10.2 Общие представления о механизмах теплопереноса и массопереноса в материалах средств защиты кожи
Поражающее действие светового излучения ядерного взрыва и теплового излучения горящих зажигательных веществ зависит не только от значений светового или теплового импульса, но и от того, какую долю световой (тепловой) энергии поглощает поверхность материала средств защиты кожи или обмундирования и до какой температуры она нагревается. В свою очередь температура нагрева облучаемой поверхности определяется теплопроводностью и удельной теплоемкостью тела. Чем больше поглощающая способность поверхности и чем меньше теплопроводность и удельная теплоемкость, тем выше температура нагрева поверхности. Это можно объяснить следующим образом.
Поглощенная материалом средств защиты кожи или обмундирования энергия светового излучения превращается в тепловую, которая с поверхности объекта постепенно распространяется вглубь и частично рассеивается в окружающей среде. Чем за большее время выделится в поверхностном слое данное количество тепла, тем по большему объёму оно успеет распределиться и в большем количестве отвестись в окружающую среду. Следовательно, при воздействии данного светового или теплового импульса в течение продолжительного времени поверхностный слой нагреется до меньшей температуры, чем при воздействии такого же импульса за короткое время.
Чем больше теплопроводность материала, тем быстрее отводится тепло от поверхности, тем до меньшей температуры она нагреется. Материал с большей теплоёмкостью при данном количестве поглощённой тепловой энергии нагреется до меньшей температуры. Поэтому материалы, имеющие высокую теплопроводность и теплоёмкость, нагреваются меньше, чем тела с невысокой теплопроводностью и теплоёмкостью. Увеличение толщины материала, обладающего высокой теплопроводностью, также приводит к уменьшению температуры нагрева его поверхности, так как тепло в этом случае быстро распространяется по большему объёму.
10.2.1 Механизмы теплопереноса и массопереноса в защитных материалах средств защиты кожи при воздействии сияв и теплового излучения
На макроуровне явления рассеяния и поглощения энергии СИЯВ и теплового излучения проявляются в протекании процессов отражения и нагрева материалов средств защиты. В свою очередь, в результате нагрева верхнего слоя защитных материалов протекают вторичные процессы: излучение от нагретого материала, испарение гигроскопически связанной влаги, теплоперенос за счет теплопроводности, тепломассоперенос за счет выделения влаги, нагретых газов и паров – продуктов деструкции, конвективное течение воздуха вдоль нагретой поверхности материала.
Схематично все эти процессы при воздействии СИЯВ на пакет защитных материалов представлены на рисунке 10.4.
Рисунок 10.4 – Схематичное изображение процессов и явлений, протекающих в защитных материалах при воздействии СИЯВ
Условно все протекающие во времени и пространстве процессы тепло- и массопереноса при действии СИЯВ на пакеты защитных материалов можно разделить на две группы.
Первая группа – это те процессы, которые направлены на отвод накопленной тепловой энергии от материала наружного слоя СЗК. В основном они направлены от материала внешнего слоя в окружающую среду и протекают в так называемой зоне внешнего теплового массообмена. Их в свою очередь можно подразделить на две подгруппы: лучистый перенос энергии и перенос энергии за счет массопереноса.
Лучистый перенос представлен излучением от нагретого тела, т.е. отдачей накопленной энергии в окружающую среду за счет излучения, и отражением (рассеянием в обратную полусферу) поступающей световой энергии в окружающую среду.
Массоперенос представлен абляционными процессами – отводом энергии от нагретого слоя материала за счет испарения влаги, испарения, взрывного разложения и выброса в окружающую среду антипирирующих пропиток, а также конвективными потоками газо-воздушной среды, возникающими вдоль нагретой поверхности материала снизу–вверх и ускоряющими внешний тепломассоперенос.
В зоне внутреннего тепломассопереноса можно выделить процессы, протекающие в покровном слое: объемное поглощение лучистой энергии, теплонакопление, затраты энергии на испарение и деструкцию, теплопередача в покровном слое за счет теплопроводности и массопереноса, вызванного градиентом давления выделяющихся газов и паров.
Кроме процессов, протекающих в покровном слое пакета материалов средств защиты, в зоне внутреннего теплопереноса происходят процессы массопереноса – движения нагретых газов и паров – через другие слои пакета к кожным покровам. В каждом из слоев и на поверхности кожных покровов происходит конденсация паров и передача части тепловой энергии этих продуктов объектам, на которых происходит конденсация. Движущей силой массопереноса является градиент движения продуктов испарения и деструкции в газовой фазе. Часть внутреннего теплопереноса осуществляется излучением от нагретого поверхностного слоя. В каждом из следующих слоев одежды и на кожных покровах происходит поглощение этого излучения.
Третьим видом внутреннего теплопереноса является теплопроводность. Движущей силой теплопередачи за счет теплопроводности является градиент температуры, а для теплопередачи за счет излучения – разница температур в четвертых степенях.
Из рассмотрения процессов, протекающих в пакетах защитных материалов при воздействии СИЯВ, а также лучистых потоков от горящих зажигательных веществ и горящих объектов, следует, что для уменьшения вероятности ожогов кожных покровов необходимо уменьшение массопереноса, теплопроводности и передачи тепла излучением от нагретого покровного слоя к кожным покровам.
При воздействии СИЯВ наибольший вклад во внутренний теплоперенос дает тепломассоперенос продуктов испарения и термической деструкции.
Примерно такая же картина наблюдается при взаимодействии лучистого потока от огненного шара (зоны высокотемпературного пламени), образующегося при применении зажигательных боеприпасов, а также лучистого потока горящих объектов с материалами средств защиты. Однако есть определенные особенности в протекании процессов по сравнению с воздействием СИЯВ.
При воздействии СИЯВ плотность лучистого потока существенно превышает этот же показатель от пламени горящих объектов. Так при мощности ядерного боеприпаса 100 кт средние плотности потоков СИЯВ в зоне изолированных термических поражений могут достигать JСРЕДН 10…80 Вт/см2. В то же время плотности тепловых потоков от горящих объектов (зданий, техники) находятся в пределах JСРЕДН 1…10 Вт/см2.
При воздействии лучистого потока огненного шара плотность лучистого потока также очень высока. Например, плотность лучистого потока от зоны высокотемпературного пламени при подрыве авиационной напалмовой бомбы калибра 200 кг могут достигать JСРЕДН 10…70 Вт/см2.
В связи с этим темпы нагрева защитных материалов в результате поглощения лучистого потока различны. При воздействии СИЯВ и теплового излучения в зоне ВТП (огненного шара) – это 100…300 К/с. При воздействии лучистого потока горящих объектов это 10…50 К/с. Из-за разницы в темпах нагрева при взаимодействии лучистого потока горящих объектов с материалами средств защиты роль внутреннего теплопереноса за счет движения паров воды и продуктов деструкции от покровного слоя к кожным покровам снижена. Основную роль в этом случае играет теплопередача через пакет защитных материалов за счет теплопроводности.