела при длительном гоне. Кроме того по уравнению Аррениуса или правилу Вант - Гофа, интенсивность [а] химических превращений увеличивается при повышениитемпературы [Д1] следующим образом:
а = а0 • ую
и если принять среднее (от 2 до 4) значение коэффициента реакции у = 3,то при возможном повышении температуры кожи на 6 °С получим, что начальная скорость изменения концентрации реагируемых молекул в единицу времени а0 увеличится почти вдвое. Данное правило, возникшее как эмпирическая поправка к основному газовому закону, возможно, объясняет причину не пропорционального изменения температуры тела при повышении температуры внешней среды. Это ещё раз подчеркивает опасность перегрева т.к. организм уже не в состоянии остановить скорость превращений и процесс производство энергии ускоряется (по аналогии как двигатель идет в «разнос»), вероятно по этой причине «марафонец упал замертво».
Безусловно, что данные зависимости(1,2) в первом приближении описывают влияние величины отклонений температуры воздуха от оптимальных значений на теплопродукцию. Поэтому следует для получения более достоверной (модельной) зависимости влияния температуры воздуха на теплопроизводство проведение экспериментов во всём возможном диапазоне температур для работника: в офисе, на «улице», в морозильной камере или отдыхающего в бане.
Однако можно утверждать однозначно, что изменчивость этих процессов, их количественные характеристики напрямую связаны (и вызваны) с процессами теплоотдачи. Так как всё в мире симметрично и равновесие (баланс) должно быть,поэтому количественная оценка этих процессов с точки зрения термодинамики вполне приемлима и тогда количество производимого тепла надо приравнять количеству отводимого или наоборот.
Передача тепла происходит только в одном направлении (в сторону низких температур) следующими путями:
1) без контакта молекул, за счет электромагнитного (теплового) излучения (радиации) когда фотоны излучаются из одних атомов и переносятся к другим;
2) за счёт непосредственного контакта молекул тела и воздуха, когда при соприкосновении кинетическая энергия движения от одной молекулы передаётся другой и далее нагретые массы могут переносится (конвективной); внешней силой.
3) испарением, этот путь организм форсировано использует, когда первые два пути не могут передавать (отводить) тепло и остановить перегрев тела. Кинетической энергия движения молекул тела человека возрастает и передается молекулам воды, еще находящимся в жидком виде в поверхностном слое кожи. Каждая молекула воды имеет 4 связи с другими молекулами воды и это довольно большая потенциальная энергия. Но кинетическая энергия ударов становиться столь значительной (благодаря усилиям организма человека) что разрывает эти связи (преодолевается поверхностное натяжение воды) выталкивает их. Далее уже с помощью кон-векциипроисходитпередача тепла.Некоторые исследователи определяют только контактную передачу тепла через воздушную прослойку или определяют теплоту образования пота. Происходящая далее конвективная (естественная или искусственная) как правило (за исключением учета ветра) не описываются.По нашему мнению, следует вначале определить, как происходит отдача тепла без дальнейшего конвективного переноса по классическим законам термодинамики, а затем учитывая законы и причины естественных конвекций установить и возможный количественный вклад процессов конвекции в отведение тепла. Тепловое (инфракрасное) излучение — это электромагнитные волны, длина которых 0,8.. ,1000мкм.
Тепловое излучение не нагревает воздух, а поглощается поверхностями, которые затем отдают энергию молекулам воздуха контактирующими с нагретыми поверхностями. Плотность потока от абсолютно черного тела в пределах полусферы телесного угла определяется по закону Стефана - Больцмана:
(кСБ = 5,67 • 10 - постоянная Стефана - Больц-
мана,Т- температура излучающего тела). Излучающие свойства не черных тел отличаются и это учитывается, введением специального поправочного коэффициента-е. Для тела человека можно принять: е =0,7 (примерно как для бумаги, дерева).
Расчётная зависимость как сумма тепловых потоков от одежды ( Еод) и от обнаженных поверхностей тела (Еоб) примет вид:
Ер = Еод + Еоб = кСБ
• е S[(Tо4д - Тв4)(1 -5) + Ой - Тв4)5]
= 5,67 • 10-8 • 0,7
• 1,8[(3004 - 2934)(1 - 0,15)
+ (3064 - 2934)0,15] = 54,1 Вт Моделируемые (расчетные) условия: работник офиса с площадью тела S = 1,8м2; площадь обнаженных поверхностей тела (кисти, голова) -15% т.е. 5 = 0,15; температура кожи Тоб = 273 + 33 = 306К; температура поверхности одеждыТод = 273 + 27 = 300К; температура воздухаТв = 273 + 20 = 293К; температура поверхностей принимающих тепловое излучение тела человека равна температуре воздуха в данном помещении.Для обнаженного человека радиация Ер =100 Вт.
