Приближенный тепловой расчет одежды

 Г. М. Кондратьев [6] предложил уравнения для приближенного теплового расчета комфортной одежды:

 R = 0,175I; (1) I = 0,15 x ((33 - tв)/N) - 5,7/α; (2) N = 0,78 x M/100, (3) где R - суммарное тепловое сопротивление одежды, м² · ч · град/ккал; N - показатель тепловой нагрузки одежды; чем больше N, тем напряженнее борьба организма с холодом; I - показатель теплоизоляционной способности одежды; чем больше I, тем теплее одежда; М - теплопродукция организма человека (метаболизм), ккал/ч (значение М для различных условий труда берется по данным физиологов)*¹; α - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности одежды к окружающей среде, ккал/м² · ч · град.*²; 33 - постоянная температура поверхности кожи, необходимая для ощущения комфорта, 'С; tв - температура окружающей человека среды, 'С;

 Пользуясь уравнениями проф. Г. М. Кондратьева, можно определить, каким тепловым сопротивлением R должна обладать одежда, обеспечивающая человеку ощущение комфорта при известной теплопродукции М и состоянии окружающей среды tв и α.

 Рассмотрим один из предложенных Г. М. Кондратьевым [6] примеров применения приближенного теплового расчета одежды.

 Пример. Определить тепловое сопротивление одежды для условий медленной ходьбы при пониженной температуре tв = + 10'С в безветренную пасмурную погоду.

 Для этих условий можно принять коэффициент теплоотдачи α = 10 ккал/м² · ч · град. Метаболизм, согласно данным физиологов, М = 200 ккал/ч.

 По формуле (3) находим значение N: N = 0,78 x M/100 = 0,78 x 200/100 = 1,56.

 По формуле (2) находим значение I: I = 0,15 x ((33 - tв)/N) - 5,7/α = 0,15 x ((33 - 10)/1,56) - 5,7/10 = 1,64.

 Учитывая тренированность субъекта, можно значение I снизить до 1,5, тогда суммарное тепловое сопротивление одежды R равно R = 0,175I = 0,175 x 1,5 = 0,26 м² · ч · град/ккал.

 Следующим этапом после определения необходимого теплового сопротивления при проектировании теплозащитной одежды является решение вопроса, как можно получить одежду с таким тепловым сопротивлением.

 Комплект одежды человека представляет собой многослойный «пакет», включающий изделия (белье, сорочку, пиджак, пальто) и воздушные прослойки между ними. Кроме того, отдельные изделия сами по себе представляют многослойный «пакет», состоящий из тканей верха, подкладки и прокладки. Величина воздушных прослоек в таком пакете невелика, так как слои скреплены между собой. В пакете, образуемом изделиями нескольких видов, величина воздушных прослоек более значительна. Высокие теплозащитные свойства воздуха в «инертном» состоянии заставляют учитывать воздушные прослойки при определении теплового сопротивления одежды.

 Суммарное тепловое сопротивление одежды Rсум*³, по определению Г. М. Кондратьева, представляет собой сумму эквивалентного Rэ*⁴ и поверхностного Rп*⁵ тепловых сопротивлений [6] Rсум = Rэ + Rп. (4) Для простейшей однослойной одежды это же уравнение можно представить в следующем виде [7]: Rсум = ̅δв/ ̅λв + ̅δт/ ̅λт + 1/ ̅α, (5) где  ̅δв - средняя толщина воздушной прослойки между одеждой и кожей человека, мм;  ̅λв - коэффициент теплопроводности воздуха, ккал/м² · ч · град;  ̅δт - средняя толщина ткани, мм;  ̅λт - коэффициент теплопроводности ткани, ккал/м² · ч · град;  ̅α - коэффициент теплоотдачи, ккал/м² · ч · град.

 Первых два слагаемых представляют собой величину эквивалентного теплового сопротивления, а последнее - поверхностного теплового сопротивления.

 Для пакета одежды это уравнение будет иметь вид [7]
 

где

 - сумма тепловых сопротивлений n воздушных прослоек в одежде;

 - сумма тепловых сопротивлений m слоев тканей, входящих в одежду.

 Решение этого уравнения - весьма сложная задача вследствие того, что все слагаемые в нем - переменные величины.

 Первое слагаемое - тепловое сопротивление воздушных прослоек зависит от величины воздушной прослойки и теплопроводности воздуха. Максимальное тепловое сопротивление одежды достигается за счет инертности воздуха, т. е. при передаче тепла только теплопроводностью. Установлено [9], что инертность воздуха зависит от толщины воздушной прослойки. В прослойках, толщина которых больше 1,27 см, вследствие разности температур, возникает естественная циркуляция воздуха. Тепловое сопротивление воздушной прослойки, а следовательно, и суммарное тепловое сопротивление одежды уменьшаются. Одевание одежды одного вида на другой вызывает определенное давление наружных слоев одежды на внутренние, деформацию тканей и уменьшение воздушных прослоек. Уменьшение воздушных прослоек происходит тем больше, чем ниже упругие свойства материалов одежды. По данным [7], величина воздушных прослоек в комплекте одежды, надетой на человека, колеблется в пределах от 0 до 0,5 - 0,6 см, т. е. значительно меньше величины 1,27 см.

 Для установления количественного значения теплового сопротивления воздушных прослоек в «пакете» одежды необходимо проведение специальных исследований.

 Второе слагаемое - тепловое сопротивление тканей и других материалов определяется прежде всего количеством содержащихся в их порах и волокнах неподвижного воздуха. Количество воздуха зависит от толщины, пористости и объемного веса тканей. Чем больше толщина ткани, меньше ее объемный вес и больше пористость, тем больше приближается ткань к «идеальному» теплоизолятору - инертному воздуху*⁶.