Зависимость теплового сопротивления одежды от свойств материалов и конструкции швейных изделий

 

В связи с тем, что теплоизоляционные свойства одежды во многом определяются подвижностью заключенного в ней воздуха, следует предположить, что тепловое состояние человека при прочих равных условиях будет зависеть от вида одежды, определяющей интенсивность воздухообмена пододежного пространства с окружающей средой

Наибольшими теплоизоляционными свойствами обладает комбинезон. По отношению к тепловому сопротивлению комбинезона тепловое сопротивление куртки и брюк составляет 94,5%, пальто - 91.5%. Большее, чем у пальто, тепловое сопротивление комбинезона и куртки с брюками в условиях относительно спокойного воздуха обусловлено большим утеплением нижних конечностей. Каких-либо существенных различий в теплоизоляции туловища не наблюдается. Снижение теплоизоляционных свойств одежды во время движений может играть и положительную роль (например, при поддержании теплового баланса человека в процессе выполнения им физической работы). Так, во время ходьбы (со скоростью около 3 км/ч) энерготраты человека, одетого в пальто, увеличиваются примерно на 36%, а теплопотери радиацией и конвекцией - на 24%, т. е. большая часть дополнительно образующегося в организме тепла фактически отдается во внешнюю среду за счет усиления вентиляции пододежного пространства. При той же физической активности в организме человека, одетого в комбинезон, происходит накопление тепла, так как энерготраты в данном случае увеличиваются намного больше (на 36%), чем теплопотери (на 6%). Поэтому в комбинезоне, куртке и брюках должны быть предусмотрены специальные устройства, способствующие вентиляции пододежного пространства и снижению теплоизоляционных свойств одежды при усилении физической деятельности.

Теплоизоляционные свойства одежды во многом определяются толщиной ее пакета, которая включает в себя толщину материалов и толщину воздушных прослоек. Можно предположить, что путем увеличения толщины воздушных прослоек в одежде возможно повышение ее теплового сопротивления. Результата исследований ряда авторов показывают, что эффективно это лишь при толщине воздушных прослоек меньшем 5-10 мм. При ветре роль воздушных прослоек в повышении теплового сопротивления уменьшается. В этих условиях определенное значение имеет воздухопроницаемость пакета материалов одежды. Эффективность воздушных прослоек в повышении теплового сопротивления одежды зависит от ее вида. Тепловое сопротивление расклешенного пальто ниже, чем плотно прилегающего. Это объясняется увеличением конвекции воздуха при увеличении толщины воздушных прослоек.

Таким образом, одежда «закрытого» типа, более плотно прилегающая к поверхности тела человека, при одной и той же толщине пакета ее материалов имеет худшие показатели теплоизоляции. Причиной этого следует считать меньшую фактическую толщину одежды в результате вытеснения воздушных прослоек. Подобное явление наблюдается и при надевании под верхнюю одежду большого количества предметов, которые, с одной стороны, мобилизуют воздух, а с другой - уменьшают толщину воздушной прослойки.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что и при ветре тепловое сопротивление комбинезона, свободно облегающего фигуру, выше, чем прилегающего.

Таким образом, преимущество имеет одежда «замкнутого» типа (комбинезон, или куртка и брюки, или полукомбинезон), свободно облегающая тело человека. В этом случае при проектировании верхней одежды необходимо учитывать толщину предметов одежды, надеваемых под нее, чтобы сохранить определенную свободу облегания тела изделием. При проектировании одежды «открытого» типа (пальто, куртки) необходимо обеспечивать плотное прилегание ее к поверхности тела.