Контактная отдача и конвективный перенос энергии (Ек). Допускаем, что тепло передаётся в окружающую среду через прослойку воздуха (толщина которой х = 4 ... 10мм) вокруг человеческого тела по закону передачи через твёрдые тела. Поток энергии от тела человека в окружающую среду прямо пропорционален тепловому напору (перепаду температур) и обратно пропорционален термосопротивлению (эмпирический закон Ньютона):
Ек =
S(tч - О
я»
Здесь:Rк = - - коэффициентом термического сол
противления при контактной теплопередаче; Я -коэффициент теплопроводности - количество теплоты проходящей через среду толщиной в 1м, площадью в 1 м2 за 1 секунду при температурном градиенте в 1 градус [Вт]. Коэффициент не постоянен и зависит от вида теплоносителя, температурного напора, вида конвекции (естественная, искусственная), режима движения воздуха (ламинарный, турбулентный), состояния поверхности, геометрии тела, влажности воздуха. В самом общем виде коэффициент теплопроводности любого газа определяется как:
1
Я = 3 СуРУср^ср
где су-удельная теплоёмкость при постоянном объёме; р-плотность; уср, 1ср- средняя (соответственно) скорость и длина пробега молекул. Заметим, что с уменьшением плотности теплопроводность уменьшается. Для обоснования выбора коэффициента теплопроводности воспользуемся следующей таблицей 1.
Некоторые авторы утверждают (т.к. теплопроводность воды в 23 раза больше чем у сухого воздуха), что теплопроводность влажного воздуха больше чем сухого. И якобы, потому во влажном воздухе человеку как бы холоднее чем в сухом, при одинаковой их температуре.
Ер = ксБ • Т4
Таблица 1
Теплопроводность и плотность_
Температу ра° 0 10 20 30 40 60 100
Вода, Я Вт' мК 10-2 55,8 57,4 59,9 64,4 63,5 65,9 68,2
Воздух Я сух Вт" мК ой, 10-2 2,44 2,51 2,59 2,67 2,76 2,90 3,21
Водяной парДЁК2 1,75 1,81 1,82 1,88 1,95 2,12 2,37
Плотность сухого воздуха, Р 1,293 1.247 1.195 1,165 1,128 1,081 0,946
Плотность насыщен- ГграммТ ного пара, р | м3 | 4,8 9,4 17,3 30,4 51,2 130,2 598
Давление насыщенного пара,рнс, Па 610 1228 2337 4241 7383 18315 246496
Плотность влажного воздухарвв, [КЗ] при влажности 60% 1,29 1,24 1,197 1,16 1,11 1,02 0,424
Это неверно т.к. теплопроводность водяного пара в 33 раза меньше чем у воды и на 70% меньше, чем у сухого воздуха, к тому же плотность влажного воздуха меньше. Что позволяет утверждать обратное: плотность влажного воздуха меньше(об этом говорил ещё Ньютон) и теплопроводность влажного воздуха меньше чем сухого. Субъективные ощущения холода во влажном воздухе (при его температуре меньше чем температура кожи) возникают по той причине,что при увеличении влажности (увеличивается и равновесная влажность на поверхности кожи), число молекул воды конденсирующихся наповерхность кожи увеличивается. Более явно, это проявляется в парилке, когда влага от раскаленной каменки конденсируется (в том числе с помощью конвективного переноса веником), на самом холодном теле в парилке-теле человека.
Оценивая изменение теплопроводности сухого (относительная влажность 0%) и влажного воздуха (относительная влажность 100%) в соответствии с массами, которые они будут иметь в 1м3, получим, что теплопроводность влажного воздуха будет меньше на 0,5%. Поскольку «рабочая» влажность менее 100%, то можно не учитывать еёвлияние на коэффициент теплопроводности.
