close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующим материалом

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Сорокина Дарья Николаевна Шифр научной специальности: 05.19.04 - технология швейных изделий Шифр диссертационного совета: Д 212.313.01 Название организации: Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Адрес органи
 На правах рукописи
Сорокина Дарья Николаевна
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОЗАЩИТНОЙ ОДЕЖДЫ
С ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ
Специальность 05.19.04 "Технология швейных изделий"
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Шахты - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
"Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса"
(ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Научный руководителькандидат технических наук, доцент Лебедева Елена ОлеговнаОфициальные оппоненты:Бекмурзаев Лема Абдулхажиевич
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС", г. Шахты, заведующий кафедрой "Технология швейных изделий и материаловедение" Суконцева Наталья Юрьевна кандидат технических наук,
ООО "ТПП "Техноформ", г. Ростов-на-Дону
заместитель генерального директора Ведущая организация:ОАО "ЦНИИШП", г. Москва
Защита состоится "30" марта 2012 года в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") по адресу: 346500, г. Шахты, Ростовская область, ул. Шевченко, д. 147, ауд. 2247.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС").
Автореферат разослан "29" февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Куренова Светлана Викторовна ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы 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, П.А. Колесникова, З.С. Чубаровой, Р.А. Делль, И.Ю. Бринка, Л.А. Бекмурзаева, Е.Я. Сурженко, И.В. Черуновой, А. Barton, О. Edholm, К. Umbach, I. Holmer 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 теплофизических 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, IntorIIS, 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 (С18Н38), 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 теплоаккумулирующих 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 ученые - развитию текстильной и легкой промышленности" (ПОИСК - 2011) в 2011 г. в г. Иваново.
Внедрение результатов исследований. Технология промышленного производства специальной одежды (жилета) с элементами с теплоаккумулирующим материалом внедрена на швейных предприятиях ООО "БВН инжениринг" 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 182 источника. Приложения представлены на 30 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи диссертационных исследований, отражены научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе проведен анализ способов защиты человека в условиях холода, сформулированы требования к теплоаккумулирующим материалам и установлена перспективность их использования в специальной одежде.
Продолжительное воздействие холода на человека снижает его работоспособность и обусловливает дополнительный риск производственного травматизма. Современное развитие ряда крупных промышленных отраслей, доминирующим из которых является нефтегазовый комплекс, сосредоточено в северной территории России с суровыми климатическими условиями. Специальная теплозащитная одежда и регламентированный рабочий режим в целом обеспечивают достаточный уровень защиты человека в условиях холода, а для защиты в суровых климатических условиях используется одежда с термообогревом отечественных и зарубежных производителей. На производстве человек выполняет работу с переменной физической активностью, и, как следствие, с различным уровнем теплопродукции (в покое 58 Вт/м2, а при активной деятельности до 440 Вт/м2). За счет избытка тепла во время физической активности в теплозащитной одежде человек перегревается, а затем переохлаждается при длительном пребывании на холоде.
Для термостабилизации пододежного пространства в данной работе предлагается разработать специальную одежду с теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека 27-35 °С. Теплоаккумулирующие материалы при определенной температуре имеют фазовый переход из твердого состояния в жидкое и обратно. В процессе фазового перехода происходит накопление или отдача тепловой энергии. Проведенный анализ существующей одежды с теплоаккумулирующими материалами показал, что имеющиеся разработки, в основном зарубежного производства, имеют определенные недостатки: жесткость конструкции, сложность в изготовлении, необходимость предварительного разогрева теплоаккумулирующего материала. На основе проведенного анализа и, с учетом гигиенических требований, сформулированы требования к теплоаккумулирующим материалам для применения в одежде, которые представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Требования к теплоаккумулирующим материалам для применения в специальной одежде
Анализ факторов производственной среды нефтегазовой отрасли показал, что 65% чрезвычайных ситуаций составляют взрывы и пожары, где основным поражающим фактором для человека является воздействие высокой температуры. Поэтому при разработке специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом, рекомендуемой для данной отрасли, предусматривается безопасность теплоаккумулирующего материала в условиях воздействия высоких температур.
