Проектирование и исследование свойств теплозащитного композиционного текстильного материала для боевой одежды пожарного

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и
задачи исследования, указаны научная новизна, практическая и теоретическая
значимость результатов, выносимых на защиту.
В первой главе «Анализ применения, проектирования и изготовления
боевой одежды пожарного на современном этапе» приведены статистические
данные гибели и травмирования работников пожарной охраны в Российской
Федерации. Отмечается, что одной из основных причин травматизма пожарных
является воздействие высокой температуры при пожаре. Основным средством
защиты пожарного от воздействия опасных тепловых факторов является
специальная защитная одежда. Приведен сравнительный анализ существующих
комплектов боевой одежды пожарного, а также материалов, применяемых для ее
изготовления, включающий в себя обзор патентных источников. Рассмотрены
классификация и технические требования, предъявляемые к условиям
эксплуатации и оценке основных характеристик боевой одежды пожарного.
Большой научный вклад в данную область исследований внесли
В.И. Логинов, А.В. Абрамов, В.И. Бесшапошникова, Н.В. Бесшапошникова, А.К.
Некрасов, Е.С. Михайлов, А.Ф. Давыдов, В.Ю. Мишаков (Россия), А.М. Гусаров,
А.А. Кузнецов, Н.М. Дмитракович, В.П. Давыденкова (Беларусь), А.А. Мичко,
Б.В. Болибрух (Украина); Li-Na Zhai, Jun Li, Miao Tian (Китай), Yu Yan Jiang,
Satoru Takada (Япония), A.M. Raimundo, A.R. Figueiredo (Португалия). Авторы
отмечают значительное влияние температурно-влажностного режима человека на
защитные характеристики специальной защитной одежды, что указывает на
необходимость разработки и внедрения новых теплозащитных материалов.
На основании литературного обзора сделан вывод о том, что в настоящее
время разработка специальной защитной одежды невозможна без использования
инновационных технологий, материалов и конструктивных технических решений
с применением методов математического моделирования.
Во второй главе «Исследование распределения температуры в
подкостюмном пространстве боевой одежды пожарного» предложена методика
оценки и проведено исследование теплозащитной эффективности боевой одежды
пожарного, с учетом влияния эксплуатационных факторов на теплозащитные
показатели пакета материалов.
Цель исследования – оценка распределения температуры в подкостюмном
пространстве боевой одежды пожарного (БОП) и определение теплозащитных
показателей БОП с учетом влияния эксплуатационных факторов.
Исследование проводилось c привлечением группы добровольцев и на
манекенах в учебно-тренировочном огневом комплексе ПТC «Уголек М» в
условиях, максимально приближенных к условиям тушения пожара в помещении.
На Рисунке 1 представлен график распределения температуры в
подкостюмном пространстве БОП на теле человека и на манекене.

Рисунок 1 – Распределение температур во внутреннем пространстве БОП на человеке и на
манекене

Установлено, что показатели температуры в большинстве точек на теле
человека выше, чем на манекене, что подтверждается термограммой на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Термограмма распределения температур на внешней поверхности БОП при
высоком тепловом воздействии
На основании результатов проведенного исследования были сделаны
следующие выводы:
1. Распределение температуры в подкостюмном пространстве БОП в
процессе эксплуатации отличается от испытания на манекене тем, что происходит
неравномерно. Максимальная разница температур в точках контроля достигает
25°C. Максимальная разница температур в точках контроля в подкостюмном
пространстве БОП на теле человека и на манекене достигает 40%;
2. Участками подкостюмного пространства БОП, подверженными
наибольшему нагреву, являются кисти рук, голова, надплечье. Причиной
снижения теплозащитных свойств пакета материалов служит влияние
эксплуатационных факторов, наиболее значимыми из которых являются высокая
влажность и сжатие пакета материалов БОП.
3. Температура нагрева светоотражающих элементов выше температуры
материала верха БОП более, чем на 20%.
В третьей главе «Исследование влияния эксплуатационных факторов
на теплозащитные показатели пакета материалов боевой одежды
пожарного» приведены результаты влияния эксплуатационных факторов на
теплозащитные показатели пакета материалов БОП.
Для оценки влияния влажности пакета материалов БОП на его
теплозащитные показатели использовались образцы, имеющие различную
влажность, что соответствовало реальным условиям содержания влаги в пакете
материалов БОП (W= 0,1 г/см2; W= 0,2 г/см2).
Сжатие пакета материалов во время эксперимента производилось путем
приложения нагрузки на внутренний слой образца до уменьшения толщины
пакета на 60% от первоначальной.
Теплозащитные свойства пакета материалов оценивались по показателю
времени достижения температуры 50°C на внутренней поверхности образцов
(Рисунке 3).

