CC BY
9
УДК 814.73-07 *
А. Н. Синицын, Ю. А. Иванов
РАДИАЦИОННО-КОНВЕКЦИОННАЯ ТЕМПЕРАТУРА И НОВАЯ МЕТОДИКА ЕЕ РАСЧЕТА
Для установления оптимального режима работы и прогнозирования уровня работоспособности людей при т&щщццх воздействиях необходим эффективный контроль за тепловым состоянием внешней среды. Теплообмен человека со средой зависит от таких внешних факторов, как прямая и отраженная солнечная радиация, излучение (поглощение) тепла окружающими предметами, температура, влажность и скорость движения воздуха. Влияние на теплообмен оказывают и эндогенные факторы: тепловое состояние организма (определяющее, в частности, температуру поверхности тела и интенсивность потоотделения), теплозащитные свойства одежды, положе-^1ие тела человека относительно источников (поглотителей) тепла и др. Определение каждого из перечисленных внешних факторов не позволяет достаточно полно оценить тепловое состояние среды, в связи с чем в гигиене широкое распространение получили методы комплескной оценки микроклимата, позволяющие учитывать эффект совместного действия наиболее важных факторов.
В 30—50-е годы было предложено более десяти комплексных показателей (индексов), характеризующих тепловое состояние среды [9, 11]. Практическое значение комплексного подхода возрастает вследствие продолжающегося совершенствования методических средств оценки и содержательной интерпретации индексов теплового стресса [8, 10, 12]. Из их числа предпочтение отдается индексам, основанным на объективных физических закономерностях теплообмена. Такие индексы определяются расчетным путем по результатам непосредственных измерений отдельных тепловых параметров воздушной среды и окружающих предметов. С целью упрощения вычислений предложены номограммы — графические формы, позволяющие определить индекс по параметрам внешней среды с помощью простых графических операций. Известны номограммы для определения эффективной, результирующей и средней радиационной температуры, индекса предсказываемой 4-часовой интенсивности потоотделения, индекса теплового стресса [4]. Ши-» рокое применение одного из информативных индексов — радиационно-конвекционной температуры (РКТ), объективно характеризующей тепловое радиационно-конвекционное воздействие внешней среды на человека, — сдерживается отсутствием номографических средств ее вычисления.
Настоящая работа предпринята с целью обеспечения исследователей доступными средствами ^расчета РКТ.
Теплообмен путем радиации и конвекции происходит в соответствии с физическими законами переноса тепла. Скорость обмена тепла конвекцией (</к) пропорциональна разности температуры поверхности тела (Гп) и воздуха (Тв), а скорость обмена радиацией (<?Р) пропорциональна разности температуры поверхности тела и средней температуры окружающих поверхностей (средней радиационной температуры — Тр):
<7к = ак(Г„-Гв)
<?р =<*р (7"п — Тр), где ак и ар — коэффициенты теплообмена тела со средой путем конвекции и радиации.
По аналогии РКТ объединяет радиационные и конвекционные свойства среды:
<?рк = «7р + ?к = (ар + вк)(7'п-РКТ), (2)
где <7Рк — скорость теплообмена радиацией и конвекцией.
Если тело не имеет внутренних источников тепла, то его поверхность в квазистационарных тепловых условиях среды приобретает температуру, равную РКТ. Поэтому для непосредственного измерения последней необходима модель по форме и размеру соответствующая человеческому телу и построенная из материала с малой тепловой инерционностью. Естественно, что эксплуатациия такой модели крайне затруднительна как из-за громоздкости и плохой транспортабельности, так и невозможности обеспечить инерционность, сравнимую с реальной скоростью. изменения тепловых условий среды. Поэтому распространение получила методика измерения РКТ полипараметрическим способом с последующим вычислением по формуле, вытекающей из системы уравнений (1) и (2):
«к 7" в + «рТр
РКТ =
(3)
«к + ар
При этом коэффициент теплообмена радиацией (ар) определяется в соответствии с законом Стефана — Больцмана:
т
аР =-Тп — Тр--(4)
где о — постоянная Стефана — Больцмана: е — поглощающая способность (для поверхности человеческого тела и одежды принят показатель около 0,8).