На основе проведенного анализа свойств теплоаккумулирующих материалов органического и неорганического происхождения установлено, что в наибольшей степени сформулированным требованиям отвечают кристаллогидрат десятиводный сульфат натрия (Na2SO4·10H2O) (глауберова соль) и углеводороды (парафины): октадекан (С18Н38), нонадекан (С19Н40), эйкозан (С20Н42). Вторая глава посвящена разработке математической модели теплообмена в системе "Человек - Одежда - Среда" с теплоаккумулирующим материалом в одежде, вследствие того, что наличие теплоаккумулирующего материала ранее не рассматривалось. Для разработки математической модели принято геометрическое представление многослойной поверхности туловища человека, покрытого теплозащитным пакетом одежды, в виде коаксиальных цилиндров (рисунок 2 а, б).
а) б)
Рисунок 2 - Геометрическое представление системы "Человек - Одежда с теплоаккумулирующим материалом - Среда" для математического моделирования процесса теплообмена:
а) расположение слоев системы: I - кожа человека, II - слой белья, III - слой теплоаккумулирующего материала, IV - слой верхней одежды, D - поперечное сечение системы;
б) поперечное сечение системы: r0 - радиус "ядра" тела человека, м; r1, r2 r3, r4 - радиусы от центра "ядра" тела человека до соответствующих слоев системы: кожа, белье, теплоаккумулирующий материал, верхняя теплозащитная одежда, м
Были приняты следующие допущения:
1. Исследуемая поверхность представляет собой цилиндр, стенка которого состоит из идеально контактирующих слоев. 2. Воздух между слоями системы неподвижен и принимаются его теплофизические параметры.
Рассматривается теплообмен в системе в период времени, когда теплоаккумулирующий материал отдает тепло, полученное от тела человека. При этом температура теплоаккумулирующего материала и всей системы во времени не изменяется. Происходит стационарный теплообмен, который описывается уравнением:
, (1)
где - объемная плотность тепловых стоков в теплоаккумулирующем материале, Дж/(с·м3); λ - коэффициент теплопроводности, Дж/(с·м·°С); t - температура, °C, являющаяся функцией радиуса r.
В полярной системе координат уравнение (1) имеет вид:
. (2)
Для получения однозначного решения уравнения (2) дополнено граничными условиями:
1) если r=r0, то - температура тела человека, °С; (3)
2) если r=rк (где к - номер слоя; к=1, 2, 3, 4), то , ; (4)
3) если r=r4, то , (5)
где α - коэффициент теплоотдачи с поверхности одежды, Дж/(с·м2·°С), 4) Теплоаккумулирующий материал занимает слой III [r2≤r≤r3] и температура его постоянна t2=t3=tТАМ.
Постоянство tТАМ позволяет применить метод декомпозиции, а именно - разделить общую задачу на две частные:
1) расчет температуры в слоях I и II с известными граничными условиями t=t0 при r=r0 и t=tТАМ при r=r2;
2) расчет температуры в слое IV с граничными условиями t=tТАМ при r=r3 и условие (5) при r=r4.
В результате было получено соотношение, которое позволило определить время, в течение которого теплоаккумулирующий материал способен отдавать накопленное тепло. Итоговая формула (6) учитывает основные параметры окружающей среды (температуру и скорость ветра), параметры пакета одежды, параметры теплоаккумулирующего материала. (6)
где ρТАМ - плотность теплоаккумулирующего материала, кг/м3;
- удельная теплота плавления материала, Дж/кг;
α - коэффициент теплоотдачи с поверхности одежды, Дж/(с·м2·°С); λ - коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего материала, Дж/(с·м2·°С);
r2 - радиус от центра "ядра" тела человека со слоем белья, м; r3 - радиус от центра "ядра" тела человека со слоем теплоаккумулирующего материала, м;
r4 - радиус от центра "ядра" тела человека со слоем пакета верхней теплозащитной одежды, м;
tТАМ - температура фазового перехода теплоаккумулирующего материала, °С;
tокр - температура окружающей среды, °С.
