|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 42 теплопроводностью 7? и сопротивление струйному теплообмену (переносом массы) RcT- Для получения количественных результатов расчета на модели между тепловыми и электрическими величинами должны быть установлены определенные масштабные соотношения. Уравнения вида (1.137) связывают между собойтри параметра. Два масштаба для перехода от тепловых величин к электрическим могут быть выбраны произвольно, а третий должен быть определен из условия полного соответствия уравнений (1.137). Удобно произвольно задаваться масштаба-К/Вт / С ч/ккал ми сопротивлении, -- - Ом \ Ом mn = RjR (1.145) и температур, °С/ед. потенц. mt = t/U. (1.146) Масштаб для теплового потока в этом случае определится как =Q = = (1.147) AU/R, н Величины масштабов выбираются из условия удобства измерения электрических величин, чувствительности приборов, располагаемого набора сопротивлений и требуемой точности расчета. Граничные условия в электрической цепи должны буть аналогичны граничным условиям теплообмена. Если заданы температуры отдельных элементов, то задаются потенциалы соответствующих узлов; если заданы тепловые потоки - задаются величины электрического тока в соответствующих линиях цепи. При решении некоторых задач удобно производить измерение разности потенциалов в электрической цепи не в абсолютных, а в относительных величинах (ед. потенц.). Для этого применяют специальный прибор - делитель напряжения, который позволяет устанавливать разность потенциалов между узлами электрической цепи в процентах от максимального перепада. Обычно при расчете теплообмена заранее известны самый горячий и самый холодный элементы схемы. При расчете принимают потенциал на нагретой поверхности за 100%, на холодной - за 0%. Зная значение потенциалов любых двух элементов схемы и измерив с помощью делителя напряжения потенциалы в остальных узлах, можно определить с помощью масштаба температур их температуры. Изложенные принципы электротепловой аналогии позволяют построить электрическую модель, воспроизводящую лучисто-конвективный теплообмен. Расчеты теплообмена удобно проводить на специальных электрических моделях, например типа ЭМТ-1 [1.26]. Основным элементом модели является панель переменных сопротивлений, из которых при помощи многоштекерных проводников можно собрать различные электрические схемы. Потенциалы в узлах схемы определяются компенсационным способом с использованием встроенного в модель потенциометра. Напряжение в схему подается от специального делителя напря- жения. При монтаже модели следует иметь в виду, что между числом узлов т и числом сопротивлений п имеется зависимость т = (п + \)п12. (1.148) Расчеты теплообмена в помещении с помощью модели показали, что точность результатов зависит в основном-от правильности задания сопротивлений конвективному теплообмену от воздуха к теплотеряющим и теплоотдающим поверхностям. Остальные сопротивления влияют на точность результатов в меньшей степени, поэтому небольшие изменения значений этих сопротивлений в процессе расчета можно не учитывать. § 1.18. ТЕПЛООБМЕН ЧЕЛОВЕКА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ Системой обогрева - охлаждения в помещении должна быть создана благоприятная для человека тепловая обстановка. Самочувствие и работоспособность человека зависят от работы физиологической системы терморегуляции организма, которая нормально функционирует при температуре около 36,6°С. Для поддержания постоянной температуры организм человека непрерывно вырабатывает тепло, которое отдается окружающей среде. В зависимости от физиологического и эмоционального состояния человека, его одежды, возраста, вида выполняемой работы и индивидуальных особенностей организма количество тепла, теряемого в окружающую среду, может быть различным. Общий тепловой (энергетический) баланс человека (Вт) характеризуется следующим уравнением: Q,±Q:zfcQ:-Q:-(3P-Qt±AQ, = 0, (1.149) где q4 - теплопродукция организма (общее количество энергии, вырабатываемой организмом); Q , Q, Q - составляющие теплообмена