Исходя из этого, требования к припускам на свободное облегание одежды определяется согласно условиям, в которых предполагается ее эксплуатация:

- в одежде (вида куртка и брюки, комбинезон), предназначаемой для зашиты от пониженных температур в закрытых помещениях (например, при работе в холодильных камерах) или в климатических регионах, где преобладает относительно небольшая скорость ветра (до 2 м/с), целесообразно предусматривать наибольший припуск на свободное облегание (Пг = 19 см) с учетом указанной выше эквивалентной поправки на толщину пакета материалов;

при проектировании одежды того же вида для эксплуатации в районах с преобладанием высоких скоростей ветра (свыше 2 м/с) более благоприятными в отношении повышения теплозащитных функций являются меньшие припуски на свободное облегание (П_г=15-16 см), особенно если в качестве верха спецодежды применяются материалы с воздухопроницаемостью более 15 дм³/м²с).

Регулирование теплозащитных свойств одежды может осуществляться различными конструктивными элементами. Регулирование R_сум одежды осуществляется за счет изменения толщины утеплителя путем комбинирования его слоев или путем нарушения инертности воздушных прослоек.

Зашитаот ветра (кроме использования материалов соответствующей воздухопроницаемости)может быть обеспечена специальными клапанами по линии застежкикуртки и брюк, капюшоном, напульсниками, конструктивными элементами защищающими лицо. Применение вентиляционных устройств в зимней одежде эффективно лишь в том случае, если их локализация учитывает характер физической деятельности человека.

Одно из требований к вентиляционным устройствам в одежде зимнего назначения - предупреждение попадания наружного холодного воздуха в пододежное пространство (между поверхностью тела и первым слоем одежды). Несоблюдение этого требования, особенно на фоне общего перегревания при физической работе и повышенного потоотделения, может быть причиной возникновения заболеваний простудного характера.

Теплоизоляционные свойства материалов обусловлены главным образом присутствием заключенного в них инертного воздуха и мало зависятот вида волокон. Между тепловым сопротивлением материалов или пакетов материалов и их толщиной существует прямолинейная связь, которая несколько нарушается для пакетов материалов большой толщины (свыше 16 мм). Эти данные позволяют практически, исходя из толщины пакета материалов, подойти к проектированию одежды с необходимой величиной теплового сопротивления.

Увеличение толщины пакета материалов одежды более 23 мм приводит лишь к незначительному увеличению теплового сопротивления одежды в целом. По мере увеличения толщины пакета материалов уменьшается доля теплового сопротивления воздушных прослоек, что является отрицательным фактором, так как повышается материалоемкость одежды.

Уменьшение доли воздушных прослоек служит одной из причин нелинейной зависимости теплового сопротивления одежды от толщины пакета ее материалов. Поэтому при разработке одежды для защиты от холода важно сохранить стабильное соотношение между тепловыми сопротивлениями воздушных прослоек и непосредственно материалов. Для пальто практически предельной является толщина пакета материалов, равная 13,5 мм.

Эффективность утепления различных областей тела человека неодинакова. Наибольшая она в области туловища, наименьшая в области головы, кистей, стоп. Одной из причин неодинаковой эффективности утепления служит различный радиус кривизны этих областей. В одежде. в комплект которой входит пальто, наименьшая эффективность утепления наблюдается в области бедер, для которой характерна усиленная вентиляция пододежного пространства. Поэтому утепление бедер путем увеличения толщины пальто на этом участке нецелесообразно. Неодинаковая эффективность утепления различных областей тела человека была положена в основу распределения теплоизоляционных материалов в одежде. При этом исходили из целесообразности увеличения толщины пакета материалов в большей степени на тех участках одежды, где возможно достижение большего эффекта (например, в областях туловища, плеча). Напротив, увеличение толщины пакета материалов на других участках одежды после достижения определенного предела не приводит к повышению теплоизоляционных свойств одежды.

Показателем эффективности утепления каждого участка тела человека служит отношение теплового сопротивления одежды, определенного на этом участке, к средневзвешенной величине теплового сопротивления одежды в целом. Чем выше средневзвешенная толщина одежды, тем более неравномерна теплоизоляция различных областей тела человека. Зная средневзвешенную толщину пакета материалов одежды, обеспечивающую необходимый теплоизоляционный эффект, можно рассчитать рациональную толщину этого пакета на каждом участке. Данный подход к вопросу утепления различных областей тела человека позволяет повысить тепловое сопротивление одежды в целом, не увеличивая общего расхода материалов.