Коэффициент теплообмена конвекцией (ак) определяется по формуле, известной из теории теплопередачи:
ак = А]/", (5)
где V — скорость движения воздуха; А, п — эм-
— A3 —
лирические коэффциенты, зависящие от формы и размеров объекта, а также свойств среды. Эти коэффициенты для человеческого тела установлены по результатам собственных наблюдений, выполненных на модели П. Е. Калмыкова [2] в стационарном воздушном потоке, а также анализа материалов других экспериментов [1]. Полученные значения (Л = 8,2; п = 0,8) при измерении коэффициента теплообмена человеческого тела конвекцией — ак (в килокалориях на 1 м2 в час), а скорости движения воздуха V в метрах в секунду достаточно хорошо согласуются с известными значениями А и п для цилиндрического тела с характеристическим размером ~ 1 м, помещенного в принудительный поток воздуха [7],
Исходные значения для расчета РКТ получают, измеряя температуру воздуха сухим термометром, скорость его движения — анемометром, а среднюю радиационную температуру—с помощью шарового термометра Вернона с зачерненной поверхностью (е=0,96—0,98). При этом тепло, поглощаемое шаровым термометром, находится в равновесии с конвекционной теплоотдачей [3]. Измеряя температуру шара (7"ш), а также Тв и V, можно по номограмме или с помощью таблиц Шиба [6] вычислить Тр. Известно,
тш= аТГ'+аРш7'Р : (6)
"кш а1>ш
где акт и арш — коэффициенты теплообмена шара со средней конвекцией и радиацией.
Различие значений в формуле (6) и формулах (3), (4) и (5) зависит от свойств шарового термометра поглощающей способности его поверхности, а также формы и размера шара. Два последних свойства шара необходимо подчеркнуть, так как именно они определяют целесообразность использования данного прибора при оценке теплообмена тела человека с внешней средой. Как известно, классический шар Вернона представляет собой полную металлическую сферу диаметром 15 см с закопченной наружной поверхностью. Размеры шара позволяют обеспечить известную интегрируемость (усреднение) Тр за время, сравнимое с тепловой физиологической реакцией организма человека (15—20-минутная инерционность).
Определение коэффициента теплообмена конвекцией для шара (акш), согласно формуле (5), включает установление эмпирических коэффициентов А и п. Значения коэффициентов для шара рассчитаны по экспериментальным и теоретическим результатам классической теплопередачи [7]. Полученная формула:
I = 12,1 У».«, ккал/м1ч
(7)
справедлива для V более 0,4 м/с, когда свобод-но-конвектнвной составляющей теплообмена можно пренебречь.
Номограмма для определения РКТ (в °С).
Линии А, Б и ß поясняют пример игпп-цчования номограм- jä мы. приведенный в тексте.
В результате преобразований после подстановки Тр из формулы (6) в формулу (3) с учетом акш была получена эмпирическая зависимость, взятая за основу при формировании номограммы на бинарных полях, как наиболее рационального номографического решения [5]. РКТ вычисляли по трем параметрам: Тв, Тш и V. Началом отсчета температур принято значение Тш, равное нулю, что вместе с размерами и расположением шкал номограммы (см. рисунок) обеспечило оптимальную точность вычислений.
Предлагаемая номограмма представляет собой Декартову систему координат, на которой по горизонтали отложена разница между показаниями шарового и сухого термометров, а по вертикали—разница между показаниями шара и искомой РКТ. Система пересечена криволинейными координатами, на которых отложены по-^ казания шарового термометра и анемометра.
На монограмме видно, что при некотором значении скорости движения воздуха ГШ=РКТ. Это следует из уравнений (3) и (6). Приравняв правые части этих формул, можно убедиться, что 7\u = PKT только в тех случаях, когда ТВ = ТР= = Тт, а следовательно, равна РКТ, что для значений, положенных в основу созданной номограммы, возможно при скорости движения воздуха V=2,8 м/с (горизонтальная линия на номограмме).
Последовательность расчетов: 7Ш = РКТ, отсюда
АШУЯШТ, + 4ешр7-3рГр АтУптТш + 4 ггаТ3рТр
А шУпш -Ь 4ешо7'р АтУпт +
где /4Ш= 12,1; пш=0,6; Лт = 8,2; лт = 0,8; е„,= = 0,98; ет=0,8. Равенство соблюдается, если ТВ = ТШ, или ашЕт = атеш, т. е. 12,1 • V06-0,8== =8,2-V08-0,98, что справедливо при У=2,8 м/с.
