Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда»

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда»


Скачать 86.76 Kb.
НазваниеИсследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда»
ТипИсследование


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

  1. Дьяченко Ю.В., Чичиндаев А.В. Численное моделирование системы терморегуляции человека: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 40 с.

  2. Дьяченко Ю.В., Спарин В.А., Чичиндаев А.В. Системы жизнеобеспечения летательных аппаратов: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Ю.В. Дьяченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – 512 с. - (Серия "Учебники НГТУ").

  3. Чичиндаев А.В. Моделирование тепловых процессов системы «человек – окружающая среда» в условиях низких температур / А. В. Чичиндаев, И. В. Хромова // Научный вестник НГТУ. – 2009. – № 4. – С. 197-201.

  4. Хромова И.В. Исследование тепловых процессов в системе «человек–окружающая среда» в условиях низких температур / Автореф. дис. … канд. техн. наук – Новосибирск, 2009. 20 с.

  5. Чичиндаев А.В., Фомичева И.В., Толстошеева В.В. Численное моделирование кровеносной системы человека // Авиакосмическое приборостроение. 2006. № 11. – С. 35-46.


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

  1. Dyachenko Y.V., Chichindaev A.V. Chislennoe modelirovanie sistemy termoreguliatsii cheloveka: ucheb. posobie. [Numerical modeling of human thermoregulation system: textbook] Novosibirsk: Izd-vo NGTU [Novosibirsk: NSTU], 2000, 40 p.

  2. Dyachenko Y.V., Sparin V.A., Chichindaev A.V. Sistemy zhizneobespecheniia letatel'nykh apparatov: Ucheb. posobie dlia vuzov / Pod red. Iu.V. D'iachenko. [Life-support systems of aircraft: Proc. manual for schools. Ed. Y. Dyachenko.] Novosibirsk: Izd-vo NGTU, (Serija "Uchebniki NGTU")]. [Novosibirsk: Publishing House of the NSTU], 2003. - 512 p. - (Series "Textbooks NSTU").

  3. Chichindaev A.V, Khromova I.V. Modelirovanie teplovykh protsessov sistemy «chelovek – okruzhaiushchaia sreda» v usloviiakh nizkikh temperatur [Modelirovanie teplovykh protsessov sistemy «chelovek – okruzhaiushchaia sreda» v usloviiakh nizkikh temperatur]. Nauchnyi vestnik NGTU [Science Bulletin of Novosibirsk State Technical University], 2009, no. 4, pp. 197-201.

  4. Khromova I.V. Issledovanie teplovykh protsessov v sisteme «chelovek–okruzhaiushchaia sreda» v usloviiakh nizkikh temperature. Avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Research of thermal processes in system “human – environment” in cold temperature condition. Abstract. dis. ... Cand. tehn. Sciences]. Novosibirsk, NSTU Publ., 2009, 20 p.

  5. Chichindaev A.V., Fomicheva I.V., Tolstosheeva V.V. Chislennoe modelirovanie krovenosnoi sistemy cheloveka [Numerical modeling circulatory system of the person]. Aviakosmicheskoe priborostroenie [Aerospace engineering], 2006. no. 11, pp. 35-46.



СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ



Чичиндаев Александр Васильевич – родился в 1960 году, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической теплофизики, Новосибирский государственный технический университет. Область научных интересов: теплофизика, теоретическая теплотехника. Опубликовано более 40 научных работ. (Адрес: 630133, Россия, г. Новосибирск, ул. Высоцкого, д. 11. Email: ttf_nstu@rambler.ru).

Chichindaev Aleksandr Vasil'evich (b. 1960) – Doctor of Technical Sciences, professor, managing chair of Engineering Thermophysics, Novosibirsk State Technical University. His research interests are currently focused on thermal physics, theoretical the heating engineer. He is author of 40 scientific papers. (Address: House Number 11, Vysotskogo Street, Novosibirsk, 630133, Russia. Email: ttf_nstu@rambler.ru).



Дьяченко Юрий Васильевич родился в 1944 году, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технической теплофизики, Новосибирский государственный технический университет. Область научных интересов: теплофизика, теоретическая теплотехника. Опубликовано более 40 научных работ. (Адрес: 630032, Россия, г. Новосибирск, м-рн. Горский, д. 72. Email: ttf_nstu@rambler.ru).

D'iachenko Iurii Vasil'evich (b. 1944) – Doctor of Technical Sciences, professor, professor chair of Engineering Thermophysics, Novosibirsk State Technical University. His research interests are currently focused on thermal physics, theoretical the heating engineer. He is author of 40 scientific papers. (Address: House Number 72, Gorskii mikroraion Street, Novosibirsk, 630032, Russia. Email: ttf_nstu@rambler.ru).



Хромова Ирина Владимировна – родилась в 1983 году, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технической теплофизики, Новосибирский государственный технический университет. Область научных интересов: теплофизика, теоретическая теплотехника. Опубликовано более 18 научных работ. (Адрес: 630087, Россия, г. Новосибирск, ул. Немировича-Данченко, д. 138. Email: ttf_nstu@rambler.ru).

Khromova Irina Vladimirovna (b. 1983) – Ph.D., assistant professor, associate professor chair of Engineering Thermophysics, Novosibirsk State Technical University. His research interests are currently focused on thermal physics, theoretical the heating engineer. He is author of 18 scientific papers. (Address: House Number 138, Nemirovicha-Danchenko Street, Novosibirsk, 630087, Russia. Email: ttf_nstu@rambler.ru).

Статья поступила 11 декабря 2014 г.

Received December 11, 2014





Похожие:

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconЛитература 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...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconМетодические указания составлены в соответствии с учебным планом...
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200. 68 «Физика», магистерские программы «Биофизика»,...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» icon1. Взаимодействие в системе «промышленное предприятие окружающая среда»
Воздействие на природную среду зависит от профиля промышленного предприятия и от процессов, которые происходят в блоке «промышленное...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconГончар Елена Леонидовна учитель физики, учитель высшей категории,...
Ключевые слова: энергосбережение, окружающая среда, энергетика, электроприборы, источники энергии, техника безопасности

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconТехническое задание на выполнение работ по текущему ремонту и входному...
Пботос – промышленная безопасность, охрана труда и окружающая среда, включая вопросы пожарной, противофонтанной, морской безопасности,...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconТехническое задание на оказание услуг по текущему ремонту нкт гладких...
Пботос – промышленная безопасность, охрана труда и окружающая среда, включая вопросы пожарной, противофонтанной, морской безопасности,...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconМетодика № дифференциально диагностический опросник (ддо; Е. А. Климов) Шкалы
Шкалы: типы профессий человек-человек, человек-техника, человек-знаковая система, человек-художественный образ, человек-природа Назначение...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» icon1 1 Модуль формирования и редактирования отраслевых слоёв
Модуль формирования и редактирования отраслевых слоев реализует следующие функции

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconОтчего зависит коэффициент местных сопротивлений?
По схеме питания нагревательных приборов системы отопления бывают двухтрубные, когда

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconЧеловек перед лицом смерти
Эта книга представляет собой исследование психологических установок европейцев в отношении смерти и их смену на протяжении огромного...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconИсследование особенностей познавательной деятельности и предметного усвоения (12 человек)
Цель: психологическое сопровождение участников образовательного процесса, обеспечение психологических условий, необходимых для полноценного...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconРуководство по эксплуатации и обслуживанию Регулируемая Среда
Она регулирует внутреннюю среду контейнеров. Эта среда наполняется газом необходимой структуры, который обеспечивается настройками...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconТранспортная среда Эймса с древесным углем
Среда для транспортировки и сохранения микробиологических проб; рекомендуется для мазков из горла, влагалища и ран, а также для выживания...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconИнформация 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 термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconИсследование №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...

Исследование термических сопротивлений слоев теплоизоляции в системе «человек окружающая среда» iconПредметно-развивающая среда
Обогащенная среда предполагает единство социальных и природных средств обеспечения разнообразной деятельности ребенка. Оснащение...


Руководство, инструкция по применению




При копировании материала укажите ссылку © 2018
контакты
rykovodstvo.ru
Поиск