Одновременно такая одежда создает благоприятные условия для теплоотдачи с различных областей тела и обеспечивает нормальную топографию температуры кожи.

Зависимость показателей теплозащитных свойств одежды от скорости ветра и воздухопроницаемости пакета материалов.

Так как теплоизоляционные свойства одежды обусловлены в основном заключенным в ней инертным слоем воздуха, ветер, проникая внутрь одежды и усиливая конвекцию в материалах и пододежном пространстве, снижает ее защитный эффект. В условиях ветра различия в суммарном тепловом сопротивлении участков одежды, обусловленные различной толщиной пакета материалов, сглаживаются при непосредственном воздействий движущегося воздуха. Так, при относительно спокойном воздухе увеличение толщины пакета материалов в области плеча с 23 до 36 мм приводит к повышению суммарного теплового сопротивления на 15%, а при скорости ветра 4 и 10 м/с (при условии обдувания плеча) различия в теплоизоляции этого участка при воздухопроницаемости пакета материала, приблизительно равной 40 дм /(м с), практически сглаживаются. Происходит это, по-видимому, потому, что с увеличением толщины теплоизоляционного слоя в нем происходит усиление конвекции. Этот факт, наблюдаемый при относительно спокойном воздухе и являющийся одной из причин нелинейной зависимости теплового сопротивления одежды от ее толщины, приобретает в условиях ветра еще большую значимость. Однако зависимость средневзвешенного теплового сопротивления одежды от толщины пакета ее материалов сохраняется и в условиях ветра, так как воздействию ветра подвергается лишь часть поверхности тела человека. Степень уменьшения суммарного теплового сопротивления одежды зависит как от скорости ветра, так и от воздухопроницаемости пакета материалов. При этом предполагается, что определенная воздухопроницаемость пакета материалов обеспечивается благодаря основной ткани либо специальной прокладке, размещаемой под основной тканью. Анализ локальных величин показывает, что зависимость суммарного теплового сопротивления одежды от скорости ветра на обдуваемых участках (в частности, в области плеча, бедра) является линейной лишь при небольшой воздухопроницаемости одежды - 7 дм /(м с). При большей воздухопроницаемости - 24-40 дм³/(м²с) - эта зависимость носит криволинейный характер. Наибольшие изменения в тепловом сопротивлении обдуваемого участка одежды происходят при скорости ветра до 4 м/с.

Результаты, полученные при исследовании теплозащитных показателей зимних пальто непосредственно на человеке, свидетельствуют об увеличении интенсивности охлаждения человека с увеличением скорости ветрового потока и воздухопроницаемости пакета материалов одежды.

Зависимость средневзвешенного теплового потока от скорости ветра при воздухопроницаемости пакета материалов одежды 0-60 дм³ /(м²с) носит линейный характер. Теплопотери человека, одетого в пальто, имеющее воздухопроницаемость 0 и 7 дм³ /(м²с), в диапазоне скоростей до 10 м/с практически одинаковы.

Результаты исследований позволили представить изменения суммарного теплового сопротивления одежды в зависимости от скорости ветра, воздухопроницаемости пальто и движений человека следующим уравнением

 

Rсум.в = 0,82 Rсум.шт - (0,00018* В-0,0093)*V

 

где Rсум. в- суммарное тепловое сопротивление одежды в условиях ветра м2°С/Вт;

Rсум.шт - суммарное тепловое сопротивление одежды при относительно неподвижном воздухе, определенное на человеке, находящемся в состоянии физического покоя, м²°С/Вт,

В - воздухопроницаемость пакета материалов пальто. дм³/(м² с); - скорость ветра, м/с.