Влияние температурного напора на теплопровод-ностьвоздуха более значимо (увеличивается на 6% при увеличении температуры на 20 °С) что подтверждается следующим расчётом по эмпирической зависимости:
Я = 2,44 • 10-2 + 0,78 • 10-Х = 2,44 • 10-2+0,78 • 10-4 • 20 = 2,596 • 10-2 — В этом случае величину коэффициента термосопротивления воздушной прослойки (над обнаженными поверхностями тела) будет:
R=X = -i-^-= (0,154 ... 0,385)- или
В * 2,596-10-2—т Вт
св = (6,4... 2,6)^
в у ' м2°С
Дальнейшее отведение тепла происходит не по закону Ньютона. Естественная конвекция, т.е. перемещение воздуха, а вместе с ним и перенос тепла от тела человека, происходит благодаря силе Архимеда: Fд = (р - рвп)^ = (1,205 - 1,165)0,11 • 9,81 = 0,04 Н
Здесь: р = 1,205 ^^ — плотность воздуха при температуре в 20°, плотность воздушной прослойкирвп = 1,165 — при температуре кожи 33°, объём воздушной
прослойки V, = Б • х = 1,8 • 0,06 = 0,11м3. Вряд ли можно как-то связать величину этой естественной силы
Архимеда с теплоотдачей. Но можно оценить количественное изменение силы Архимеда, а значит конвек-ции.Определим, как изменится конвенция при изменении температуры воздуха от —15° до +50°С.Теоретически использую основной газовый закон, закон Дальтона о сумме давлений газов в смеси, получим следующую закономерность по определению плотности влажного воздуха
рв
_ 1 ( Р _ ФРнп) т lRво3д 760 ]•
Плотность влажного воздуха уменьшается с увеличением его температуры и относительной влажности. Расчет по данной зависимости приведен в таблице и показывает, что различие в плотности очень не существенно.Тогда для принятого значения температур воздуха изменение силы Архимеда в зависимости от температуры воздуха при любом значении относительной влажности будет:
273 +tв ,
в = (1,06 + 0,0040.
к —
1\.Кт
258
То есть при —15° коэффициент будет равен единице, а при +20° сила Архимеда увеличится на 13,5%.Назовем эту величину коэффициентом учитывающим влияние на конвекцию температуры воздуха.Соб-ственно увеличение температуры увеличит только давление смеси сухого воздуха и водяного пара, что в свою очередь (не изменяя фактического содержания воды в воздухе) уменьшит его плотность. Можно предположить что давление, (также как и температура) «дальнего» воздуха и воздуха, находящегося в воздушном слое вокруг тела изменятся одинаково и будут находиться в равновесии. То есть конвекция будет происходить только за счет силы Архимеда, а не как следствие выравнивания давлений.
Если же увеличить влажность воздуха без изменения температуры, то давление паров воды увеличиться в «дальнем» воздухе, что уменьшит разницу этого давления с величиной давления в воздушном слое вокруг тела и снизит конвекцию, происходящую за счет выравнивания давлений. Очевидно, это снижение конвекции за счет уменьшения разности давлений более значимо хотя бы потому, что относительная влажность также как и разница
возможных влажностей изменяется на 100%,а следова-тельнои фактическое давление паров воды также значимо меняется, так как по определению:
Рф = Ф • Рнп.
Учитывая, что давление насыщенного пара одинаковое (так как температура одинаковая) и принимая, что влажность воздуха в воздушном слое возле тела близка к 100%получим, что коэффициент учитывающий влияние на конвекцию влажности при любой температуре будет:
100 - Ф
ккф =-- = (1 - 0,01ф).
кф 100 ^
Отметим, что увеличение влажности воздуха без изменения температуры снижает плотность смеси очень незначительно, менее 1%(табл.1) и потому конвекция за счет силы Архимеда увеличится также несущественно. Промежуточный вывод:конвекция за счет изменения только влажности проходит в основном не по закону Архимеда, а вследствие процессавыравнивания давлений при контакте двух газовых смесей.
Искусственную конвекцию вызывает ветер, принудительное перемещение воздуха уменьшит толщину воз-
душной прослойки. «Поправку на ветер» необходимо учитывать. По нашему мнению из всего обилия эмпирических зависимостей, для помещений, где нельзя допускать сквозняков, вполне приемлема следующая зависимость:
kv = 1 + 4Vv, (v-^).
Конвективная передача с обнаженных поверхностей тела у работника офиса с учётом изложенного опре-
делим как:
E
обк
S-S(tK-tB)
(l+4Vv)(1-0,0^)(1,06+0,004tB)5^S(tK-tB)
RB .
