автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.04, диссертация на тему:Разработка и исследование специальной теплозащитной одежды с теплоаккумулирующим материалом

На правах рукописи

005013732

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

^ 1.1 НҐ

1Ь12

Шахты-2012

005013732

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Лебедева Елена Олеговна

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, JI.A. Бекмурзаева, Е.Я. Сурженко, И.В. Черуно-вой, A. 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, IntorllS, 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 (Ci9H40), 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 ато-

мов в углеродной цепи С18-С2о обладают достаточной удельной теплоемкостью.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработан элемент для специальной одежды с теплоаккумулирую-щим материалом с фазовым переходом в термофизиологическом диапазоне температур тела человека;

- разработана технология изготовления элемента с теплоаккумулирую-щим 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 теплоаккуму-лирующим 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 теплоаккумулирую-щими 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 (^гЭС^-ЮНгО) (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 теплоаккумулируюгце-го 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).

I II III IV

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, Б - поперечное сечение системы; б) поперечное сечение системы: г0 - радиус «ядра» тела человека, м; Ги г2 г3, г4- 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 теп-лофизические 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:

(Цу^гаЛ) + д = 0, (1)

где <7 - объемная плотность тепловых стоков в теплоаккумулирую-щем материале, Дж/(с-м3);

К - коэффициент теплопроводности, Дж/(с-м-°С); I - температура, °С, являющаяся функцией радиуса г. В полярной системе координат уравнение (1) имеет вид:

+ 0- (2)

г дг дг

Для получения однозначного решения уравнения (2) дополнено граничными условиями:

1) если г=г0, то ¿(г0) = /0 - температура тела человека, °С; (3)

2) если г=гк (где к - номер слоя; к= 1, 2, 3, 4), то (м(гг) = ?„+1

(4)

дг дг

3) если г=г4, то ЛА ~-(га ) = -«['«> (г,) - ], (5)

где а - коэффициент теплоотдачи с поверхности одежды, Дж/(с-м2-°С),

4) Теплоаккумулирующий материал занимает слой III [г2<г<гз] и температура его постоянна ¿2='з=клм-

Постоянство ^ам позволяет применить метод декомпозиции, а именно - разделить общую задачу на две частные:

1) расчет температуры в слоях I и II с известными граничными условиями

при г=г0 и ЫТАМ при г=г2\

2) расчет температуры в слое IV с граничными условиями при г=г3 и условие (5) при г=г4.

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.

2«>;('там - С,) л г3 (6)

где ртлм- плотность теплоаккумулирующего материала, кг/м3; д^,- удельная теплота плавления материала, Дж/кг; а - коэффициент теплоотдачи с поверхности одежды, Дж/(с-м -°С); А - коэффициент теплопроводности теплоаккумулирующего материала, Дж/(с-м2-°С);

Г2 - радиус от центра «ядра» тела человека со слоем белья, м;

П - радиус от центра «ядра» тела человека со слоем теплоаккумули-рующего материала, м;

гл - радиус от центра «ядра» тела человека со слоем пакета верхней теплозащитной одежды, м;

Нам - температура фазового перехода теплоаккумулирующего материала, °С;

Аиф - 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.

-55 -50 -45 -40 -33 .30 -25 -20 Температура окружающей среды, "С

■'! 230 ш

> 220'о

/\ 210 |

' * 200 г

/ 190 1

180

, 170

/ 160 . толщина слоя ТАМ 0,002м. скорость ветра 6 м/с

' ' 150 1-10

130 л толщ)та слоя ТАМ 0,005м,

120 ~ скорость ветра 6м/с

110 100 I 90 __ толщина слоя ТАЛ! 0,007м,

скорость ветра 6 м/с

80 толщина слоя ТАМ 0.002м.

70 " * скорость ветра 0,15 м/с

60 ' 50 ! 40 толщина слоя ТАМ 0,005м, ~ скорость ветра 0,15 м/с

50 толщина слоя ТАМ 0,007м,

20 скорость ветра 0,15 м/с

Рисунок 3 - График зависимости времени отдачи тепла теплоаккумулирующим материалом от температуры окружающей среды при скорости ветра У= 0,15 м/с и У= 6 м/с при различной толщине слоя теплоаккумулирующего материала

Верификация математической модели с экспериментальными данными оценена величиной средней ошибки аппроксимации по формуле (7):

1 У-У

^414=71

100% = 9,8%

(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 РІехРОЕ 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 теллоаккумулирующего материала. На рисунке 4 (а) представлена конеч-ноэлементная дискретизация сектора раствора 1°. Для рассматриваемого варианта расположения слоев пакета материалов, произведен расчет, позволяющий получить графики зависимости процессов теплопередачи от времени (рисунок 4 б).