человека конвекцией, излучением и за счет затрат тепла иа испарение влаги; qp - расход тепла (энергии) на механическую работу; q* - тепло, затрачиваемое на физиологические процессы (иагрев вдыхаемого воздуха, естественный обмен веществ и пр.); AQ, - избыток (накопление) или недостаток тепла в организме. Общая продукция энергии в основном зависит от степени тяжести выполняемой человеком работы. Для взрослого человека ее средняя величина может быть определена по табл. 1.5 (для подростков вводится коэффициент 0,8). Расход тепла qp обычно составляет от 5 до 35% от дополнительных тепловыделений, связанных с выполнением физической или умственной работы. Например, для работы средней тяжести, выполняемой стоя (q4 = 300 Вт (250 ккал/ч), этот процент равен 20 и qp = 0,2 (q, - - 100) = 40, где 100 Вт (85 ккал/ч) -тепловыделение в покое (табл. 1.5). Тепло q* не превосходит 11,6 Вт (10 ккал/ч) и в расчетах его можно не учитывать. Таблица 1.5 Теплопродукция организма взрослого человека Определение работы Теплопродукция
Человек в покре: лежа .................... сидя..................... стоя..................... стоя смирно ................. Физическая деятельность: работа швеи, ручного наборщика и подобная . . работа машинистки, инструментальщика и лоДоб- ная..................... работа литейщика, металлурга и подобная . . . работа землекопа, кузнеца и подобная ..... спортивная езда на велосипеде ........ спортивное плавание ............ подъем в гору................ максимальная мышечная работа........ Умственная деятельность: чтение сиДя ................ работа на счетной машине .......... работа в лаборатории ............. чтение лекций в аудитории.......... Условное деление степени тяжести-работы: незначительная ................ легкая .................... средняя................... тяжелая................... Если теплопродукция организма и потери тепла не сбалансированы, то в организме может наблюдаться накопление тепла (AQ,), связанное с повышением температуры, или его дефицит, приводящий к переохлаждению организма. Система терморегуляции организма позволяет в определенных пределах обеспечивать баланс продуцируемого и теряемого телом тепла. Однако возможности' терморегуляции весьма ограничены. Изменения температуры тела, связанные с появлением избытков или недостатков тепла, могут быть подсчитаны, если принять среднюю массу человека равной 70 кг, а удельную теплоемкость его тела 3,48 кДж/(кг К) [(0,83 ккал/(кг С)]. Допустимые изменения температуры тела находятся в пределах от 0,4 до ],] 1° (по разным источникам) [1.30], 11.3]. Тепловое состояние человека в этом случае не оптимальное, а условия, в которых он находится, являются дискомфортными. Интенсивность отдачи тепла человеком зависит от тепловой обстановки в помещении, которая определяется следующими показателями; температурой t, подвижностью и относительной влажностью воздуха в*помещении, температурами поверхностей т„ обращенных в помещение, расположение (относительно человека) и размеры которых определяют радиационную температуру помещения tR. Комфортное сочетание этих показателей соответствует таким оптимальным метеорологическим условиям, при которых сохраняется тепловое равновесие, отсутствует напряжение в процессе терморегуляции; в подавляющем большинстве случаев комфортное сочетание этих показателей положительно оценивается находящимися в помещении лкщьми. Допустимыми считаются такие метеорологические условия, при которых возникает некоторая напряженность процесса терморегуляции и может иметь место небольшая дискомфортность тепловой обстановки. Для расчета составляющих тепЛОобмена существует много эмпири,-ческих формул, составленных врачами-гигиенистами. Формула для определения лучистой составляющей теплообмена, полученная [1.30] по данным наблюдений за людьми в легкой одежде, имеет вид = 2,51 (35 II Qw = 2,16 (35 -н)- (1.150) Показатель теплообмена в этой формуле 2,51 близок к величине, которую можно получить аналитическим расчетом. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от температуры и подвижности Ув воздуха в помещении: Q= 10,29/(35~в)11 Q4 = 8,871/1;7(35-/b). (1.151) Величины и есть составляющие сухого hjjh явного теплообмена человека. Их сумма Q+ может быть определена по графику рис. 1.36 или подсчитана,по формуле 0?+- = (2,51 + 10,29 Vv, ) (35 - у II Q = (2,16 -Ь 8.87 V) (35 - ), (1.152)  1-г I [ I I г 1 I, t 1 L L 0 -во -по 1 г \ I I I I 350 300 250 20В 150 100 50 О -50 -т -m ;wo Рис. 1.36. Зависимость явной теплоотдачи человека от температуры и подвижности воздуха по формуле (1.152) где ta - температура помещения, равная (1.153) Формула (1.152) справедлива для условий выполнения легкой работы человеком в легкой одежде. На рис. 1.37 приведены данные об изменении полной, скрытой и явной теплоотдачи человеком в зависимости от температуры помеще-  Рис. 1.37. График явной, скрытой (испарение влаги) и полной теплоотдачи человеком в зависимости от степени тяжести работы при разной температуре: ---полное количество тепла; ----тепло, идущее на испарение влаги;------явное количество тепла; / человек в покое; 2 - легкая работа в учреждении; 3 - средняя физическая работа; 4 - тяжелая физическая работа ния (при малой подвижности воздуха) с учетом степени физической тяжести выполняемой человеком работы. Явная теплоотдача (рис. 1.37) возрастает с увеличением тяжести работы, выполняемой человеком. Это возрастание (2+ можно учесть, введя в формулу (1.152) поправочный коэффициент Pi, который для работы средней тяжести равен 1,07, а для тяжелой - 1,15. Влияние различной одежды на величину может быть учтено коэффициентом Pj. Его значение будет приблизительно пропорционально отношению сопротивлений теплопередаче через одежду. Для легкой одежды сопротивление теплопередаче от поверхности кожи через одежду к помещению равно [1.19] приблизительно 0,15, для обычной одежды - 0,33, а для утепленной - 0,5 Осредненное значение сопротивления теплообмену на внешней поверхности одежды при неподвижном воздухе равно 0,17. На основе этих данных для обычной (средней утепленности) одежды в формулу (1.152) нужно ввести коэффициент Ра, равный (0,15-l-0,17)/(0,33-f 0,17) = 0,56, а для утепленной одежды - 0,42. Для всех возможных случаев выполнения работы различ- ной тяжести в различной одежде расчет Q+ можно производить с учетом поправочных коэффициентов Pj и Рг по формуле 4 = PiP2(2,51 + 10,29 V) (35 - /J II Q:- - P1P2 (2.16 + 8,87 V) (35 (1.154) Эта формула может быть использована и для расчета 0;+ в особо жарких условиях (при / > 35°), когда поступление тепла направлено от окружающей среды к телу челове-f-f.l ка. 5 ! \ \ I i I li Затраты тепла на испарение влаги зависят от многих факторов и их расчет довольно сложен. В то же время многими экспериментами подтверждено, что величина испарения пота при данном выделении тепла и физиологическом состоянии организма должна быть определенной. По данным Г. X. Шахбозяна, величина потерь массы человека за счет испарения может служить показателем степени тепловой дискомфортности условий. Потери массы (г/ч), соответствующие состоянию комфорта при различных физических нагрузках, следующие: ~о,г в в,г В.Ч о,в Рис. 1.38. Охлаждающая эффективность испарения влаги с кожи человека в зависимости от Физическая нагрузка Незначительная..... Легкая......... Средняя ......... Тяжелая ........ Потери массы человеком 48- 72 90-140 150-190 210-240 У одетого человека при достаточно большом испарении часть пота переходит на одежду. На испарение этой части расходуется не только тепло тела человека, но и тепло окружающей среДы. Поэтому количество пота, выделяемое организмом, должно быть больше величины Q/r [где г - скрытая теплота испарения, равная около 2,43 кДж/г (0,58 ккал/г)]. Увеличение фактической потоотдачи определяется коэффициентом охлаждающей эффективности потоотделения 1 . Величина этого коэффициента может быть определена по графику (рис. 1.38) в зависимости от отношения Q /Q . Величина Q соответствует полным затратам тепла на испарение максимального количества влаги с поверхности кожи [упругость водяного пара на поверхности кожи принята 5,59 кПа (42 мм рт. ст.)! в воздух с упругостью (кПа): Q:. макс = 254,51)в0.8 (5,59 - О Ц акс = 29,Ь'в' (42 -е^). 78 (1.155) Для определения степени теплового напряжения организма предложен тепловой показатель 5, который связан с и 1 зависимостью S = Q ,(l/f)\ (1.156) По величине S можно судить о дискомфортности тепловой обстановки в помещении (табл. 1.6.) Таблица 16 Значения S, соответствующие различной дискомфортности условий
В жарких условиях при /п> 35° с увеличением подвижности воздуха в помещении усиливается нагрев тела за счет конвективного потока тепла от воздуха. В то же время возрастает отвод тепла, идущего на испарение. В этих условиях определенным температурам и упру-гостям соответствуют оптимальные скорости, при которых отвод тепла наибольший. В табл. 1.7 приведены значения скоростей v. при разных и /g. Таблица 1.7 Оптимальные скорости опт Р различных <в и в (при в>35°)
В- Н. Тетеревниковым [I. 18] решена задача о необходимом сочетании температуры и скорости воздуха в производственных условиях при применении душирования рабочих мест. На графиках рис. 1.39, а, б, в даны сочетания значений температуры и скорости воздуха, соот- ветствующие комфортным условиям на рабочих местах при разной работе и одежде работающего. На рис. 1.39, г приведено сопоставление сочетаний температур и скоростей воздуха при работе средней тяжести в легкой одежде для оптимальных и допустимых условий. Температура воздуха (при равных скоростях) при допустимых условиях может быть только на 1,5С выше, чем при оптимальных. Дальнейшее повышение 2Ь 2S 24 21 20 18 16 М
  Рие. 1.39. Комфортные сочетания температуры и скорости воздуха при трех видах работы: а - легкой; б - средней тяжести; в - тяжелой (при выделении тепла человеком: /-136 Вт; 2-181; 3, 4 - 227; i - 262; 6, 7 - 291; - 384; 9 - 436; /0 - 488); г - сопоставление сочетаний температур и скоростей воздуха ( - оптимальных и 12 - допускаемых условий) температуры приведет к недопустимой дискомфортности тепловой обстановки на рабочем месте. Аналогичные данные для условий наличия теплового облучения работающего даны в [I. 191. Для восприятия комфортности условий важна климатическая адаптация человека, его привычки. Известно, что например, для американцев комфортной считается температура на 3° выше, чем для англичан и французов [1. 121. . Для человека оказывается полезным изменение температуры в течение дня, что связано с изменением интенсивности обмена веществ и с особенностью деятельности людей. По данным гигиенических наблюдений, в жилых помещениях рекомендуется периодически изменять температуру в течение дня и понижать ее на 2-3°С ночью. В учреждениях в зимнее время считается целесообразным поддерживать с утра температуру 19°С, повышая ее к полудню до 2Г и понижая после обеда до 18°С. Многими исследователями изучалось влияние тепловой обстановки на человека в производственных условиях. Установлено, что тепловое самочувствие заметно влияет на производительность труда; число несчастных случаев резко возрастает при отклонении температуры от оптимальной на 3-5°С. Кроме общего теплового баланса организма на тепловое самочувствие человека существенно влияют условия, в которых находятся отдельные части тела. Особенно существенно сказываются на ощущение комфортности обстановки тепловые условия, в которых находятся голова и ноги. Голова чувствительна к радиационному перегреву. Радиационный балансее поверхности должен быть отрицательным. Во всех случаях каждая часть поверхности головы должна отдавать тепло излучением, а не воспринимать его. На основании гигиенических исследований, среди которых наиболее полными являются работы А. Е. Малышевой [1.11], Ф. Крепко [I. 291, А. Кольмара, В. Лизе [20], Ф. Миссенара [I. 12], Е. А. Насонова, Д. И. Исмаило-вой [I. 13], можно установить, что допустимым при комфортных тепловых условиях приблизительно является радиационный баланс элементарной площадки на поверхности головы от 11,6 Вт/м^ [10 ккал/(м2.ч)1 при нагреве и до 70-93Вт/м' [60-80ккал/(м2 ч)] при охлаждении. Многие гигиенисты считают, что наиболее чувствительной к охлаждению является верхняя часть спины человека, а не его голова при тех же количественных показателях. Ноги человека чувствительны к переохлаждению и перегреву поверхности пола и к холодным токам воздуха вдоль пола. Эти ощущения зависят также от общей тепловой обстановки помещения, от вида обуви и подвижности людей. В зимних условиях температура пола должна быть не ниже температуры воздуха помещения на 2-2,5С. Летом охлаждать пол не рекомендуется. Тепловое ощущение человека и потери тепла ногами зависят не только от температуры, но и от теплофизическиX свойств материала покрытия пола. Во избежание переохлаждения поглощаемое полом тепло должно соответствовать притоку тепла к ноге при работе системы терморегуляции организма 11,3]. В отапливаемых жилых помещениях с повышенными эксплуатационными требованиями расчетными принимаются условия продолжительности контакта босой ноги с полом не более 2 мин. При этом считается, что температура поверхности ноги при контакте с полом может понизиться от начальной, равной около 33*0, до минимально допустимой tjion = 27°С. Теплотехнические свойства тел при контакте (нога - пол) опреде-. ляют коэффициентом тепловой активности b = VTcf Вт . с°/(м2 . К) (ккал/м2 ч° °С). (1.157) Коэффициент тепловой активности д^я ноги fo, принимается равным 1116,5 (16). Величина для пола по условию о допустимой температуре при контакте может быть определена по формуле Ьпл = Ьч = 1116,5 = 744 6 ,= 16. =10.6. (1.157а) Поэтому в жилых и других подобных помещениях материал покрытия пола толщиной 3-4 мм должен иметь коэффициент тепловой активности не более 697,8 (10). В общественных зданиях и на постоянных рабочих местах промышленных зданий при контакте с полом обутой ноги эквивалентный коэффициент тепловой активности конструкции пола [1.5] должен быть не более 837,4 (12). В помещениях с пониженными эксплуатационными требованиями, а также для помещений с/в > 23°С величина Ьцл не нормируется. Для полов первых этажей с неотапливаемыми подвалами нормируемое значение Ь^л рекомендуется увеличивать на 10%. Сложным является вопрос о допустимых температурах обогреваемого пола. Наиболее полно этот вопрос разработан в работах Ф. Мис-сенара[1. 12]и Р.Манкея[У1. 13], основанных на опросе значительного количества людей. Результаты исследования показали, что допустимая температура поверхности полатцд зависит от температуры воздуха (Bi) на высоте 1 м от пола: пл = 55,7-1,63/з^. (1.158) Применение формулы (I. 158) ограничено предельными значениями Тпл- Эти ограничения учитывают тип обуви. Предельные значения Тпл для голой стопы равны 32-33, для обуви с тонкой подошвой - 36-38 и для обуви с толстой подошвой -45-48°С. По формуле (1.158). например, для условий производственного цеха, где температура воз-. духа 10°, температура поверхности пола может быть 40°С. В подобных расчетах нужно учитывать, что при нагретой поверхности пола температура воздуха на высоте 1,0 м выше расчетной температуры в на 1-3°С. Для проходов и переходов, которые не являются местом постоянного пребывания людей, целесообразно повышать температуру пола и снижать на 2-3°С температуру воздуха. Пример 1.4. Определить тепловое состояние человека в обычной одежде, находящегося в помещении с температурой = 34°, = 1,33 кПа. Человек стоя выполняет легкую работу = 120 Вт. Скорость воздуха v = 0,5 м/с. Решение. Суммарное количество тепла, выделяемое человеком за счет конвекции и излучения при легкой работе (pi = 1) и в обычной одежде (Рг = = 0,655), по формуле (1.154) 1 0,655 (2,51-Ь10,29 /оХ) (35 -34) =6,42 Вт. Количество тепла, учитываемое в тепловом балансе на выполнение работы, QP = 0,2(120- 100) =4 Вт. Количество тепла, которое должно быть израсходовано на испарение, по формуле (1.149) Q =(3, -5+- - QP= 120-6,42 - 4= 109,58 Вт. Максимальная испаряющая способность среды по формуле (I..155) равна Чч макс = 254,5 0,5° (5,59 - 1,33) = 622 Вт. 1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 42 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||