Рисунок 3 – Зависимость температуры на внутренней поверхности образцов с различной
влажностью от времени

Скорость нагрева внутренней поверхности образцов с повышенной
влажностью значительно выше, чем на сухих образцах. Время достижения
предельно допустимого значения температуры влажных образцов составляет
76,8 с, что существенно ниже нормируемого значения (240 с).
Установлено, что максимальное значение температуры на внешней
поверхности имеют образцы с меньшей влажностью (Рисунок 4).

а – Обр. сух.б – Обр. W (0,1 г/см2)в – Обр. W (0,2 г/см2)
Рисунок 4 – Термограммы внешней поверхности образцов с различной влажностью

Наличие влаги и ее количество в пакете материалов повышает
теплопроводностьслоев, чтоснижаеттеплозащитныесвойстваи
продолжительность защитного действия комплекта БОП.
Зависимости изменения температуры на внутренней поверхности образцов
пакета материалов БОП при сжатии до 60% от начальной толщины приведены на
Рисунке 5.

Рисунок 5 – Изменение температуры на внутренней поверхности образцов при сжатии

Скорость нагрева и достигаемые при этом максимальные показатели
температуры имеют большие значения, чем у недеформированных образцов.
В сжатых образцах сухого материала температура достигает более высоких
значений по сравнению с влажным материалом, так как при достижении высокой
температуры пакета материалов часть подводимой тепловой энергии расходуется
на испарение влаги.
Время достижения предельно допустимого значения температуры на
внутренней поверхности сжатого влажного образца минимально и составляет 65
с, что в 3 раза меньше времени достижения аналогичных значений у сухого
несжатого образца.
На Рисунке 6 представлены термограммы наружной поверхности образцов
при сжатии пакета материалов. Сжатие материалов способствует более
эффективному теплопереносу и отводу тепла во влажном материале.
а – Обр. сух.б – Обр. W (0,2 г/см2)
Рисунок 6 – Термограммы наружной поверхности образцов при сжатии

На Рисунке 7 представлены временные значения достижения предельно
допустимого значения температуры (50°С) на внутренней поверхности
исследуемых образцов.

Рисунок 7 – Время достижения предельно допустимого значения температуры (50°С)

В четвертой главе «Разработка теплозащитного композиционного
текстильного материала для боевой одежды пожарного» представлены
концептуальные основы проектирования теплозащитного композиционного
текстильного материала для боевой одежды пожарного.
Основой для разработанного композиционного текстильного материала
служит объемная матрица, получаемая с помощью 3-D технологии.
Структура разработанного композиционного текстильного материала
представлена на Рисунке 8.

Рисунок 8 – Структура композиционного текстильного материала

Композиционный текстильный материал состоит из объединенных слоев:
огнезащитного слоя 1, на который с фронтальной стороны нанесено пленочное
покрытие 2, и теплоизолирующего слоя 3, с тыльной стороны соединенного с
гигиеническим слоем 4.
Пленочное покрытие 2 выполнено из кремнийорганического полимера
с наполнителем из вакуумированных микросфер и пигментом, отражающим
инфракрасное излучение.
Теплоизолирующий слой 3 выполнен из термостойких синтетических
волокон. Огнезащитный слой 1 и теплоизолирующий слой 3 соединены друг с
другом посредством перемычек и могут располагаться на расстоянии L = 5÷12 мм
друг от друга в зависимости от необходимых теплоизолирующих параметров
конкретного элемента. Перемычки 5 могут быть выполнены из армированных
арамидных, кремнеземных или базальтовых нитей, толщиной 0,1÷1 мм,
определяющих жесткость материала, обусловленную требуемыми защитными
характеристиками элемента. Теплоизолирующий слой 3 с тыльной стороны
соединен с гигиеническим слоем 4, выполненным из хлопчатобумажных нитей,
пропитанных биоцидным препаратом, что позволяет обеспечить дополнительную
тепловую защиту и комфортные условия при контакте материала с открытыми
участками тела.
Выполнение огнезащитного слоя из негорючих арамидных нитей позволяет
обеспечить необходимые показатели защиты от кратковременного воздействия
открытого пламени и контакта с нагретыми предметами, а также от механических
воздействий. Для обеспечения защиты от влаги и ветра на огнезащитный слой
нанесено полимерное пленочное покрытие. Огнезащитный и теплоизолирующий
слоисоединеныперемычками,образующимидополнительный
теплоизолирующий межслойный зазор, обеспечивающий защиту от теплового
воздействия. За счет упругости перемычек, выполненных из армированных нитей,
обеспечивается высокая межслойная прочность и быстрое восстановление формы
материала после механического воздействия. Физико-механические показатели
композиционного полимерного материала можно регулировать путем изменения
толщины армирующих нитей перемычек, их плотности и вида ткачества.
На Рисунке 9 представлен опытный образец разработанного материала.

Рисунок 9 – Образец композиционного полимерного материала

3-D текстильная технология позволяет на стадии производства материала
регулировать его теплофизические и физико-механические показатели
применительно к каждому конкретному элементу БОП.
Применение разработанного композиционного текстильного материала для
изготовления элементов специальной защитной одежды пожарного позволит
обеспечить равномерность распределения температуры во внутреннем
пространстве одежды и снизить уровень риска получения тепловых травм и
производственного травматизма пожарных в целом.
Впятойглаве«Математическоемоделированиесложного
нестационарноготеплообменавмногослойныхкомпозиционных
материалах» излагаются результаты разработки математической модели
процесса теплопереноса в системе «Окружающая среда – композиционный
текстильный материал – человек» для оценки времени сдерживания теплового
потока через материал и уровня достигаемых температур на внутренней
поверхности БОП. Данная математическая модель предназначена для снижения
материальных, временных и трудовых затрат на разработку предложенного
композиционного материала для БОП с учетом требований максимальной
защиты.
Схематическое представление процесса прогрева композиционного
текстильного материала (далее материал) приведено на Рисунке 10. На наружную
поверхность многослойной пластины воздействует тепловой поток q п. На
внутреннюю поверхность материала воздействует температура тела человека Tч.
Требуется найти распределение температуры по толщине многослойной пластины
в любой момент времени. Для каждого слоя известны численные значения
коэффициента температуропроводности ai и его толщина li (i = 1, 2, 3).

Рисунок 10 – Схема теплопереноса в композиционном тектильном материале
Поскольку толщина каждого слоя композиционного материала значительно
меньше двух других линейных размеров, при решении поставленной задачи
будем рассматривать облучаемую поверхность как неограниченную пластину.
Так как исследуемый материал имеет сложную слоистую структуру, задача
распределения температуры для внешнего (слой 1) и внутреннего (слой 3) слоев
сводится к рассмотрению теплопереноса в многослойной пластине. Поскольку
теплоизолирующий (слой 2) слой представляет собой две текстильные
поверхности, объединенные между собой армирующими ортогональными
мононитями, то задачу распределения температуры в слое 2 можно представить в
виде теплопереноса через ограниченный стержень в воздушной среде.
Математическая модель нестационарного теплопереноса для 1-го слоя
материала может быть представлена в виде дифференциального уравнения:
1  х1 , t  2 1  х1 , t 
 а1t > 0, 0  x1  l1  ,(1)
tx1
где: Т1 – температура 1-го слоя материала, C; а1 – коэффициент
температуропроводности 1-го слоя материала, м2/с; l1 – толщина 1-го слоя
материала, м; х1 – пространственная координата 1-го слоя в декартовой системе,
м; t – время, с.
Нагрев воздуха внутри второго слоя из армирующих ортогональных
мононитей осуществляется за счет теплоотдачи ограничивающих поверхностей и
армирующих мононитей. Поэтому теплоперенос в слое 2 необходимо
рассматривать в двух взаимосвязанных системах «воздух» и «мононить».
Теплообмен между боковой поверхностью мононити и воздушной средой
происходит по закону Ньютона. Температура среды внутри замкнутой воздушной
прослойки не является постоянной и изменяется во времени.
В связи с тем, что высота и ширина мононити малы по сравнению с длиной
рассматриваемой пластины, а коэффициент теплопроводности значителен,
принимаем, что перепад температур по высоте и ширине мононити равен нулю.
Таким образом, получаем одномерную задачу, когда перепад температуры
происходит только в одном направлении.
Процесс теплообмена для 2-го слоя материала приведен на Рисунке 11.
Процесснестационарного
теплопереноса через воздушную среду
2-гослояматериаламожно
представитьввиде
дифференциального уравнения, где
теплоотдачу с боковой поверхности
мононити необходимо учитывать в
Рисунок 11 – Схема теплообмена для 2-гокачестве положительного источника
слоя материалатепла, что описывается системой
дифференциальныхуравнений:
2  х2 , t  2  х2 , t 
 с 
tx2

t > 0, 0  x2  l2  ,(2)
с в
 х 2
, t   в
 2
в
 х 2
, t  
 в в
tx2
где: Т2 – температура мононити, C; Тв – температура воздушной среды, C; 2 –
коэффициент теплопроводности мононити, Вт/(м·C); с2 – удельная
теплоемкость мононити, кДж/(кгC);  2 – плотность мононити, кг/м3; в –
коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·C); св – удельная теплоемкость
воздуха, кДж/(кгC);  в – плотность воздуха, кг/м3; l 2 – толщина 2-го слоя
материала, м; х2 – пространственная координата 2-го слоя в декартовой системе,
м;  – количество тепла, отдаваемого единицей объема мононити в единицу
времени в окружающую среду;  2 – коэффициент теплообмена, Вт/м2°С; R –
радиус сечения мононити, м; l у – длина малого участка мононити, м; х2 –
пространственная координата 2-го слоя в декартовой системе, м.
Математическая модель нестационарного теплопереноса для 3-го слоя
материала представим в виде дифференциального уравнения:
3  х3 , t  2 3  х3 , t 
 а3t > 0, 0  x3  l3  , (3)
tx3
где: Т3 – температура 3-го слоя материала, °С; а3 – коэффициент
температуропроводности 3-го слоя материала, м2/с; l3 – толщина 3-го слоя
материала, м, х3 – пространственная координата 3-го слоя, м.
Положим, что в начальный момент времени температура материала по всей
толщине постоянна и равна Т0:
1х1,0  2 х2 ,0  в х2 ,0  3 х3 ,0  0 .(4)
Граничные условия:
На левой границе (наружной поверхности) с учетом отражения части
падающего потока:
 0, t 
AqП  1  1 0, t   1 1,(5)
х1
где: qп – тепловой поток на левой границе материала, Вт/м2; 1 –
теплопроводность 1-го слоя материала, Вт/(м∙°С); А – интегральная
поглощательная способность 1-го слоя; 1 – коэффициент теплоотдачи с
наружного слоя, Вт/(м2∙°С).
На внутренней поверхности (правой границе) происходит процесс
теплообмена с телом человека, таким образом, граничные условия третьего рода
запишутся, как:
 l , t 
 3 3 3   3 (T3 (l3 , t )  Tч ) ,(6)
х3
где:  3 – коэффициент теплоотдачи с 3-го слоя, Вт/(м2∙°С); 3 –
теплопроводность 3-го слоя материала, Вт/(м∙°С); Tч – температура тела
человека, °С.
Учитывая равенство тепловых потоков и температур на границах
сопрягаемых слоев, граничные условия четвертого рода запишутся как:
 l , t  0, t 
1 1 1  2 2,(7)
х1х2
1l1, t   2 0, t  ,(8)
 l , t  0, t 
1 1 1  в в,(9)
х1х2
1 l1 , t   в 0, t  ,(10)
 l , t  0, t 
2 2 2  3 3,(11)
х2х3
2 l2 , t   3 0, t  ,(12)
в l2 , t  0, t 
в 3 3,(13)
х2х3
в l 2 , t   3 0, t  .(14)
Система дифференциальных уравнений (1-3) вместе с начальными (4) и
граничными условиями (5-14) является моделью нестационарного теплопереноса
в материале.
Поле температур рассчитывалось с применением явной конечно-разностной
схемы с использованием неравномерной сетки, в которой дифференциальные
уравнения теплопереноса (1,2,3) примут вид:
k 1 а1 (Т1ik1  Т1ik )
Т1i 2
 Т1ik i  1,…,n1 ; (15)
h1



 k 1 а2 (Т 2ik1  Т 1ik ) 2 2 Т 2ik  Твik
Т 2i 

 Т 2ik
h2 2
с2  2 R
i  1,…,n2 ;

(16)
а
Тв k 1  в (Тв k
i 1  Т 1k
)2  Т 2 k
 Тв k

 i
i
 2ii
 Твik
h2 2
с 
2 2 R
а 3 (Т 3ik1  Т 3ik )
Т 3ik 1 Т 3ik i  1,…,n1 ,
(17)
h32
где: ni – количество равных частей отрезка; hi. – длина разбиения отрезка, мм.
Алгоритм математического расчета процесса теплопередачи реализован в
виде программы для ПЭВМ, которая позволяет получить распределение
температуры по слоям композиционного текстильного материала для БОП
(Рисунок 12) в процессе теплового воздействия и провести всесторонний анализ
процесса теплопередачи.
Рисунок 12 – График распределения температуры в материале

Использование разработанной математической модели при проектировании
пакета защитной одежды позволяет осуществлять оптимальный подбор состава и
толщины слоев материала, а также количества армирующих ортогональных
нитей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основании проведенного анализа статистических данных гибели и
травмирования работников пожарной охраны РФ установлено, что одной из
основных причин гибели пожарных является воздействие высокой температуры
на пожаре. Высокий уровень ожогового травматизма вызван снижением
теплозащитных показателей боевой одежды пожарного в результате воздействия
внешних негативных факторов и конструктивных недостатков самой одежды.
Установлено, что используемая в настоящее время методика испытания боевой
одежды пожарного не позволяет произвести объективную оценку ее
теплозащитных характеристик.
2. Разработана методика оценки теплозащитной эффективности боевой
одежды пожарного. Выполнен натурный эксперимент по оценке распределения
температуры во внутреннем пространстве боевой одежды пожарного. Показано,
что в процессе эксплуатации при повышенном внешнем тепловом воздействии
распределение температуры в подкостюмном пространстве происходит
неравномерно. Максимальная разница температур в точках контроля
достигает 25°C.
3. Установлено, что причинами избыточного нагрева отдельных участков
боевой одежды являются высокая влажность пакета материалов БОП, сжатие
пакета материалов БОП, а также наличие светоотражающих элементов;
4. Определено влияние эксплуатационных факторов на теплозащитные
показатели пакета материалов боевой одежды пожарного, которые сокращают
время защитного действия более, чем в 3 раза. Влажность и сжатие пакета
материалов изменяют характер нагрева, что обусловлено увеличением
теплопроводности слоев при воздействии данных факторов на пористый
материал.
5. Разработана концепция композиционного текстильного материала для
БОП, основанного на использовании 3-D технологии, позволяющая обеспечить
равномерность распределения температуры во внутреннем пространстве одежды,
снизить уровень производственного травматизма пожарных, повысить
эффективность выполнения задач по тушению пожаров и проведению аварийно-
спасательных работ.
6. Разработана математическая модель теплообменных процессов в системе
«Окружающая среда – композиционный текстильный материал – человек»,
позволяющая прогнозировать время теплозащитного действия материала,
осуществлять подбор оптимального состава и выбирать конструктивное
исполнение материала.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.
Проведенные исследования являются основой для комплекса мероприятий,
направленных на разработку и создание специальной одежды, предназначенной
для обеспечения комплексной защиты работников пожарно-спасательных
подразделений, который включает в себя:
 аналитическую оценку влияния опасных факторов пожара на пожарных,
работающих в специальной защитной одежде в различных условиях;
 совершенствование методики испытания специальной защитной одежды,
учитывающей влияние эксплуатационных факторов;
 разработку инновационных композиционных материалов и методов их
проектирования;
 разработку математических методов моделирования новых материалов
для целенаправленного подбора их состава и строения;
 внедрение системы активной защиты пожарного, основанной на оценке
опасных параметров окружающей среды;
 разработку проектов национальных стандартов к комплексу технических
требований и методов испытаний специальной защитной одежды.
Перспективы дальнейшей разработки данной темы заключаются в
реализации указанных рекомендаций.