КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

ОСТАПЕНКО НАТАЛІЯ ВАЛЕНТИНІВНА

УДК 687.174:687.016

РОЗРОБКА СПЕЦІАЛЬНОГО термоЗАХИСНОГО ОДЯГУ

ДЛЯ ВЕДЕННЯ АВАРІЙНО-РЯТУВАЛЬНИХ РОБІТ

Спеціальність 05. 19. 04 – технологія швейних виробів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Колосніченко Марина Вікторівна,

Київський національний університет технологій та дизайну, завідувач кафедри ергономіки і проектування одягу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, академік Академії інженерних наук України, Березненко Микола Петрович, Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри технології та конструювання швейних виробів

кандидат технічних наук, доцент Мищенко Ганна Іллівна, Хмельницький університет економіки і підприємництва, доцент кафедри менеджменту організацій

Провідна установа: Хмельницький національний університет

Міністерства освіти і науки України (м. Хмельницький)

Захист відбудеться ” 22 ”_лютого_ 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.03 в Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м.Київ, вул. Немировича-Данченка, 2

Автореферат розісланий ”19” січня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Н.В.Первая

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Нафтогазова промисловість України є важливою галуззю народного господарства України, яка відіграє головну роль у енергетичному балансі країни. Все гостріше встає проблема дефіциту запасів нафти та газу, про що свідчить прийняття Урядом національної програми “Нафта і газ України до 2010 року”, яка була схвалена постановою Кабінету Міністрів України №125 від 17.02.1995р., а також покладена в основу Концепції розвитку паливно-енергетичної програми України на період до 2010р. Газ та нафта складають 63% усіх енергоносіїв, які споживаються в Україні, а газ складає 45% усіх енергоносіїв у країні (інше – це нафта, вугілля, ядерне пальне та інше). Причому Україна задовольняє свої потреби в газі власного видобутку лише на 24% і займає 3 місце у світі за обсягом закупівлі газу і шосте місце за обсягом споживання газу.

Нормативна база в галузі розроблення, виробництва і використання засобів індивідуального захисту потребує перегляду, а також напрацювання нових нормативних актів відповідно до європейських норм. Тому Постановою Кабінету Міністрів від 8 серпня 2001р. №952 було затверджено Програму розвитку виробництва засобів індивідуального захисту (ЗІЗ) працівників на 2001 – 2004 роки. Програма підготовлена з урахуванням вимог Указу Президента від 14.09.2000р. №1072 “Про Програму інтеграції України до Європейського Союзу”.

Реалізація заходів всіх Програм та указів дасть змогу забезпечити захист працівників від дії НШВФ, знизити рівень травматизму та профзахворюваності, удосконалити нормативно-правове забезпечення розроблення та освоєння виробництва нових різновидів ЗІЗ, підвищити якість зазначених виробів до рівня європейських стандартів. Це сприятиме забезпеченню працівників ЗІЗ вітчизняного виробництва, що зменшить залежність від імпорту, та збільшенню кількості робочих місць.

Актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена розробкою більш ефективного вітчизняного спеціального термозахисного одягу із прогнозованими характеристиками та підвищеними вимогами до надійності і терміну експлуатації.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з науковим напрямом № Н/н 1.06. 1998-2007 рр. „Нові наукомісткі технології виробництва матеріалів, виробів широкого вжитку та спеціального призначення” відповідно до перспективних планів науково-дослідної роботи кафедри технології та конструювання швейних виробів КНУТД, а також наукового розділу №Н/н 1-06-5/06 „Теоретичні та практичні основи створення спеціального, виробничого, форменого, спортивного одягу та технологічних процесів раціонального використання матеріалів”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка спеціального захисного одягу для ведення аварійно-рятувальних робіт в умовах підвищених температур та інфрачервоного випромінювання. Робота спрямована на підвищення ефективності використання спеціального термозахисного одягу із

прогнозованими характеристиками та підвищеними вимогами до надійності і терміну експлуатації.

Задачі дослідження. Досягнення поставленої мети реалізовано шляхом вирішення наступних задач:

- вивчення фізіологічних реакцій організму людини на дію підвищених температур;

- теоретичні дослідження теплообміну в системі „людина – одяг – оточуюче середовище”;

- вивчення особливостей теплообміну людини, захищеної одягом у вигляді пакету текстильних матеріалів, з оточуючим середовищем в умовах підвищених температур;

- розробка установки і методики для дослідження теплофізичних властивостей пакету текстильних матеріалів;

- експериментальні дослідження теплофізичних властивостей пакету текстильних матеріалів в умовах підвищених температур;

- фізіолого-гігієнічні дослідження і натурні випробування аварійно-рятувального одягу у виробничих умовах;

- визначення ефективності застосування аварійно-рятувального одягу у конкретних виробничих умовах.

Обєктом досліджень є процес підвищення якості спеціального одягу для робітників під час ліквідації відкритих газових фонтанів, що горять.

Предметом досліджень є розробка спеціального термозахисного одягу для ведення аварійно-рятувальних робіт.

Методи досліджень. Теоретичною та методологічною основою є теорія тепломасопереносу, теорія автоматичного управління, основні положення технології швейно-трикотажного виробництва, метод математичного планування експерименту, експертних оцінок та математичної статистики. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних умовах та в умовах реального виробництва.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

- розроблено математичну модель теплообміну організму людини крізь пакет одягу з оточуючим середовищем, яка дозволяє прогнозувати час захисної дії одягу при визначеному пакеті матеріалів;

- обґрунтовано вибір раціональних пакетів комплектів спецкомбінезонів для аварійно-рятувальних робіт у нафтогазовому комплексі.

