Территория России на 65 % расположена в планетарной зоне севера – это многолетняя мерзлота и низкие температуры. При этом основные запасы минеральных ресурсов страны сосредоточены на этой территории. Их добыча ведется в сложных климатических условиях (средняя зимняя температура –32°С, максимальная –72°С город Оймякон, где производится добыча золота и алмазов) [1]. В этих условиях приходится жить и работать людям и технике. При этом физиологические возможности человека для адаптации к таким условиям жизни крайне ограничены [2]. Также в таких условиях при отсутствии дополнительной искусственной терморегуляции технические конструкции перестают нормально функционировать.
Поэтому необходимо использование искусственной тепловой защиты не только человека, но и техники.
Задачей настоящего исследования являлась оценка факторов, формирующих качество защиты объектов (человека и техники, работоспособность которых влияет на производственные и социальные условия жизнедеятельности).
За показатель первичной оценки тепловой защиты объектов взято тепловое состояние, характеризующееся содержанием и распределением тепла в глубоких («ядро») и поверхностных («оболочка») слоях технической конструкции или биологического объекта (человека).
Как у человека, так и у техники существует недопустимое тепловое состояние, т.е. граничные значения выше и ниже допустимых порогов температуры [3].
Также важным показателем является время поддержания эффективной температуры.
В ходе исследования была разработана первичная классификация способов искусственной тепловой защиты объектов. Выделено 4 основных способа:
– теплоизоляция (термобелье и климат-контроль);
– аккумулирование тепла (многоразовые грелки с гелем);
– химическая реакция (одноразовые грелки с химическими веществами);
– электрообогрев.
При этом первые три способа, в отличие от электрической терморегуляция, не имеют источника питания (рисунок) и обладают следующими недостатками: низкая температура подогрева; небольшая обогреваемая площадь; небольшое максимальное время функционирования – 2 часа.
Функционирование системы электроподогрева основано на работе проводника, подсоединенного к источнику питания. Также система подогрева может быть оснащена блоком управления и различными модулями и платами для Smart изделий (например, температурные сенсоры).
Рис. 1. Способы обеспечения искусственной тепловой защиты
Оценка эффективности способов тепловой защиты [5]
|
Способ |
Средство обеспечения |
Источник питания |
Максимальное время функционирования, ч |
Максимальная температура, ?С |
|
Теплоизоляция |
Теплоизоляционные материалы |
- |
Постоянно |
Поддержание температуры 37 |
|
Аккумулирование |
Многоразовые грелки с гелем |
- |
1 |
60 |
|
Химический |
Одноразовые грелки |
- |
5 |
35 |
|
Электрообогрев |
Греющий кабель, плёночные нагревательные элементы, гибкие нагревательные элементы с углеродными волокнами, ткани с металлизированными нитями и волокнами, полимерная нить |
+ |
22 |
60 |
В качестве проводников электроподогрева могут использоваться различные технические средства (проводящие элементы тепла):
Греющий кабель, который состоит из сердечника высокого сопротивления, оболочки, выполненной из алюминия или медной сетки, и изолирующего материала.
Недостатками данного технического средства являются высокая цена и ограниченный модельный ряд (по фасону и расцветкам), а также – относительно толстое сечение нагревательного кабеля, что приносит некоторые неудобства при эксплуатации. Достоинства – относительно широкая область обогрева.
Плёночные нагревательные элементы разработаны в 2009 году Китайскими и Корейскими компаниями для питания от аккумуляторов от 7 до 12 Вольт [4]. Эта технология упростила производство изделий с подогревом. Недостатком этих нагревательных элементов является ломкость (неспособность выдерживать нагрузки и деформации при активной эксплуатации). Достоинством этих элементов являются хорошая температура нагрева, простота и функциональность, относительно невысокая цена.
Гибкие нагревательные элементы с углеродными волокнами состоят из двух слоев водоотталкивающего материала с углеродным нагревателем между ними. Эти нагревательные элементы не перегорают, легко переносят любые (разумные) нагрузки и деформации. Обогрев такими элементами безопасен и даже полезен для здоровья, ввиду инфракрасного излучения. Нагревательные элементы имеют низкое энергопотребление и характеризуются высокой теплоотдачей [4].
Ткани с металлизированными нитями и волокнами – являются проводящими материалами по всей поверхности.
Специальная полимерная термопроводящая нить, обладающая качественно новыми проводящими свойствами: эластичность, малая мощность, экологичность, структурная и технологическая гибкость.
В таблице представлена оценка эффективности исследованных способов тепловой защиты.
Таким образом, в условиях критически низких температур для поддержания эффективного теплового состояния и повышения работоспособности живых объектов и технических устройств, зависящих от температурного режима, необходимо использовать дополнительные способы обеспечения тепловой защиты объектов. Выявлено, что наиболее эффективным способом терморегуляция является способ, основанный на применении искусственных источников электрообогрева с применением преимущественно «умных» режимов многофакторного учета внешних и внутренних параметров состояния защищаемой от холода системы. При этом швейное изделие, проектируемое на основе одного из способов для тепловой защиты объектов, должно обеспечивать:
– высокую степень эргономичности;
– безопасность конструкции и системы терморегуляции;
– соответствие эксплуатационным показателям качества (небольшой вес, малый объем, сохранение формы и внешнего вида при длительной эксплуатации и уходе);
– увеличение температурного диапазона и времени оптимального теплового состояния [6,7].
Библиографическая ссылка
Стенькина М.П., Черунова И.В. СПОСОБЫ ИСКУССТВЕННОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ КРИТИЧЕСКОГО ХОЛОДА // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 3-1. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14745 (дата обращения: 20.04.2024).