Теплоотдача через одежду преодолевает:термосо-противление одежды, измеряемое в единицах «clo»: R0fl =
м2°С
1clo = 0,155-и двух воздушных слоев под одеждой
[R-J и над одеждой [R2]. Можно допустить, что суммарно толщина этих двух слоев равна одному слою над обнажен-
м2°С
ной кожей и тогда: RB = Rx + R2. = 0, З85^—.
Расчётная зависимость для определения конвективной теплоотдачи будет:
F = F -I- F =
Епптт + En пк
^„^5 ■ S(tK - tB) , kv(1 - 5) ■ S(tK - tB)
R
= (1 + 4VV)(1 - 0,01ф)(1,06 + 0,004tB)S(tK - tB) = 1-0,4-1,14-1,8-(33 -20)
+
RB + Roa
1-5
0,15 1 - 0,15 + ■
RB RB + R0AJ
0,385 0,385 + 0,155
= 24,8 Вт
Моделируемые условия в расчётной зависимости те же самые что и при радиационном излучении, в помещении сквозняка нет,ку = 1; толщина воздушного слоя X = 8мм, относительная влажность ф = 60%,тогда
кКф = 0,4;коэффициент, учитывающий влияние температуры на конвекцию: ккт = 1,14.Для обнаженного человека Ек = 27,7 Вт.
Процесс испарения и конвективный перенос пара. Испарение происходит всегда и его основные назначения: обеспечение теплового, водного баланса и вывод шлаков. Работают потовые железы постоянно только на 10% поверхности тела (конечности, подмышечные впадины), остальные включаются при температуре воздуха в 28...29°С. Испарение на 2/3 происходит с кожи и на 1/3 с поверхности лёгких, хотя поверхность последних в 50 раз больше. Интенсивность испарения через поверхность раздела вода-воздух определяют по закону Дальтона, с введением поправки на ветер:
„ ку А^(рнп-рп) Л Л. Л. О
0 =--- где: А-коэффициент; -площадь
испарения; р = 101,3 • 103Па-атмосферное давление; d = (рнп - рп)-дефицит влажности; рнп- давление (в состоянии насыщения) пара испаряющегося из жидкости с температурой [^ид]; рп-давление пара находящегося в воздухе при температуре воздуха ^в]. Наиболее сложным является здесь получение количественной оценки дефицита влажности для реальных условий. В работе [1] представлена зависимость по определению скорости теплопо-терь при испарении, однако выполненные по данной зависимости расчеты показывают, что с увеличением температуры воздуха интенсивность испарения снижается. Возможно, ошибка в том, что относительную влажность в приводимой формуле необходимо привести как функцию температуры??Известна широко используемая формула
Иванова - эмпирическая зависимость для определения испаряемости с водной глади, за месяц, в миллиметрах слоя воды:
0 = 0,0018(25 + и2{100 - ф}
которая также показывает, что интенсивность испарения увеличивается при росте температуры воздуха и падении его влажности. Заметим, что здесь цифра 100 не эмпирическая величина, а максимальное значение относительной влажности и потому выражение {100 - ф} вполне адекватно соответствует дефициту влажности. Очевидно, что законы конвективного переноса тепла влажным воздухом и паром уже вышедшим из тела человека одинаковы.
Таким образом, для определения теплотдачи потом с кожи, необходимо установить вначале величину интенсивности испарения с кожи тела человека в зависимости от температуры воздуха и тяжести работ.Для сравнения: испарениеможет изменяться в пределах (данные приведены к площади 1,8м2): с кожи и из лёгких человека от 40 до 500г/ час, у растений 27.270 г/час, с водной глади 150.1800 г/час. Анализ опытных данных (Витте Н.К., Коц Я.М.), позволяет принять, что испарение только с кожи для человека находящегося в покое до температуры 28°С постоянно и составляет0 =25г/час.Далее включаются ещё 90% потовых желез, и при 45 °С интенсивность испарения увеличивается в 9 раз. От начала включения большинства потовых желез и далее, коэффициент учитывающий влияние температуры (в состоянии покоя) на интенсивность испарения только с кожи можно определять как:
кпт = 0,025ехр(0,144^)
R
Собственно при расчете можно использовать данные экспериментов приведенные для различной температуры и интенсивности работ(Витте Н.К., Коц Я.М.). Наша попытка получить эмпирическое выражение при коэффициенте физической активностиш > 1 ...4 и температуре воздуха^ = 20 .45° позволяет рекомендовать в расчётах определять коэффициент учитывающий влияние тяжести работ и температуры окружающей среды на интенсивность испарения по формуле:
кпшт = (0,06ш + 0,23)^ - 4,8. В диапазоне температур 0...20°С данный коэффициент можно принимать: кпыт = 1,5ш.
Для учета влияния конвекции испарившегося пота на теплоотдачу, вводим полученные ранее коэффициенты учитывающие влияние ветра, влажности и температуры. После чегоопределяемуюпоформуле Фильнееваг =
2501 - 2,36^, 1-^4,
LграммJ
удельную теплоту парообразования надо умножить на полученное произведение.Окончательно получено выражение для определения теплотдачи потом с кожи тела человека:
Епк ^ккфккткпшт • 0 • г.
Для выполнения расчета моделируем следующие условия: относительная влажность воздуха 60%; температура воздуха 20°; удельная теплота парообразования г =
Дж
2454—;ветра нет;коэффициент учитывающий влияние тяжести работ и температуры окружающей среды на интенсивность испарениякпыт = (0,06 • 1,0 + 0,23) • 20 — 4,8 = 1,0
Тогда
Р = к к к к ■ А ■ г = ^пк и 1
г Дж Дж
= 1,0 • 0,4 • 1,14 • 1,0 • 25--2454-- = 34970 —
час г час
= 7,8 Вт.
Кроме испарения пота с поверхности кожи испарение происходит и с внутренней поверхности дыхательных путей. Вместе с этим явлением человек нагревает и увлажняет испарениями с поверхности дыхательных путей вдыхаемый воздух. Некоторые исследователи считают, что теплоотдача с помощью легких добавляет 30% к теплоотдаче испарением с поверхности кожи. Вполне очевидно, что вклад лёгких в теплоотдачу воздуху пропорционален его температуре. Это используется[]при определении суммарной энергии испарением. введением эмпирической поправки кл = (1,43 — 0,01^), которая указывает, что при температуре воздуха в 43° отвод тепла через вдыхаемый воздух невозможен, а при температуре 20°, около 23%от этой суммарнойэнергии испарением будет отводиться через легкие. Мы склонны считать, что введением данной поправки в моделируемую зависимость вполне адекватно описывается отдачу тепла через лёгкие:
Еп = ^ •
кф
■ к •
кт
к •
кг
0т
= (1 + 4^)(1 — 0,01ф)(1,06 + 0,0040 • {(0,06ш + 0,23)^ — 4,8} • (1,43 — 0,010 • 0 • (2501 — 2,360.
При температуре воздуха в 20° получим: Еп = кл • Епк = 1,23 • 7,8 Вт = 9,6 Вт •
Предлагаемая на основе экспериментов и последующего регрессионного анализа зависимость [1] определяет значимость перепада температур, изменений абсолютной влажности вдыхаемого воздуха на величину теплоотдачи через легкие. Однако результаты расчетов несколько завышены (41 Вт при «нулевых» условиях?).
Заслуживает особого внимания используемая здесь зависимость характеризующая изменение интенсивности легочной вентиляции,при различной физической нагрузки
кы = (1+^+ш2). Диапазон использования должен быть как-то ограничен (приш = 4 получаем, что вентиляция должна возрасти почти в 20 раз??).
Далее следуют расчёты в зависимости от температуры воздуха в покое, оценка влияния относительной влажности, скорости ветра (таблица 2.)
Надо найти кпы • кпт уменьшить кондукцию за счет R??? и увеличить испарение за счет интенсивности а радиацию уменьшить за счет черноты.
Таблица 2
Вид теплоотдачи Расчетная зависимость Величина, Вт Надо ,% Доля,% факт При 40% влажности
Радиация Ер = к • е • $[(т,4д — Т4)(1 — 5) + (тоб — Тв4)5] 61,9 47 -7% 54 49%
Испарение Еп kv • кКф • ккт • кпшт • кл • 0 • г = (1 + 4^)(1 — 0,01ф)(1,06 + 0,004tв) • кп„)т • (1,43 — 0,010 • 0 • (2501 — 2,360 11,9 25 +6% 19 25,8 20,5%
Кондукция Ек = (1 + 4^)(1 — 0,01ф)(1,06 + 0,004tв)S(tк — tв) |_Кв 1 1 — 5 1 Кв + Код 31,0 28 -1% 27 38,1 30,2%
Суммарная теплотдача Есум = Ер + Еп + Ек 114,4 100 100 125,8
ВЫВОДЫ
1. Расчетная величина теплоотдачи несколько превышает величину основного уровня теплопроизводсва для нулевых условий.
