Теплоотдача

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью тела человека и окружающей средой. В сложном процессе сохранения теплового баланса организма регуляция теплоотдачи имеет большое значение. Применительно к физиологии теплообмена теплоотдача рассматривается как переход теплоты, освобождаемой в процессах жизнедеятельности, из организма в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется, в основном, излучением, конвекцией, кондукцией и испарением. В условиях теплового комфорта и охлаждения наибольшую долю занимают потери тепла радиацией и конвекцией (73÷80% общих теплопотерь) /23/. В условиях, вызывающих перегревание организма, пре­обладает теплоотдача испарением.

Радиационный теплообмен

В нагретом теле часть тепловой энергии всегда превращается в лучистую. Одним из носителей лучистой энергии являются инфракрасные лучи или тепловые лучи, а процесс их распространения – тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

Радиационный теплообмен, который проходит между человеком и окружающими его телами путём инфракрасного излучения, может идти как с положительным, так и с отрицательным тепловым балансом для человека.

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, выше температуры поверхности его тела наблюдается положительный радиационный тепловой баланс. В этом случае за счёт инфракрасного излучения тело человека нагревается.

С радиационным нагреванием человек сталкивается в быту (солнце, отопительные приборы, нагретая поверхность земли, зданий и т. п.), в производственной деятельности (металлургические цеха и т. п.).

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, ниже температуры поверхности его тела, наблюдается отрицательный радиационный тепловой баланс. Происходит охлаждение организма (радиационное охлаждение).

Радиационному охлаждению могут подвергаться строительные рабочие, рабочие транспорта, холодильников и т. д.

Теплоотдача излучением в комфортных метеорологических условиях составляет 43,8÷59,1% относительно общей величины теплопотерь.

По данным А. Е. Малышевой, радиационный способ теплоотдачи вызывает более глубокое охлаждение организма, чем конвекционный. Поэтому для уменьшения потерь тепла радиацией целесообразно в одежде применять материалы с высокими отражающими свойствами.

Тепловое излучение в значительной степени зависит от разности температур поверхности тела человека и окружающих предметов (тел).

При наибольшей разности температур тел, что практически наблюдается в условиях эксплуатации одежды, уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, Вт., можно написать в виде:

Q_рад = L_рад∙S_рад∙(t₁ – t₂),

где L_рад – коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м²⁰ С); S_рад – поверхность тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м²; t₁ – температура поверхности тела (одежды), °С; t₂ – температура поверхности окружающих тел, °С.

2.4.2. Конвекционный теплообмен

В воздушной среде тепло переносится, в основном, путём перемещения (конвекции) частиц, поэтому процесс теплообмена между телом и воздухом называется конвекционным теплообменом.

Конвекционный теплообмен подразделяется на свободный (вследствие разности температуры тела и воздуха) и вынужденный (под влиянием движения воздуха) /23/.

Теплоотдача конвекцией в общем балансе теплопотерь человека составляет свыше 25÷30%. Особенно возрастают потери тепла конвекцией при ветре. Теплоотдача конвекцией, Вт, может быть определена на основе закона Ньютона (охлаждение тел) по уравнению:

Q_конв = L_конв∙S (t_од – t_в),

где L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м² С); S – площадь поверхности тела, м²; t_од – температура поверхности тела (одежды) человека; t_в – температура воздуха, °С.

Коэффициент L_конв зависит от формы тела и скорости движения воздуха. Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, можно выразить следующей формулой:

S_од

Q_конв = S_о∙L_конв∙(t_од – t_в),

где S – площадь поверхности тела раздетого человека, м²; S_од/S_о – отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой к площади поверхности открытых частей тела; L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²∙С; t_од – температура поверхности одежды, °С; t_в. – температура воздуха, °С.

При малых скоростях движения воздуха теплообмен происходит путём свободной конвекции. При этом коэффициент является функцией разности t_од – t_в.

При больших скоростях движения воздуха L_конв является функцией скорости ветра.

Весьма интенсивная мышечная работа может повысить обмен веществ в 10 раз по сравнению с покоем. Так, бег на короткие дистанции, гребля, кратковременный, тяжёлый труд может увеличить обмен до 1163 Вт и более.

Таким образом, для определения теплопродукции человека необходимо знать его общие энергозатраты Q_э.т, термический коэффициент полезного действия n и основной обмен Q_о:

Q_т.п = Q_э.т – n∙(Q_э.т – Q_о).

Термический коэффициент полезного действия может быть определён из уравнения:

n = N/ Q_э.т – Q_о.

Теплоотдача кондукцией

Теплоотдача кондукцией (проведением) осуществляется в тех случаях, когда тело человека плотно соприкасается с каким-либо предметом. Потери тепла кондукцией определяются, как:

Q_конд = Y∙((t₁ – t₂)/ q)∙Sr,

где Q_конд – количество тепла, прошедшего через стенки с площадью S, м² в течение времени t, Вт; Y – коэффициент теплопроводности пакета материалов одежды, Вт/(м °С); t₁ – температура внутренней стороны пакета материалов одежды, °С; t₂ – температура наружной стороны пакета материалов, °С; q – толщина пакета материалов одежды, м; S – площадь поверхности.

В обычных условиях удельный вес потерь тепла кондукцией невелик, так как коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха незначителен. В этом случае человек теряет тепло кондукцией лишь с поверхности стоп, площадь которых составляет 3% площади поверхности тела. Но иногда (в кабинах сельскохозяйственных машин, башенных кранов, экскаваторов и т. д.) площадь соприкосновения с холодными стенками может быть довольно большой. Кроме того, помимо размера контактирующей поверхности имеет значение и подвергающийся охлаждению участок тела (стопы, плечи, поясница и т. п.).

Теплоотдача испарением

Важным способом теплоотдачи, особенно при высокой температуре воздуха и выполнении человеком физической работы, является испарение диффузионной влаги и пота. В условиях теплового комфорта и охлаждения человек, находящийся в состоянии относительного физического покоя, теряет влагу путём диффузии (неощутимой перспирации) с поверхности кожи и верхних дыхательных путей. За счёт этого человек отдаёт в окружающую среду 23÷27% общего тепла, при этом 1/3 потерь приходится на долю тепла испарением с верхних дыхательных путей и 2/3 – с поверхности кожи.

Напомним, что для испарения 1мл воды необходимо 2,4 кДж (0,58 ккал). Следовательно, если в условиях основного обмена телом человека отдаётся посредством испарения около 1675÷2093 кДж (400÷500 ккал), то с поверхности тела должно испариться примерно 700÷850 мл воды. Из этого количества 300÷350 мл испаряются в лёгких и 400÷500 мл – с поверхности кожи.

Потери тепла путём испарения диффузионной влаги с поверхности кожи Q_исп.д, Вт, определяются по уравнению:

Q_исп.д = 3,06∙10^–3∙S∙(256t_к – 3360 – Ра),

где t_к – температура кожи, °С; Ра – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.

Потери тепла при испарении влаги с верхних дыхательных путей Q_{исп.дых}, Вт, определяются по уравнению:

Q_{исп.дых} = 14,9 10^–6∙Q_т.п∙(5880 – Ра),

где Q_т.п – теплопродукция, Вт.

Потери тепла происходят также при испарении пота. Для сохранения постоянства температуры тела человека при высокой температуре окружающей среды основное значение имеет испарение пота с поверхности кожи. Потоотделение представляет собой один из наиболее мощных механизмов терморегуляции, играющих важную роль в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы.

В жаркое время организм человека не может отдавать образующееся в нём тепло путём радиации и конвекции. Единственным путём для отдачи тепла остаётся испарение воды, которое зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном водяными парами воздухе (например, в бане) пот выделяется в большом количестве, но не испаряется и стекает с кожи. Такое потоотделение не способствует отдаче тепла; только та часть пота, которая испаряется с поверхности кожи, имеет значение для теплоотдачи (эта часть пота составляет эффективное потоотделение).

Приняв, что среднее теплообразование в сутки равно 2800 ккал (11723 кДж), и зная, что на испарение 1г воды с поверхности тела расходуется 0,58 ккал (2,43 кДж), получим, что для поддержания температуры тела человека на постоянном уровне в таких условиях необходимо испарение 4,5 л воды. Особенно интенсивно потоотделение происходит при высокой окружающей температуре во время мышечной работы, когда вырастает теплообразование в самом организме. При очень тяжелой работе выделение пота у рабочих горячих цехов может составить 12 л в день.

Максимально возможная величина теплопотерь при испарении пота Q_исп.п, Вт, может быть определена по уравнению:

Q_исп.п = 10,2∙(Р_нас.к – Ра)∙(0,5 + v),

где Р_нас.к – максимально возможное насыщение водяного пара при температуре кожи человека, мм.рт.ст.; Ра – давление водяного пара в воздухе, мм.рт.ст.; v – скорость движения ветра, м/с.

Разность (Р_нас.к – Ра) называют физиологическим насыщением.

Потери тепла испарением пота в комфортных условиях Q_исп.п, Вт, применительно к различному уровню энергозатрат, могут быть определены по уравнению:

Q_исп.п = 0,38∙S∙(Q_т.п – 58).

Дефицит тепла в организме человека

При существенном несоответствии свойств материалов одежды и одежды в целом условия жизнедеятельности человека, физиологические механизмы терморегуляции не в состоянии обеспечить тепловой баланс организма, в результате чего в теле человека происходит нарушение состояния тепла, вырабатываемого в организме и отдаваемого в окружающую среду, и образуется его дефицит или накопление. Дефицит или накопление тепла можно определить как разницу между величинами суммарных теплопотерь и теплообразования т.п., либо по изменению теплосодержания. Последние определяются по изменению средней температуры тела θ с учётом коэффициента смеши­вания температуры оболочки и ядра:

Д = C∙m∙θ,

где Д – дефицит тепла в организме; C – средняя удельная теплоемкость тканей человека равна 3,47 10⁸ Дж/(кг °С); m – масса тела человека, кг; θ – изменение средней температуры тела.

θ =К∙t_р + (1 – К)∙t_с.в.к,

где К – коэффициент смешивания температуры тела (ядра), °С; t_р – изменение ректальной температуры от её комфортного уровня; 1 – К – коэффициент смешивания с.в.к. (оболочки), °С; t_с.в.к – изменение с.в.к. от её комфортного уровня, ºС.