Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій

Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки

Гаврилко Олександр Андрійович

УДК 614. 895.5 :614. 842. 837-057

Обґрунтування параметрів захисного одягу

для застосування під час проведення

пожежно-рятувальних робіт

Спеціальність 21.06.02 – “Пожежна безпека”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Львівському інституті пожежної безпеки
МНС України

Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України ПАШКОВСЬКИЙ Петро Семенович, перший заступник директора по науковій роботі НДІ гірничорятувальної справи та пожежної безпеки “Респіратор” (м. Донецьк)

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник КРУКОВСЬКИЙ Павло Григорович, завідуючий відділом моделювання процесів тепломасообміну Інституту технічної теплофізики НАН України (м.Київ).

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник МАМАЄВ Влерій Володимирович, заступник завідуючого відділом протипожежного захисту НДІ гірничорятувальної справи та пожежної безпеки “Респіратор” (м. Донецьк)

Провідна установа - | Севастопольський військово-морський інститут ім. П.С.Нахімова МО України, кафедра живучості, водолазних та суднопідйомних робіт

Захист відбудеться “ 16 ” грудня 2004 р. о 12 00 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради К.26.720.01 в Українському науково-дослідному
інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою:
01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

З дисертацією можна ознайомитися в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011,
м. Київ, вул. Рибальська, 18.

Автореферат розісланий “ 15 ” листопада 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, канд. техн. наук С.І. Сопенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз статистичних даних про пожежі і їхні наслідки показує, що в Україні на 1 мільйон населення від диму, газів і температур щорічно гине понад 50 чоловік, причому цей показник має тенденцію до зростання.

У середньому щодобово за період з 1992 по 2001 роки виникало по 134 пожежі, на яких гинуло по 6 і одержувало травми по 4 людини. В ході їхнього гасіння підрозділами Державної пожежної охорони (ДПО) врятовано 45 тис. чоловік і тільки за останні три роки – матеріальних цінностей на суму 956 млн. грн.

Професія пожежного є однією з найбільш ризикованих. Основний вид діяльності – гасіння пожеж у шкідливих умовах праці: при високій температурі, вологості, задимленості атмосфери, найчастіше при фізичній роботі, нервовій напрузі, тобто при високих ерготермічних і психоемоційних навантаженнях.

За останні десять років травмовано 967 пожежних, у тому числі 66 – з летальним результатом, причому близько 47 % з них при гасінні пожеж. Поряд з позитивними прикладами гасіння пожеж допускалися тактичні помилки і прорахунки в організації пожежегасіння, що в першу чергу залежить від рівня оснащеності особового складу пожежної охорони захисним одягом і засобами індивідуального протитеплового захисту і наявності нормативної бази для ефективного і безпечного ведення пожежно-рятувальних робіт. Тому дослідження в області створення і удосконалювання захисного одягу пожежних, що надає безпеку особовому складу підрозділів в умовах високих ерготермічних навантажень, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

У дисертаційну роботу ввійшли результати досліджень в області протитеплового захисту пожежних і гірничорятувальників, виконаних при особистій участі автора в рамках національної “Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 01.07.2002 р. № 870, та держбюджетних науково-дослідних робіт “Розробка й обґрунтування норм припустимого і граничного часу роботи гірничорятувальників і пожежних у зоні високої температури з урахуванням подиху в респіраторі”; “Розробити автономний протитепловий костюм для членів ДГК шахти, використовуваний при гасінні пожеж у початковій стадії розвитку” (НДР: № ДР 0193U009329, № ДР 0196U029184).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розкриття закономірностей нестаціонарних процесів теплообміну організму пожежних і обґрунтування на цій основі оптимальних параметрів захисного одягу, що забезпечує безпеку проведення пожежно-рятувальних робіт.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

1. Провести аналіз стану науково-технічних розробок в області забезпечення пожежних засобами протитеплового захисту при веденні робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах.

2. Провести теоретичні дослідження процесів нестаціонарного теплообміну різних ділянок тіла пожежного в ізолюючому захисному одязі з активним теплоз’ємом і без нього при високих эрготермических навантаженнях.

3. Обґрунтувати склад теплового балансу організму пожежного при ерготермічних навантаженнях у одязі, що не ізолює та визначити його складові частини.

4. Виконати експериментальні досліджувати енергетичних показників і теплового стану організму пожежних у захисному одязі.

5. Розробити алгоритм і обґрунтувати основні параметри захисного одягу пожежних, що забезпечує небезпеку проведення пожежно-рятувальних робіт.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей розподілу температури усередині ізолюючого захисного одягу пожежного із системою охолодження і без неї при високих ерготермічних навантаженнях з урахуванням кількості, розташування, теплофізичних властивостей окремих шарів і повітряних прошарків, а також теплообміну його організму в одязі, що не ізолює для обґрунтування основних параметрів захисного одягу.

Об'єкт досліджень – параметри захисного одягу пожежних, який застосовують в екстремальних мікрокліматичних умовах.

Предмет досліджень – нестаціонарні процеси тепломасопереносу в захисному одязі при виконанні робіт в умовах високотемпературного впливу і підвищених навантажень на організм пожежних.

Методи дослідження.

При виконанні дисертаційної роботи використаний комплексний метод досліджень, що включає в себе аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень в області протитеплового індивідуального захисту людини при різних екстремальних мікрокліматичних умовах і фізичному навантаженні; математичне моделювання нестаціонарних теплообмінних процесів у захисному одязі з використанням основних законів тепломасопереносу і гідродинаміки; експериментально-аналітичні методи для визначення енерговитрат пожежних при виконанні ними різних видів робіт і визначення категорії їхньої ваги; експериментальні методи для підтвердження результатів теоретичних досліджень.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей нестаціонарних процесів тепломасопереносу в ізолюючому теплозахисному одязі пожежних з водольодяною системою охолодження і без неї з урахуванням фазового перетворення холодоагенту (льоду у воду) і подальшого його використання; процесів теплообміну в одязі, що не ізолює з урахуванням кількості, розташування, теплофізичних властивостей окремих шарів і повітряних прошарків, що впливають на тепловий стан пожежних при ерготермічних навантаженнях.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, їх новизна.

1. Удосконалена фізико-математична модель теплообміну організму пожежного при ерготермічних навантаженнях в ізолюючому одязі з водоледяными акумуляторами холоду, що враховує нестаціонарні процеси фазового переходу холодоагенту, теплові потоки з навколишнього середовища і тіла людини, а також конструктивні особливості теплоізолюючої оболонки. Це вперше дало можливість обґрунтувати оптимальні параметри захисного одягу і час безпечного перебування пожежних в умовах високих эрготермических навантажень.

2. Обґрунтовано новий комплексний критерій оцінки ізолюючих властивостей захисного одягу за рахунок визначення теплового стану пожежних, який базується на використанні значення температури в підкостюмному просторі. Це дозволило замінити три раніше використовувані фізичні параметри: частоту серцевих скорочень, ректальну і шкірні температури, визначення значень яких є досить трудомістким процесом, одним параметром – температурою в підкостюмному просторі.

3. Уточнено складові частини теплового балансу у системі “навколишнє середовище – захисний одяг – людина” для реальних температурних умов, що включає величини теплових потоків за рахунок конвекції, радіації і випару поту пожежного. Це дозволило підвищити точність визначення основної характеристики захисного одягу – припустимої тривалості роботи для температур навколишнього середовища 27-35 оС на – 20-60 %. Уперше встановлено, що припустима тривалість роботи пожежних в захисному одязі із системою охолодження в п'ять разів вища, ніж без неї; при використанні льоду в системах місцевого охолодження кистей рук і стіп ніг – у 1,4 рази; при збільшенні товщини повітряних прошарків на 210-3 м у порівнянні з попереднім її значенням – у середньому на 15 %.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням класичних основ і законів нестаціонарних процесів тепломасопереносу в багатошарових системах, фазового переходу (льоду у воду), гідродинаміки рідини при змішаному режимі плину, фізіології людини; використанням атестованого устаткування, вимірювальних приладів і методики випробування протитеплових індивідуальних засобів; задовільним збігом результатів теоретичних досліджень і даних експериментів при випробуванні захисного одягу (максимальна погрішність припустимої тривалості роботи пожежних в ізолюючому одязі із системою охолодження не перевищує 16 %, а в неізолюючому – 12,4 %).

Практичне значення роботи полягає в обґрунтуванні оптимальних параметрів ізолюючого захисного одягу пожежних з водольодяною системою охолодження і без неї з урахуванням кількості, розташування шарів матеріалу і повітряних прошарків для різних ерготермічних навантажень і розробці програм розрахунку, що дозволяють визначити нормативи безпечної тривалості ведення пожежно-рятувальних робіт у засобах, що знаходяться на оснащенні підрозділів пожежної охорони і розробляти нові засоби мінімальної маси з максимально можливим часом захисної дії.

Особистий внесок здобувача полягає в формулюванні ідеї, цілі і задач досліджень, основних наукових положень і висновків, проведенні теоретичних та експериментальних досліджень. Дисертація написана здобувачем особисто. У роботах, які опубліковані у співавторстві, внесок дисертанта такий: у 2,4 - постановка задач досліджень, розрахунки, аналіз результатів; 3, 8, 10 - формулювання задач, розробка методики проведення досліджень, участь у випробуваннях, обробка результатів;
5, 11 - участь в експериментальних дослідженнях, розрахунки теплового балансу пожежника в захисному одязі при ерготермічних навантаженнях.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень нестаціонарних процесів теплообміну в підодяжному просторі з водольодяною системою охолодження і без неї використані при розробці двох варіантів захисного одягу – костюмів ПТОК-1 і ПТОК-2, а також програм “Термоекстрем-1” і “Термоекстрем-2” для розрахунку безпечної тривалості роботи в захисному одязі, що передані в Головне Управління Міністерства надзвичайних ситуацій у Львівській області для дослідно-промислової експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені і позитивно сприйняті на вітчизняній і Міжнародних науково-практичних і науково-технічних конференціях: “Проблеми пожежної безпеки. Ліквідація аварій і їхніх наслідків” (Донецьк, 2002), “Проблеми охорони праці і техніко-економічної безпеки” (Севастополь, 2003), “Форум гірників – 2003” (Дніпропетровськ 2003), “Проблеми пожежної безпеки” (Fireco-2003 Тренчін, Словаччина), “Актуальні проблеми цивільного захисту” (Київ, 2004) на секції вченої ради Науково-дослідного інституту гірничорятувальної справи і пожежної безпеки “Респіратор” (Донецьк, 2004), на вченій раді Інституту пожежної безпеки (Львів, 2004).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 наукових праць, у тому числі у фахових виданнях –6, тез у матеріалах конференцій – 5, патент – 1.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загального висновку, списку використаних джерел з 105 найменувань. Загальний обсяг дисертації 163 сторінrb, з них 141 сторінка основного тексту, 37 рисунків, 23 таблиці і 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкритий стан вирішення проблеми й обґрунтована актуальність досліджень по обраній темі, сформульовані наукова задача, мета і задачі досліджень, викладена загальна характеристика роботи.

У першому розділі проведено аналіз травматизму особового складу Державної пожежної охорони (ДПО) МНС за останні десять років при веденні пожежно-рятувальних робіт, у тому числі при гасінні пожеж.

Однією з основних причин високого травматизму пожежників є відсутність ефективних технічних засобів індивідуального протитеплового захисту - одягу з активним теплозніманням. Так, захисний одяг, що знаходиться на оснащенні підрозділів ДПО, розроблений ще в 80-ті роки минулого сторіччя, морально застарів, має дуже малий або приблизний термін захисної дії. Одяг, що поступає – виготовлений з матеріалу з високими термостійкими властивостями – пройшов випробування без урахування санітарно-гігієнічних норм теплового стану пожежників при різноманітних ерготермічних навантаженнях.

Великий внесок у розробку протитеплового одягу для гірничорятувальників з активним теплозніманням (водольодяною системою охолодження) і без нього, методів розрахунку теплового стану і визначення тривалості їхньої роботи внесли Карпекін В.В., Землянський І.Я., Діденко М.С., Клименко Ю.В., Марійчук І.П., Вольський В.О. Але результати розрахунків не здобули задовільного експериментального підтвердження: у першому випадку не враховувалися нестаціонарний процес перетворення холодоагенту (льоду у воду), подальший його теплообмін, конструктивні особливості оболонки одягу , що теплоізолює; у другому - недостатньо точно визначалися теплові потоки за рахунок конвекції, випромінювання і випару поту.

Недоліками протитеплових костюмів для гірничорятувальників є їх велика маса і недостатньо термостійка зовнішня оболонка.

У другому розділі викладені загальна методика й основні методи досліджень, обґрунтування вибору холодоагенту і систем охолодження різноманітних ділянок тіла пожежника в захисному одязі з активним теплозніманням, математичні моделі процесів теплообміну його організму в ізолюючому від зовнішнього середовища одязі з системами охолодження і без них, а також в одязі, що не ізолює, (спецодязі).

Наведено блок-схему системи “навколишнє середовище – захисний одяг – організм пожежника – фізичне навантаження (енерговитрати)”. Така схема розглядається вперше. Як параметри навколишнього середовища для одягу, що не ізолює, використовуються температура, теплове випромінювання, непридатність атмосфери для подиху, вологість і швидкість руху повітря, а для ізолюючого одягу – тільки перші три параметри. Для оцінювання фізіологічного стану організму пожежника в першому випадку розглядається частота серцевих скорочень, температура тіла (ректальна) та шкіри, а в другому – температура простору під одягом. У залежності від виду робіт і умов їхнього виконання будуть визначені енерговитрати пожежників – одна з основних складових теплового балансу системи.

Для підвищення тривалості роботи пожежників запропоновано захисний одяг з активним теплозніманням, що складається з зовнішньої термостійкої і тепловідбиваючої ізолюючої оболонки - костюма, розробленого підприємством “МРІЯ-ІНВЕСТ” (м. Северодонецьк, Луганської обл.), водольодяної системи охолодження НДІГРС “Респіратор” у вигляді локального розташування в підодяжному просторі внутрішнього костюма в області основних ділянок тіла чотирьохсекційних охолоджуючих елементів ОЕ-2. У першому варіанті місцеве охолодження стіп ніг здійснюється за рахунок переміщення води з устілки по трубці в спеціальну кишеню з льодом і в зворотному напрямку при русі людини, а кисті рук - із рукавиць в рукави, охолоджуючись за допомогою ОЕ-2, і надходження в зворотному напрямку при русі рук уверх-униз. Ця система охолодження використовується в протитепловому одязі гірничорятувальників.

Для розширення області застосування одягу запропоновано другий варіант місцевого охолодження найбільше уразливих ділянок тіла пожежника: у рукавицях на тильній стороні руки закріплена ампула, усередині якої розміщені ОЕ-2, а за ними в області пальців - половини ОЕ-2, повернені на 90о для забезпечення їхньої гнучкості, а в аналогічній системі охолодження ніг гірничорятувальників, вже давно лід використовується в устілках стіп.

Температура в підодяжному просторі з водольодяною системою охолодження основної частини тіла пожежника формується в результаті взаємодії двох теплових потоків, що змішуються: перший з них поступає з навколишнього середовища (х, ), Вт, а другий – від тіла людини (х, ), Вт, а тому потік, що поглинається ОЕ-2 , Вт, дорівнює

(1)

З урахуванням прийнятої розрахункової схеми (рис.1) системи “навколишнє середовище - захисний одяг - людина” із водольодяним охолодженням основної частини тіла пожежника задача зводиться до розв’язання рівняння для зміни температури Т, К, у шарах протитеплового одягу у вигляді

, (2)

де - температура усередині оболонки одягу при сталому режимі, К; - параметр швидкості зміни температури між шарами одягу, 1/с; а - коефіцієнт температуропроводності шарів, м2/с; - товщина шарів із повітряними прошарками, м; То- початкова температура в шарах оболонки, К; - час, с; коефіцієнти мають вид

(3)

- сумарні коефіцієнти конвективного і променистого теплообміну, теплообміну з п'ятим шаром оболонки одягу, теплообміну між льодом ОЕ-2 і підкостюмним простором відповідно, Вт/(м2 К); Тл - температура льоду, К; Sn , S - площі поверхні ОЕ-2 і одягу, м2; , л - коефіцієнти теплопровідності матеріалів шарів одягу і льоду, Вт/(мК); Тс - температура навколишнього середовища, К.

Рис. 1. Розрахункова схема системи “навколишнє середовище - захисний одяг - людина”

1 – зовнішній шар; 2 – внутрішній шар; 3 – підкладка; 4, 8 – повітряні прошарки;

5 – внутрішній костюм; 6 – охолоджуючий елемент; 7 – решітчаста кишеня;

9 – тіло людини

Температура в підодяжному просторі:

, (4)

де . (5)

Необхідний запас льоду в ОЕ-2 Мл , кг, на заданий період часу:

, (6)

де - холодопродуктивність системи охолодження при сталому і початковому стані, Вт; q - питомий запас холоду льоду, Дж/кг.

Час перехідного періоду п , с:

. (7)

Динаміка температури в підодяжному просторі з застосуванням холодоагенту (крива 1) і після його витрати через період часу р (пунктирна лінія), а також без застосування холодоагенту (крива 2) наведена на рис. 2, де р - час захисної дії одягу. При цьому використовувалися вихідні дані для костюма ПТК-80, що застосовується гірничорятувальниками, з урахуванням середньої важкості виконання робіт і температури навколишнього середовища 373 К (100 о).

Мал. 2. Динаміка температури в підкостюмному просторі у сталому режимі:

1 – з застосуванням холодоагенту; 2 – без холодоагенту

Розроблений аналітичний метод дозволяє досліджувати нестаціонарні процеси тепломасопереносу в підодяжному просторі з урахуванням параметрів зовнішнього середовища, енерговитрат організму людини, фазового переходу в системі охолодження при різноманітному сполученні і кількості шарів, повітряних прошарків теплоізолюючої оболонки, визначати розподіл температур усередині одягу й основного параметра - часу захисної дії, а тому він використаний надалі при проектуванні протитепловий одягу для пожежників. Крім цього, великою перевагою даного методу є істотне скорочення трудомістких експериментальних досліджень, тому що для порівняння результатів розрахунку з даними експерименту і санітарними нормами необхідно вимірювати тільки температуру підодяжного простору замість трьох фізіологічних параметрів: частоти серцевих скорочень, ректальної і шкірних температур тіла людини, необхідні для розрахунку існуючого теплового балансу.

Розрахунок параметрів системи охолодження кистей рук у першому варіанті не складає особливих труднощів, а тому проведені теоретичні дослідження динаміки витрати рідини в системі охолодження стіп ніг пожежного “холодильник - трубка - компресор”.

Холодильник - кишеня з брикетами льоду, заповнена водою; трубопровід - гнучка з’єднувальна трубка; компресор – ємність, що стискується, розташована у взутті пожежного у виді устілки. Компресор служить для нагнітання рідини в холодильник у період натискування взуття на ґрунт. Рідина повертається в компресор після відриву ноги від ґрунту.

У результаті інтегрування диференціального рівняння руху рідини вздовж трубопроводу з урахуванням рівняння нерозривності отримана залежність витрати рідини в трубопроводі від діючих зовнішніх і внутрішніх сил:

, (8)

де - безрозмірні перемінні; - коефіцієнт нерівномірності розподілу рідини у поперечному перерізу потоку; - відносна величина тиску на кінцях трубопроводу; - у період висхідного посування рідини (ВП), у період низхідного посування (НП); - коефіцієнт гідравлічного опору; ; - число Фруда; - витрата при характерній швидкості рідини; , а - відповідно, відстань між холодильником і компресором, висота компресора, діаметр трубопроводу, м.

Крайова умова:

(9)

Рішення (8) із крайовою умовою (9), отримане чисельним методом Рунге-Кутта, дорівнювалося з аналітичним, при цьому отримано, що в реальному діапазоні зміни діаметра трубопроводу 5...10 мм розбіжність між ними не перевищує 5 %, а моделювання припинялося, як тільки витрата рідини, яка пройшла по трубопроводу, досягала значення обсягу рідини в компресорі, тобто визначалася тривалість періоду ВП і НП.

Дослідження показали, що найбільш істотним чинником, що впливає на швидкість витікання рідини з компресору або холодильника, є діаметр трубопроводу (рис. 3), а з урахуванням діапазону зміни швидкості руху пожежників обраний його діаметр, рівний 810-3 м.

Рис. 3. Залежність терміну витікання рідини від діаметру трубопроводу:

1 – з компресору; 2 – з холодильника

Побудована математична модель і отримані результати дослідження динаміки витрати рідини в трубопроводі системи охолодження ніг пожежника використані при розробці методики моделювання ефективності її функціонування в залежності від гідравлічних, теплових параметрів і температури навколишнього середовища з метою вибору оптимальної конструкції. Для збільшення запасу холоду відповідно до другого варіанту в рукавиці з тильної сторони руки розташовані полуторні ОЕ-2, в устілці вода заморожується в повному обсязі, а надалі, після танення льоду, система охолодження стіп ніг функціонує аналогічно, як для протитеплового одягу гірничорятувальників.

При математичному моделюванні температури Т = Т(х, ) в оболонці рукавиці (устілки) передбачається, що вона в загальному складається з чотирьох шарів: зовнішнього товщиною н , повітряного, водяного або крижаного прошарку , внутрішнього в і повітряного прошарку підкостюмного простору п, м.

У результаті задача зводиться до розв’язання такої системи рівнянь: |

; | (10)

t(н – , F0) = 1; t(ч , F0) = tп ;

де , ; Nu, Fo - числа Нуссельта і Фур'є, - нескінченно мала величина, = х/, t = Т/Тс , індекси “н”, “в”, “э” і “п” указують на значення величини для зовнішніх, внутрішньої поверхонь оболонки одягу, льоду охолоджуючого елемента і підодяжного простору.

Система (10) вирішувалася чисельним методом для задач теплообміну і динаміки рідин по явній схемі. Розрахункова сітка подана вузлами i = iн…ir, отриманими шляхом умовного поділу оболонки одягу на шари з кроком = 0,1. Числа Фур'є і Нуссельта замінилися сітковими аналогами. Усталеність розрахункової схеми забезпечувалася виконанням умови = аFо/2 = 1/6. При розрахунках використовувався чотирьохкрапковий шаблон виду , де n - крок за часом.

Варіанти моделювання динаміки температури в окремих шарах оболонки і по всій товщині подані на рис. 4 і 5.

Рис. 4. Динаміка температури в різних шарах оболонки костюма при таненні льоду в системі місцевого охолодження:

1 – зовнішня поверхня костюма; 2,3,4 – зовнішня, серединна і внутрішня поверхні

ОЕ-2; 5 – внутрішня поверхня оболонки костюма; 6–серединна поверхня підкостюмного простору.

Рис. 5. Динаміка температури за товщиною оболонки костюма

Отримана числова модель дозволяє досліджувати динаміку температур у зовнішньому і внутрішньому шарах оболонки рукавиці (взуття), а також температури охолоджуючих елементів і в підкостюмному просторі в залежності від температури навколишнього середовища, теплофізичних параметрів шарів і охолоджуючих елементів.

На підставі проведеного аналізу результатів теоретичних і експериментальних досліджень, отриманих раніше в НДІГРС “Респіратор”, уточнений тепловий баланс пожежника при роботі в одязі , що не ізолює , у діапазоні температур навколишнього середовища 25 оС tс 60 оС за рахунок введення в рівняння теплових потоків конвекції, випромінювання і випаровування поту відповідно, Вт,

Фс = К S hc (tc - 35)/(1 + 0,155 hc R) ,

r=4,2310-8К S ((tc+tr+273)49109)/(0,85R+1), (11)

em = 0,011 hc К S (pc 5623)/(1 + 0,143hcR),

коефіцієнта, величина якого приймає значення

(12)

Такий підхід надалі буде підтверджений результатами наступних експериментальних досліджень.

У третьому розділі подані результати експериментальних досліджень однієї з основних складових теплового балансу системи “навколишнє середовище - захисний одяг - людина” - енерговитрат і теплового стану організму пожежних у захисному одязі.

Дослідження по визначенню енерговитрат проводилися при виконанні певного набору вправ в ізолюючих протигазах в одязі, що не ізолює, а тепловий стан організму в ізолюючому термостійкому одязі з водольодяною системою охолодження і без неї, а також в одязі, що не ізолює, у лабораторних і полігонних умовах НДІГРС “Респіратор” із притягненням від трьох до семи пожежників, що мають досвід роботи в апаратах захисту органів подиху і ведення аварійно-рятувальних робіт.

За даними досліджень побудовані графічні й отримані апроксимуючі залежності енерговитрат пожежників від маси спорядження і вантажу, який вони переносять, швидкості руху, висоти отвору ділянки, що подолається, кута нахилу і напрямку прямування (нагору або униз), а також при урахуванні двох найбільш характерних параметрів: швидкості пересування і маси вантажу. При цьому встановлено, що енерговитрати пожежників найчастіше приймають значення вище за 480 Вт, що відносяться до категорії роботи “дуже важка”, яка раніш враховувалася тільки при їхньому русі нагору по вертикальній драбині. По наведених залежностях створена програма, що дозволяє визначати енергетичне навантаження на членів підрозділів пожежної охорони при плануванні різноманітних їхніх маршрутів на навчальних полігонах, веденні аварійно-рятувальних робіт, а також досліджувати тепловий баланс, забезпечуючи при цьому безпеку пожежників.

Дослідження теплового стану організму пожежників в ізолюючому одязі виконувалися в тепловій камері при температурі навколишнього повітря (1001) оС, і на полігоні під час вогневих іспитів при дії теплового променистого потоку вогнища пожежі 5 кВт/м2. Датчики температур кріпилися в підодяжному просторі в області лоба, груди, передпліччя, гомілки, стопи ноги і кисті руки. Додатково фіксувалася частота серцевих скорочень.

У результаті проведених досліджень установлено, що з урахуванням санітарної норми для важкої праці температури підодяжного простору близько 30 оС, допустима тривалість роботи пожежників в одязі із системою охолодження приблизно в п'ять разів вище, ніж без неї, причому цей факт підтверджується значенням частоти серцевих скорочень, яке дорівнює близько 150 мин-1, а температура в області кистей рук і стіп ніг із додатковим їхнім охолодженням (другий варіант) нижча, ніж в іншій частині тіла пожежників і, навпаки, в одязі без охолодження.

Погрішність результатів розрахунку і даних експериментальних досліджень тривалості роботи в костюмі ПТК-80 для гірничорятувальників із системою місцевого охолодження першого варіанту не перевищує 10 % (рис. 6), що підтверджує можливість використання математичної моделі й отриманих результатів досліджень динаміки витрати рідини в системі охолодження ніг пожежника при моделюванні ефективності її функціонування в залежності від гідравлічних, теплових параметрів і температури навколишнього середовища для вибору оптимальної конструкції.

Рис. 6 – Порівняльні результати розрахунку (1) допустимої тривалості роботи

гірничртувальників у костюмі ПТК-80 з даними експериментальних досліджень (2)

Підтверджено адекватність результатів розрахунку уточненого теплового балансу організму пожежника при ерготермічних навантаженнях в одязі , що не ізолює , на основі даних серій експериментів, отриманих інститутом ДМТ у ФРН (максимальна погрішність близько 14 %) і в результаті досліджень у тепловій камері при температурі повітря 30 оС за участю професіональних пожежників (максимальна погрішність 12,4 %). Встановлено, що допустима тривалість роботи з відносною вологістю повітря 100 % і середньою тяжкістю роботи при дослідженні уточненого теплового балансу в порівнянні з існуючим для температур 27, 30 і 35 оС нижче, відповідно, більш ніж у 1,6, приблизно в 1,5 і 1,2 разу, а дані тривалості роботи пожежників для температур 31 і 35 оС перевищують у 1,5 і 1,2 разу, що може привести до перегріванню їхнього організму.

У четвертому розділі викладені алгоритми розрахунку параметрів захисного одягу, результати досліджень, технічні характеристики протитеплових засобів для пожежників із двома варіантами охолодження і розрахунок річного економічного ефекту від упровадження результатів роботи.

Використовуючи математичні моделі нестаціонарних процесів теплообміну організму пожежника в ізолюючому одязі з другим варіантом системи місцевого охолодження, розроблено алгоритм розрахункової програми “Термоекстрем-1” для визначення допустимої або граничної тривалості роботи. У результаті теоретичних досліджень установлено, що максимальна погрішність результатів розрахунку і даних експериментів допустимої тривалості роботи пожежних в одязі з системою охолодження не перевищує 16 %, без неї - 12 %, використання полуторних ОЕ-2 в області зовнішніх поверхонь кистей рук і льоду в устілках стіп ніг пожежника збільшує час захисної дії цих ділянок тіла приблизно в 1,4 разу, збільшення товщини повітряних прошарків оболонки , що теплоізолює , на 2 мм при фіксованому її значенні 3 мм - у середньому на 15 %. При цьому допустима тривалість роботи пожежників у костюмі “Индекс–1200” підприємства “МРІЯ-ІНВЕСТ” у діапазоні температур 100-500 оС дорівнює від 18 до 8 хв.

Отже, обґрунтовано новий комплексний критерій оцінки ізолюючих властивостей захисного одягу за рахунок визначення теплового стану пожежних, який базується на використанні значення температури в підкостюмному просторі. Це дозволило істотно знизити затрати на проведення трудомістких експериментальних досліджень.

На базі уточненого теплового балансу організму пожежника розроблено алгоритм розрахункової програми “Термоекстрем-2” у двох варіантах: для розрахунку параметрів теплообміну між організмом і навколишнім середовищем і спрощений для оперативного визначення допустимої і граничної тривалості роботи в одязі , що не ізолює, при підвищеній температурі навколишнього повітря з урахуванням його вологості і швидкості руху, тяжкості виконуваної роботи (фізичного навантаження) і теплового потоку при використанні дихального апарату. Програма “Термоекстрем-2” дозволяє аналізувати вплив на теплообмін організму пожежника багатьох факторів, а також визначити значення безпечних параметрів його роботи при ерготермічних навантаженнях, тому повинна ввійти в нормативний документ, виконання якого забезпечить ефективне і безпечне ведення аварійно-рятувальних робіт.

На основі проведених досліджень визначені технічні характеристики протитеплових охолоджуючих костюмів для пожежників: ПТОК-1 із першим варіантом системи місцевого охолодження, аналогічним застосовуваним для гірничорятувальників, і ПТОК-2 із використанням другого варіанта, що у 1,6 разу менше по масі в спорядженому вигляді і вище по допустимій тривалості роботи відповідно в 1,6 і 2,2 разу костюма ПТК-300 для гірничорятувальників аналогічного призначення (гасіння пожеж) при температурі навколишнього середовища 300 оС.

Для технічного забезпечення костюмів найбільш доцільно використовувати морозильні камери з температурою повітря мінус 13...15 оС, які повинні знаходитися на оснащенні підрозділів пожежної охорони; для збереження і доставки заморожених ОЕ-2 до місця ведення робіт - контейнери К-2, що термоізолюють, які застосовуються гірничорятувальниками; для захисту органів подиху - респіратори РС, розроблені НДІГРС “Респіратор”.

Костюми і програма “Термоекстрем-2” передані Головному Управлінню надзвичайних ситуацій Львівської області для дослідної експлуатації і можуть бути використані для ДВГРС Мінпаливенерго України, аварійно-рятувальних підрозділів інших галузей народного господарства.

Очікуваний річний економічний ефект від упровадження протитеплових охолоджуючих костюмів, їхнього технічного забезпечення і зниження витрат на проведення випробувань за рахунок скорочення їхньої кількості дорівнює 292220 грн.

В и с н о в к и

У дисертаційній роботі, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і вирішена актуальна науково-практична задача створення захисного одягу пожежних для проведення пожежно-рятувальних робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах, що полягає в удосконаленні математичної моделі теплообміну організму пожежного при високих ерготермічних навантаженнях в ізолюючому одязі; обґрунтуванні нового комплексного критерія оцінки ізолюючих властивостей захисного одягу і в уточненні складових частин теплового балансу організму пожежного у системі “навколишнє середовище – неізолюючий захисний одяг – людина”, що включає конвекцію, радіацію і випар поту пожежного, що дозволило обґрунтувати основні параметри захисного одягу пожежних.

Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації роботи полягають у наступному:

1. Високий рівень безпеки пожежників при веденні робіт в умовах високих ерготермічних навантажень (температури навколишнього середовища понад 60 оС, вологості повітря до 100 %, теплового променистого потоку понад 4,1 кВт/м2 і енерговитрат - 320 Вт) досягається за рахунок використання зовнішньої термостійкої тепловідбиваючої ізолюючої від зовнішнього середовища оболонки, розробленої підприємством “МРІЯ-ІНВЕСТ”; радіаційно-конвективної водольодяної системи охолодження - НДІГРС “Респіратор” із локально розташованими в області основної частини тіла охолоджуючими елементами ОЕ-2; місцевого кондуктивного охолодження за допомогою льоду в устілках стіп ніг у системі, аналогічній для гірничорятувальників, полуторних ОЕ-2, розміщених у рукавицях в області зовнішньої частини кистей рук.

2. Обґрунтовано новий комплексний критерій оцінки ізолюючих властивостей захисного одягу за рахунок визначення теплового стану пожежних, який базується на використанні значення температури в підкостюмному просторі. Це дозволило замінити три раніше використовувані фізичні параметри: частоту серцевих скорочень, ректальну і шкірні температури, визначення значень яких є досить трудомістким процесом, одним параметром – температурою в підкостюмному просторі.

3. Адекватне урахування експериментальних значень теплових потоків за рахунок конвекції, випромінювання і випарювання поту в тепловому балансі системи “навколишнє середовище - одяг , що не ізолює - людина” дозволило підвищити точність (максимальна погрішність 12,4 %) визначення основної характеристики одягу - допустимої тривалості роботи для температур навколишнього середовища 27-35 оС приблизно в 1,6-1,2 разу. Встановлено, що допустима тривалість роботи пожежників при 100 % вологості повітря і середній тяжкості робіт для температур 31 і 35 оС завищена відповідно в 1,5 і 1,2 разу, що може привести до перегрівання їхнього організму.

4. Встановлені емпіричні залежності однієї з основних складових теплового балансу системи “навколишнє середовище - захисний одяг - людина” - енерговитрат організму пожежників від виду й умов виконання пожежно-рятувальних робіт: маси переносимого спорядження і додаткового вантажу, швидкості пересування, висоти отвору ділянки, що подолається, кута нахилу і напрямку пересування (нагору або униз), а також від сумісної дії швидкості пересування і переносимого вантажу. При цьому енерговитрати пожежників перевищують значення 480 Вт при швидкості пересування 0,83 м/с і з постраждалим і 1,1 м/с і з вантажем 30 кг, при пересуванні з постраждалим під кутом понад 47о і без вантажу - 62о., відносяться до категорії “дуже важкої”, що не враховувалася раніше при цих фізичних навантаженнях.

5. Результати розрахунку допустимої тривалості роботи пожежників в ізолюючому одязі задовільно узгоджуються з даними експериментальних досліджень, проведених у тепловій камері і при вогневих випробуваннях, максимальна погрішність яких для одягу із системою охолодження не перевищує 16 %, без неї – 12,4 %, причому допустима тривалість роботи в першому випадку в п'ять разів вище, ніж у другому, використання льоду в системах місцевого охолодження стіп ніг і кистей рук збільшує час захисної дії в 1,4 разу , збільшення товщини повітряних прошарків оболонки , що теплоізолює, на 2 мм при фіксованому значенні 3 мм - у середньому на 15 %.

6. Розроблено алгоритми і програми “Термоекстрем-1” і “Термоэкстрем-2” розрахунку параметрів ізолюючого одягу з водольодяною системою охолодження, без неї і захисного одягу , що не ізолює, а також зразки термостійких протитеплових костюмів для пожежників ПТОК-1 із системою охолодження, аналогічною для костюмів гірничорятувальників, і ПТОК-2 із використанням льоду в устілках ніг і полуторних ОЕ-2 у рукавицях, що переважають по технічних характеристиках костюм гірничорятувальний, призначений для гасіння пожеж, ПТК-300: у 1,6 разу менші по масі та вищі по тривалості роботи при температурі навколишнього середовища 300 оС відповідно в 1,6 і 2,2 разу.

7. Для технічного забезпечення костюмів доцільно використовувати морозильні камери, що серійно випускаються, з температурою повітря мінус 13...15 оС; для збереження і доставки заморожених ОЕ-2 до місця ведення аварійно-рятувальних робіт - термоізолюючі контейнери К-2,які застосовуються гірничорятувальниками; для захисту органів дихання - респіратор РС, розроблений НДІГРС “Респіратор”.

8. Методи розрахунку параметрів захисного одягу і костюми для пожежників із системою охолодження, що передані для дослідної експлуатації в Головне Управління надзвичайних ситуацій Львівської обл., можуть бути використані ДВГРС Мінпаливенерго та аварійно-рятувальними підрозділами інших галузей народного господарства України.

9. Очікуваний річний економічний ефект від упровадження костюмів і технічного їхнього забезпечення, зниження витрат на проведення експериментальних досліджень і випробувань дорівнює 292220 грн.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Гаврилко О.А. Математичне моделювання нестаціонарного переносу тепла в захисному одязі пожежних і гірничорятувальників з водольодяною системою охолодження// Пожежна безпека: Зб. наук. праць, ЛІПБ; УкрНДІПБ МНС України.– Львів, 2002.– № 3.– С. 76-82.

2. Гаврилко А.А., Марийчук И.Ф., Ревякин А.В. Теоретические исследования динамики расхода жидкости в системе охлаждения ног пожарного// Науковий вісник УкрНДІПБ. – 2002. – № 2. – С. 217-222.

3. Вольский В.А., Гаврилко А.А., Марийчук И.Ф. Энергетичекие показатели пожарных при передвижении в аварийной обстановке// Горноспасательное дело: Сб.науч.тр./НИИГД “Респиратор”. – Донецк, 2003. – С. 51-56.

4. Карпекин В.В., Гаврилко А.А. Определение зависимости энергозатрат человека от массы груза// Уголь Украины.– 2003.– № 11 . – С. 14-15.

5. Гаврилко А.А., Болибрух Б.В., Карпекин В.В. Допустимая продолжительность работы при эрготермических нагрузках// Пожежна безпека: Зб. наук. праць, ЛІПБ; УкрНДІПБ МНС України.– Львів, 2003.– № 3.– С. 101-106.

6. Гаврилко А.А. Моделирование динамики температур в системах местного охлаждения защитной одежды пожарных// Пожежна безпека: Сб.наук.праць, ЛІПБ; УкрНДІПБ МНС України.– Львів: 2004.– № 4.– С. 20-25.

7. Пат. 56625 А Україна, МПК 7 G01 № 33/36. Спосіб оцінки горючості матеріалів/ Б.В.Болібрух, В.В.Ковалишин, О.М.Сарана, О.С.Засорнов, В.О.Злотніков, А.А.Мичко, О.А.Гаврилко – Опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5.

8. Гаврилко А.А. Защита пожарных при эрготермических нагрузках// Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий: Тезисы докладов международной научно-практической конференции. – Донецк, 2002. – С. 44-45.

9. Вольский В.А. Гаврилко А.А., Энергозатраты пожарных при ведении работ в условиях нагревающего микроклимата// Проблемы охраны труда и техногенно-экономической безопасности: Тезисы докладов 8-й международной научно-технической конференции. – Севастополь, 2003. – С. 34-36.

10. Гаврилко А.А., Карпекин В.В. Безопасная продолжительность работы аварийно-спасательных подразделений: Форум горняков: Тезисы докл. 8-й международн. научн.-техн. конф.// Сб. науч. тр. НГУ.- Днепропетровск, 2003. - т.2, С. 391-395.

11. Гаврилко О.А. Теплозахист пожежних в екстремальних умовах пожежегасіння і виконання аварійно-рятувальних