2. Получены зависимости которые достаточно адекватно описывают влияние температуры воздуха, его влажности на конвективное отведение тепла.
3. Получены зависимости результаты расчета, по которым в основном совпадают с публикуемыми результатами экспериментов
4. Для получения «модельных» зависимостей влияния температуры воздуха на теплопроизводство (теплопродукцию) человека, работающего: в офисе, на «улице», в морозильной камере или отдыхающего в бане, необходимо проведение экспериментов во всём возможном диапазоне температур.
5. При обосновании параметров внешней среды следует установить количественные зависимости известных: оптимальных, допустимых, предельных (экстремальных) температурных характеристик организма человека с параметрами воздуха.
6. Для «стандартной модели теплообмена человека с окружающей средой» можно принимать скорость производства энергии по уровню потреблению кислорода равной 88 Ватт.
7. Наверное, гигиенистам необходимо, также, как и физикам (у которых есть Стандартная модель атома) разработать Стандартную модель теплообмена человека со средой. Собственно, это во многом сделано в работах [Тимофеева Е. И., Кириллов В.Г., Федорович Г.В.]
8. Вряд ли могут из-за сложности химических и других процессов метаболизма дать достаточно точную количественную теоретически выведенную зависимость по определению основного уровня производимой энергии. Поэтому используемый, в том числе специалистами по гигиене описанный подход, не вскрывающей сути всех сложных процессов метаболизма, но устанавливающий достаточно достоверную связь, подтверждённую экспериментально можно принять за начальный, отправной постулат. Для «Стандартной модели теплообмена» следует принимать скорость производства энергии в состоянии покоя равной 88 Ватт.
9. В самом общем виде как телопроизводсво, так и теплоотдача в зависимости от температуры воздуха должны иметьодну и туже координату положения экстремума. экстремум-минимум который соответствует оптимальным значениям температур по Сан Пин.
10. Наличие экстремума при теплоотдаче вызвано тем что с увеличением температуры теплоотдача излучением и кондуктивным путем уменьшаются, а теплоотдача испарением увеличивается.
11. Здесь очевидно тоже можно, отказавшись от известного категорирования работ по энергозатратам, введя величину энергозатрат как фактор трудового процесса и определив для него ПДУ, установить общепринятые диапазоны: оптимальный, допустимый, экстремальный.
12. Соблюдение принципа ЛёШателье можно проанализировать гораздо глубже и более обоснованно, не только относительно этого оптимального (малого) диапазона воздействия со стороны внешних условий среды на температуру тела или кожи. Ошибка некоторых исследователей заключалась в том, что в большинстве своем зависимости по определению теплопередач не учитывали изменение теплопередачи за счет конвекции (разве что только введением поправки на ветер- принудительную конвекцию). По нашему мнению, следует вначале определить как происходит отдача тепла без дальнейшего конвективного переноса по классическим законам термодинамики, а затем учитывая законы и причины естественных конвекций установить и возможный количественный вклад процессов конвекции в теплоотведение.
15на: Дt = 43 - 36,6 = 6,4°С ). В результате получим:
сч М 3,48 6,4 „ , . „„
т = —уд =-= 1,64час = 98 минзная характе-
Муд 13,59 ^
ристики организма человека моноо определить расчетным образо пределное время пребывания в холоде или жаре, воде и
47тп-
Rc
^сум Rp RK
В случае если на пути определенного вида теплопередачи встречается несколько термосопротивлений, то их сумма будет:
RcyM = R1 + R2
Природа срабатывания данных рецепторов окончательно не выявлена, рискнем предположить, что рецепторы реагируют и дают соответствующиий сигнал не на конкретное значение температуры воздуха, а на замедление или ускорение теплоотдачи.
Список литературы
1. Тимофеева Е. И., Федорович Г.В. Экологический мониторинг параметров микроклимата: монография М.: НТМ 2005.-194с.
2. Гигиена труда: учебник / Под. ред. Н.Ф. Измерова, В.Ф. Кириллова.-М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010.-592с.
3. Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Начала химии. Учебное пособие для вузов -11-е изд. стереотип. М.: Издательство «Экзамен» 2006. 831с.
4. Современная большая школьная энциклопедия / Под.ред. А.А. Кузнецова и М. В. Рыжакова.-М.:Олма Медиа Групп; 2007. 960с.
5. БеловС.В., Ильницкая А.В., Козьяков А.Ф. и др. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для Вузов; под.ред. С.В. Белова.- М.: Высшая школа,1999.-448с.
6. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
1
