2020-04-20
194
Расчет толщины пакета материалов теплозащитной одежды. Расчет осуществляется при следующих условиях:
энерготраты - ходьба по наклонной местности, угол-до10град;
дефицит тепла - 240 кДж/кг;
температура кожи - 33,50. С;
скорость ветра - 7,5 м/с;
площадь тела - 1, 79 кв.м.
температура воздуха - «-19»0. С;
Чтобы обеспечить требуемое тепловое состояние человека, тепловое сопротивление одежды бытового назначения должно соответствовать конкретным условиям ее эксплуатации. Однако, учитывая массовый выпуск подобной одежды и принимая во внимание различные факторы, осуществить это практически сложно. В связи с этим при проектировании зимней бытовой одежды целесообразно исходить из климатического районирования территории бывшего СССР, проведенного для целей гигиены одежды. При этом следует ориентироваться на средние показатели метеорологических условий различных климатических зон (таблица 2.1)
Таблица 2.1- Показатели теплозащитных свойств одежды (в комплекте с пальто) для третьей климатической зоны в зимний период.
|
|
|
| Климатическая зона | Район | Средняя температура воздуха,0С | Наиболее вероятная скорость ветра, м/с | Рекомендуемая воздухопроницаемость, дм3/(м2с) | Исходное суммарное тепловое сопротивление одежды в целом, м20С/Вт | Исходное суммарное тепловое сопротивление одежды в области туловища, м20С/Вт | Толщина пакета материалов одежды в области туловища, мм | Толщина пакета материалов пальто, мм |
| III | Аа Аб Б | -9,8 -12,0 -10,0 | 5 10 5 | 10-30 10-20 10-30 | 0,510-0,525 0,574-0,612 0,510-0,525 | 0,72- 0,75 0,90-0,93 0,72- 0,75 | 12,0-12,8 18,0-20,0 12,0-12,8 | 9,1-9,9 15,1-17,1 9,1-9,9 |
Порядок расчета необходимого суммарного теплового сопротивления одежды и ее толщины следующий.
) Определяем теплопродукцию организма человека
Qт.п= Q э.т - η (Q э.т - Qо), (2.1)
где Q э.т - энерготраты человека;
η - термический коэффициент полезного действия.
Согласно таблицы 2.2 при ходьбе по ровной местности со скоростью 3км/ч термический коэффициент полезного действия равен η = 0, а энерготраты составляют Q э.т = 116,2 Вт/м2 . Так как по условию площадь тела равна 1,85 м2, то Q э.т = 116,2 Вт/м2* 1,85м2 = 214,97 Вт
Подставим полученное значение в формулу (2.1). В данном случае
Qт.п= Q э.т= 214,97 Вт, так как η = 0
Таблица 2.2 -Термический коэффициент полезного действия при ходьбе по ровной местности
| Ходьба по ровной местности со скоростью, км/ч | Энерготраты Q э.т , Вт/м2 | Термический коэффициент полезного действия |
| 3,2 4,0 4,8 5,6 6,4 8,0 | 116,2 139,5 151,1 186,0 220,9 337,2 | 0 0 0 0 0 0 |
Величину удельного дефицита тепла находим из таблицы 2.3
Дуд = 2,72кДж/кг
Таблица 2.3- Критерии допустимого теплового состояния человека (нижняя граница)
| Показатели теплового состояния человека | Энерготраты, Вт/м2
| ||||||
| 69 | 88 | 113 | 145 | 178 | |||
| Средневзвешенная температура кожи, tс.к, 0С Дефицит тепла удельный на 1 кг массы Qт.с = Дуд,кДж/кг Теплоощущения То, баллы | 32,0 2,72 3 | 31,5 2,72 3 | 31,1 2,72 3 | 30,0 2,72 3 | 29,0 2,72 3 | ||
) Рассчитываем общий дефицит тепла
Д = Дуд * М/ t, (2.2)
где М - масса человека, кг
t - время пребывания на холоде, сек
из таблицы П2 методических указаний к выполнению курсовой исследовательской работы на стыке фундаментальных дисциплин [1], находим массу тела человека. При площади тела 1,85 кв. м, масса составляет 85кг при росте человека 150 см.
Подставляем в формулу 2.2 найденные значения
Д = 2,72кДж/кг * 85кг/4500сек = 51,38 Вт
) Находим затраты тепла на нагревание вдыхаемого воздуха по формуле (2.3)
Qдых.в= 0,0012Q э.т *(34 - tв), (2.3)
где tв - температура воздуха
Qдых.в= 0,0012* 214,97 *(34 - (-11))= 11,7 Вт
) Устанавливаем потери тепла испарением влаги с поверхности тела и верхних дыхательных путей.
При охлаждении организма человека они составляют 20% общих потерь, т.е.