Приведенное уравнение позволяет ориентироваться в изменении суммарного теплового сопротивления комплекта одежды, включающего пальто, в зависимости от воздухопроницаемости пакета материала и скорости ветра. Кроме того, оно дает возможность определять исходное тепловое сопротивление одежды Rсум.шт с учетом конкретной воздухопроницаемости пакета материалов пальто и скорости ветра, при которой предполагается его эксплуатация. Зная Rсум.шт можно установить средневзвешенную толщину пакета материалов.[1]

Для определения теплового сопротивления одежды исходя из формулы

 

R_сум = (t_к-t_в)/ q

 

Необходимы сведения о температуре кожи человека t_{к ,} температуре воздуха t_в и тепловом потоке q. Для приближенного расчета теплового потока требуются следующие сведения:

об энерготратах человека Q _э.т, Вт;

об тепловой энергии, получаемой извне Q _т.в, Вт;

о времени непрерывного пребывания человека в заданных условиях t, с;

о допустимом дефиците тепла в организме Д/t, Вт;

о термическом коэффициенте полезного действия η;

о потере тепла испарением влаги с поверхности тела человека и верхних дыхательных путей Q_исп,Вт;

о затрате тепла на нагревание вдыхаемого воздуха Q_дых.н, Вт;

о величине площади поверхности тела человека S,м².

Кроме того, для проектирования одежды с заданным тепловым сопротивлением необходимы сведения о скорости ветра V и воздухопроницаемости пакета материалов В. Перечисленные показатели в целом определяют величину теплового сопротивления одежды.

При изготовлении одежды бытового назначения можно исходить из среднесуточной температуры, поскольку в суточном изменении температуры ее среднее значение чаще всего приходится на утренние и вечерние часы, когда человек уходит на работу и возвращается с нее.

Знание скорости ветра необходимо как для корректировки расчетной величины теплового сопротивления одежды, так и для выбора материалов требуемой воздухопроницаемости.

Количество тепла, получаемого человеком извне за счет солнечной радиации, при расчетах теплового сопротивления зимней одежды можно не учитывать, принимая во внимание возможное снижение температуры воздуха и непостоянный характер радиационного баланса. Величину теплового сопротивления одежды определяет длительность пребывания человека на холоде. Вполне очевидно, что чем более длительное время человек должен подвергаться воздействию холода, тем большее тепловое сопротивление должна иметь его одежда.

При проектировании одежды для защиты от холода можно исходить из того, что человек, эксплуатирующий ее, несколько охлаждается (а не из теплового равновесия организма и окружающей среды). Допущение охлаждения человека (до появления теплоощущения «прохладно») возможно по следующим причинам:

пребывание человека в условиях воздействия охлаждающего фактора ограничено во времени;

определенная степень охлаждения организма активизирует жизнедеятельность, повышая обменно-энергетический уровень, способствуя активности терморегулирующих механизмов и адаптации к условиям холода;

одежда, рассчитанная на некоторое охлаждение, дает возможность человеку работать и при повышенной температуре окружающей среды, а также выполнять физическую работу большей интенсивности без перегревания;

из существующих материалов практически нельзя создать одежду, которая бы в условиях низкой температуры окружающей среды обеспечила длительный комфорт при выполнении человеком легкой физической работы или пребывании его в состоянии физического покоя.

Рекомендуется рассчитывать тепловое сопротивление одежды исходя из того, что по истечении заданного времени пребывания человека в условиях охлаждения он оценит свои ощущения как «прохладно». На большее охлаждение при проектировании одежды не следует ориентироваться по следующим причинам:

фактическая температура окружающей среды может оказаться ниже той средней, которая принималась при расчетах термического сопротивления одежды;

энерготраты человека не носят постоянного характера: периоды более интенсивной работы чередуются с периодами менее интенсивной;

большее охлаждение человека требует и большего времени на обогревание, т.е. эффективность использования рабочего времени уменьшается;

большее охлаждение организма может быть причиной возникновения простудных заболеваний и снижения работоспособности человека.