4-
Номограмма построена на бинарных полях, ^то позволяет предельно сократить число графических операций. Для установления РКТ необходимо располагать результатами измерения следующих параметров среды: скорости движения воздуха анемометром (в метрах в секунду), температуры воздуха шаровым и сухим термометрами (в градусах Цельсия). Определение РКТ по предлагаемой номограмме состоит из следующих операций:
1) провести луч из точки 0 через пересечение значение Тт и V в криволинейной системе координат (линия А на номограмме);
2) восстановить перпендикуляр (линия Б) из точки на горизонтали, соответствующей разности (Тш и Тв);
3) от пересечения луча с перпендикуляром отложить горизонтальную линию (В), которая определяет по указанным значениям на краю
^етки (на ординате) разность или поправку к показаниям шарового термометра (Тш — РКТ). Пример приведен на рисунке. Измеренные значения: ГШ=35°С, Тв = 19,5 °С, У=0,4 м/с.
Тш—Г»=15,5°С. Из этой точки, отложенной на горизонтальной оси, восстанавливают перпендикуляр. Проводят луч из точки 0 через точку, соответствующую 7Ш=35°С и У=0,4 м/с в криволинейной системе координат, до пересечения с перпендикуляром. На ординате находят разность Гш—РКТ=— 3,1 -С, т.е. РКТ=38,1 °С.
РКТ как комплексный гигиенический показатель играет важную роль при прогнозировании
теплового состояния человека в условиях интенсивной солнечной радиации. Роль РКТ тем заметнее, чем больше рззницз между У ш и Тв. В климатических районах, где эта разность велика, использование РКТ вносит заметную поправку в расчет теплового баланса человека.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бекетов А. И. — Труды Воен.-мед. акад. им. С. М. Кирова, 1973, т. 193, с. 64—70.
2. Калмыков П. Е. Методы гигиенического исследования одежды. Л., 1960.
3. Логаткин M. Н. Оценка суммарного теплового действия метеорологических факторов на организм человека. Л., 1958.
4. Новожилов Г. Н., Березин А. А. Методы комплексной оценки микроклимата и наружных метеоусловий. Л., 1980, с. 11—40.
5. Фильчаков П. Ф. Численные и графические методы прикладной математики. Киев, 1970.
6. Шиба В. В. — Труды Воен.-мед. акад. им. С. М. Кирова, 1962, т. 128, с. 198—215.
7. Эккерт Э. Р., Дрейк Р. М. Теория тепло- и массэоб-мена. М. — Л., 1961.
8. Brown J., Dunn G. — Am. industr. Hyg. Ass. J., 1977. v. 38, p. 180—183.
9. Macpherson R. — Brit. J. industr. Med., 1962, v. 19. p. 151 — 164.
10. Nunneley S. — Med. Sei. Sports, 1978, v. 10, p. 250— 255.
11. Wyndham C. — Arch, industr. Hyg., 1953, v. 7, p. 221 — 230.
12. Wyndham C. — Arch. Sei. Physiol., 1973. v. 27. p. A49I — A497.
Поступила 1801.84
УДК 614.73-07:616.71-073.916
И. В. Ликутова, Т. Е. Бобкова, Е. А. Белова. М. Я. Богомазов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА РАДИОНУКЛИДНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СКЕЛЕТА В ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
к
ЦОЛИУВ, Москва
Среди загрязнений окружающей среды имеется ряд токсичных веществ, оказывающих неблагоприятное влияние на костную систему, а для некоторых из них такое влиян-ие служит специфическим проявлением вредного действия.
Прямые методы оценки изменений костной ткани до сих пор не использовались в гигиенических исследованиях. О наличии изменений в костной ткани судили по косвенным показателям — содержанию кальция и щелочной фосфатазы в сыворотке крови. Рентгенологические исследования позволяют констатировать лишь грубые нарушения костной ткани, не давая возможности раскрыть их механизм.
С необходимостью изучения костной ткани мы столкнулись при изучении токсико-кинетики соединений кадмия при разных путях поступления в организм. Есть мнение, что кадмий непосредст-
венно на костную систему не влияет, а кости повреждаются опосредованно — через почки и эндокринные органы [4]. Однако большинство последних сообщений подтверждает, что кости могут непосредственно повреждаться кадмием до повреждения почечных канальцев [2, 3]. В результате развиваются такие изменения, как остеомаляция, сопровождающаяся остеопорозом [1].
Наши исследования проведены на животных 13 групп, 12 из которых являлись опытными. Изучали ингаляционное, внутрижелудочное и комплексное воздействие двух соединений кад-мия — водорастворимого хлорида и малорастворимой окиси — в двух концентрациях, соответствующих 1 и 20 ПДК, установленным для каждой среды.
С целью оценки изменений в костной ткани наряду с биохимическими методами — определени-
