Гигиена одежды. Определение показателей теплового обмена и теплового состояния человека для проектирования швейных изделий (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

ГИГИЕНА одежды.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОГО ОБМЕНА И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Методические указания к лабораторной работе

для студентов специальности 260902.65

«Конструирование швейных изделий»

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2010

Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОГО ОБМЕНА И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Цель работы: изучение и анализ показателей, характеризующих тепловой обмен и тепловое состояние человека.

Задание

1.  Изучить методику расчета показателей теплового обмена и теплового состояния человека.

2.  Рассчитать теплопродукцию человека.

3.  Рассчитать теплопотери человека при заданных условиях.

4.  Определить показатели теплового состояния человека, проанализировать результаты работы.

Литература: [1], с. 6-18, [2], с. 75-87

Методические указания

1. С теплофизической точки зрения организм человека представляет собой сложную биологическую саморегулирующуюся систему, находящуюся в состоянии непрерывного теплового обмена с окружающей средой. Исходя из материалистического представления о живом организме, можно полагать, что к нему применимы первый и второй закон термодинамики. Для сохранения постоянной температуры тела вся система должна находиться в термостабильном состоянии. Для обозначения равенства между теплообразованием в организме и теплоотдачей принят термин «тепловой баланс».


Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на образование тепла в организме (теплопродукция) и его выведение (теплоотдача) [1]. В соответствии с первым законом термодинамики (законом сохранения энергии) суммарная теплоотдача в условиях деятельности организма должна быть равна его теплопродукции, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид

,

где

Qтп

-

теплопродукция (теплообразование) человека;

Qрад

-

потери тепла радиацией;

Qконв

-

потери тепла конвекцией;

Qконд

-

потери тепла кондукцией;

Qисп. диф

-

потери тепла вследствие испарения диффузионной влаги с поверхности кожи;

Qисп. дых

-

потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей;

Qисп. п

-

потери тепла вследствие испарения пота;

Qдых. н

-

потери тепла при нагревании вдыхаемого воздуха;

D

-

изменение теплосодержания организма относительно комфортного уровня (дефицит тепла).

Все слагаемые уравнения теплового баланса отнесены к единице времени t и выражены в ваттах.

Все величины уравнения теплобаланса могут быть определены специальными экспериментами или с помощью аналитических методов, разработанных на основе классической теории теплоотдачи.

2. Теплопродукция человека. В результате окислительно-восстановительных реакций в организме человека происходит превращение веществ, богатых энергией в вещества, содержащие меньший энергетический потенциал, с освобождением энергии в той или иной форме [1]. Процессы превращения энергии в организме очень сложны. Основная часть энергии переходит в тепловую Qтп. Другая часть энергии, образующейся в организме, превращается в механическую N, которая расходуется на выполнение внешней работы.

В этом случае теплопродукция составляет часть общих энерготрат Qэт и определяется по формуле

Qтп = Qэт N.

В состоянии относительного физического покоя (лежа, сидя, стоя) и выполняющего некоторые виды физической работы вся энергия, образующаяся при обмене Qэт, выделяется в виде тепла Qтп и расходуется на поддержание постоянного уровня температуры тела (Qэт= Qтп).

Количество выполненной работы N может быть определено из уравнения

N = h (Qэт Q0 ),

где h - термический коэффициент полезного действия (табл. П 1);

Q0 – величина основного обмена (табл. П 2).

Основной обмен Q0 - минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания основных жизненных процессов человека. Величина основного обмена колеблется в зависимости от возраста и пола.

3. Теплоотдача человека. В окружающую среду человек отдает тепло различными путями: радиацией, конвекцией, проведением, испарением, дыханием.

В условиях теплового комфорта и охлаждения наибольшую долю занимают потери тепла радиацией и конвекцией (73-88% от общих теплопотерь). Соотношение различных видов теплоотдачи непостоянно и зависит от температуры, подвижности воздуха, вида деятельности человека и других факторов.

Теплоотдача радиацией (излучением) зависит от температуры тела, одежды и окружающих поверхностей, величины их площади и др. При этом теплообмен может идти как с положительным, так и с отрицательным тепловым балансом для человека.

Положительный радиационный тепловой баланс наблюдается, когда средняя температура ограждений, окружающих человека, выше температуры поверхности его тела. В этом случае за счет инфракрасного излучения тело человека нагревается.


Отрицательный радиационный тепловой баланс наблюдается, когда средняя температура ограждений, окружающих человека, ниже температуры поверхности его тела. В этом случае происходит охлаждение организма (радиационное охлаждение).

Теплоотдача излучением может быть определена по различным уравнениям: Стефана-Больцмана, Витте, Фагнера.

Для практических расчетов целесообразно пользоваться уравнением Стефана-Больцмана:

Qрад = aрад· Sрад (t о- tв), Вт,

где

aрад

-

коэффициент теплоотдачи радиацией, Вт/м2·°С (табл. П 3);

Sрад

-

поверхность тела, участвующая в радиационном теплообмене, м2;

tо

-

температура поверхности одежды, °С;

tв

-

температура окружающего воздуха, °С.

