Основні теоретичні відомості та методичні рекомендації

Нормальне теплове самопочуття людини настає тоді, коли тепловиділення Q_тв організму повністю сприймається навколишнім середовищем Q_нв, тобто коли відбувається тепловий баланс. Рівняння теплового балансу системи “людина - навколишнє середовище” має такий вигляд:

_(5.32)

де q_k – конвекція (виділення тепла), внаслідок обтікання тіла повітрям;

q_t – теплопровідність через одяг;

q_в – випромінювання на оточуючі поверхні;

q_п – тепловиділення через потові залози;

q_д – тепловиділення через дихання.

Конвективний теплообмін визначається за законом Ньютона:

_(5.33)

де α_k – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, за нормальних параметрів мікроклімату α_k =4,06 Вт/м²· ^оС;

t_пов – температура поверхні тіла людини, ^оС;

t_нс – температура навколишнього середовища, ^оС;

F_е – ефективна поверхня тіла людини (розмір ефективної поверхні тіла залежить від положення його в просторі і складає приблизно 50-80 % геометричної зовнішній поверхні тіла людини); для практичних розрахунків приймають F_е = 1,8 м² .

Величина та напрям конвективного теплообміну людини з навколишнім середовищем визначається в основному температурою навколишнього середовища, атмосферним тиском, рухомістю та відносною вологістю повітря.

Теплопровідність через одяг визначається рівнянням Фур’є:

_(5.34)

де α₀ – коефіцієнт теплопровідності тканин одягу людини, Вт/(м∙°С);

∆₀ – товщина тканин одягу людини, м.

Випромінювання на оточуючі поверхні: теплова енергія перетворюється на поверхні гарячого тіла в променисту і передається через повітряне середовище на іншу більш холодну поверхню, де знову перетворюється в теплову. Променистий потік при теплообміні випромінюванням тим більший, чим нижча температура поверхонь, що оточують людину, і визначається за допомогою закону Стефана-Больцмана:

_(5.35)

де С_пр – приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/м²·К⁴;

F₁ – площа поверхні, що випромінює променистий потік, м²;

γ_1-2 – коефіцієнт опромінювання, що залежить від розташування і розмірів поверхонь F₁ і F₂ і показує долю променистого потоку, що припадає на поверхню F₂, від всього потоку, що випромінюється поверхнею F₁;

Т₁, Т₂ – середня температура поверхні тіла та одягу людини і середня температура оточуючих поверхонь, К.

Для практичних розрахунків в діапазоні температур предметів, що оточують людину, – 10...60 °С приведений коефіцієнт випромінювання С_пр=4,9 Вт/м²·К⁴. Коефіцієнт опромінювання γ_1-2 зазвичай приймають рівним 1,0. В цьому випадку значення променистого потоку залежить в основному від ступеня чорноти і температури предметів, що оточують людину.

Тепловиділення через випаровування визначається за формулою:

_(5.36)

де G_п – кількість вологи, що виділяється і випаровується, кг/с;

r – прихована теплота випаровування вологи, яка виділяється, Дж/кг.

Дані про потовиділення залежать від температури повітря і фізичного навантаження людини і змінюються в широких межах. Так, при температурі повітря 30 °С у людини, не зайнятої фізичною працею, потовиділення складає 2 г/хв, а при виконанні важкої роботи збільшується до 9,5 г/хв.

Тепловиділення через дихання визначається рівнянням:

(5.37)

де V_лв – “легенева вентиляція”, об’єм повітря, що вдихається людиною за одиницю часу, м³/с;

ρ_вд – густина повітря, що вдихається кг/м³;

С_р – питома теплоємність повітря, що вдихається, Дж/кг·˚С;

t_вд, t_вид – відповідно температура повітря, що вдихається та видихається, °С.

Приклад розрахунку (для варіанту 10).

1) Конвективний теплообмін (формула (5.33))

t_нc1 =0°С; q_k1=4,06·1,8(31– 0)=226,55 Дж/с;

t_нc2 =5°С; q_k2=4,06·1,8(31– 5)=190,01 Дж/с;

t_нc3 =10°С; q_k3=4,06·1,8(31– 10)=153,47 Дж/с;

t_нс4 =15°С; q_k4=4,06·1,8(31– 15)=116,93 Дж/с;

t_нс5 =20°С; q_k5=4,06·1,8(31– 20)=80,39 Дж/с;

t_нс6=25°С; q_k6=4,06·1,8(31– 25)=43,85 Дж/с;

t_нс7=30°С; q_k7=4,06·1,8(31– 30)=7,31 Дж/с.

2) Тепловиділення через одяг (формула (5.34))

3) Визначення тепловиділення випромінюванням (F₁=F_е; T₁=t_пов+273=31+273=304°С; Т₂=t_нс+273).

Т₂¹=0+273=273 К;

Т₂²=5+273=278 К;

Т₂³=10+273=283 К;

Т₂⁴=15+273=288 К;

Т₂⁵=20+273=293 К;

Т₂⁶=25+273=298 К;

Т₂⁷=30+273=303 К.

Використовуємо формулу (5.35):

4) Тепловиділення через випаровування (формула (5.36)):

q_п1=0,005·10^-4·2260·10³=1,13 Дж/с;

q_п2=0,075·10^-4·2260·10³=1,695 Дж/с;

q_п3=0,0097·10^-4·2260·10³=2,19 Дж/с;

q_п4=0,015·10^-4·2260·10³=3,39 Дж/с;

q_п5=0,019·10^-4·2260·10³=4,29 Дж/с;

q_п6=0,0275·10^-4·2260·10³=6,22 Дж/с;

q_п7=0,038·10^-4·2260·10³=8,59 Дж/с.

5) Тепловиділення через дихання (t_вид=t_пов; t_вд=t_нс). Використовуємо формулу (5.37)

6

) Теплообмін, що сприймається навколишнім середовищем.

Q_нв1=226,55+837+131,69+1,13+32,25=1228,62 Дж/с;

Q_нв2=190,01+702+113,24+1,695+27,05=1033,995 Дж/с;

Q_нв3=153,47+540+93,78+2,19++21,84=811,28 Дж/с;

Q_нв4=116,93+432+73,25+3,39+16,64=642,21 Дж/с;

Q_нв5=80,39+297+51,63+4,29+11,44=444,75 Дж/с

Q_нв6=43,85+162+28,87+6,22+6,24=247,18 Дж/с;

Q_нв7=7,31+27+4,93+8,59+1,04=48,87 Дж/с.

7) Будуємо графік залежності Q_нв = f(t):

Рисунок 5.4 – Залежність теплових виділень від температури навколишнього середовища

Якщо відома тепловіддача людини Q_ТВ в процесі роботи, то можна визначити температуру навколишнього середовища, для якої забезпечується тепловий баланс. Так у випадку, коли Q_тв=500 Дж/с тепловий баланс відбувається для температури навколишнього середовища близької до 18,5°С (точка А на рисунку 5.4).