Новизна отриманих результатів підтверджується 3 патентами на промислові зразки та патентом на винахід.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено проектно-технологічні рішення комплектів термозахисних комбінезонів (патент на промисловий зразок від 29.12.1999р. №3290 і патент на промисловий зразок від 26.02.1999р. №2650) із застосуванням раціонального пакету текстильних матеріалів;

- на основі аналізу діяльності аварійно-рятувальних підрозділів розроблено рекомендації щодо вибору раціональних пакетів текстильних матеріалів спецодягу, призначеного для аварійно-рятувальних робіт у

нафтогазовому комплексі в умовах підвищених температур та інфрачервоного випромінювання;

- розроблено установку та оригінальну методику для вимірювання теплофізичних характеристик матеріалів і пакетів спецодягу при пасивному термічному захисті з пошаровим зняттям температур в пакеті матеріалів;

- на основі теорії автоматичного управління розроблено термоелектричний пристрій для вимірювання температури, перевагою якого є підвищена чутливість термопари, що забезпечує об’єктивність оцінки результатів;

Термозахисні комбінезони впроваджено на підприємстві „Укрбургаз” об’єднання „Укргазпром”. Розраховано очікуваний соціально-економічний ефект від впровадження комплектів термозахисних комбінезонів, що складає близько 3100 грн. на рік на один комплект.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі літературних джерел, постановці задач за темою дисертаційної роботи, а також визначенні предмету досліджень. За безпосередньою участю здобувача виконано теоретичні та експериментальні дослідження, розроблено установку і метод дослідження стійкості пакетів матеріалів до дії високотемпературного середовища. Здійснено планування та проведення експерименту, оброблено отримані результати, визначено показники якості матеріалів та пакетів спецодягу за стандартними методиками. За безпосередньої участі автора виготовлено комплект термозахисних спецкомбінезонів.

Апробація роботи. Основні положення роботи та окремі її результати доповідались та отримали позитивну оцінку на Третій Міжнародній конференції „Пожежна безпека – 2001” (м. Львів), щорічних науково-технічних конференціях молодих вчених та студентів Київського національного університету технологій та дизайну (КНУТД) (м. Київ, 1997 – 2006 рр.). Результати роботи доповідались та отримали позитивну оцінку на засіданнях кафедри технології та конструювання швейних виробів та кафедри антропології і проектування одягу КНУТД. Розроблений спецодяг демонструвався в експозиціях Міжнародної спеціалізованої виставки „Військове обмундирування. Спецодяг. Засоби захисту - 2004” (м. Київ, Міжнародний виставковий центр), Міжнародної спеціалізованої виставки „Промисловий форум” (2006 р.), а в 2004 та 2005 рр. – в експозиції постійно діючої виставки „Україна сьогодні” під патронатом Президента України (м. Київ, НВЦ).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 робіт, з яких 4 наукові статті у спеціалізованих виданнях ВАК України, 2 тези доповідей на наукових конференціях, 4 патенти України на винахід та промислові зразки.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п`ятьох розділів з висновками, загальних висновків, списку використаних джерел з 119 найменувань та 4 додатків. Дисертацію подано на 148 сторінках друкованого тексту, в тому числі 44 ілюстрації, 18 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі досліджень, показано наукову новизну, особистий внесок здобувача і практичне значення роботи.

У першому розділі розглянуті передумови розробки спеціального термозахисного одягу для ведення аварійно-рятувальних робіт.

Результат аналізу сучасного стану проблеми створення ефективного спеціального термозахисного одягу для ведення аварійно – рятувальних робіт під час ліквідації відкритих фонтанів, що горять, обумовив необхідність розробки більш якісного і порівняно недорогого вітчизняного спеціального термозахисного одягу із прогнозованими властивостями з одночасним підвищенням вимог до його надійності та терміну експлуатації.

Фахівці провідних організацій впродовж тривалого часу розробляли різні види спеціального термозахисного одягу, а також наукові підходи до проектування лабораторно-приборної бази з оцінки його якості. Роботи Кондратьєва Г.М., Бігункової Г.Ф., Колеснікова П.А, Романова В.Є., Трет`якової Л.І., Колосніченко М.В. та інших присвячені вивченню процесів теплопередачі крізь матеріали і пакети, системному підходу до проектування спецодягу, а також методам наближеного теплового розрахунку одягу.

Аналіз загальних підходів до процесу створення нових різновидів спеціального одягу підтвердив необхідність поєднання основних взаємопов`язаних складових: обґрунтованого вибору багатошарового пакету матеріалів та проектно-технологічних рішень з урахуванням встановлених ергономічних вимог.

Аналіз текстильних матеріалів дав змогу обґрунтовано звузити коло існуючих матеріалів для одягу з теплозахисними властивостями для проведення пошукового експерименту. Доведено, що найкращі теплозахисні характеристики мають матеріали з поліамідних і метаарамідних волокон: найкращий теплоізоляційні – матеріали та голкопробивні полотна з цих волокон різної поверхневої щільності та товщини, а тепловідбивні характеристики – композиційні матеріали з метаарамідних волокон з нанесеною металізацією.

Встановлено, що за умов сталого психоемоційного стану робітника показником теплового комфортного стану людини є середньозважена температура поверхні шкіри (34±10С), а критерієм припинення роботи та виведення людини з небезпечної зони є середньозважена гранично-припустима температура повітря підкостюмного простору, що дорівнює 420С, при безперервному використанні спецодягу.

Аналіз методів досліджень показав, що існуючі установки і методи визначення стійкості пакетів матеріалів до дії високотемпературного середовища не адекватно моделюють реальні умови впливу високотемпературних факторів, не дозволяють досліджувати пакети значної товщини, не в повній мірі розкривають характер процесів, що відбуваються в пакеті матеріалів, і, як наслідок, не забезпечують об`єктивну оцінку результатів отриманих при лабораторних і виробничих випробуваннях.

За викладеними в розділі результатами аналітичного огляду визначено мету, об’єкт, предмет і задачі дослідження, що у подальшому забезпечило розробку спеціального термозахисного одягу для ведення аварійно-рятувальних робіт.

Другий розділ присвячено теоретичному обґрунтуванню розробки різновидів спеціального термозахисного одягу.

Відсутність повної інформації щодо різновидів відкритих фонтанів на нафтогазових родовищах стала причиною запропонованої їх структуризації на основі літературних джерел (рис. 1), що дало змогу визначити та систематизувати номенклатуру небезпечних та шкідливих факторів при ліквідації фонтанів, що горять (рис.2).

Рис. 1. Класифікація відкритих фонтанів при аваріях

на нафтогазових родовищах

При цьому найбільшу небезпеку становлять високі температури повітря робочої зони (400С - 2000С), рухливість повітря (до 6 м/с з поривами до 12 м/с) та теплове випромінювання (до 5 кВт/м2), контакт з нагрітими предметами, тощо.

В основу розроблення фізичної моделі нестаціонарного процесу радіаційно - конвективного теплообміну в системі “людина – одяг – оточуюче середовище” покладено відомі методи.

На рис. 3 запропоновано схему пасивного теплозахисту, для якої прийнято ряд припущень: повітряне середовище та пакет матеріалів розбиваються на ряд правильних фізичних та геометричних елементарних об’ємів, термічні опори кожного з них вважаємо визначеними в центральній вузловій точці; пакет матеріалів вважається умовно сухим; підодяговий повітряний прошарок між тілом і пакетом одягу є сталою величиною по всій площі.

Рис. 2. Номенклатура небезпечних та шкідливих факторів

при ліквідації фонтану, що горить

При проектуванні термозахисного спеціального одягу головною вимогою є збільшення тривалості захисної дії.

Рис. 3. Фізична модель нестаціонарного процесу теплообміну

Зона І – фонтан, який горить (осередок пожежі);

зона ІІ – відстань між фонтаном та пакетом спецодягу, Lд, м;

зона ІІІ – пакет спецодягу товщиною Lп, м;

зона ІV – повітряний прошарок підодягового простору товщиною к, м;

зона V – тіло людини;

И-И – зовнішня поверхня фонтану;

Z-Z – зовнішня поверхня пакету спецодягу;

І-І – внутрішня поверхня пакету спецодягу;

К-К – поверхня тіла людини;

Qи, Qz, Qі, Qк – щільність теплового потоку з поверхні фонтану, з зовнішньої та внутрішньої поверхні пакету, з поверхні тіла людини відповідно, Вт/м2;

Ти, Тz, Ті, Тк – температура поверхні фонтану, зовнішньої та внутрішньої поверхні пакету, поверхні тіла людини відповідно, 0С;

и, z, і, к – коефіцієнт ступеню чорноти поверхні фонтану, зовнішньої та внутрішньої поверхні пакету, поверхні тіла людини відповідно;

lд, lп – величини ділянок розбивки повітряного шару оточуючого середовища та пакету одягу відповідно, м;

1....m – номер вузлової точки.

Температура випромінювання при заданому тепловому потоці:

, (1)

де Ти, Тz – температура поверхні фонтану та зовнішньої сторони пакету відповідно, 0С;

Qи – щільність теплового потоку з поверхні фонтану, Вт/м2.

Зведений коефіцієнт чорноти визначається згідно формули:

, (2)

де и, z – коефіцієнти ступеню чорноти поверхонь випромінювання фонтану та зовнішньої сторони пакету відповідно;

Знаючи Ти температуру для внутрішньої вузлової точки 2, отримаємо:

. (3)

Рівняння теплового балансу у кінцевих різницях для 11-ої вузлової точки:

, (4)

Після перетворень та введення критерію Фур’є для 12-ої вузлової точки пакету матеріалів формула:

, (5)

а для внутрішньої поверхні пакету матеріалів:

. (6)

Середньозважена температура поверхні шкіри людини:

. (7)

де р.к, к.к - коефіцієнти радіаційної та конвективної тепловіддачі від внутрішньої поверхні пакету до поверхні шкіри людини, Вт/(м2К).

Доведено, що здійснення підбору матеріалів із попередньо визначеними теплофізичними і оптичними характеристиками матеріалів пакету спецодягу для конкретних умов експлуатації є можливим вже на етапі проектування.

За участю автора розроблено термоелектричний пристрій та метод проведення досліджень, що забезпечує вимірювання температури в повітряних прошарках пакетів матеріалів. На рис. 4 наведено графік залежності температури робочого спаю термопари у часі від струму спаю різної полярності, на рис.5 градуйовану характеристику термоелектричного термометру на основі напівпровідникової термопари, в якому забезпечено підвищення точності вимірювання температур шляхом виключення похибок від нестабільності та нелінійності характеристик термопари.

Рис. 4. Залежність температури робочого спаю напівпровідникової термопари у часі від струму спаю різної полярності

На початку експлуатації пристрій з напівпровідниковою термопарою

калібрують при відомій температурі Тк, яку вибирають з умови:

(8)

де Тк - температура, при якій пристрій з напівпровідниковою термопарою калібрують, 0С; Тмакс і Тмін - максимальна і мінімальна температури діапазону вимірювання, 0С.

ТермоЕРС Е1/, яка утворюється робочим спаєм двох напівпровідникових електродів, можна представити у вигляді:

(9)

де - коефіцієнт Зеєбека робочого спаю двох напівпровідникових електродів при температурі Тк ;

- коефіцієнт Зеєбека вільних кінців термопари при температурі Т0.

Так як коефіцієнт Зеєбека функціонально залежить від температури, то градуювальна характеристика термопари, особливо напівпровідникової, є нелінійною. Але поблизу робочої точки градуювальної характеристики, яка задається температурою Тк, невеликі зміни температури Т (ТТк) викликають пропорційні, тобто лінійні зміни термоЕРС. ТермоЕРС Е2/ робочого спаю визначається згідно формули:

, (10)

де - час охолодження спаю, с; Rc – електричний опір робочого спаю, Ом; І0 – оптимальний струм охолодження, А; С – еквівалентна ємність спаю, мкФ.

Внаслідок реверсивності ефекту Пельтьє в робочому спаї відбувається виділення теплоти і підсумовування теплоти Джоуля і Пельтьє, що веде до швидкого зростання температури спаю, а термоЕРС приймає значення:

(11)

Час охолодження і нагрівання t вибирають таким, щоб температура охолодження і перегріву робочого спаю відносно Тк не перевищувала значення Т (0.05…0.1) Тк

Рис. 5. Градуйована характеристика термометра

В результаті калібровки пристрою отримують цифрові коди термоЕРС термопари Е1/, Е2/, Е3/, значення яких заносять в память мікропроцесорного контролера. Параметри калібровки t, Тк і І0 заносять в память мікропроцесорного контролера на початку експлуатації пристрою.

Результат вимірювання температури Тх пристроєм буде мати адитивну і мультиплікативну складові сумарної похибки, а також похибку нелінійності перетворювальної характеристики термопари.

При нелінійній характеристиці термопари складові похибки поблизу робочої точки, яка визначається температурою Тх, можна врахувати шляхом

зміщення апроксимуючої дотичної (адитивна похибка) та її поворотом (мультиплікативна похибка) відносно вихідної дотичної, проведеної в точці Тх до початкової градуювальної характеристики.

Результат вимірювання контрольованої температури Тх:

, (12)

де - відносна мультиплікативна похибка; - абсолютна адитивна похибка; - коефіцієнт Зеєбека вільних кінців термопари при температурі Т0.

Після охолодження робочого спаю термопари на протязі часу t вимірюють термоЕРС:

, (13)

де 2 і 2 - значення похибок при охолодженні робочого спаю термопари.

Цифровий код Е2// заносять у память мікропроцесорного контролера. Після зміни направлення струму І0 через робочий спай і нагрівання його на протязі того самого часу t, вимірюють термоЕРС:

, (14)

де 3 і 3 - значення похибок при нагріванні робочого спаю. Цифровий код Е3// заносять у память мікропроцесорного контролера.

Вимірювана температура Тх:

. (15)

Встановлено, що на результат вимірювання температури Тх (15) не впливають значення коефіцієнтів Зеєбека і Пельтьє, адитивна і мультиплікативна складові похибки вимірювання Тх, а також ступінь нелінійності градуювальної характеристики термопари.

Запропоноване введення структурно-годинної надлишковості для визначення похибки вимірювання дало змогу встановити залежність температури робочого спаю термопари у часі від струму спаю різної полярності. Це задовольняє вимогам проведення досліджень теплофізичних характеристик пакетів матеріалів термозахисного спецодягу. Новизна рішення підтверджена патентом України на винахід.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням елементів спецодягу.

Розроблено класифікацію композиційних матеріалів для виготовлення спеціального термозахисного одягу за способом створенням та складом сировини (рис. 6).

Визначення значущих показників призначення, надійності, ергономічності та безпечності термозахисного спецодягу проведено за стандартними методиками, зокрема при визначенні поверхневої щільності і зміни лінійних розмірів застосовано металеву лінійку ВЛКТ-500 згідно з відомою методикою ГОСТ 3811-72 (ИСО 3932-76, ИСО 3933-76, ИСО 3801-77) Материалы текстильные. Ткани, нетканые полотна и штучные изделия. Методы определения линейных размеров, линейной и поверхностной плотностей.

Рис. 6. Класифікація композиційних матеріалів

На підставі вивчення умов праці аварійно-рятувальних підрозділів та аналізу методів оцінки термостійкості текстильних матеріалів розроблено методику та оригінальний прилад для вимірювання теплофізичних характеристик пакетів спецодягу.

Методика експерименту передбачає визначення часу безпечної роботи людини в спецодязі при безперервному знаходженні її в зоні впливу високої температури. На рис. 7 наведено функціональну схему установки, на рис. 8 загальний вид установки.

Тепловий вплив передається на дослідницький зразок за допомогою комбінованого конвективного та променистого теплообміну. Рівномірність температурного поля у межах від +100С вище кімнатної до 2000С забезпечує вентилятор з ручним керуванням від електродвигуна (рис. 7).

Температура повітря в термошафі контролюється термометром 2.

При доведенні температури в камері до нормативної відкривають двері камери і встановлюють у центрі термошафи зразок, закріплюючи його за допомогою утримувача. Час установки зразка не більше 60 с, після чого закривають двері і з цього моменту починається відлік часу.

По досягненню критичного часу (проміжку часу, протягом якого середньозважена температура поверхні шкіри рятувальника досягає гранично-припустимого часу – (420С±10С) відкривають двері та знімають зразок.

Рис. 7. Функціональна схема установки для визначення теплофізичних характеристик пакетів матеріалів 1 - термошафа;

2 – рідинний лабораторний термостат СЖМЛ–19/2.5–ИТ;

3 – багатоканальний потенціометр КСП 4–008–УХЛ 4.2;

ТЕ 4.1, ТЕ 7.1, TI 2, TI 6 - термометри;

TCA 4.2, TCA 7.2 – терморегулятори;

M 3.2, M 5.2 – електродвигуни;

7.5, 4.3 – електронагрівачі;

5.3, 5.4 - гідравлічний насос з ручним керуванням HS 5.1;

TE 1.1 – TE 1.7 – термопари.

Для орієнтації зразка відносно джерела теплового впливу та створення певних умов контактування використовується циліндр з листової міді завтовшки 1 мм, який розташований в отворі дверцят.

Необхідний температурний режим у камері під час експерименту забезпечує терморегулятор.

Нагрівання поверхні циліндра до „комфортної” температури (3410С) забезпечує вода постійної температури, що циркулює по трубкам з внутрішнім діаметром 4 мм всередині циліндра. Створення умов постійної температури необхідного рівня реалізується за допомогою термостату 2, який автоматично підтримує температуру в циліндрі з точністю 0,02 0С. Циркуляція робочої рідини та її нагрівання здійснюється за допомогою гідравлічного насосу, електронагрівача та регулятора температури відповідно. Температура води в термостаті контролюється відкаліброваним ртутним термометром.

Рис. 8. Вид установки загальний (а) та випробувальної камери (б)

Вимірювання та реєстрація вихідних даних здійснюється за допомогою багатоканального потенціометру 3, сигнали на який подаються від семи термопар типу ХК та SbCd з діаметром робочого спаю не більше 1,5 мм. За результатами повірки термопари ТХК (L) визнано такими, що відповідають вимогам нормативних документів та дозволяються до застосування.

Розміщення термоелектричних перетворювачів являє собою послідовне пошарове закладання термопар при формуванні пакета матеріалів, що випробовуються. Термопара 1.5 із сплаву SbCd фіксує гранично-припустиму температуру підодягового простору пакета (420С) і є контрольною для визначення часу тривалості експерименту.

При визначенні раціонального пакету матеріалів використано принцип варіювання комбінацій окремих шарів пакету одягу з урахуванням топографії впливу небезпечних і шкідливих факторів на визначену ділянку тіла (табл. 1).

Таблиця 1

Характеристика матеріалів для виготовлення спецодягу

Вид одягу | Призначення шару | Назва матеріалу | Код | Поверхнева щільність, г/м2

1 | 2 | 3 | 4 | 5

Термозахисний

спецодяг | тепловідбивний | Металізований Nomex | В1 | 295

Металізований фенілон | В2 | 274

термостійкий | Тканина Nomex Т | С1 | 217

теплоізоляцій-ний | Голкопробивне полотно Nomex | Т1 | 219

Голкопробивне полотно ватинове | Т2 | 247

Голкопробивне полотно з антипіренами | Т3 | 166

підкладковий | Бязь гладкофарбована арт. 524 | П1 | 220

Виробничий одяг | костюм захисний | арт.9018 То | К1 | 287

Білизна | фуфайка | Трикотажне полотно арт. 010401 | Б1 | 125

Це дозволило визначити склад пакетів, з яких найкращі результати показали пакети, характеристики яких наведені в таблиці 2.

Таблиця 2

Теплофізичні показники пакетів термозахисного спецодягу

Порядковий номер пакету та рисунку | Склад пакету | Товщина пакету,,

х10-3, м | Термічний опір пакету,R, (м2К)/Вт | Коефіцієнт теплопровід-ності, , Вт/(мК) | Час безпечної роботи, с, при температурі повітря у шафі 1500С, с

2 - Рис.9 | С1Т1 Т1 П1 К1 Б1 | 9,12 | 0,53 | 0,0172 | 112

6 - Рис.10 | С1Т2 Т2 П1 К1 Б1 | 12,75 | 0,52 | 0,0245 | 102

4 - Рис.11 | С1Т3 Т3 П1 К1 Б1 | 8,92 | 0,43 | 0,0207 | 83

В результаті проведених досліджень за допомогою методів математичної статистики отримані рівняння регресії (16 – 20), які описують залежності часу безпечної роботи Т від температури оточуючого середовища 1500С при

Рис.9. Зміна температури внутрішньої поверхні пакету 2

температурі циліндра, що імітує „тіло” Тт=34±10С для пакетів спецодягу з двома теплоізоляційними шарами:

для пакету 2:

y= 34,023+5,2610-3Т +1,310-3Т 2-6,4410-6Т 3 (16)

Рис.10. Зміна температури внутрішньої поверхні пакету 6

для пакету 6:

y = 34,54 + 4,910-3Т +1,3810-3Т 2-6,9810-6Т 3 (17)

Рис.11. Зміна температури внутрішньої поверхні пакету 4

для пакету 4:

y = 34,12+7,9810-2Т+5,1210-4Т2 -3,8310-6Т3 (18)

Рис.12. Час нагріву внутрішньої поверхні пакета з двома шарами теплоізоляції до критично допустимої температури

Графічні залежності, побудовані за рівняннями (16) - (18), наведені на рис. 9-11, з яких випливає, що час захисної дії пакету становить від 83с до 112с.

Доведено, що найкращі теплозахисні характеристики має пакет матеріалів №2 з метаарамідних волокон. Для вибору тепловідбивної тканини в спецодязі подальші дослідження проведено з вибраним пакетом матеріалів.

Рівняння регресії, які описують залежності часу безпечної роботи від температури оточуючого середовища Т=1500С при температурі „тіла” Тт=34±10С для пакетів спецодягу з двома шарами та тепловідбивною тканиною:

для пакету 8 із складом – В2С1Т1 Т1 П1 К1 Б1:

y = 35,06-1,5310-2Т+1,0310-3Т 2-3,84 10-6Т 3 (19)

для пакету 10 із складом – В1С1Т1 Т1 П1 К1 Б1:

y = 34,87-2,2310-2Т+7,5910-4Т 2-2,1210-6Т 3 (20)

Наведені залежності також подано у графічному вигляді на рис. 13 та рис.14.

Рис. 13. Зміна температури внутрішньої поверхні пакету 8

Результати свідчать про ефективність застосування металізованого

Рис. 14. Зміна температури внутрішньої поверхні пакету 10

тепловідбивного покриття з тканиною Nomex в якості основи (пакет 10, рис. 14) для збільшення часу захисної дії спецодягу.

Розділ четвертий присвячено питанню розробки проектно-технологічного рішення термозахисного спецодягу.

Забезпечення захисту людини при веденні аварійно-рятувальних робіт в умовах наближення до відкритого палаючого газового фонтану в зоні нормованого температурного впливу реалізовано за допомогою розробленого за результатами досліджень комплекту термозахисних комбінезонів.

На підставі проведених досліджень розроблено художньо-проектні рішення теплоізолювального (рис.15) та тепловідбивного (рис.16) комбінезонів, новизна яких підтверджена патентами України на промисловий зразок.

Рис. 15. Художньо-конструктивне рішення теплоізолювального комбінезону

Рис. 16. Художньо-конструктивне рішення тепловідбивного комбінезону

Конструкцією комбінезонів передбачено сумісність їх з іншими видами засобів індивідуального захисту та технічним озброєнням, призначених для спільного використання.

Запроваджено на базі КНУТД технологічні процеси виготовлення захисних комбінезонів та схеми виготовлення вузлів з урахуванням особливостей з`єднання багатошарового пакету спецодягу. Створено два дослідні зразки комбінезонів (по одному кожного виду).

Розділ п’ятий присвячений практичному використанню отриманих результатів досліджень.

Принциповим положенням при розробці спецодягу є обов’язкова перевірка і демонстрація ефективності будь-якого проектно-технологічного рішення ще до використання його в реальних умовах виробництва, так як подальший прояв проектних помилок може бути пов’язаним з підвищенням ризику для життя та здоров’я людини.

Тому, з метою визначення працездатності людини в комплекті комбінезонів проведено оцінку фізіолого-гігієнічних показників теплового стану людини при роботі в високотемпературному середовищі.

Виробничі випробування дослідних зразків розробленого комплекту комбінезонів, проведені на підприємстві „Укрбургаз” об`єднання „Укргазпром”, підтвердили результати розрахунків та лабораторних досліджень пакетів матеріалів і показали, що виготовлений з них спецодяг має необхідні захисні властивості та відповідає вимогам виробництва.

Річний очікуваний соціально-економічний ефект при використанні 1,5 тис. комплектів в нафтогазовому комплексі України складає близько 3100 грн.

Загальні Висновки

1 Аналіз умов праці, видів діяльності та існуючого асортименту термозахисного спеціального одягу пасивного типу для ведення аварійно-рятувальних ліквідаційних робіт дав змогу визначити комплекс небезпечних і шкідливих виробничих факторів (високі температури повітря робочої зони (400С - 2000С), рухливість повітря (до 6 м/с) та теплове випромінювання (до 5 кВт/м2)), а також встановити невідповідність спецодягу захисним вимогам.

2 Розроблено математичну модель нестаціонарного процесу теплопередачі в системі „людина – спеціальний одяг – навколишнє середовище” з пасивним способом захисту. Встановлено, що захисний багатошаровий пакет термозахисного спеціального одягу має визначатися вибором та варіюванням у визначеній послідовності різної за кількістю та сировинним складом текстильних матеріалів.

3 Розроблено термоелектричний пристрій та метод проведення досліджень при вимірюванні температури в шарах пакетів матеріалів. Наведено функціональну схему, опис, градуйовану характеристику термоелектричного термометру на основі напівпровідникової термопари, в якому забезпечено підвищення точності вимірювання температур шляхом виключення похибок від нестабільності та нелінійності характеристик термопари. Новизна рішення підтверджена патентом України на винахід.

4 Розроблено установку та оригінальну методику для визначення теплофізичних характеристик матеріалів і пакетів спецодягу при пасивному термічному захисті з пошаровим вимірюванням температур в пакеті матеріалів. Наведено функціональну схему реалізації способу та метод проведення вимірювань. Обґрунтовано вибір раціональних пакетів матеріалів для різних умов робочого середовища. Визначено термозахисні властивості пакетів з використанням розробленої апаратури для підвищення точності вимірювання показників – коефіцієнту теплопровідності =0,49-0,61 Вт/(мК), коефіцієнту температуропроводності а=(3,7-3,95)10-7·м2/с для розрахунку термічного опору R=0,46-0,58 (м2К)/Вт з метою визначення часу безпечної роботи в комплекті аварійно-рятувального спецодягу.

5 Розроблено художньо-проектні рішення комплектів аварійно-рятувального спецодягу з урахуванням вимог ергономічності, технологічності, уніфікації та економічності конструкції. Розроблено проекти технічних умов на вогнезахисний комплект та варіанти термозахисних комбінезонів для аварійно-рятувальних робіт різного ступеня важкості з метою постановки на промислове виробництво. Наведені схеми виготовлення вузлів з урахуванням особливостей з’єднання багатошарового спецодягу, а також конструктивні рішення тепловідбивного і теплоізолювального комбінезонів. Новизна запропонованих рішень підтверджена патентами України.

6 Досліджено експериментальні зразки комплектів термозахисного спеціального одягу. Проведено попередні, приймальні, фізіолого-гігієнічні та виробничі випробування. Встановлено, що розроблений комплект володіє часом захисної дії при: температурі повітря середовища 200 0С – до 600 с; повному контакті з відкритим полум’ям – до 8с; локальному контакті з відкритим полум’ям по ділянках одягу – до 60 с, що відповідає вимогам технічного завдання на комплект аварійно-рятувального спецодягу.

7 Розраховано очікуваний соціально-економічний ефект від впровадження комплектів термозахисних комбінезонів, що складає близько 3100 грн. на рік на один комплект.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1 Полька Т.О., Цесельська Н.В.*, Колосніченко М.В. Аналіз та класифікація вогнетривких матеріалів для термозахисного спецодягу// Легка промисловість. – 2000. - №4. – С.59-60.

Особистий внесок дисертанта – розробка вимог до текстильних матеріалів з покриттям для термозахисного спецодягу.

2 Полька Т.О., Цесельська Н.В., Колосніченко М.В. Розробка вимог та принцип створення спеціального захисного одягу пожежників// Праці Третьої Міжнародної конференції „Пожежна безпека – 2001”. – Львів: Сполом. - 2001.- С. 327-329.

3 Колосніченко М.В., Скрипник Ю.О., Цесельська Н.В. Розробка термоелектричного термометра на основі напівпровідникових термопар// Вісник технологічного університету Поділля. – 2001. - №5. – С. 56-62.

4 Колосніченко М.В., Цесельська Н.В. Дослідження пакетів термозахисного спецодягу в умовах надвисоких теплових впливів// Вісник КДУТД. – 2001. - №1. – С.55-58.

Особистий внесок дисертанта – визначення теплофізичних характеристик пакетів термозахисного спеціального одягу.

5 Пат.4448 Україна. Вогнезахисний комплект/ Колосніченко М.В., Цесельська Н.В. - №2000060521; Заявл. 22.06.2000; Опубл. 15.02.2001. – 5 С.

6 Пат.3290 Україна. Комбінезон термозахисний (два варіанти)/ Колосніченко М.В., Цесельська Н.В. - №99060281; Заявл. 02.06.1999; Опубл. 29.12.1999. – 6 С.

Особистий внесок дисертанта – проведення патентного пошуку та підбір найближчого аналога термозахисного комбінезону.

* - Прізвище Цесельська Н.В. замінено на Остапенко Н.В. (підстава: свідоцтво про одруження №114665 від 06.11.04)

7 Пат.38540 А Україна. Термоелектричний пристрій для вимірювання температури/ Скрипник Ю.О., Колосніченко М.В., Цесельська Н.В., Юрчик Т.В. - №2000074410; Заявл. 21.07.2000; Опубл. 15.05.2001. – 9С.

8 Пат.2650 Україна. Термозахисний комбінезон (два варіанти)/ Колосніченко М.В., Цесельська Н.В. - №98060432; Заявл. 18.06.1998; Опубл. 26.02.1999. – 6 С.

Особистий внесок дисертанта – проведення порівняльного аналізу художньо-проектного рішення та найближчого аналога термозахисного комбінезону.

9 Колосніченко М.В., Цесельська Н.В. К вопросу создания универсальной термозащитной спецодежды // Збірник наукових праць молодих вчених та студентів по матеріалах конференції. – К.: ДАЛПУ. – 1997. – С.29-21.

Особистий внесок дисертанта - проведення та обробка результатів експерименту.

10 Колосніченко М.В., Цесельська Н.В. Дослідження теплофізичних властивостей пакетів текстильних матеріалів для спеціального одягу з використанням композиційних матеріалів // Тези доповідей наукової конференції молодих вчених та студентів. Том 1. – К.: КНУТД. – 2001. – С.32.

Особистий внесок дисертанта – проведення та обробка результатів експерименту.

АНОТАЦІЯ

Остапенко Н.В. Розробка спеціального термозахисного одягу для ведення аварійно-рятувальних робіт. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.19.04 – технологія швейних виробів, Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної прикладної задачі для легкої промисловості – розробці ефективного спеціального термозахисного одягу в умовах впливу високотемпературного середовища.

Розроблено математичну модель нестаціонарної теплопередачі крізь пакет матеріалів термозахисного спецодягу для пасивного способу теплозахисту, що дозволило визначити час захисної дії при роботі у спецодязі.

Розроблено термоелектричний пристрій, в якому забезпечено підвищення точності вимірювання температур шляхом виключення похибок від нестабільності и нелінійності характеристик термопари.

Розроблено установку і методику для пошарового вимірювання температур в пакетах матеріалів, що дозволило об`єктивно оцінювати час безпечний роботи у спецодязі.

У відповідності з розробленою методикою проведено дослідження пакетів термозахисних матеріалів, експериментально виявлено адекватні математичні моделі залежності між часом безпечної роботи і температурою оточуючого середовища для різних пакетів.

На основі проведених досліджень розроблено комплект теплоізолювального и тепловідбивного комбінезонів для ведення аварійно-рятувальних робіт поблизу відкритих палаючих фонтанів.

Ключові слова: спеціальний термозахисний одяг, час безпечної роботи, пакет матеріалів.

АННОТАЦИЯ

Остапенко Н.В. Разработка специальной термозащитной одежды для ведения аварийно-спасательных работ. – Рукопись.

Диссертация на соскание ученой степени кандидата техничних наук по специальности 05.19.04 – технология швейных изделий, Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2007.

Диссертация посвящена решению актуальной прикладной задачи для легкой промышленности – разработке эффективной специальной термозащитной одежды в условиях воздействия высокотемпературной среды.

Анализ условий труда и существующего ассортимента специальной термозащитной одежды пассивного типа для ведения аварийно-спасательных работ по ликвидации горящих открытых фонтанов позволил установить, что важной проблемой является несоответствие спецодежды защитным свойствам, её неконкурентоспособность, высокая стоимость зарубежных аналогов. Анализ видов деятельности работников, которые проводят аварийно-спасательные работы по ликвидации горящих открытых фонтанов, позволил установить комплекс опасных и вредных производственных факторов: высокие температуры воздуха рабочей зоны (400С - 2000С), подвижность воздуха (до 6 м/с) и тепловое излучение (до 5 кВт/м2).

Предложена классификация открытых фонтанов при авариях на нефтегазовых месторождениях.

Разработана математическая модель нестационарной теплопередачи через пакет материалов термозащитной спецодежды для пассивного способа теплозащиты, что позволило определить время защитного действия при работе в спецодежде.

Предложена классификация по назначению термостойких материалов на основе их сырьевого состава и способа изготовления.

С помощью метода экспертной оценки установлены наиболее значимые показатели при оценке качества термозащитной специальной одежды.

Разработан прибор и методика для послойного измерения температур в пакетах материалов, что позволило объективно оценивать граничное время работы в сецодежде.

Обоснован выбор рациональных пакетов материалов для разных условий рабочей среды.

В соответствии с разработанной методикой проведены исследования пакетов термозащитных материалов и определены их теплофизические характеристики – коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, термическое сопротивление.

Экспериментально выявлены адекватные математические модели зависимости между длительностью безопасной работы и температурой окружающей среды для разных пакетов.

На основании проведенных исследований разработан комплект теплоизолирующего и теплоотражающего комбинезонов для ведения аварийно-спасательных работ вблизи открытых горящих фонтанов. Производственные испытания опытной партии спецодежды подтвердили результаты расчетов и лабораторных исследований пакетов материалов и показали, что изготовленная из них спецодежда имеет необходимые защитные свойства.

Ключевые слова: специальная термозащитная одежда, время безопасной работы, пакет материалов.

Summary

Ostapenko N.V. The development of special thermoprotective clothes for rescue works. – manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the Candidate of the technical sciences competition. Speciality 05.19.04 – clothes items technology. The Kyiv National University of Technologies and Design.

The dissertation is devoted to the actual applied task of the light industry – the development of the effective special thermoprotective clothes being used in high temperature surroundings.

The mathematical model of the non-stationary heat trausfering through the packet of the thermoprotective clothes has been developed.

This packet can be used as the passive means of thermoprotection, which allows to determine the time of the protective action while working in special clothes.

A thermoelectrical device has been developed, it guarantees a very high temperature measurement and excludes erros occuring because of non-stable and non-linear characteristics of the thermocouple. The installation and the method for temperature measurement in each layer of the material packet has been developed as well. It allows to estimate the time limit of work in special clothes. According to the developed method the studying of the thermoprotective material in the packets was carred out. The adequite mathematical models of the dependence upon the time of safe work and surrounding temperature among the different packets were found.

On the basis of the carried out investigations the outfit of thermoisolating and thermoreflecting overalls for performing rescue works at close range burning oil gushers has been developed.

Key words: special thermoprotective cloth; safe work time; material packet.