Qисп = 260 * 20/100 = 52 Вт
) Определяем радиационно-конвективные теплопотери со всей поверхности тела
Qрад.конв= (Qт.п + Д/t) - Q исп - Q дых.в, (2.4)
Qрад.конв = (214,97 +51,38/4500) - 52 -11,7= 151,28 Вт
Находим тепловой поток с единицы поверхности тела
q с п = Qрад.конв /S,
где S - площадь тела, м2
q с п = 151,28/1,85 = 81,78 Вт/м2
) Рассчитываем необходимое суммарное тепловое сопротивление одежды в целом исходя из средневзвешенной температуры кожи tск , равной 31,10С (таблица 2.3) применительно к удельным энерготратам
Qэт уд = Qэт/S ≈ 116 Вт/м2 ,
температуры воздуха tв, равной -11 0С, и средневзвешенного теплового потока qс п, составляющего 80,52 Вт/м2:
| Rсум = | t ck - t вqс п |
Rсум = (31,1- (-11))/ 80,52 = 0,523 м2.С/Вт (2.5)
) Определяем тепловой поток с поверхности туловища, который должен составлять 21,5% общего теплового потока, т.е
qтул =(qс п * 21,5)/(100*(Sтул/S))= (80,52*21,5)/(100*0,34)= 50,92 Вт/м2,
где Sтул/S=0,34 - доля поверхности туловища.
Рассчитываем тепловое сопротивление одежды в области туловища:
| Rсум.тул= | (tтул - tв) qтул |
где tтул = 32,20С - температура в области туловища, соответствующая допустимой степени охлаждения организма.
Rсум.тул = (32,3- (-14,2))/ 50,92 = 0,9 м2ºС/Вт
8) Рассчитываем, с каким исходным тепловым сопротивлением Rсум.шт (при относительно спокойном воздухе - штиле) следует изготовить одежду, чтобы в реальных условиях (при воздействии ветра и движении человека) оно осталось равным указанному выше (0,563 м2ºС/Вт). С этой целью устанавливаем, какую воздухопроницаемость будет иметь основной материал.
При данной скорости ветра целесообразно использовать соответствующие материалы с воздухопроницаемостью не более 30 дм3/м2с в соответствии с таблицей 2.1 Показатели теплозащитных свойств одежды (в комплекте с пальто) для третьей климатической зоны в зимний период.
Rсум. шт= (Rсум + (0,00018* В+0,0093)*V)/ 0,82, (2.7)
где В - рекомендуемая воздухопроницаемость;
V - скорость ветра.
Rсум. шт = (0,563+(0,00018*30+0,0093)*5)/0,82 = 0,77 м2ºС/Вт
9) Устанавливаем средневзвешенную толщину пакета материалов
одежды для обеспечения расчетной величины суммарного теплового сопротивления. Если величина Rсум. шт меньше 0,5 м2ºС/Вт, то толщину находят из данных таблицы, в данном случае величина Rсум. шт больше 0,5 м2ºС/Вт, следовательно расчет толщины производится по приближенной формуле(2.8):
δ ≈ 60 * Rсум. шт - 27,3* (Rсум. шт)2- 9,8 (2.8)
δ ≈ 60 * 0,77 - 27,3* (0,77)2- 9,8 = 20,22 мм
) Определяем, каким исходным тепловым сопротивлением
Rсум.тул.шт должна обладать одежда в области туловища. При ветре 5 м/с и воздухопроницаемости материалов равной 30 дм3/(м2с), оно снизится на 22%, т.е. Rсум.тул.шт должно быть равным:
Rсум. тул.шт = 100* Rсум. шт/ (100-23)
|
|
|
Rсум. тул.шт = 100* 0,77/ 78 = 0,98м2ºС/Вт
В соответствии с таблицей 2.4 толщина пакета материалов в области туловища, обеспечивающая эту величину, составляет δ тул ≈ 21 мм
Таблица2.4-Суммарное тепловое сопротивление одежды (в комплекте с пальто)
| Толщина пакета материалов, мм | Средневзвешенное значение Rсум | Rсум. тул в области туловища |
| 0 | 0,116 | 0,120 |
| 1 | 0,164 | 0,284 |
| 2 | 0,206 | 0,258 |
| 3 | 0,250 | 0,326 |
| 4 | 0,284 | 0,378 |
| 5 | 0,318 | 0,450 |
| 6 | 0,370 | 0,465 |
| 7 | 0,390 | 0,500 |
| 8 | 0,414 | 0,550 |
| 9 | 0,430 | 0,600 |
| 10 | 0,456 | 0,640 |
| 11 | 0,474 | 0,680 |
| 12 | 0,482 | 0,722 |
| 13 | 0,508 | 0,760 |
| 14 | 0,517 | 0,790 |
| 15 | - | 0,820 |
| 16 | - | 0,845 |
| 17 | - | 0,890 |
| 18 | - | 0,900 |
| 19 | - | 0,915 |
| 20 | - | 0,932 |
| 21 | - | 0,950 |
