Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда»
|
Скачать 86.76 Kb.
|
|
УДК 612.59:004(076.5) ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ СЛОЕВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ В СИСТЕМЕ «ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА» А.В. Чичиндаев, Ю.В.Дьяченко, И.В. Хромова Новосибирский государственный технический университет В статье рассматриваются проблемы моделирования тепловых процессов в элементах системы «человек – окружающая среда». Представлена методика моделирования процессов теплообмена в системе термостабилизации человека (СТС). Описаны механизмы работы СТС, направленные на поддержание теплового комфорта. Отличительными особенностями предлагаемой методики является учет конвективного переноса тепла между «ядром» и «оболочкой». Представлены результаты модельных исследований влияния параметров окружающей среды, мощности внутренних источников тепла, теплофизических свойств и толщины слоев тепловой изоляции на эффективность их термических сопротивлений. Полученные результаты могут быть использованы при разработке систем реабилитации и индивидуальной защиты от теплового перегрева и переохлаждения. Ключевые слова: процессы тепломассообмена, термические сопротивления, теплоизоляция, низкие температуры. Введение В настоящий момент одной из актуальных задач является разработка физико-математических моделей биологических систем. Подобные модели позволяют проводить комплексные исследования в области разработки систем жизнеобеспечения, определять границы проводимых экспериментов и создавать модельные тренажеры для отработки экстремальных ситуаций, связанных с переохлаждением и перегревом человека. В проведенных ранее исследованиях [1 … 5] установлены основные закономерности теплообмена в расчетных элементах и слоях системы термостабилизации человека, с учетом конвективного переноса тепла теплоносителем в широком диапазоне температур для холодной и горячей сред. Целью настоящей работы является исследование эффективности термических сопротивлений в системе «человек – окружающая среда» слоев теплоизоляции. 1. Особенности слоев теплоизоляции «Оболочка» системы термостабилизации человека выступает эффективным слоем теплоизоляции и состоит из двух слоев: сети подкожных капилляров системы термостабилизации и жировой прослойки. Сеть подкожных капилляров является активным слоем теплоизоляции и участвует в процессе оттока теплоносителя (крови) из «оболочки» в «ядро» в начальной стадии охлаждения с целью уменьшения теплоотдачи в окружающую среду. Жировая прослойка служит пассивным слоем теплоизоляции. Она расположена между активным слоем «оболочки» и средним слоем «ядра» и является термическим сопротивлением, препятствующим оттоку тепла из «ядра» и сохраняющим тем самым его температуру. Интенсивное поступление теплоносителя в слой подкожных капилляров твызывает повышение его температуры, и, следовательно, повышение теплоотдачи. В слое пассивной теплоизоляции практически нет трубопроводов гидравлической системы (кровеносных сосудов) и очень мало теплоносителя, поэтому его теплоизолирующие свойства очень высоки. В слое активной теплоизоляции может находится до 50 процентов всего теплоносителя (2,5 литра крови). При низких температурах трубопроводы гидросистемы сужаются, теплоноситель из них выдавливается в «ядро», температура поверхности «оболочки» уменьшается, и теплопроводность поверхностных слоев снижается [3,4]. 2. Анализ термических сопротивлений слоев теплоизоляции Слой пассивной теплоизоляции обладает постоянными теплофизическими свойствами, т.к. в нем отсутствуют внутренние тепловыделения и конвективный перенос тепла с током теплоносителя [5]. Толщина слоя пассивной теплоизоляции определяется в зависимости от процентного содержания жира в «оболочке» и диаметра расчетных элементов. В частности, для мужчин и женщин существуют разные формулы расчета процента жира: Для мужчин:  Для женщин:  Расчет толщины жира по процентному содержанию производится по следующим формулам:   ,где dнар, dвн – наружный и внутренний диаметры слоя жира, δж – толщина слоя жира, ρж, ρм – плотность жира и тканей мышц, εж – процентное содержание жира. Расчеты проводятся для мужчины 30 лет в диапазоне процентного содержания жира от 0 до 40 % с шагом 10. Параметры внешней среды одинаковы для всех случаев: охлаждение в воде при температуре 0 ºС при отсутствии защитного снаряжения (Рис.1, 2).  Рис. 1. Влияние толщины слоя пассивной теплоизоляции (% жира) на суммарные тепловые потери расчетного элемента Fig. 1. Effect of layer thickness passive insulation (% of fat) on the total heat loss of the element  Рис. 2. Изменение температуры под слоем пассивной теплоизоляции в зависимости от толщины слоя Fig. 2. The change in temperature under a layer of passive insulation depending on the layer thickness Анализ суммарного теплового потока расчетного элемента показал, что с ростом толщины слоя теплоизоляции существенно уменьшается теплоотдача в окружающую среду. Значительное сокращение теплопотерь наблюдается при 10 … 20 % жира (оптимальная физиологическая норма), а при дальнейшем увеличении процента уменьшение потерь составляют 2 … 4 %. С ростом толщины пассивной теплоизоляции увеличивается разница температур между активной и пассивной теплоизоляцией от 0 до 10 …15 °С. При 40 % жира температура среднего слоя «ядра» постоянна на протяжении начальной стадии охлаждения. Таким образом, с увеличением толщины слоя пассивной теплоизоляции растет его термическое сопротивление, что приводит к увеличению температуры непосредственной под слоем и сохранению температуры «ядра» на оптимальном физиологическом уровне. Слой активной теплоизоляции обладает переменным термическим сопротивлением, т.к. в нем присутствуют внутренние тепловыделения и конвективный перенос тепла с током теплоносителя [3…5]. Для анализа термического сопротивления слоя активной теплоизоляции решается обратная задача: вычисляется эффективный коэффициент теплопроводности, который определяется по формуле:  Результаты расчетов λэффект представлены на Рис. 5, 6. Исследование охлаждения в воде и воздухе показало, что эффективный коэффициент теплопроводности каждого расчетного элемента разный. Самые высокие значения у грудной клетки и нижней части туловища, а низкие – у рук и ног. Таким образом, чем больше поверхность теплообмена, и соответственно теплоносителя (крови) в слое, тем больше эффективный коэффициент теплопроводности и меньше термическое сопротивление слоя активной теплоизоляции. В воздухе эквивалентный коэффициент теплопроводности практически не меняется. В воде он нелинейно уменьшается в 2 раза на начальной стадии охлаждения за счет резкого изменения объема теплоносителя в слое, и далее практически не меняется. При увеличении внутренних тепловыделений от 0 до 800 Вт резко увеличивается объем циркулирующей крови в «оболочке», вследствие чего эквивалентный коэффициент теплопроводности слоя дополнительно увеличивается на 30 … 80 %.  Рис. 3. Эффективный коэффициент теплопроводности (LA) расчетных элементов в воде и в воздухе Fig. 3. The effective coefficient of thermal conductivity (LA) of the element in water and in air  Рис. 4. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности (LA) активного слоя теплоизоляции расчетного элемента от мощности внутренних источников тепла Fig. 4. The dependence of the effective coefficient of thermal conductivity (LA) of the active heat insulation layer of the element from the power of internal heat sources Заключение Отличительными особенностями предлагаемой методики расчета процессов теплообмена в системе «человек – окружающая среда» является учет конвективного переноса тепла теплоносителем между «ядром» и «оболочкой». По результатам разработки проведены модельные исследования термических сопротивлений слоев активной и пассивной теплоизоляции. Установлено, что с увеличением толщины слоя пассивной теплоизоляции растет термическое сопротивление слоя, что приводит к снижению суммарных теплопотерь на 10 … 15 % и уменьшению градиента изменения среднемассовой температуры «ядра», т.е. «ядро» остывает медленнее. Показано, что теплофизические параметры слоя активной теплоизоляции существенным образом зависят от объема теплоносителя в слое, типа расчетного элемента, режимов охлаждения, свойств окружающей среды и мощности внутренних источников тепла. Результаты работы могут быть полезны при проектировании средств тепловой защиты человека в условиях низких температур. ЛИТЕРАТУРА
RESEARCH OF THERMAL RESISTANCE OF THE HEAT INSULATION IN THE SYSTEM "HUMAN ORGANISM -ENVIRONMENT" Chichindaev A.V., Dyachenko Y.V., Khromova I.V. Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia The paper deals with the problems of thermal processes modeling, which occur in the elements of the system "human organism-environment". The simulation method of heat transfer processes in the human thermoregulatory system (HTS) is presented. Mechanisms of HTS aimed to support thermal comfort described. the influence of environmental parameters, power of internal heat sources, thermal properties and thickness of the thermal insulation layers on the efficiency of their thermal resistance investigated. The distinctive features of the proposed method of calculation of heat transfer processes in the system " human organism - environment" is the consideration of the convective heat transfer between the "core" and "shell". According to the results of development carried out modeling studies of thermal resistance layers of active and passive insulation. The results may be useful in the development of the systems individual protection and rehabilitation from thermal overheating and overcooling. Keywords: processes of heat and mass transfer, thermal resistance, heat insulation, low temperature. REFERENCES
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Статья поступила 11 декабря 2014 г. Received December 11, 2014 |
Похожие:
 |
Литература искусство религия Н 73 Новиков Ю. В. Экология,окружающая среда и человек: Учеб пособие для вузов,сред шк и колледжей/ Ю. В. Нови- ков. ─ 2-е изд.,испр... |
 |
Методические указания составлены в соответствии с учебным планом... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»,... |
|
1. Взаимодействие в системе «промышленное предприятие окружающая среда» Воздействие на природную среду зависит от профиля промышленного предприятия и от процессов, которые происходят в блоке «промышленное... |
|
Гончар Елена Леонидовна учитель физики, учитель высшей категории,... Ключевые слова: энергосбережение, окружающая среда, энергетика, электроприборы, источники энергии, техника безопасности |
|
Техническое задание на выполнение работ по текущему ремонту и входному... Пботос – промышленная безопасность, охрана труда и окружающая среда, включая вопросы пожарной, противофонтанной, морской безопасности,... |
|
Техническое задание на оказание услуг по текущему ремонту нкт гладких... Пботос – промышленная безопасность, охрана труда и окружающая среда, включая вопросы пожарной, противофонтанной, морской безопасности,... |
|
Методика № дифференциально диагностический опросник (ддо; Е. А. Климов) Шкалы Шкалы: типы профессий человек-человек, человек-техника, человек-знаковая система, человек-художественный образ, человек-природа Назначение... |
|
1 1 Модуль формирования и редактирования отраслевых слоёв Модуль формирования и редактирования отраслевых слоев реализует следующие функции |
|
Отчего зависит коэффициент местных сопротивлений? По схеме питания нагревательных приборов системы отопления бывают двухтрубные, когда |
|
Человек перед лицом смерти Эта книга представляет собой исследование психологических установок европейцев в отношении смерти и их смену на протяжении огромного... |
|
Исследование особенностей познавательной деятельности и предметного усвоения (12 человек) Цель: психологическое сопровождение участников образовательного процесса, обеспечение психологических условий, необходимых для полноценного... |
|
Руководство по эксплуатации и обслуживанию Регулируемая Среда Она регулирует внутреннюю среду контейнеров. Эта среда наполняется газом необходимой структуры, который обеспечивается настройками... |
|
Транспортная среда Эймса с древесным углем Среда для транспортировки и сохранения микробиологических проб; рекомендуется для мазков из горла, влагалища и ран, а также для выживания... |
|
Информация о нарушениях, выявленных Государственной инспекцией труда... Года составила 695,4 тысяч человек (уменьшилась по сравнению с 2010 годом на 2,8 тысяч человек). Численность населения трудоспособного... |
|
Исследование №2 30 Исследование №3 31 Исследование №4. Создание сайта... Поэтому школьнику необходимо не только усвоить основные понятия и положения теории экономики, но и научится применять полученные... |
|
Предметно-развивающая среда Обогащенная среда предполагает единство социальных и природных средств обеспечения разнообразной деятельности ребенка. Оснащение... |