Тепловой расчёт одежды для защиты от холода в условиях эксплуатации на территории Республики Беларусь

Производство одежды в соответствии с реальными условиями ее эксплуатации является важной задачей, решение которой не только способствует сохранению здоровья и повышению работоспособности человека, но и позволяет более рационально использовать сырье и материалы. В связи с этим исследования, позволяющие определить влияние метеорологических факторов на параметры пакета материалов для одежды и соответственно ее теплозащитные функции, являются актуальными.

В данной работе представлена последовательность расчёта теплозащитных свойств одежды мужской куртки для защиты от холода, эксплуатация которой планируется на территории Республики Беларусь.

При проектировании одежды для защиты от холода целесообразно исходить из климатической зоны, где она будет эксплуатироваться, и ориентироваться на средние показатели метеорологических условий этих зон. Согласно данным гидрометеорологических наблюдений минимальные значения температуры воздуха и максимальные значения скорости ветра по Республике Беларусь представлены в таблице 1.

В качестве исходных данных следует учитывать время непрерывного пребывания человека на холоде. Для расчетов оно принимается равным 1 час при скорости передвижения человека – 3,2 км/ч.

Теплозащитные свойства одежды рассчитываются по этапам в следующей последовательности.

На начальном этапе определяется тепловой поток со всей поверхности тела человека. Радиационноконвективные теплопотери Qрад.конв, Вт/м2, можно определить из уравнения теплового баланса [1]:

Q рад.конв

= Q + Д\- Q т.п              исп

Q дых.н .

где Q – теплопродукция, Вт/м²;

Д – дефицит тепла в организме, Дж;

Q – потери тепла испарением, Вт/м²;

Q дых.н – потери тепла дыханием, Вт/м².

Потери тепла испарением Q с учетом некоторого охлаждения организма принимают равными 20 % от общих теплопотерь [1] или рассчитываются по формуле:

О = 0 36-S I Qmn--58 I          (2)

Q ucn. покоя       ,          I                   I •

Согласно табличным данным в литературе [1] потери тепла дыханием Q дых.н , в зависимости от температуры окружающего воздуха составили: в декабре месяце 2018 г. – 11,2 Вт/м²; в январе и феврале 2019 г. – 11,6 и 12,8 Вт/м², соответственно.

Таблица 1 ‒ Данные гидрометеорологических наблюдений по Республике Беларусь [4]

Показатель	Значение показателей по месяцам (в зимний период)
	декабрь 2018 г.	январь 2019 г.	февраль 2019 г.
Температура, 0С	-12	-9	-10
Скорость ветра, м/с	6	4	3

При данных условиях эксплуатации потери тепла соответствуют теплоощущениям «прохладно», следовательно, дефицит тепла в организме составляет Д= (208±84) 10³ Дж [1].

Теплопродукция рассчитывается (формула 3) исходя из энергозатрат Q , Вт/м², величины основного обмена Q о , Вт/м² и термического коэффициента полезного действия П [1].

Q mn = Q . - n ( Q™ — Q . ) (3)

Установлено, что основной обмен у здорового человека колеблется в зависимости от возраста и пола. Предположим, что изделие будет эксплуатироваться мужчиной в возрасте от 30 до 50 лет. Тогда Q . = 42 ^ 39 Вт/м² [1]. Для расчетов принимаем средний возраст 40 лет, следовательно, Q о = 41 Вт/м².

Согласно справочным данным значение П зависит от скорости ходьбы и наклона местности. Тогда:

- в состоянии покоя П принимается равным 0, а энергозатраты Q в этом случае равны 69,7 В т /м²,

– при ходьбе человека по ровной местности и скорости его передвижения равной 3,2 км/ч П принимается равным 0, а энергозатраты Q = 69,7 В т /м²,

– при ходьбе по наклонной местности (5 град) и скорости его передвижения равной 3,2 км/ч П принимается равным 0,10, а энергозатраты

= 174,4 В т /м²[1].

э.т

Если принять, что S в формуле (2) – площадь тела человека при массе тела 70 кг и росте – 170 см равна 1,8 м² [2], тогда комфортный уровень теплоотдачи испарением для состояния покоя составит:

Qu™ = 0,36 х1,8

1^2 — 58

1,8

= 4,2 , Вт/м².

При ходьбе со скоростью 3,2 км/ч по наклонной местности:

Q исп . покоя

0,36 х 1,8

161,1

1,8

—

= 20,4, Вт/м².

Следовательно, радиационно-конвективные теплопотери Q рад.конв , для трех случаев человека в зимние месяцы будут изменяться согласно графику (рис. 1).

Согласно представленным на графике данным значение Q рад.конв незначительно изменяется по месяцам, но очевидны изменения в зависимости от нагрузки человека.

На втором этапе определяется тепловой поток с поверхности туловища человека. При проектировании бытовой одежды для защиты от холода ориентируются на то, чтобы она в требуемой степени защищала от охлаждения те области тела, которые ею покрываются.

Согласно приведенным данным в литературе радиационно-конвективные теплопотери с поверхности туловища человека, находящегося в движении и оценивающего по истечении 1 ч свои теплоощущения как «прохладно», составляют 21,8 % общих радиационно-конвективных теплопотерь. Следовательно, тепловой поток на единицу поверхности тела человека q _тул , В т /м² может быть определен по следующей формуле [1]:

q • S q =----х 21,8.

тул

Q исп . покоя

0,36 х 1,8

69,7

1,8

—

= 12,5, Вт/м².

При ходьбе со скоростью 3,2 км/ч по ровной местности:

Средневзвешенные значения теплового потока с поверхности тела человека q , которые необходимо поддерживать для обеспечения комфортных теплоощущений человека в течение 1 ч, составляют (зависят от температуры воздуха): в декабре месяце

2018 г. – 112,3 Вт/м2; в январе и феврале 2019 г. – 112 теплоощущений человека в течение 1 ч, составляют

Вт/м2 и 111,7 Вт/м2, соответственно.                    (зависят от температуры воздуха): в декабре месяце

Средневзвешенные значения теплового потока с 2018 г. – 112,3 Вт/м2; в январе и феврале 2019 г. – 112

поверхности тела человека q , которые необходимо   Вт/м² и 111,7 Вт/м², соответственно.

поддерживать для обеспечения комфортных

-♦-для состояния покоя   —♦- для ровной местности   -♦-для наклонной местности

. 208140

| 208130             _________•

| 208120

I 208110

3 5 208100             •                       ---— .     , о 6 208090

|   208080

I 208070              •                        •                --------

°" 208060 декабрь                  январь                  февраль

Рисунок 1 – Значения радиационно-конвективных теплопотерь в зимние месяцы в зависимости от состояния человека

Тогда тепловой поток в данные месяца будет равен, соответственно:

q_m™ дек =--- ^х 21,8 = 44,07 В_т / м 2 .

тул. ект qmvn яне = 112 ‘1,8 х 21,8 = 43,95 В / м2.

тул. янвт

_ 111,7 •1,8     о_ оз у /2

Ч тул.фев =    100 ^{Х 21,8} = ^43,83 В т / м .

Затем рассчитывается средневзвешенное термическое сопротивление одежды в целом, исходя из средневзвешенных температуры кожи t свк и теплового потока q свт .

R

сум

/ — / свк      в qсвт

На следующем этапе по значению теплового потока с поверхности туловища человека определяют уровень температуры кожи человека, который будет наблюдаться по истечению 1 часа пребывания на холоде. В свою очередь, это дает возможность оценить теплоизоляционный эффект для одежды tтул, 0С, который можно определить из формулы [1]:

t my_n = ^0,074 • Ч тул - ^37, 5.          ⁽⁵⁾

Тогда теплоизоляционный эффект для одежды в данные месяцы будет равен, соответственно:

^уЛ.дек = 0,074 • 44,07-3 7,5 = 34,24С, tmyn. янв = 0,074 • 43,95 - 3 7,5 = 34,25 С, tmy,. фев = 0,074 • 43,83 - 3 7,5 = 34,26С.

где t в – температура воздуха, ⁰С.

При температуре воздуха -9⁰ С ÷ -12⁰ С средневзвешенный тепловой поток должен быть равен 72 Вт/м². Выразим t свк из формулы (6).

Тогда t свк =39,8-72*0,078=34,18 ⁰С.

Следовательно, суммарное тепловое сопротивление одежды R сум , С·м²/Вт по месяцам будет равно:

_ 3^4,18 + 9            2

R- сум.дек =   772 З = ^{0,39 С м} / ^Вт,

_     _ 34,18 + 10__п,_аг.2

R- сум.янв      ц2     ^{0,39 С} м / ^Вт ,

34,18 + 12           2

R_CVm d>e₈ =----------= 0,41 С'м² / Вт.

сум. фев

Далее по термическому сопротивлению (формула 7) определяется толщина пакета материалов h на различных участках тела человека, обеспечивающая расчетное значение термического сопротивления.

R = 24,02 - IO ’³ - h + 0,085.               (7)

сум          ,                           ,

^h фев

0,41 - 0,085

0,02402

= 13,5 мм.

Тогда

R - 0,085 сум       ,

24,02 - 10 ^- 3

Подставив данные теплового сопротивления по месяцам, получим необходимую толщину пакета в зависимости от температуры воздуха:

h дек

0,39 - 0,085

0,02402

= 12,7 мм,

h

янв

0,39 - 0,085

0,02402

= 12,7 мм,

Следовательно, средняя толщина пакета одежды для защиты от холода, эксплуатируемой в зимний период на территории Республики Беларусь, равна 13 мм. Рекомендуемая толщина пакета согласно данным литературы [1] при средней t в = -10 ^оС и скорости ветра 4 м/с составляет от 12,0 до 12,8 мм.

Известно, что толщина пакета одежды зависит от участка тела человека.

Тогда согласно данным таблицы 2 [1, 3] рассчитаем его толщину на различных участках тела человека с целью подбора рационального пакета материалов.

Таблица 2 ‒ Коэффициент (показатель) распределения толщины пакета материалов

Участок тела	Коэффициент (показатель) распределения толщины пакета материалов при средней толщине пакета, мм			Толщина участков одежды, мм δ = К р× Ʃδ
	Ʃδ =6 ÷ 12	Ʃδ =13 ÷ 24	Ʃδ =25 ÷ 36
Туловище	1,26	1,31	1,45	1,31*13=17,03
Плечо и предплечье	1,13	1,24	1,23	1,24*13=16,12
Бедро	1,13	1,08	1,07	1,08*13=14,04
Голень	0,80	0,81	0,86	0,81*13=10,53