Для автоматизированного расчета и выбора наилучшего варианта при различном сочетании параметров одежды и среды была разработана программа для ЭВМ. Расчеты позволяют определить необходимую толщину слоя теплоаккумулирующего материала для различных условий эксплуатации. Результаты представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 - График зависимости времени отдачи тепла теплоаккумулирующим материалом от температуры окружающей среды при скорости ветра V= 0,15 м/с и V = 6 м/с при различной толщине слоя теплоаккумулирующего материала
Верификация математической модели с экспериментальными данными оценена величиной средней ошибки аппроксимации по формуле (7):
(7)
В среднем, расчетные значения математической модели отклоняются от экспериментально полученных на 9,8%, что говорит об удовлетворительном качестве модели, поскольку средняя ошибка аппроксимации попадает в диапазон 8-10%, что является вполне приемлемым порогом для инженерных расчетов.
С помощью пакета FlexPDE было проведено компьютерное моделирование процесса теплообмена в системе "Человек - Одежда - Среда" с теплоаккумулирующим материалом в одежде. Рассматривается распределение температуры в слоях цилиндрической системы со сплошным слоем теплоаккумулирующего материала. На рисунке 4 (а) представлена конечноэлементная дискретизация сектора раствора 10. Для рассматриваемого варианта расположения слоев пакета материалов, произведен расчет, позволяющий получить графики зависимости процессов теплопередачи от времени (рисунок 4 б). а) б)
Рисунок 4 - Распределение температуры в слоях цилиндрической системы "Человек - Одежда - Среда" с теплоаккумулирующим материалом: а) конечноэлементная дискретизация сектора раствора 10; б) послойное распределение температуры при тепловом потоке от тела человека 120 Вт/м2
В результате компьютерного моделирования рассчитана максимально возможная величина разрыва сплошного слоя теплоаккумулирующего материала при условии сохранения равновесия процесса теплопередачи в системе и определено необходимое количество теплоаккумулирующего материала для проектирования специальной одежды. Третья глава посвящена исследованию теплофизических свойств выбранных теплоаккумулирующих материалов: октадекана (С18Н38), нонадекана (С19Н40), эйкозана (С20Н42) и кристаллогидрата десятиводного сульфата натрия Na2SO4·10H2O (глауберова соль). Как показал анализ, в различных литературных источниках данные по удельной теплоте плавления и температуре фазового перехода выбранных веществ отличаются. Для углеводородов С18 - С20 значения по удельной теплоемкости в отечественной литературе отсутствуют. Исследование теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов осуществлялось по методу дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и методу термического анализа (ТА). Метод ДСК позволяет определить основные теплофизические характеристики теплоаккумулирующих веществ: температуру фазового перехода при нагревании, удельную теплоту плавления, удельную теплоемкость. Исследования теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов по методу ДСК проводились на программно-аппаратном комплексе теплофизических исследований (КТФИ) "Катран" НПП "Интор" г. Новочеркасск. На рисунке 5 представлен общий вид кривых плавления исследуемых теплоаккумулирующих материалов, полученные методом ДСК. Величина удельной теплоты плавления и удельная теплоемкость теплоаккумулирующих материалов рассчитаны аналитически. Рисунок 5 - Общий вид кривых плавления исследуемых веществ, полученные методом ДСК: 1 - октадекан (С18Н38); 2 - нонадекан (С19Н40); 3 - эйкозан (С20Н42); 4 - глауберова соль (Na2SO4·10H2O)
Температура кристаллизации (температура фазового перехода при остывании вещества) была определена методом термического анализа. Экспериментальные кривые изменения температуры теплоаккумулирующих материалов во времени (кривые охлаждения) представлены на рисунке 6. Точки излома на кривых соответствуют температуре кристаллизации.
Многократными экспериментальными исследованиями установлена термическая неустойчивость глауберовой соли: при температуре выше 32,4°С кристаллогидрат разлагается на соль сульфат натрия (Na2SO4) и воду (H2O). Несмотря на то, что глауберова соль является безопасным веществом, в результате разложения кристаллогидрата, образовавшаяся соль может вызывать аллергические кожные реакции. Поэтому, в качестве теплоаккумулирующих материалов для использования в специальной одежде рекомендованы углеводороды (парафины): октадекан (С18Н38), нонадекан (С19Н40), эйкозан (С20Н42).
