Материал: Разработка компрессионно–холодильного устройства для нормализации теплового состояния человека в процессе эксплуатации теплоэнергетических установок

Разработка компрессионно–холодильного устройства для нормализации теплового состояния человека в процессе эксплуатации теплоэнергетических установок

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день теплоэнергетические установки получили широкое распространение в различных отраслях деятельности человека, в том числе и в промышленности. Здесь они применяются для придания материалам или изделиям свойств, необходимых для их дальнейшей обработки, или для выпуска окончательного продукта и представлены промышленными печами самых разных видов: металлургические - доменные, мартеновские, сталеплавильные, нагревательные прокатные; на машиностроительных предприятиях- литейные, нагревательные, кузнечные, термические; печи для обжига керамических изделий и другие.

Технологические процессы, осуществляемые с использованием такого оборудования, происходят в условиях достаточно высоких температур, потому сопровождаются значительными выделениями тепла внутрь производственных помещений (цехов), вследствие чего люди, работающие в этих помещениях, находятся в условиях определенного микроклимата, оказывающего влияние на тепловое состояние организма.

Микроклимат характеризуется действующим на человека сочетанием температуры воздуха, температур поверхностей ограждающих конструкций помещения (стены, потолок, пол) и технологического оборудования, относительной влажности и скорости движения воздуха, а также интенсивности теплового облучения.

Продолжительное пребывание в условиях высоких температур воздуха способствует быстрой утомляемости работающего, ухудшает его самочувствие, снижает работоспособность и производительность труда, а также может стать причиной патологических изменений в организме и, как следствие, привести к заболеваниям.

Для обеспечения благоприятных условий труда и предотвращения возникновения профессиональных заболеваний разработаны и утверждены нормативные документы, регламентирующие меры профилактики неблагоприятного воздействия условий микроклимата на работающих. Положения, закрепленные этими документами, являются обязательными для выполнения всеми предприятиями и организациями и предусматривают соблюдение регламентируемых значений параметров микроклимата, а также применение защитных мероприятий, способных ослабить или компенсировать воздействие вредных производственных факторов.

Но практическая реализация этих требований и мер не всегда возможна по причинам, связанным с технологией производственного процесса, либо из - за экономической нецелесообразности. Именно в таких случаях будет уместно использование в рабочем процессе эффективных теплотехнических разработок, направленных на быстрое восстановление теплового состояния организма работников после нахождения под влиянием высоких температур.

Проводимые исследования являются на данный момент актуальными еще и ввиду того, что 15 апреля 2014 года Постановлением Правительства РФ № 294 была утверждена государственная программа «Развитие здравоохранения», одной из основных целей которой является сохранение здоровья населения, в том числе работающего. Программа определяет развитие здравоохранения в России до 2020 года и реализуется в два этапа, одним из которых является развитие инновационного потенциала в здравоохранении (2016 - 2020 годы).

Таким образом, разработка нового теплотехнического устройства, позволяющего снижать температуру тела человека, работающего в цехе с высокими выделениями тепловой энергии, является на данный момент актуальной задачей.

Цель настоящей диссертации заключается в исследовании механизмов реакции организма человека на повышение температуры окружающей среды и эффективности регулирования температуры тела в условиях повышенных температур воздуха с последующей разработкой теплотехнического устройства для обеспечения нормализации теплового состояния организма в условиях производственных помещений с выделениями тепла.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

) проведение аналитического исследования существующего на данный момент научного задела и уровня развития техники по рассматриваемому вопросу;

) выбор оптимального варианта локализации охлаждения организма человека, способа охлаждения, взаимодействия устройства с человеком, а также конструкции устройства;

) определение технических характеристик устройства, в т.ч. мощности охлаждающей камеры, диапазона температур и условий разрежения;

) проведение экспериментальных исследований теплопроведения от кисти руки человека к водной среде для различных групп испытуемых с целью определения технических характеристик проектируемого устройства;

) технико - экономическое обоснование проекта.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Постановка задачи

Первый раздел диссертации посвящен современному состоянию исследуемой проблемы, а именно обзору и анализу способов обеспечения нормального теплового состояния организма человека, находящегося в условиях повышенных температур.

Выделено три направления исследования:

) нормативная база, регламентирующая метеорологические условия производственной среды;

) результаты научных исследований механизмов реакции организма человека на повышение температуры окружающей среды и эффективности регулирования температуры тела в условиях повышенных температур воздуха;

) обзор методов и устройств, позволяющих регулировать температуру тела человека.

1.2 Нормативная база

Метеорологические условия производственной среды (микроклимат), включающие в себя температуру, относительную влажность и скорость движения воздуха, оказывают значительное влияние на функциональное состояние различных систем организма человека, его самочувствие, работоспособность и состояние здоровья в целом, поэтому для обеспечения комфортных условий труда работников и предотвращения неблагоприятного влияния микроклимата его показатели регламентируются нормативными документами, в частности ГОСТ[1], СанПиН[2] и СП [3].

Эти документы содержат требования к микроклимату и организации труда в производственных помещениях, а также меры профилактики неблагоприятного воздействия условий производственной среды на работающих.

Согласно [1] и [2], показатели микроклимата внутри производственных помещений подразделяются на оптимальные и допустимые.

Оптимальные условия микроклимата соответствуют критериям оптимального теплового и функционального состояния человека. Они обеспечивают тепловой комфорт в течение всей рабочей смены при минимальном напряжении механизмов терморегуляции, не вызывают отклонений в состоянии здоровья и позволяют поддерживать высокую работоспособность. Такие параметры микроклимата на рабочих мечтах являются предпочтительными.

Допустимые условия микроклимата соответствуют критериям допустимого теплового и функционального состояния человека во время рабочей смены. Они не вызывают нарушений в состоянии здоровья, но могут стать причиной ощущения теплового дискомфорта, напряжению механизмов терморегуляции, ухудшению самочувствия и, как следствие, снижению работоспособности.

Допустимые значения показателей микроклимата устанавливаются в тех случаях, когда по технологическим требованиям, техническим и экономически обоснованным причинам не могут быть обеспечены оптимальные значения.

Согласно документу [3], на производствах, где присутствуют процессы, сопровождающиеся выработкой тепла или холода и приводящие к ухудшению микроклиматических условий на рабочих местах, следует предусматривать специальные помещения для кратковременного отдыха работающих с целью нормализации их теплового состояния. Кроме того, в зависимости от интенсивности теплового облучения и от условий труда, на рабочих местах или в помещениях для отдыха следует предусматривать приспособления для охлаждения (полудуши, кабины или поверхности радиационного охлаждения).

Еще одним документом, принятым на государственном уровне и затрагивающим охрану здоровья работающего населения, является Подпрограмма Б государственной программы [4]«Медико - санитарное обеспечение отдельных категорий граждан». Среди задач, которые требуется решить путем реализации этой подпрограммы, обозначены следующие:

) повышение эффективности мероприятий в области профилактики профессиональных заболеваний и оказания специализированной медицинской помощи больным с профессиональной патологией;

) разработка инновационных технологий в сфере защиты отдельных категорий граждан от воздействия особо опасных факторов физической, химической и биологической природы.

1.3 Научный задел

Все применявшиеся до настоящего времени способы охлаждения организма человека (такие как холодная вода, пакеты со льдом, вентиляторы и т.п.) заключались в охлаждающем воздействии снаружи.

Исследования, направленные на поиск эффективных способов борьбы с гипертермией, показали, что традиционные способы охлаждения для снижения температуры тела малоэффективны и оказывают непродолжительное действие. Это можно объяснить тем, что воздействуют они на поверхность кожи, и холод с трудом проникает внутрь организма через саму кожу, жировую прослойку и мышцы, поскольку они являются очень эффективными теплоизоляционными материалами. Для того, чтобы охлаждение было эффективным, внутренние органы и интенсивно работающие мышцы должны охлаждаться изнутри.

На сегодняшний день одними из лидеров в области исследований эффективности регулирования температуры тела человека в условиях повышенных температур воздуха окружающей среды являются ученые - биологи университета Стэнфорда Х. Крейг Хеллер (H. Craig Heller) и Деннис Грэн (Dennis Grahn).Именно эти ученые, изучая особенности температурного режима тела млекопитающих, обнаружили, что все млекопитающие имеют природные терморегуляторы - участки тела, обладающие обширной сосудистой сетью, расположенной близко к поверхности кожи. Сосудистые структуры, образующие эту сеть, не питают кожу, а служат для рассеивания образующегося в организме избыточного тепла, т.к. обладают переменным кровотоком, который реагирует на малейшие изменения температуры тела, изменяясь от совсем незначительного в холодную погоду до 60% всего сердечного выброса в жаркую погоду либо во время интенсивной физической деятельности.

Теплообмен с окружающей средой практически полностью происходит за счет этих областей. У большинства животных такими участками являются подушечки лап, язык, а у некоторых видов - уши и хвосты. У людей же эффективными механизмами для рассеивания тепла при повышении температуры тела являются венозные сплетения, расположенные под кожным покровом ладоней рук, подошв ног и некоторых участков лица.

Пропуск потоков крови в эти сплетения регулируют сосудистые структуры, называемые артериовенозными анастомозами (далее - AVAs). Сосудистые сплетения и AVAs составляют единую сосудистую сеть, участвующую в теплообмене.

Более подробно устройство сосудистого терморегулирующего механизма и его роль в процессе регулирования температуры организма будут рассмотрены в следующем разделе.

Модели процессов терморегулирования организма человека, созданные ранее, не учитывали этот механизм. Большинство таких моделей вовсе не включали руки и ноги по причине того, что их было трудно описать геометрически, и они имели небольшую площадь поверхности.

Открытие роли AVAs в процессе рассеивания избыточного тепла тела объясняет, почему разработанные ранее модели более точно описывали терморегуляцию в холодной среде, чем в горячей. При моделировании реакции на холодную среду это оказывало не очень значительное влияние, так как в этих условиях AVAs были бы открыты, и потери тепла от рук и ног были бы минимальными, а вот при моделировании реакции на жаркую среду это искажало описание реально происходящих процессов.

Включение в модели сосудистых терморегулирующих структурпозволит сделать моделирование более точным и приближенным к реальным процессам и использовать его результаты при разработке средств защиты от теплового стресса.

Для более детального изучения открытого ими явления и понимания механизма его влияния на регулирование температуры тела человека Х. Крейг Хеллер и ДеннисГрэн разработали технологию, способную усилить теплообменную способность этих структур. Новая технология предусматривает совместное применение локального давления ниже атмосферного (35 - 45 мм рт. ст.) для расширения просвета сосудов и увеличения объема крови и теплоотвода (18 - 22°С) чтобы извлечь тепло из циркулирующей крови.

Для экспериментальной проверки сделанного открытия было создано устройство для извлечения тепла из организма человека, работающее по вышеописанной технологии.

Используя созданное устройство, ученые провели масштабные экспериментальные исследования, подробное описание которых приведено в работах [5] и [6].

Краткое описание целей экспериментальных исследований, результатов обработки и анализа полученных в их ходе данных приведены в таблице 1.

Более подробно об этих экспериментах можно прочитать в статье [6].

Таблица 1 -Некоторые экспериментальные исследования Х. КрейгаХеллера и Д. Грэна