РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В СИСТЕМЕ "ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА -ЗАЩИТНАЯ
ОДЕЖДА - ЧЕЛОВЕК"
2.1. Общая методика и основные методы исследований.
Как указывалось выше, объектом исследования в работе являются тепломассообменные процессы в системе, в которую входят три взаимосвязанных элемента (рис. 2.1):
- внешняя среда, т.е. зона с повышенной температурой воздуха (ЗПТ), непригодного для дыхания, в которой выполняются аварийно-спасательные работы в шахте;
- средство индивидуальной защиты горноспасателя в виде противотепловой одежды (ПТО), а при подготовке к работе в ЗПТ - воздухо- и паронепроницаемый костюм (ВПК);
- организм горноспасателя, выполняющего аварийно-спасательные работы в шахте в ЗПТ или тренировочные упражнения в костюме ВПК.
Предметом исследования являются теплофизические и конструктивные параметры средств индивидуальной противотепловой защиты и их способность обеспечить нормальную жизнедеятельность и допустимое тепловое состояние организма горноспасателя при выполнении заданной физической работы, а также методы определения и повышения тепловой устойчивости организма.
Рис. 2.1.
При выполнении диссертационной работы использованы аналитико-экспериментальные методы исследований. Аналитические методы использованы при:
- теоретическом исследовании микроклиматических условий в выработках шахт, в том числе воздействия лучистого теплового потока на человека при тушении пожара на различных стадиях его развития;
- теоретическом исследовании теплового баланса и процесса тепломассопереноса в системе "окружающая среда - защитная одежда - человек" и определении оптимального соотношения толщины теплоизоляции в зависимости от мощности системы охлаждения;
- определении процентного отношения распределения теплосъема с поверхности человека в защитной одежде и исследовании тепломассопереноса в противотепловой одежде;
- исследовании и выбору хладагента, материала, определении параметров хладагента и системы охлаждения.
Экспериментальные методы использованы для:
- определения теплофизических и конструктивных параметров экспериментальных и опытных образцов типоряда средств индивидуальной противотепловой защиты горноспасателей, а также их основных технических характеристик;
- исследования и совершенствования способов подготовки горноспасателей к эрготермическим нагрузкам;
- подтверждения полученных результатов теоретических исследований и при необходимости их корректировки.
Базой для теоретических исследований являлись теория тепломассопереноса, теория термогазодинамики, теория термоупругости оболочек и пластин.
При определении погрешности результатов экспериментальных исследований использованы методы математической обработки данных экспериментов, в том числе в медицине и биологии.
Экспериментальные исследования и испытания проведены в основном в наиболее адекватных к реальным условиях: в тепловом комплексе, опытно-экспериментальной штольне полигона НИИГД, входящих в Испытательный центр НПО "Респиратор", в Учебной шахте ГВГСС Украины, которые аттестованы Донецким государственным центром стандартизации, метрологии и сертификации.
Более подробно методики проведения экспериментальных исследований изложены в разделах 3 и 5.
2.2. Микроклиматические условия в выработках угольных шахт
Микроклиматические условия в выработках угольных шахт характеризуются следующими параметрами:
- температурой воздуха;
- относительной влажностью воздуха;
- скоростью движения воздуха;
- тепловым излучением стенок горной выработки (очагом пожара).
При нормальных условиях эксплуатации эти условия регламентированы "Правилами безопасности в угольных шахтах" [47] по трем параметрам: температуре, измеренной сухим термометром, относительной влажности и скорости движения воздуха. При этом четвертый параметр (тепловое излучение) не учитывается, из-за трудности его измерения и практического применения. Указанным нормативным документом установлено значение нормальной температуры воздуха на рабочих местах в диапазоне от 295 до 299 К (от +22 до +26°С) в зависимости от различных сочетаний трех уровней относительной влажности воздуха и четырех уровней скорости его движения.
В микроклиматических условиях, регламентированных вышеуказанными "Правилами", тренированный и адаптированный горнорабочий может выполнять в течение 6 ч работу с энергозатратами до 350 Вт без перегрева организма. При уменьшении энергозатрат возможна работа и в более жестких микроклиматических условиях.
В настоящее время существует и находит применение на практике ряд интегральных показателей, которые с разной степенью приближения позволяют оценивать микроклимат окружающей среды одним численным значением. Это, например, индекс нагревающего воздействия WBGT, оксфордский индекс WD, названных "результирующей температурой" или "эффективной температурой" [48, 49]. Общий недостаток всех этих показателей заключается в том, что все они основаны на эмпирических зависимостях и дают весьма приближенную оценку микроклимата.
В отличие от этого предлагается комплексный показатель - "Термоиндекс", разработанный на базе теплофизических закономерностей и характеризующий тепловое воздействие окружающей среды на человека:
T1 = (QC + QR + QEM)/n, (2.1)
где T1 - термоиндекс;
QC - плотность теплового потока при теплообмене конвекцией, Вт/м2;
QR - плотность теплового потока при теплообмене излучением, Вт/м2;
QEM - плотность теплового потока при теплообмене за счет испарения или конденсации влаги на поверхности тела человека, Вт/м2;
n - переводной коэффициент, Вт/м2.
Термоиндекс (2.1) основан на суммарном тепловом потоке, отводящемся от 1,0 м2 поверхности тела человека в окружающую среду или подводящемся к ней из окружающей сред