Рисунок 6 - Кривые охлаждения исследуемых теплоаккумулирующих материалов: 1 - октадекан (С18Н38); 2 - нонадекан (С19Н40); 3 - эйкозан (С20Н42); 4 - глауберова соль (Na2SO4·10H2O)
Обобщенные результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов представлены в таблице 1. Таблица 1- Обобщенные результаты исследования теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов Теплоаккумулирующий материалПлотность, кг/м 3Температура фазового перехода, °СУдельная теплота плавления, Дж/гУдельная теплоем-кость, Дж/г°С Метод ТАМетод ДСК справочная эксперимен-тальнаясправочнаяэксперимен-тальнаясправочнаяОктадекан (С18Н38) 77827,627,628,2 3063032,1-Нонадекан (С19Н40) 77731,231,232,2 289-1,9-Эйкозан (С20Н42) 77835,035,036,63092841,9-Глауберова соль (Na2SO4·10H2O)149032,032,032,42582501,91,9 Проведенными экспериментальными исследованиями доказано: постоянство фазового перехода теплоаккумулирующих материалов С18-С20, исходя из того, что температура плавления и температура кристаллизации (температура фазового перехода) совпадают и находятся в термофизиологическом диапазоне температур тела человека 27-350С; выбранные в качестве теплоаккумулирующих материалов для одежды, углеводороды с количеством атомов в углеродной цепи С18-С20 обладают достаточной удельной теплоемкостью (таблица 1).
В четвертой главе разработана специальная одежда с теплоаккумулирующим материалом и проведены натурные исследования предлагаемого технического решения. С учетом физиологических особенностей терморегуляции и поддержания теплового баланса человека, разработана конструкция и технология промышленного изготовления специальной одежды - жилета, с теплоаккумулирующим материалом, позволяющего в течение определенного времени поддерживать комфортное состояние человека в условиях переменной активности (рисунок 7). Прилегание изделия к телу человека в области физиологического изгиба позвоночника обеспечивается за счет отрезной средней части спинки, выкроенной под углом 45° к нити основы. Регулирование объема жилета достигается с помощью эластичной тесьмы с фиксаторами фастекс в боковой части. Для размещения съемных элементов с теплоаккумулирующим материалом на жилете предусмотрены внутренние прорезные карманы, схема обработки которого представлена на рисунке 8. а) б)
а) б)
Рисунок 7 - Эскиз модели жилета (а) и размещение съемных элементов с теплоаккумулирующим материалом (б)
Рисунок 8 - Схема обработки внутреннего прорезного кармана
со съемным элементом с теплоаккумулирующим материалом
Разработана технология изготовления съемного элемента с теплоаккумулирующим материалом с применением термической сварки. Элемент с теплоаккумулирующим материалом изготавливается из мембранного материала, обеспечивающего соблюдение гигиенических требований к одежде, с наклеенными отсеками прямоугольной формы с помощью герметизирующей ленты, которые заполняются теплоаккумулирующим материалом (рисунок 9). Геометрические параметры элемента определяются размерами соответствующей области их размещения (рисунок 7, б).
Рисунок 9 - Элемент с теплоаккумулирующим материалом для специальной одежды: 1 - материал элемента; 2 - материал отсека; 3 - герметизирующая лента; 4 - теплоаккумулирующий материал
Для подтверждения эксплуатационной пригодности элемента с теплоаккумулирующим материалом для специальной одежды, проведены экспериментальные исследования, доказана достаточная прочность на разрыв используемых сварных соединений и непроницаемость теплоаккумулирующего материала через материал оболочки в процессе многократных фазовых переходов из твердого состояния в жидкое. Натурные испытания жилета с теплоаккумулирующим материалом проводились при температуре окружающей среды 0°С, -10°С, -20°С согласно методике ГОСТ Р 12.4.185-99 "Средства индивидуальной защиты от пониженных температур. Методы определения теплоизоляции комплекта". В качестве верхней теплозащитной одежды использовался комплект (куртка и полукомбинезон) с теплоизоляцией 0,744 Вт·°С/м2. В качестве основного исследуемого параметра принята температура участков тела человека, которая регистрировалась с помощью набора цифровых портативных термометров с погрешностью измерений ±0,1 °С (рисунок 10 а, б). Моделировалась ситуация: ходьба испытателя по наклонной местности (угол 5°) со скоростью 6,4 км/ч (тепловой потока 300 Вт/м²), затем - состояние покоя (тепловой потока 70 Вт/м²). Результаты натурных экспериментов показали, что при использовании жилета с теплоаккумулирующим материалом с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека: теплоощущение "жарко" при двигательной активности наступает через 60 минут (вместо 20 минут), теплоощущение "прохладно", при прекращении двигательной активности, наступает через 90 минут (вместо 35 минут). Таким образом, общее время комфортного состояния человека при заданных условиях среды и переменной физической деятельности, в среднем продлевается на 95 минут. Эффективность длительного использования (например, в течение рабочей смены) жилета с теплоаккумулирующим материалом доказана результатами экспериментальных исследований (рисунок 11). Учитывая специфику нефтегазового производства, проведена оценка безопасности предлагаемого варианта специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом в случае возникновения чрезвычайной ситуации. Рассматривается самый критичный случай - воздействие открытого пламени на пакет теплозащитной одежды, изготовленный из материалов, рекомендуемых для данного производства. За основу методики экспериментальных исследований по определению устойчивости пакета одежды к тепловому воздействию использован ГОСТ Р 50810-95 "Пожарная безопасность текстильных материалов". Измерение температуры с помощью пирометра "Sight" MSPlus с погрешностью измерений ±1 °С проводилось с внешней и внутренней стороны теплозащитного пакета одежды с теплоаккумулирующим материалом и без него. Экспериментальные исследования показали, что при воздействии открытого пламени, наличие элементов с теплоаккумулирующим материалом в специальной теплозащитной одежде увеличивает время нагревания внутреннего слоя пакета одежды до критической температуры (выше 35°С) от 35 до 120 секунд в зависимости от материалов пакета теплозащитной одежды (рисунок 12). Возгорание самого элемента с теплоаккумулирующим материалом не происходит.
а
б
Рисунок 10 - Температура поверхности кожи на различных участках тела человека при температуре воздуха -10±1°С и скорости ветра 0,15 м/с:
а - без жилета с теплоаккумулирующим материалом; б - с использованием жилета с теплоаккумулирующим материалом
Рисунок 11 - Температура поверхности кожи на различных участках с использованием жилета с теплоаккумулирующим материалом при температуре воздуха -10±1°С, скорости ветра 0,15 м/с
Рисунок 12 - Зависимость температуры внутреннего слоя пакета теплозащитной одежды от времени теплового воздействия
Таким образом, проведенные натурные и экспериментальные исследования доказывают эффективность и безопасность использования в специальной одежде элементов с теплоаккумулирующим материалом на основе углеводородов (парафинов) с количеством атомов в углеродной цепи С18-С20 с температурой фазового перехода в термофизиологическом диапазоне температур тела человека 27-35°С. 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 №2011617410 "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 (С19Н40), 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. ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов кандидатских диссертаций
1. Бринк, И.Ю. Исследование свойств теплоаккумулирующих материалов для разработки специальной теплозащитной одежды текст / И.Ю. Бринк, Е.О. Лебедева, В.В. Горчаков, Д.Н. Сорокина // Швейная промышленность - 2011 г. - № 3 - С. 32-34.
2. Лебедева, Е.О. Выбор теплоаккумулирующего материала для применения в теплозащитной одежде текст / Е.О. Лебедева, Д.Н. Сорокина, Н.В. Смирнова // Текстильная промышленность - 2011 г. - № 7 - С. 16-18.
Программа для ЭВМ
3. Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011617410 "Программа для расчета времени отдачи тепла теплоаккумулирующим материалом в теплозащитной одежде" текст / А.Ю. Сорокин, Д.Н. Сорокина, Е.О. Лебедева; заявитель А.Ю. Сорокин, Д.Н. Сорокина, Е.О. Лебедева. - № 2011615600; заявл. 27.07.2011; опубл. 23.09.2011.
Статьи и материалы конференций
4. Бринк, И.Ю. Исследование свойств теплоаккумулирующих материалов в системе "Человек-одежда-среда" с целью повышения теплозащитной функции специальной одежды текст / И.Ю. Бринк, Е.О. Лебедева, Д.Н. Сорокина // Высокие технологии и фундаментальные исследования. Сборник трудов международной научно-практической конференции. Том 2. - г. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2010. - С. 145-152.
5. Бринк, И.Ю. Математическое моделирование теплообмена в системе "Человек - одежда - окружающая среда" с теплоаккумулирующим материалом текст / И.Ю. Бринк, Д.Н. Петухова // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - г. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. - С. 73-80.