Коэффициент излучения aрад может быть определен по известным значениям температуры поверхности кожи и температуры окружающих предметов (табл. П 3).

В помещении теплоотдачу радиацией определяют по формуле Н. Витте

Qрад =0,093 Sрад (t в- tк), Вт,

где tк

-

температура поверхности кожи, °С.

Поверхность тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, меньше всей поверхности тела человека, так как некоторые части тела взаимно облучаются и не принимают участия в обмене (рисунок).

Зависимость площади поверхности тела человека, м2,

участвующей в радиационном теплообмене от роста и массы

Поверхность тела человека, участвующая в отдаче тепла, может составлять 71-95% от всей поверхности тела. По данным коэффициент эффективной площади поверхности излучения для людей, находящихся в положении сидя и стоя, составляет 0,71, в процессе движения человека он может увеличиваться до 0,95 [1].

Теплоотдача конвекцией определяется на основе закона охлаждения тел Ньютона по уравнению

Qконв = aконв ·S (tк - tв), Вт,

где

aконв

-

коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 ·°С);

S

-

площадь поверхности тела человека, м2; (табл. П 4)

tк

-

температура поверхности кожи, °С;

tв

-

температура воздуха, °С.

aконв зависит главным образом от скорости движения воздуха, омывающего поверхность тела человека или его одежды. Для наиболее часто встречающегося диапазона скорости ветра от 0,2 до 10 м/с aконв можно определить по эмпирической формуле

aконв=11,2, м/с,

где VB - скорость движения воздуха (ветра), м/с.

Для спокойного воздуха, когда VB<0,2 м/с, в ориентировочных расчетах с достаточной точностью можно принимать aконв=4,0 Вт/(м2·°С), либо используя данные табл. П 5.

Теплоотдача проведением (кондукцией) определяется по закону Фурье.

Вт,

где

l

-

коэффициент теплопроводности пакета одежды, Вт/(м2 ·°С);

d

-

толщина пакета материалов одежды, м;

S

-

площадь поверхности тела, соприкасающейся с холодным предметом, м2;

t1

-

температура внутренней стороны пакета материалов, °С;

t2

-

температура наружной (холодной) стороны пакета материалов, °С;

t

-

время соприкосновения поверхности тела с холодным предметом, ч.

В обычных условиях потери тепла кондукцией невелики, поскольку невелика площадь соприкосновения тела с поверхностью холодных предметов. Человек теряет тепло кондукцией с поверхности подошв, площадь которых составляет 3% от всей поверхности тела. Вследствие этого теплоотдача кондукцией не имеет большого значения и ею можно пренебречь.

При проектировании специальной одежды потери тепла кондукцией могут быть значительными (сидение, лежание и т. д.) и требуется их расчет с целью определения необходимой толщины пакета одежды.

Потери тепла испарением имеют большое значение в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы.

Теплоотдача, особенно при высокой температуре воздуха, может осуществляться путем испарения диффузионной влаги (с поверхности кожи и верхних дыхательных путей) и пота.

Потеря тепла вследствие диффузии составляет 23-27% общих теплопотерь.

Скорость испарения влаги с поверхности тела зависит от разности парциальных давлений пара в пограничном слое около кожи и в окружающем воздухе; скорости воздуха; воздухо - и паропроницаемости одежды; площади поверхности, увлажненной потом. В основу расчетных формул положено уравнение Дальтона для стационарного процесса влагопереноса (испарение жидкости со свободной поверхности).

Потери тепла путем испарения диффузионной влаги с поверхности кожи могут быть определены по уравнению

Вт,

где tк - температура кожи, °С;

ра - парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па, принимают равным 2660 Па.

S - площадь поверхности тела человека, м2 (табл. П 4).

Вдыхаемый воздух, проходя по дыхательным путям, увлажняется за счет испарения влаги со слизистого слоя. Во время выхода водяной пар частично конденсируется, поэтому выдыхаемый воздух содержит больше влаги, чем вдыхаемый.

Потери тепла при испарении влаги с верхних дыхательных путей могут быть определены по уравнению

, Вт,

где Qтп - теплопродукция человека, Вт.

Величина потоотделения во многом определяется уровнем физической активности человека, окружающими метеорологическими условиями и степенью соответствия одежды условиям ее эксплуатации. Основными показателями окружающей среды, влияющими на величину теплопотерь за счет испарения пота, являются относительная и абсолютная влажности. Относительная влажность определяет интенсивность испарения влаги с увлажненных поверхностей, в частности, с поверхности человеческого тела и определяется следующим образом

, %,

где

Еф

-

максимально возможное напряжение водяного пара при температуре воздуха, мм рт. ст. (табл. П 6);

е

-

напряжение водяного пара в воздухе (абсолютная влажность), мм рт. ст.

Величину потоотделения (потери тепла за счет испарения пота) можно определить по формуле

Qисп =17,3 (Еф – е)·(0,5+), Вт,

где Еф

-

максимально возможное напряжение водяного пара при температуре кожи и относительной влажности, мм рт. ст. (табл. П 6);

-

скорость движения воздуха, м/с;

(Еф – е)

-

физиологический дефицит насыщения.

Величина потоотделения при прочих равных условиях определяется величиной энерготрат. Комфортный уровень теплоотдачи испарением Qисп. п.к , определяется из уравнения

Qисп. п.к = 0,36 S , Вт,

где S - площадь поверхности тела человека, м2 (табл. П 4).

Значения сравниваются для получения достоверных результатов величины теплопотерь (табл. П 7).

Потери тепла дыханием определяют по уравнению Фигнера:

Qдых = 0,0012 Qэ. т (34 − ), Вт,

где

Qэ. т

-

энерготраты, Вт;

tв

-

температура окружающего воздуха, °С;

34

-

средняя температура выдыхаемого воздуха, °С.

При расчетах потери тепла дыханием следует принимать температуру выдыхаемого воздуха:

при высокой температуре окружающего воздуха – 36 °С;

при средней температуре окружающего воздуха – 34 °С;

при низкой температуре окружающего воздуха – 30 °С.

4. В соответствии с вариантом задания (табл. П 8, П 9) студенты выполняют расчет теплопродукции и теплопотерь человека.

Исходные данные, рассчитанные или полученные по справочным таблицам, приводят в таблице 1, расчётные значения теплопотерь человека приводят в таблице 2.

Таблица 1

Исходные данные для расчета теплопотерь

Наименование показателя

Условное обозначение

Единицы измерения

Вели-чина

Температура поверхности кожи

Температура окружающего воздуха

Площадь поверхности тела

Коэффициент излучения

и т. д.

S

αрад

°С

°С

м2

Вт / (м2 ∙ °С)

Таблица 2

Теплопотери человека

Виды теплопотерь

Условное обозначение

Значения теплопотерь,

Вт

%, от общего числа теплопотерь

Теплопотери радиацией

и т. д.

Qрад

5. Расчет показателей теплового состояния человека.

Показателями теплового состояния человека являются температура тела, температура кожи, теплоощущение, тепловой поток, интенсивность потоотделения и др.

Температуру тела, соответствующую комфортным теплоощущениям при различных энерготратах можно определить по формуле

tр = 36,61 + 0,007, °С,

где

Qэт

-

энерготраты, Вт;

S

-

поверхность тела (определяется исходя из роста и веса человека), м2.

Рассчитав температуру тела человека, студенты должны оценить ее уровень (нормальный, повышенный или пониженный).

Основная часть тепла, образующегося в организме человека, теряется с поверхности тела. Это определяет значение температуры кожи и ее топографии при оценке теплового состояния организма и одежды. Наиболее правильное представление о тепловом состоянии человека дает средневзвешенная температура кожи, учитывающая площадь участков тела с неодинаковой температурой.

Средневзешенную температуру кожи определяют по формуле

°С,

где t1 - температура кожи лба, °С;

t2-t5 - температура кожи туловища (груди, живота, спины, поясницы), °С;

t6 - температура кожи плеча, °С;

t7 - температура кожи кисти, °С;

t8, t9 - температура кожи верхней и нижней части поверхности бедра, °С;

t10 - температура кожи голени, °С;

t11 - температура кожи тыльной стороны стопы, °С.

Для расчета tсвк значения температуры кожи с различных участков тела приведены в табл. П 8. Данный показатель рекомендуется использовать при расчетах теплопотерь человека в заданных вариантом условиях как tк .

Средневзвешенная температура кожи дает представление о тепловом состоянии человека. Для определения по tсвк теплового состояния человека студенты должны использовать данные табл. П 10.

Комфортные значения средневзвешенной температуры кожи определяют по формуле

tсвк = 36,07 – 0,0354, °С,

где

Qэт

-

энерготраты, Вт;

S

-

поверхность тела, м2.

Значения Qэт для расчета комфортной средневзвешенной температуры кожи студенты берут из первой части лабораторной работы.

Дефицит тепла (Д) в организме является показателем теплового состояния человека и может быть определен, если известны значения теплообразования и теплоотдачи человека исходя из уравнения теплового баланса.

Между величиной дефицита тепла и теплоощущениями человека существует тесная связь. Для определения дефицита тепла студенты должны использовать данные второй и третей частей лабораторной работы (значения энергозатрат и общих теплопотерь).

На основании дефицита тепла необходимо дать заключение о теплоощущении человека. Величины дефицита тепла, соответствующие различным теплоощущениям, приведены в табл. П 11.

Тепловой поток позволяет оценить тепловое состояние человека. Он измеряется на тех же участках тела, что и температура кожи. Аналогичным образом рассчитывается и его среднезавышенная величина qсвт. Для расчета среднезавышенной величины теплового потока студенты должны пользоваться данными табл. П 8. Для оценки теплоощущения человека необходимо использовать данные табл. П 12. Комфортный уровень теплового потока, соответствующий различной физической деятельности человека, определяется по формуле

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4

Подпишитесь на рассылку:

Гигиена

Проекты по теме:

Основные порталы (построено редакторами)

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства