Исследование теплообмена оператора мобильной машины с окружающей средой

УДК 697.11

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ОПЕРАТОРА МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ

С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

© 2005 г. Р.А. Амерханов, А.И. Чернышев

На тепловой режим в кабине оказывает влияние оператор. Обеспечение параметров среды по температуре, влажности, подвижности газового состава, а также их градиентов в определенных пределах без учета человеческого фактора не всегда позволяет создать требуемые комфортные условия в кабине. Человек обладает собственной системой терморегуляции. Он находится в постоянной массоэнергетической и информационной взаимосвязи с окружающей средой. На характер этой взаимосвязи существенное влияние оказывают многочисленные эргономические факторы. Поэтому оператор должен рассматриваться не только как источник теплоты, но также как объект обеспечения теплового режима в кабине. Система обеспечения теплового режима предназначена для создания условий высокой работоспособности. Решение указанной задачи возможно при выполнении или наличии целенаправленных исследований по тепломассообмену человека с окружающей средой.

С технической точки зрения важны те факторы, на изменение которых можно повлиять. К ним относятся следующие:

- температура воздуха в кабине; ее распределение и изменение в пространстве и во времени;

- относительная влажность воздуха;

- скорость движения воздуха;

- тепловыделения и температура тела человека;

- изоляционные свойства одежды, как в отношении теплоты, так и паровоздухопроницаемости.

Два последних фактора оказывают заметное влияние на тепловой режим в кабине.

Тепловыделения телом человека зависят от рода его деятельности, параметров окружающей среды, от одежды, а также от возраста, веса и пола человека.

В таблице приведены данные по теплоотдаче человека (без одежды и в состоянии покоя) путем конвективного и радиационного теплообмена с окружающей средой 6рад.кон., за счет испарения Qисп и дыхания бдых. Суммарные тепловыделения обозначаются в таблице через [1].

Таблица

Тепловыделения телом человека, находящегося без одежды и в состоянии покоя

Температура воздуха, °С Тепловыделения, Вт Тепловыделения, %

0исп 0дых 0рад.кон. & Qwcn Qдых брад .кон.

15 28,2 2,3 153 183,5 15,3 1,2 83,5

10 31,4 3,5 319 353,9 8,8 1,2 90,0

0 37,8 5,8 455 498,6 7,6 0,9 91,5

Из приведенной таблицы следует, что основная часть теплоты выделяется путем излучения и конвекции (примерно 90 % общей теплоотдачи). С понижением температуры среды значение брад.кон. заметно растет, что объясняется увеличением разности температур между поверхностью тела и окружающей средой. В то же время при этом уменьшается доля бдых, что является следствием терморегуляции тела.

Теплоотдача человеком и степень ощущения комфортности во многом определяется температурой окружающей среды.

По данным А8ИЯАБ (Американское инженерно-техническое общество по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха), для определения температуры тела и оценки теплового комфорта можно использовать отношение [2] /т = (1 - С)4 + С/о.с, где /т - средняя температура тела, °С; 4 - средняя температура поверхности кожи, °С; 4.с - температура окружающей среды, °С; С - постоянный коэффициент.

В случае теплового комфорта человека величина С = 0,8. Значение С < 0,67 означает чрезмерное охлаждение тела человека. Следовательно, с точки зрения обеспечения теплового комфорта целесообразно придерживаться большего значения С.

На рис. 1 представлена диаграмма зависимости температуры тела от окружающей среды (по данным А8НЯАБ).

Можно заметить, что в наибольшей степени чувствительна к температуре окружающей среды температура поверхности ног, затем рук; в значительной степени могут охлаждаться кожа спины и груди.

37

35

33

31

29

27

25

г

/

Рис. 1. Температура кожи Гк человека в зависимости от температуры окружающей среды (Го.с), по данным Брадтке и Лизе: 1 - тело; 2 - голова; 3 - грудь; 4 - рука; 5 - нога

22 24 26 28 30 toc, °С

С повышением температуры количество влаги, выделяемое человеком, заметно растет. Так, с ростом температуры от 16 до 45 °С, т.е. на 29 °С, в состоянии покоя человеком выделяется влаги в 10 раз больше, а при выполнении тяжелой работы примерно в три раза (в последнем случае общее количество выделяемой влаги значительно больше). Влаговыделения, как и тепловыделения человеком, определяются видом работы. При выполнении тяжелой работы тепловыделения примерно в пять раз больше, чем в состоянии покоя. Выделение влаги при этом растет в 3...8 раз (в зависимости от температуры окружающей среды).

По данным, которые приводит Л. Банхиди [3], при тяжелом физическом труде, в котором принимает участие вся рука, расходуется 215 Вт. О. Фангер [4] указывает, что вождение грузового автомобиля требует энергии, эквивалентной метаболической теплоте, отнесенной к единице поверхности тела, равной 187 Вт/м2. Учитывая, что площадь поверхности тела человека при массе 70 кг и росте 170 см равняется 1,607 м2 [3, 4], следует, что тепловыделения равны 299 Вт.

Заслуживают внимания данные, полученные в ходе наземных испытаний макетов кабин [5]. Для работ, равноценных затрате энергии с вождением транспортных средств, энергозатраты оцениваются в 240...380 Вт. Данные о теплоотдаче человека в зависимости от рода работы и температуры окружающей среды приведены в [1-8].

Для решения задач об оптимальных условиях комфортности необходимо иметь математические модели для каждого составляющего тепловых и воздушных потоков. Кроме того, следует учитывать ограничения, накладываемые человеком на значения параметров вектора характеристик среды х .

Интенсивность внешнего излучения, по некоторым данным, не должна превышать 60 Вт/м2.

В допустимых пределах должна находиться величина лучистого потока от тела человека. По данным F. Bradtke и W. Liese [9], для хорошего самочувствия необходимо, чтобы поверхность головы выделяла количество теплоты в пределах 81-105 Вт/м2. Примерно такие же данные приводят Е.А. Насонов и Д.И. Исмаилов [10], а именно 70...93 Вт/м2. Необходимо учитывать, что наиболее чувствительной к охлаждению является верхняя часть спины человека, а не его голова при тех же количественных показателях теплоотдачи. Поэтому желательно, чтобы за спиной оператора находилось энергосберегающее ограждение.

Второе ограничение относится к подвижности воздуха. В месте нахождения оператора она не должна превышать определенных пределов.

Допустимая скорость воздуха зависит от назначения помещения, температуры воздуха 4 и упругости водяных паров в воздухе ев, вида работы. Так, в кабине космического корабля скорость воздуха не должна превышать 0,9 м/с [1].

В жилых зданиях и в наземных транспортных средствах допускаются более высокие значения скорости. Для работ средней тяжести (тепловыделения

рабочим колеблется от 230 до 290 Вт) при температуре 18...20 °С оптимальные значения скорости не должны превышать 0,8 м/с; при температуре 20.23 °С Уопт находится в пределах от 0,6 до 1,4 м/с, при этом большие значения относятся к более трудоемким работам; при температурах 23.26 °С значения Уопт колеблются от 1,4 до 2,4 м/с (большие значения относятся к более тяжелым видам работ).

Третье ограничение относится к степени увлажнения поверхности кожи тела. За счет испарения происходит потеря массы тела человека. Эта величина может служить показателем степени тепловой дискомфортности, и она не должна превышать допустимые пределы. Потери массы, г/ч, соответствуют состоянию комфорта при физических нагрузках средней тяжести. Они равны 150-190, а при тяжелых нагрузках - 210-240 г/ч. Величина степени увлажнения кожи, т.е. значение коэффициента Кувл, не должно превышать значения 0,2 [6]. У одетого человека часть пота переходит в одежду. На испарение этой части влаги расходуется не только теплота тела человека, но и тепло среды. Увеличение фактической потоотдачи определяется коэффициентом охлаждающей эффективности потоотделения 1//, значение которого зависит от отношения бисп/бисп.макс, где бисп.макс соответствует полным затратам теплоты на испарение максимального количества влаги с поверхности кожи в окружающий воздух.

Энергопродукцию человека физиологи определяют расходом кислорода. Взрослый человек в состоянии покоя расходует при так называемых нормальных условиях обмена веществ кислород в количестве 0,42-10-5 м3/с. Высвобождающаяся теплота при сгорании кислорода равна 88 Вт.

При выполнении физической работы потребление кислорода возрастает во много раз. Эта величина может изменяться от 0,85-10-5 м3/с (легкий вид работы) до 1,7-3,4 -10-5 м3 (тяжелая работа).

При определении теплоотдачи телом человека используют ряд понятий.

Метаболизм - это совокупность процессов, связанных с поглощением, превращением, хранением и выделением продуктов жизнедеятельности организма. Метаболическая тепловая энергия определяется по количеству потребляемого кислорода.

Поверхность Дюбуа - это поверхность тела, которая учитывается при определении тепловыделения и тепловосприятия человека и определяется по формуле

Лаи = 0,203 О0-425 И0'125,

где О - масса человека, кг; И - рост человека, м.

Площадь поверхности тела распределяется следующим образом [3]: голова - 7 %; руки - 21 %; туловище - 31 %; ноги - 41 %.

По данным Фубини и Рогги [9], для человека массой 70 кг и ростом 170 см площадь поверхности различных частей тела равна: лица - 0,0419 м2, головы -0,052 м2, рук - 0,197 м2, голени и ступни - 0,353 м2 Зависимость площади А поверхности тела от массы О человека линейна. Согласно Коллмара и Лизе [3], при

массе G = 35 кг, поверхность тела человека равна А = 1,5 м2; при G = 65 кг - А = 2,01 м2; при G = 95 кг -

А = 2,5 м2.

Энергия процесса окисления, происходящего в теле человека, согласно теории P.O. Фангера, расходуется на внешнюю механическую работу W и обеспечивает внутреннюю потребность в теплоте Н. Следует, что метаболическая теплота, Вт, равна:

M = W + H.

Коэффициент полезного действия механической работы может быть выражен формулой

П = W/M.

Отсюда следует, что Н, Вт,

Н = М(1 - п).

Для единицы поверхности тела, Вт/ м,

Н1Аои = M/Adu (1 - п).

К основным способам тепловыделения человека, относятся конвекция, излучение, испарение при дыхании.

В общем тепловыделении конвективное составляет 32-35 %, излучение - 42 - 44 %, испарение при дыхании - 21-26 %. На нагрев выдыхаемого воздуха тратится 2-3 % общей теплоты.

P.O. Фангер для расчета теплоотдачи путем излучения использует известную формулу Стефана-Больцмана [4], Вт,

Qp = 1,163 -эф ес [Тод4 - Т4],

где -эф - эффективная излучающая поверхность тела, м2; е - излучательная способность наружной поверхности одежды; с - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,7^ 10-8 Вт/(м2-К4).

Значение Fэф можно определить с помощью выражения

-эф = /эф/Л -^DU

где /эф - коэффициент эффективно излучающей поверхности, т.е. соотношение между участвующей в лучистом теплообмене и полной поверхностью тела; Adu - поверхность Дюбуа; / - отношение между площадями покрытых одеждой и обнаженных поверхностей тела. Для легкой рабочей одежды f = 1,1; для теплой традиционной рабочей одежды fc1 = = 1,15-1,20; для зимней одежды в очень холодной местности fc1 = 1,3-1,5.

Для определения теплоотдачи конвекцией от покрытой части тела Р.О. Фангер предлагает формулу, Вт [4]:

С = ADUfcl Ок^од - 4).

Для условий естественной конвекции рекомендуется расчетная формула коэффициента теплоотдачи Ок, Вт/

а 2,4 (4.од tß) .

Для учета теплоотдачи телом оператора излучением и конвекцией можно использовать формулой

0л+к = (2,51 + 10,29 «JV ) (35 - а

где tn- температура помещения, V - скорость воздуха в помещении.

Для учета степени трудоемкости работ рабочего в формулу (1) вводят коэффициент рь Влияние одежды на интенсивность теплоотдачи учитывается коэффициентом р2.

Следует

Qл+к = Рь Р2 (2,51 + 10,29 ^) (35 - Q.

Коэффициент Pi для работы средней тяжести равен 1,07, а для тяжелой - 1,15. Для легкой одежды р2 = 0,15, для обычной одежды р2 = 0,33, для утепленной - р2 = 0,5.

Заслуживает внимания вопрос о теплозащитных свойствах одежды для работающего.

Под теплозащитными свойствами одежды понимают ее способность достаточно продолжительное время сохранять теплоту, выделяемую человеком. Эти свойства связаны с термическим сопротивлением материала одежды, из которой она изготовлена.

Материалы одежды пористые и представляют собой гетерогенные системы с различной структурой. Посредством таких материалов, как правило, теплота передается теплопроводностью через твердый скелет одежды, а через воздушные поры - всеми видами передачи теплоты, т.е. теплопроводностью, конвекцией, излучением.

В процессе терморегуляции происходит испарение пота. Это приводит к увлажнению как одежды, так и внутреннего воздуха. При этом теплозащитные свойства материала одежды значительно снижаются. Кроме того, усложняется теоретическое решение задачи, так как происходит не только теплообмен, но и массообмен через слой одежды. Решение вопросов выходит за пределы задач настоящей работы.

Некоторые авторы для оценки теплозащитных свойств одежды используют обозначения КЛО (от английского слова «clothing» - одежда). 1 КЛО = 0,21 м2К/Вт.

В литературе применяются графические зависимости теплоизоляции одежды от окружающей среды, соответствующие состоянию организма (степени его загрузки). Так, при наружной температуре 4 = -20 °С при состоянии покоя теплоизоляция, создаваемая одеждой, должна быть не менее 8 КЛО. При тех же условиях наружного воздуха, если человек производит работу средней тяжести (его теплопродукция равна 230...240 Вт), комфортное состояние будет в одежде с теплоизоляцией 2,9 КЛО.

Наиболее сложную задачу в расчете теплообмена человека со средой обитания представляет определение скрытого теплообмена. Скрытый теплообмен включает: тепловой поток, испарением влаги с поверхности кожи и последующей диффузией через кожу Q^; тепловой поток, определяемый испарени-

ем пота, выделенного на поверхности кожи 2"исп; тепловой поток, связанный с нагревом выдыхаемого воздуха, 0Иресп; тепловой поток, связанный с увлажнением выдыхаемого воздуха, 0Уресп.

Указанные потоки теплоты подразделяют на две группы: сенсибильную перспирацию, относящуюся к потовыделению, и несенсибильную перспирацию, включающую невидимое испарение.

Организм человека испаряет примерно (8...10)-10-4 м3 влаги в сутки. Потоотделение, как правило, начинается при температуре 28...29 °С, и при температуре выше 34 °С теплоотдача вследствие испарения и потоотделения становится, по сути, единственным способом теплоотдачи организма. По данным Уинслоу, Харрингтона и Гейджа [11] в зависимости от температуры окружающего воздуха скрытая теплота может колебаться в пределах от 20 до 170 Вт.

Теплоту, отдаваемую путем потения, можно определить с помощью соотношения

0" = / О"'

-о исп л с -о исп '

где /С - отношение площади влажной поверхности кожи к общей поверхности тела

/с = Лс/Л0и ,

где Ас - площадь поверхности кожи, покрытая потом.

Аналогично предыдущему, теплота, Вт/м2, расходуемая на диффузию через кожу, равна [2]

СДисп = 0,06 0п (1 - /с).

Скрытую теплоту, 0респ, Вт, отдаваемую при дыхании, можно определить по формуле

Оресп = 1,163 УВ(ЛВВ - Г,

где Ув - количество выдыхаемого воздуха, кг/ч; йвв - влагосодержание выдыхаемого воздуха, кг/кг с.в.; йв - влагосодержание вдыхаемого воздуха, кг/кг с.в.; г - теплота парообразования воды при температуре 35°С, Дж/кг.

В таком случае скрытый теплообмен 0с равен

О = о + оД + о"

с респ исп

Так как оператор всегда в одежде, для более точного определения коэффициента теплоотдачи ак необходимо знать температуру поверхности одежды, которая может быть рассчитана по формуле [1]:

где ^ тд - термическое сопротивление одежды; М -

теплопродукция оператора, зависящая от интенсивности выполняемой работы; Ат - площадь поверхности тела.

Указанные выше расчетные отношения по продукции человека основывались на калориметрических методах исследований. Нам представляется, что более эффективным является метод, который применяется в термобарокамере с непосредственным измерением тепловых потоков при помощи контактной или бесконтактной теплометрической аппаратурой [12].

t од t к

- R о

М- - А-(Q

А т А

Н + Q У

респ

респ

+ Q и"п)

Литература

1. Малоземов В.В. и др. Системы жизнеобеспечения экипа-

жей летательных аппаратов: Учебник для вузов / В.В. Малоземов, В.Ф. Рожнов, В.Н. Правицкий. М., 1986.

2. ASHRAE Handbook of Fundamental, 1972.

3. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений: Расчет комфортных параметров по ощущениям человека / Пер. с венгер. В.М. Беляева; Под ред. В.П. Прохорова и А. Л. Наумова. М., 1981.

4. Fanger P.O., Banhidi L., Olesen В., Langkilde G. Comfort limits for heated ceiling // ASHRAE Transaction. 1980. Vol. 80. Pt. 2.

5. Mecheels J. Korpek-klima-kleidung. Melliang Textilberichte.

1977. Bd. 58. S. 857-860.

6. Богословский В.Н. Строительная теплофизика: Учебник для вузов: 2-е изд., перераб. и доп. М., 1982.

7. ASHRAE Standard 55-74: Thermal environmental conditions for human occupancy. New York, 1974.

8. Ponge A. Zur Frage der Bewahrung von Schuhleibanten // Gesundh. Zng. 1957 Bd. 78. S. 103-108.

9. Мачкашин А., Банхиди Л. Лучистое отопление / Пер. с венг. В.М. Беляева; Под. ред. В.Н. Богословского и Л.М. Махова. М., 1985.

10. Насонов Е.А., Исмаилова Д.И. Расчет панельно-лучис-того отопления и охлаждения с использованием гигиенических нормативов облученности // Гигиена и санитария. 1957. № 8.

11. Winslow C.E., Harrington L.P., Gagge A.P. Heat exchange and regulation in radiant environments above and below air temperature // Amer. J. of Physiology, 1940. Vol. 131. P. 79.

12. Драганов Б.Х. и др. Теплометрия в сельском хозяйстве. Киев, 1993.

Кубанский государственный аграрный университет

14 октября 2004 г.