6. Бринк, И.Ю. Применение теплоаккумулирующих материалов в специальной одежде текст / И.Ю. Бринк, Д.Н. Петухова // Текстиль - одежда - обувь - средства индивидуальной защиты - 21 век. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - г. Шахты: ЮРГУЭС, 2010. - С. 118-119.
7. Лебедева, Е.О. Теплоаккумулирующие материалы, рекомендуемые к использованию в теплозащитной одежде текст / Е.О. Лебедева, Д.Н. Сорокина // Текстиль - одежда - обувь - средства индивидуальной защиты в 21 веке. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - г. Шахты: ЮРГУЭС, 2011. - С. 336- - 338.
8. Петухова, Д.Н. Воздействие открытого пламени в условиях взрывного горения на пакет теплозащитной одежды текст /Д.Н. Петухова // Мода и дизайн. Современная одежда и аксессуары 2009. Сборник материалов международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - г. Ростов-на-Дону: издательство РАС ЮРГУЭС, 2009.- С. 371-375.
9. Lebedeva, E.О. Increase of safety of the personnel on explosion-fire-dangerous manufacture by means of individual defence with heart-accumulation materials [Текст] / Е.О. Lebedeva, D.N. Sorokina // Safety of Life and Activity of Person - Education, Science, Practice. IX International Science Conference. - Lviv, Ukraine.: Ivan Franko National University of Lviv, 2011. - p. 310-313.
10. Лебедева, Е.О. Математическая модель процесса теплообмена в системе "человек-одежда-окружающая среда" для расчета эффективности использования теплоаккумулирующих материалов в одежде текст / Е.О. Лебедева, Д.Н. Сорокина // Сборник работ победителей отборочного тура всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям. - г. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. - С. 533-536.
11. Петухова, Д.Н. Определение устойчивости пакетов теплозащитной одежды к воздействию открытого пламени текст /Д.Н. Петухова // Машиностроение, приборостроение, экономика и гуманитарные науки. Сборник материалов всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. Том 2. - Уфа: издательство "Диалог" 2009. - С. 301-305.
12. Бринк, И.Ю. Проблемы обеспечения защиты человека на взрывопожароопасном производстве текст / И.Ю. Бринк, Е.О. Лебедева, Д.Н. Петухова // Социально-экономические и технико-технические проблемы развития сферы услуг. Сборник научных трудов. Выпуск 8. Часть 2. - Ростов-на-Дону: издательство РАС ЮРГУЭС, 2009. - С. 32-37. 13. Бринк, И.Ю. Современные утеплители в специальной одежде для взрывопожароопасных производств текст / И.Ю. Бринк, Е.О. Лебедева, Д.Н. Петухова // Социально-экономические и технико-технические проблемы развития сферы услуг. Сборник научных трудов. Выпуск 8. Часть 2. - Ростов-на-Дону: издательство РАС ЮРГУЭС, 2009. - С. 37-44.
14. Бринк, И.Ю. Перспективы применения теплоаккумулирующих материалов в средствах индивидуальной защиты текст / И.Ю. Бринк, Е.О. Лебедева, О.А. Смирнова, Д.Н. Петухова // Социально-экономические и технико-технические проблемы развития сферы услуг. Сборник научных трудов. Выпуск 9. Часть 2. - Ростов-на-Дону: издательство РТИСТ ЮРГУЭС, 2010. - С. 28-32.
15. Сорокина, Д.Н. Проектирование специальной одежды с теплоаккумулирующими материалами текст / Д.Н. Сорокина // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2011). Сборник материалов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. Часть 1. - Иваново: ИГТА, 2011. - С. 199 - 200.
СОРОКИНА ДАРЬЯ НИКОЛАЕВНА
Разработка и исследование специальной теплозащитной одежды
с теплоаккумулирующим материалом
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Сдано в набор 27.02.2012. Подписано в печать 27.02.2012.
Формат 60х84 1/16. Цифровая печать. Усл. печ. л. 1,0.
Бумага офсетная.
Тираж 150 экз. Заказ 2702/02.
Отпечатано в ЗАО "Центр универсальной полиграфии"
340006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 140,
телефон 8-918-570-30-30
www.copy61.ru
e-mail: info@copy61.ru
4
2
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
206
Размер файла
1 422 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа