СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ КОМПЛЕКТА СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ КОЖИ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 1998 года по МПК A62B17/00 G01N25/00 

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью тепловых средств, а именно к созданию инструментальных способов определения защитных свойств комплектов средств индивидуальной защиты кожи (КСИЗ) человека от высокоинтенсивных термических поражающих факторов (ТПФ), к которым относятся световое излучение взрыва, пламя пожаров и т.д.

Известны способы определения термозащитных свойств КСИЗ путем применения манекенной системы теплофизических имитаторов (ТФИ) кожи и тела человека с расположенными на ее поверхности датчиками температуры, по величине которой судят о термическом поражении человека (появлении ожогов кожи определенной степени на соответствующей площади поверхности тела) /1 - 4/. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ определения термозащитных свойств (ТЗС), основанный на использовании манекенной системы ТФИ /4/.

Применение этого способа связано с рядом проблем. Так, для изучения влияния различных факторов на термозащитные характеристики образцов необходимо создать обширный банк экспериментальных данных, что потребует высоких материальных затрат. Например, при реализации плана отсеивающего эксперимента необходимо провести испытания n • 2N (где N - количество факторов варьирования, n - количество параллельных опытов) комплектов СИЗ. Для N = 3 число КСИЗ может составлять от 8 до 48, поэтому применение данного метода для осуществления оценки свойств образцов при проведении поисковых исследований по их разработке для различных условий функционирования экономически нецелесообразно.

Задачей настоящего изобретения является снижение материальных затрат при определении ТЗС комплекта СИЗ и осуществление прогнозной оценки свойств образца в условиях, отличных от моделируемых при проведении эксперимента.

Поставленная цель достигается путем применения манекенной системы теплофизических имитаторов кожи для определения температурных полей в подкостюмном пространстве и последующего расчета ожогового поражения при проведении следующих операций по определению:
ТЗС защитных пакетов в расчетных ячейках (РЯ);
ТЗС составных частей КСИЗ и их взаимовлияния;
ТЗС комплекса СИЗ в целом.

На первом этапе формируют РЯ комплекта СИЗ. Установлено, что оптимальным является деление КСИЗ на 48 вертикальных уровней с максимальным количеством ячеек, равным 24. При этом размеры РЯ равны (50 х 50) мм. Это подтверждается данными табл. 1.

После этого определяют:
структуру защитных пакетов РЯ (количество слоев, величина воздушных зазоров);
условия облучения РЯ (ориентация по отношению к источнику излучения).

В зависимости от условий облучения, параметров воздействующего теплового потока, в частности, соотношения прямого и рассеянного излучения и рельефа поверхности материала верхнего слоя пакета по методике /5/ определяют изменение его поглощательной способности (k₀) для соответствующих направлений по отношению к источнику излучения (табл. 2).

Кроме этого, определяют коэффициент, учитывающий неодномерность теплопередачи в РЯ (табл. 3) в зависимости от структуры окружающих ячеек (k_н):

где
UoП

UноП- величина проходящего за пакет материалов теплового потока в случае одномерной и неодномерной теплопередачи, соответственно.

Результаты определения k_н для ткани арт. 3303 с огнезащитной пропиткой ОП /6/ представлены в табл. 4.

После этого оценивают ТЗС свойства пакетов материалов для РЯ (табл. 4), из которых состоит КСИЗ.

На втором этапе проводят расчет площади тела человека под составной частью КСИЗ, на которой возникают ожоги i-той степени тяжести:
SПСЧ

Определение "пораженных" ячеек проводят путем сравнения величин воздействующих импульсов облучения и импульсов, соответствующих уровню ТЗС образца. За уровень ТЗС составной части КСИЗ принимают импульс облучения, при достижении которого выполняется условие:
SПСЧ>K_СЧ,
где K_сч - критерий термического поражения для данной составной части КСИЗ.

Далее определяют коэффициент k_э, учитывающий взаимовлияние составных частей КСИЗ за счет экранирования подводимой энергии продуктами разложения. Величину k_э для составных частей каждого типа конструкции КСИЗ определяют по отношению:

где
- величина ТЗС составной части КСИЗ, определенная с учетом эффектов экранирования энергии продуктами разложения при испытаниях совместно с другими составными частями;
- величина ТЗС составной части КСИЗ, определенная расчетным путем с использованием экспериментальных данных, полученных при маломасштабных испытаниях.

На третьем этапе определяют ТЗС комплекта СИЗ в целом:

Для оценки возможности осуществления изобретения температурные датчики ТФИ (манекенной системы) калибруют в абсолютных единицах поверхностной плотности теплового потока (Вт/см²). Для этого применяют вспомогательный излучатель, откалиброванный по калориметру типа ТПИ-2-5 /7/. ТФИ подключают к вторичному преобразователю (персональному компьютеру с соответствующим обеспечением: коммутатор, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи).

Определение ТЗС пакетов материалов РЯ, из которых состоит КСИЗ, по величине затканевых температур проводят с использованием справочных данных, например, представленных в /8,9/ и устанавливают наличие ожогов кожи человека определенной степени. Для определения термозащитных свойств КСИЗ допускают появление ожогов I степени на площади тела не более 5%, II степени - 3%. Определяют ТЗС комплекта СИЗ с использованием выражений:

UTЗССИЗ

= U₀, при S_П> 0,03;
где
S_п - доля площади кожных покровов человека, на которой появились ожоги;
UTЗСРЯ - - импульс, Дж/см², соответствующий уровню термозащитных свойств пакета материалов расчетной ячейки;
k_о - коэффициент, учитывающий уменьшение (увеличение) энергетического импульса в расчетной ячейке за счет ее ориентации и изменения поглощательной способности покровного материала;
k_э - коэффициент, учитывающий уменьшение (увеличение) энергетического импульса за счет продуктов термического разложения материалов;
U_о - энергетический импульс для данного удаления от источника излучения, Дж/см²;
n - количество расчетных ячеек, в которых определено наличие термического поражения кожи, шт.;
N - общее количество расчетных ячеек, шт.;
K_н - коэффициент, учитывающий уменьшение площади ожога в расчетной ячейке в зависимости от структуры окружающих пакетов материалов;
S_i - доля площади кожных покровов человека, закрытая пакетом материалов одной расчетной ячейки;
UTЗССИЗ - импульс, Дж/см², соответствующий уровню термозащитных свойств комплекта СИЗ.

Полученные данные представлены в табл. 5.

Испытания по определению термозащитных свойств КСИЗ путем применения манекенной системы теплофизических имитаторов кожи для определения температурных полей в подкостюмном пространстве и последующего расчета ожогового поражения показали, что применение заявляемого способа позволяет с высокой степенью достоверности определять термозащитные свойства КСИЗ при их полномасштабных испытаниях в составе комплексов защитной одежды, используемых личным составом подразделений противопожарной обороны, отрядов ликвидации последствий аварий различного характера и т.д.

Источники информации.

1. Apparel flammabilbty: accident simulation and bench-scale tests. Text, Ress. J., 1986, 56, 5, 287 - 303.

2. Protective clothing new research stated. Fire Int., 1993, 17, 140, 27.

3. Thermo-Man. Zelte-Planen-Markisen, 1989, 9, 8, 23.

4. Thermoman-Du Pont's burns test manicin. Fire, 1989, 82,1012, 34 (прототип).

5. С.Г.Агабабов. Влияние шероховатости поверхности твердого тела на его радиационные свойства и методы их эскпериментального определения // Теплофизика высоких температур. - 1968. - N 1. - т. 6. - с. 78 - 88.

6. П. А. Симигин. Защитные пропитки текстильных материалов. - М.: Гизлегпром, 1957.

7. Преобразователь первичный измерительный калориметрический. Паспорт ПН 40.000 ПС.

8. Relationship Between Pain and Tissue Damage Due to Thermal Radiation. J. Appl. Phys., 1959, 14, 373 - 377.

9. Effects of Extreme Heat on Man. J. of Am. Med. Ass, 1950, 10, 144, 732 - 738.

Способ может быть использован в создании инструментальных способов определения защитных свойств комплектов средств индивидуальной защиты кожи человека от высокоинтенсивных термических поражающих факторов, к которым относятся световое излучение взрыва, пламя пожаров и т.д. Применяют манекенную систему теплофизических имитаторов кожи для определения температурных полей в подкостюмном пространстве. Устанавливают структуру пакетов материалов - количество слоев и величину воздушных зазоров в расчетных ячейках размером 50 х 50 мм, составляющих комплект. Определяют условия их облучения - ориентацию по отношению к источнику излучения, изменение поглощательной способности поверхностного материала пакета расчетной ячейки в зависимости от условий облучения и соотношения прямого и рассеянного излучений, уменьшение площади ожога в расчетной ячейке в зависимости от структуры окружающих пакетов материалов, изменение воздействующего энергетического импульса за счет продуктов термического разложения материалов, оценивают термозащитные свойства пакетов материалов расчетных ячеек, после чего определяют термозащитные свойства комплекта средств индивидуальной защиты в целом. Описанный способ позволяет снизить материальные затраты и с высокой степенью достоверности определять термозащитные свойства комплектов защитной одежды. 5 табл.

Способ определения термозащитных свойств комплекта средств индивидуальной защиты кожи человека путем применения манекенной системы теплофизических имитаторов кожи для определения температурных полей в подкостюмном пространстве и последующего расчета ожогового поражения, отличающийся тем, что устанавливают структуру пакетов материалов - количество слоев и величину воздушных зазоров в расчетных ячейках размером 50 • 50 мм, составляющих комплект, определяют условия их облучения - ориентацию по отношению к источнику излучения, изменение поглощательной способности поверхностного материала пакета расчетной ячейки в зависимости от условий облучения и соотношения прямого и рассеянного излучений, уменьшение площади ожога в расчетной ячейке в зависимости от структуры окружающих пакетов материалов, изменение воздействующего энергетического импульса за счет продуктов термического разложения материалов, оценивают термозащитные свойства пакетов материалов расчетных ячеек, после чего определяют термозащитные свойства комплекта средств индивидуальной защиты в целом с использованием выражений


где S_п - доля площади кожных покровов человека, на которой появились ожоги;
импульс, Дж/см², соответствующий уровню термозащитных свойств пакета материалов расчетной ячейки;
K₀ - коэффициент, учитывающий уменьшение (увеличение) энергетического импульса в расчетной ячейке за счет ее ориентации и изменения поглощательной способности покровного материала;
K_э - коэффициент, учитывающий уменьшение (увеличение) энергетического импульса за счет продуктов термического разложения материалов;
U₀ - энергетический импульс для данного удаления от источника излучения, Дж/см²;
n - количество расчетных ячеек, в которых определено наличие термического поражения кожи, шт;
N - общее количество расчетных ячеек, шт;
K_н - коэффициент, учитывающий уменьшение площади ожога в расчетной ячейке в зависимости от структуры окружающих пакетов материалов;
S_i- доля площади кожных покровов человека, закрытая пакетом материалов одной расчетной ячейки;
импульс, Дж/см², соответствующий уровню термозащитных свойств комплекта СИЗ.