УЧвЙГОКСТАМ Т6ЯІЦИН&Й2ММ

9,15

О Л 53

0.156 0,159 0.162 Толщина слоя, м

0.15 0.153 0,156 о,159 0.162 Толщин.і слоя, м

а) б)

Рисунок 4 - Распределение температуры в слоях цилиндрической системы «Человек - Одежда - Среда» с теплоаккумулирующим материалом: а) конечноэлементная дискретизация сектора раствора 1°; б) послойное распределение температуры при тепловом потоке от тела человека 120 Вт/м2

В результате компьютерного моделирования рассчитана максимально возможная величина разрыва сплошного слоя теллоаккумулирующего 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 (Сі8Н38), нона-декана (С19Н40), эйкозана (С20Н42) и кристаллогидрата десятиводного сульфата натрия Ыа2504'10Н20 (глауберова соль).

Как показал анализ, в различных литературных источниках данные по удельной теплоте плавления и температуре фазового перехода выбранных веществ отличаются. Для углеводородов С)8 - С2о 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 теп-

лофизических 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 (Ма2804 10Н20)

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 (Ыа2804) и воду (Н20). 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 (С]8Н38), нонадекан (С19Н40), эйкозан (С20Н42).

О 55

ё" 50

3000

Время, с

Рисунок 6 - Кривые охлаждения исследуемых теплоаккумулирующих материалов: 1 - октадекан (С,8Н38); 2 - нонадекан (С19Н40); 3 - эйкозан (С20Н42); 4 - глауберова соль (Ка2В04-10Н2О)

Обобщенные результаты экспериментальных исследований теплофи-зических свойств теплоаккумулирующих материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1- Обобщенные результаты исследования теплофизических

Теплоаккумулирующий материал Плотность, кг/м 3 Температура фазового перехода, С Удельная теплота плавления, Дж/г Удельная теплоемкость, Дж/г°С

Метод ТА __________ _ и « о н « справочная экспериментальная справочная экспериментальная справочная

Октадекан (С,8Н38) 778 27,6 27,6 28,2 306 303 2,1 -

Нонадекан (С19Н4о) 777 31,2 31,2 32,2 289 - 1,9 -

Эйкозан (С20Н421 778 35,0 35,0 36,6 309 284 1,9 -

Глауберова соль (Ка2804-10Н20) 1490 32,0 32,0 32,4 258 250 1,9 1,9

Проведенными экспериментальными исследованиями доказано: постоянство фазового перехода теплоаккумулирующих материалов С^-Сго, исходя из того, что температура плавления и температура кристаллизации (температура фазового перехода) совпадают и находятся в термофизиологическом диапазоне температур тела человека 27-3 5°С; выбранные в каче-

стве 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 теплоаккуму-лирующим 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 теплоак-кумулирующим 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.

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).

€-9 си

II-II-I

1

I

3

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 экспе-

риментальные исследования, доказана достаточная прочность на разрыв используемых сварных соединений и непроницаемость теплоаккумули-ругощего 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: теп-лоощущение «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 теплоаккумулирую-щим материалом не происходит.

О

с_

5

гО

2 о Н

38,0 37.0 36,0 35,0 34.0 33,0 32.0 31,0 30,0 29,0 28.0 27,0 26.0 25.0 24,0 23,0 22.0 21,0 20.0

Г 1 <<жаРк0>> 1 «прохладно»

1..................^СеггЬ*^^.......................1..........................................................

■.............. I - ........-.........................-..........

1

1

1

...................................................1 ..............

1

......................... , , ..............I...........................

Г 20 мин 35 MHH

L..................... A................

- - •Л..............Ill............._L......"II,......Г*............r....................................

0 5 10 15 20

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Время, мин

а

—лоб -»-грудь

-А-ЖНВОТ -—спина .....поясшша

прохладно» і

0 } 10 IS 20 2S 30 35 40 « SO 5:

S5 90 9S 1О0ЇО511(ШМ2ОШтШНОІ4$15<П5!

Время, мин

-ф-лоб -»-груд

-І - ЖИВОТ

—спина —-поясница

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; 6-е использованием жилета с теплоаккумулирующим материалом

38.0

«прохладно» «жарко» «прохладно» «жарко»

«прохладно»

I

О 20 40 60 80 100 120 МО ¡60 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460

Время, мин

—лоб —грудь —-живот —спина —поясница

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

—перопуховая смесь без ТАМ —4 -тсеропуховая смесь с ТАМ —взпщ г,' щ бе і ТАМ

ваши п/т с ТАМ —холлофайбер без ТАМ холлофайбер с ТАМ

0 130 ° 125 ¿120 6 115 S 110 §■ W5 = 100

1 S5

£■ 90 S5 $0 75 ТО «5 60 55 50

О

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105110115121)

Время, 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 (С^Нзв), нонадекан (С19Н40), эикозан (С2оН42); 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, Е.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 ofLviv, 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 взрыво-пожароопасном 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 теплоак-кумулирующими 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 60x84 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

61 12-5/2602

ЮЖНО-РОССИЙИСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА

На правах рукописи

СОРОКИНА ДАРЬЯ НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОЗАЩИТНОЙ ОДЕЖДЫ С ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ

Специальности 05.19.04 «Технология швейных изделий»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лебедева Е.О.

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ГЛАВА 1 Анализ существующих способов обогрева человека 10

1.1 Холод, как вредный и опасный фактор производственной среды 11

1.2 Анализ производственных факторов на предприятиях нефтегазовой 16 промышленности

1.3 Анализ требований к специальной теплозащитной одежде для нефтегазового комплекса 23

1.4 Анализ материалов, применяемых при изготовлении специальной теплозащитной одежды для нефтегазового комплекса 26

1.5 Характеристика теплоаккумулирующих материалов 40

1.6 Применение теплоаккумулирующих материалов в одежде 46 Выводы 49

2. ГЛАВА 2 Разработка методов оценки эффективности теплоаккумулирующих материалов в одежде 51

2.1 Аналитическое решение процесса поглощения тепла теплоаккумулирующим материалом в системе «Человек - Одежда - 51 Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде

2.2 Аналитическое решение процесса отдачи тепла 53 теплоаккумулирующим материалом в системе «Человек - Одежда -Среда» с теплоаккумулирующим материалом в одежде

2.3 Разработка программы для ЭВМ для расчета времени отдачи тепла теплоаккумулирующим материалом в теплозащитной одежде 58

2.4 Компьютерное моделирование распределения температуры в теплозащитном пакете одежды с теплоаккумулирующим 61 материалом

Выводы 65

3. ГЛАВА 3 Исследование теплофизических свойств

теплоаккумулирующих материалов для одежды 67

3.1 Метод экспериментального исследования теплофизических свойств

теплоаккумулирующих материалов 68

3.2 Описание программно-аппаратного комплекса для теплофизических исследований 72

3.3 Возможности программы КТФИ «Катран» и управление экспериментом 77

3.4 Экспериментальное исследование теплоаккумулирующих материалов 82 Выводы 88 4. ГЛАВА 4 Разработка и исследование специальной одежды с теплоаккумулирующим материалом 89

4.1 Разработка изделия с элементами с теплоаккумулирующим 89 материалом

4.1.1 Разработка конструкции изделия с элементами с теплоаккумулирующим материалом 90

4.1.2 Выбор материалов для пакета проектируемого изделия 92

4.2 Разработка элементов с теплоаккумулирующим материалом 93

4.2.1 Выбор материалов для изготовления элементов с теплоаккумулирующим материалом 94

4.2.2 Разработка технологии изготовления элементов с теплоаккумулирующим материалом 98

4.2.3 Разработка конструктивного решения элементов с теплоаккумулирующим материалом 105

4.3 Экспериментальное исследование разработанного изделия с теплоаккумулирующим материалом 108

4.4 Исследование проектируемого изделия на безопасность для взрывопожароопасных производств 115

Выводы 120

Основные результаты и выводы 121

Библиографический список 123

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

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 от-

давать 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 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 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.

Глава 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ОБОГРЕВА ЧЕЛОВЕКА

Согласно климатическому районированию, большая часть территории России расположена в «Особом» (1А) и IV (1Б) климатических поясах [1,2]. Для климата северной части территории России характерны длительные зимние и затяжные переходные периоды года с отрицательной температурой воздуха, ветром и различным уровнем влажности [3]. Для особой климатической зоны (побережье Северного Ледовитого океана и арктические острова) и IV зоны (Внутриконтинентальные районы Восточной Сибири, Камчатка, Северный Сахалин, побережье Охотского моря) температура воздуха в зимний период достигает до -65 °С [1,3]. Полярные день и ночь способствуют неравномерному поступлению солнечного тепла в течение года [4].

В последнее десятилетие идет стремительное экономическое развитие северных территорий Российской Федерации: острова Сахалин, полуострова Камчатка, Восточная Сибирь, Якутия, а также шельфы Охотского, Берингова, Чукотского морей, Арктические территории [5, 6]. Прежде всего, это связано с наращиванием экспортного потенциала ведущих промышленных комплексов: топливно-энергетического (прежде всего нефте- и газодобывающей промышленности, угольной промышленности, энергетики), военно-промышленного (машиностроение и ввод мощностей по производству платформ, судов и другого оборудования для морской добычи нефти и газа) (приложение А, рисунок А.1). Такие крупные газовые и нефтяные компании как ОАО «Газпром», ОАО «ЛУКОЙЛ», ООО «РН - Юганскнефтегаз» (Юкос), ОАО «Сургутнефтегаз», ОАО «Тюменская нефтяная компания» вкладывают основные части инвестиций на разработку новых месторождений [6].

Развитие производства невозможно без непосредственного участия человека. В зависимости от вида трудовой деятельности, работники вынуждены длительно находиться на открытой местности при низких температурах

окружающей среды и при этом выполнять производственные функции. Хо-

10

лод оказывает негативное влияние на организм человека, приводит к возникновению целого ряда заболеваний [7]. Основным защитным барьером от окружающей среды является специальная теплозащитная одежда, которая создает вокруг тела человека определенный микроклимат, влияющий на его самочувствие [3, 8, 9].

1.1 Холод, как вредный и опасный фактор производственной среды

Комфортное тепловое состояние человека в общем случае определяется состоянием динамического равновесия, при котором количество вырабатываемого организмом тепла и количество тепла, отдаваемого в окружающую среду, равны [10, 11]. Терморегуляторные механизмы (химические и физические), контролируемые центральной нервной системой, позволяют человеку приспосабливаться к различным температурным условиям. Это позволяет кратковременно переносить отклонения от оптимальных температур. В зависимости от внешней температуры включаются механизмы теплопродукции и теплоотдачи [8, 9,12, 13].

Большая часть тепла, образующегося в организме человека, рассеивается с поверхности тела неравномерно, с помощью следующих трёх механизмов: конвекции, радиации и потоотделения [8, 12]. Чем сильнее движение воздуха, тем выше интенсивность теплоотдачи вследствие конвекции. При нормальной комнатной температуре тело обнаженного человека передаёт около 60% тепла посредством радиации. Потоотделение - основной процесс рассеяния тепла при выполнении физической нагрузки. При мышечной деятельности за счёт испарения организм теряет около 80% тепла, тогда как в состоянии покоя - не более 20%. Некоторое испарение происходит незаметно, однако поскольку жидкость испаряется, теряется и тепло. Эти, так называемые, неощущаемые теплопотери составляют около 10%, являются относительно постоянными [8].

При воздействии низких температур возникают местное (локальное) отморожение или общее переохлаждение. Местное отморожение возникает при

11

длительном или интенсивном кратковременном охлаждении участка тела. В зависимости от места поражения, клиническими признаками являются по-бледнение кожи, понижение кожной чувствительности, парестезии, затруднение движений конечностей и ослабление пульса на периферических сосудах. Отморожения возникают при температуре окружающей среды ниже -10°С. Ветер снижает температуру окружающей среды, отморожение можно получить при температуре воздуха выше нуля [14,15]. Эквивалентные температуры в зависимости от скорости ветра представлены в таблице 1.1 [3].

Таблица 1.1 - Эквивалентные температуры в зависимости от скорости

ветра [3]

Ощущаемая температура (°С)

Температура воздуха (°С) Скорость ветра км/час

5 10 15 20 30 40 50 60

Скорость ветра м/с

1,4 2,8 4,2 5,6 8,3 11,1 13,9 16,7

5 4 3 2 1 0 -1 -1 -2

0 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -3 -9

-5 -7 -9 -11 -12 -13 -14 -15 -16

-10 -13 -15 -17 -13 -20 -21 -22 -23

-15 -19 -21 -23 -24 -26 -27 -29 -30

-20 -24 -27 -29 -30 -33 -34 -35 -36

-25 -30 -33 -35 -37 -39 -41 -42 -43

-30 -36 -39 -41 -43 -46 -48 -49 -50

-35 -41 -45 -48 -49 -52 -54 -56 -57

-40 -47 -51 -54 -56 -59 -61 -63 -64

Разделяю