Разработка и исследование специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующим материалом

На значительной территории России преобладают холодные природно-климатические условия с сочетанием низкой температурой воздуха, ветром и различным уровнем влажности. В условиях длительного воздействия холода у человека возникает как локальное, так и общее переохлаждение, появляются тормозные процессы в коре головного мозга, нарушается координация движений и, как следствие, ухудшается работоспособность. Это повышает риск травматизма и вероятность чрезвычайных ситуаций на производстве.

В последнее десятилетие идет стремительное промышленное освоение северных территорий Российской Федерации, где лидирующей является нефтегазовая отрасль. В течение рабочей смены работники вынуждены находиться длительное время на открытой территории независимо от погодных условий. Для защиты человека от холода используется специальная теплозащитная одежда. Современное научно обоснованное проектирование специальной одежды, как известно, базируется на работах отечественных и зарубежных ученых: Р. Ф. Афанасьевой [9], П. А. Колесникова [65], З. С. Чубаровой [12], P.A. Делль [8], И. Ю. Бринка [96], Л. А. Бекмурзаева [93], Е. Я. Сурженко [167], И. В. Черуновой [25, 55], A. Barton [13], О. Edholm [13], К. Umbach [181, 182] и др.

Как правило, на производстве человек двигается с различной интенсивностью с соответствующим уровнем теплопродукции. В теплозащитной одежде человек может перегреться за счет избытка тепла во время физической работы и, в дальнейшем, переохладиться при длительном пребывании на холоде. Задача по разработке способа поддержания комфортного состояния человека в холодных климатических условиях с учетом его переменной физической активности является весьма актуальной. Одним из решений данной проблемы служит использование теплоаккумулирующих материалов, которые способны поглощать и накапливать избыток тепла от тела человека и отдавать его обратно. При разработке специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующим материалом необходимо предусмотреть ее безопасность для применения в конкретных условиях производства.

Цель работы заключается в создании специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующими материалами с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

— формулирование требований, предъявляемых к теплоаккумулирующим материалам, для использования в одежде;

— разработка математической модели процесса теплообмена в системе «Человек-Одежда-Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде;

— компьютерное моделирование процесса теплообмена в системе «Человек-Одежда-Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде;

— исследование тепло физических свойств теплоаккумулирующих материалов с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;

— разработка элементов с теплоаккумулирующим материалом для специальной теплозащитной одежды;

— исследование эксплуатационных свойств элементов с теплоаккумулирующим материалом;

— разработка специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;

— натурные испытания специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом.

Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов математического и компьютерного моделирования, теории теплопередачи. Экспериментальные исследования проводились на базе экспериментально-теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные действительности, с применением методов статистической обработки экспериментальных результатов и теории планирования эксперимента. В работе использованы средства векторной и растровой компьютерной графики. Диссертационная работа реализована с применением программных продуктов Microsoft Word 2007, Microsoft Excel 2007, CorelDraw x5, IntorlIS, OriginPro 7.0, MathCAD 6.0, FlexPDE 6.0.

Научная новизна работы:

— экспериментально установлено, что для использования в специальной одежде наиболее перспективными теплоаккумулирующими материалами с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека могут быть углеводороды (парафины): октадекан (Ci8H38), нонадекан (С19Н40), эйкозан (С20Н42);

— разработана математическая модель теплообмена в системе «Человек-Одежда-Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде, позволяющая определить необходимую массу теплоаккумулирующего материала для различных условий эксплуатации;

— установлена зависимость времени отдачи тепла теплоаккумулирующим материалом от параметров окружающей среды и пакета теплозащитной одежды;

— теоретически обоснованы параметры элементов с теплоаккумулирующим материалом и место их расположения в области туловища человека с учетом физиологических особенностей терморегуляции и поддержания теплового баланса;

— экспериментально доказано, что выбранные в качестве теплоаккумули-рующих материалов для одежды, углеводороды с количеством атомов в углеродной цепи С18-С20 обладают достаточной удельной теплоемкостью.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— разработан элемент для специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;

— разработана технология изготовления элемента с теплоаккумулирующим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;

— разработана конструкция и технология промышленного производства специальной одежды (жилета) с теплоаккумулирующим материалом;

— в натурных испытаниях доказана работоспособность предложенного технического решения специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека.

Апробация результатов исследования.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на:

— Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в 2010 г. в г. Санкт-Петербург;

— Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» в 2010 г. в г. Новочеркасск;

— Международной научно-практической конференции «Текстиль — одежда — обувь — средства индивидуальной защиты — 21 век», аккредитованной Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, в рамках программы «У.М.Н.И.К.-2010», «У.М.Н.И.К.-2011», ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» в 2010, 2011 гг. в г. Шахты. Проект включен в число лауреатов программы;

— Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Мода и дизайн. Современная одежда и аксессуары 2009» в 2009 г. в г. Ростов-на-Дону;

— Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности человека» в 2011 г. в г. Львов (International Science Conference «Safety of Life and Activity of Person», 2011, Lviv);

— Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных «Эврика» в 2011 г. в г. Новочеркасск. Проект включен в число лауреатов программы;

— Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Машиностроение, приборостроение, экономика и гуманитарные науки. Актуальные проблемы науки и техники» в 2009 в г. Уфа;

— Межвузовских научно-технических конференциях РАС ЮРГУЭС в 2009, 2010 гг. в г. Ростов-на-Дону;

— Межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученыеразвитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК — 2011) в 2011 г. в г. Иваново.

Внедрение результатов исследований. Технология промышленного производства специальной одежды (жилета) с элементами с теплоаккумули-рующим материалом внедрена на швейных предприятиях ООО «БВН инже-ниринг» г. Новочеркасск, ТПК «Озон» г. Ростов-на-Дону. Результаты диссертационной работы также внедрены в учебном процессе на кафедре «Моделирование, конструирование и технология швейных изделий» Ростовского технологического института сервиса и туризма (филиала) ФГБОУ ВПО «Южно-Россиийский государственный университет экономики и сервиса» при подготовке студентов по направлению «Конструирование изделий легкой промышленности».

Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК, получено 1 свидетельство на программный продукт.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации составляет 175 страниц текста, включающие 66 рисунков и 29 таблиц. Список использованной литературы содержит 188 источников. Приложения представлены на 30 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основании анализа существующих способов поддержания комфортной температуры тела человека в холодных климатический условиях установлено, что решение вопроса сохранения тепла в организме человека требует дополнительного исследования.

2. На основании аналитического исследования процесса теплообмена в системе «Человек — Одежда — Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде получена математическая модель, связывающая пороговое время поддержания организма человека в комфортном состоянии с параметрами окружающей среды и пакета теплозащитной одежды.

3. Разработана программа для расчета на ЭВМ (свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 011 617 410 «Программа для расчета времени отдачи тепла теплоаккумулирующим материалом в теплозащитной одежде»), проведен расчет времени, в течение которого теплоаккумулирующий материал может поддерживать комфортное состояние тела человека. Полученные математические расчеты подтверждены экспериментальными исследованиями, погрешность математической модели не превышает 9,8%.

4. Проведено компьютерное моделирование процесса теплообмена в системе «Человек — одежда — Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде, позволяющее рассмотреть распределение температуры в слоях системы «Человек — Одежда — Среда» с использованием теплоаккумулирующего материала.

5. В результате экспериментальных исследований теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов, имеющих фазовый переход в термофизиологическом диапазоне температур тела человека, рекомендованы для использования в специальной одежде углеводороды (парафины): октадекан (С18Н38), нонадекан (С^Ню), эйкозан (С20Н42) — доказано, что для реализации поставленной цели выбранные углеводороды с количеством атомов в углеродной цепи С18-С20 обладают достаточной удельной теплоемкостью.

6. Разработана конструкция и технология изготовления элемента для специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека.

7. Проведенные натурные испытания теплозащитной одежды с элементами с теплоаккумулирующим материалом показали, что при использовании жилета с элементами с теплоаккумулирующим материалом общее время комфортного состояния человека при переменной физической деятельности, в среднем продлевается на 95 минут в зависимости от условий среды: температуры воздуха и скорости ветра.

8. На основании экспериментального моделирования условий чрезвычайной ситуации (пожар) установлено, что теплозащитный элемент с теплоаккумулирующим материалом увеличивает время допустимого нагревания внутреннего слоя пакета одежды до критической температуры от 35 до 120 секунд в зависимости от используемых материалов.

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в учебном процессе в Ростовском технологическом институте сервиса и туризма (филиале) ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» для выполнения научно-исследовательских работ студентов по направлению «Конструирование изделий легкой промышленности». Технология изготовления элемента с теплоаккумулирующим материалом и жилет с теплоаккумулирующим материалом внедрены в производственный процесс на ООО «БВН инжениринг» г. Новочеркасск, ТПК «Озон» г. Ростов-на-Дону.