Раздел V. Гигиенические свойства обуви

Работа V.1. Теплозащитные свойства обуви

Цель работы: освоить расчет и подобрать материалы для обуви с определенными теплозащитными свойствами.

Содержание работы.

1. Тепловой расчет конструкции обуви для создания определенных теплозащитных свойств.

2. Определение теплозащитных свойств обуви по методу ЦНИИКП.

Пособия и инструменты: контрольный чертеж верха и низа обуви, обувь различных конструкций, прибор конструкции ЦНИИКП для определения теплозащитных свойств, термометры.

Литература. Зыбин Ю. П. Конструирование изделий из кожи, М., "Легкая индустрия", 1966, стр. 173-178.

Кедров Л. В. Графо-аналитический метод расчета теплозащитных свойств обуви, "Кожевенно-обувная промышленность", 1968, № 10.

Кедров Л. В. Утепленная обувь, М., Ростех издат, 1962.

Исследования воздействия низких температур на организм человека показывают, что травматическому действию холода подвергаются прежде всего конечности и особенно ноги человека.

При проектировании обуви и разработке ее ассортимента для носки в зимний период в той или иной климатической зоне необходимо рассчитывать теплозащитные свойства создаваемых конструкций обуви. Аналогичные расчеты следует выполнять и для обуви, эксплуатируемой в районах с жарким климатом.

При носке обуви теплопередачу от стопы как от источника тепла во внешнюю среду можно рассматривать как перенос тепла через сложную оболочку. В зависимости от интенсивности теплопередачи обуви в ней создаются благоприятные или неблагоприятные для стопы условия.

Под теплозащитной способностью обуви подразумевается ее способность препятствовать излишней теплоотдаче от стопы во внешнюю среду.

Как известно, процесс переноса тепла в теле при стационарном теплообмене характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, ккал/м⋅ч⋅град, а на границе тела с окружающей средой - коэффициентом теплоотдачи α, ккал/м²⋅ч⋅град.

В том случае, когда нестационарный теплообмен происходит между телом и средой с постоянной температурой и при постоянном коэффициенте теплоотдачи, он характеризуется регулярным тепловым режимом. Теплообмен в регулярном тепловом режиме характеризуется темпом регулярного охлаждения m, 1/ч. Темп регулярного охлаждения зависит от свойств тела и состояния внешней среды.

Теплоизоляционная способность единицы толщины материала характеризуется величиной, обратной коэффициенту теплопроводности λ, т. е.

Материалы, применяемые для изготовления обуви, имеют различную толщину, с увеличением которой теплозащитные свойства их возрастают. Поэтому теплозащитные свойства отдельных материалов для обуви характеризуются величиной теплового сопротивления элементарного слоя материала Р, м²⋅ч⋅град/ккал, прямо пропорциональной толщине и обратно пропорциональной коэффициенту теплопроводности материала. Эта величина называется термическим или тепловым сопротивлением материала:

где δ - толщина материала, м;

λ - коэффициент теплопроводности, ккал/м⋅ч⋅град.

В том случае, когда мы имеем не элементарный слой материала, а систему, состоящую из ряда слоев, тепловое сопротивление всей системы определяется суммой сопротивления всех элементарных слоев материала и воздушных прослоек, а также суммой сопротивлений переходу тепла из воздушной прослойки к следующему слою материала (внутренних поверхностных сопротивлений).

Тепло, отдаваемое стопой, уходит во внешнюю среду как через верх, так и через низ обуви. Поэтому тепловое сопротивление обуви является величиной суммарной, представляющей собой совокупность тепловых сопротивлений верха и низа.

Для получения представления о полной теплозащитной способности обуви нужно к величине суммарного теплового сопротивления прибавить сопротивление прохождению тепла через воздушную прослойку от стопы к обуви, а также сопротивление отдаче тепла наружной поверхностью обуви внешней среде (внешнее поверхностное тепловое сопротивление).

Сопротивление отдаче тепла во внешнюю среду определяется величиной, обратной коэффициенту теплоотдачи, и зависит от состояния наружной поверхности обуви (шероховатости, цвета), ее формы и условий, характеризующих внешнюю среду (скорость перемещения воздуха, опора на снег или грунт).

Сопротивление прохождению тепла от стопы к деталям обуви через воздушную прослойку, включая сопротивление тепловосприятию внутренней поверхности обуви, в большинстве случаев не учитывается. Это сопротивление принимается равным малой величине, которой можно пренебречь, т. е. рассматривать крайне неблагоприятный случай наиболее плотного прилегания обуви к стопе. В тепловых расчетах это допустимо, так как можно полагать, что при наличии некоторой воздушной прослойки между стопой и обувью ее теплозащитные свойства повысятся и будет иметься некоторый резерв теплового сопротивления обуви.

Таким образом, полное суммарное тепловое сопротивление обуви Р_пол, включающее в себя сопротивление отдаче тепла наружной поверхностью внешней среде, может быть выражено уравнением

где Р_сум - суммарное тепловое сопротивление (сопротивление передаче тепла через систему материалов обуви);

Р_в - внешнее поверхностное сопротивление;

α - коэффициент теплоотдачи во внешнюю среду.

Коэффициент α задается конструктором. Величины коэффициентов теплоотдачи во внешнюю среду а в условиях естественной конвекции воздуха у обуви для уличной носки составляют 6,7-7,5, а у обуви специального назначения - 8,0-12,5. Наиболее низкий коэффициент теплоотдачи характерен для обуви, у которой наружная поверхность деталей верха имеет ворс, пористость, неровности, где в большей степени удерживается граничащий с поверхностью обуви слой воздуха.

Показатель суммарного теплового сопротивления обуви складывается из показателей тепловых сопротивлений верха и низа. Зависимость между указанными показателями выражается уравнением

где S'_об, S'_в, S'_н - расчетные величины, соответствующие поверхности обуви в целом, верха, низа, м². При разработке конструкции обуви для какой-то определенной колодки величины S'_об, S'_в, S'_н задаются как известные характеристики этой колодки;

Р_в и Р_н - тепловые сопротивления верха и низа обуви, м²⋅ч⋅град/ккал.

Значения Р_в и Р_н подсчитывают, пользуясь уравнением

где сумма отношения толщин, м, к коэффициентам теплопроводности, ккал/м²⋅ч⋅град, отдельных слоев материалов, входящих в конструкцию верха или низа обуви;

n - число слоев материалов в конструкции верха или низа обуви;

Р_в(н)(n - 1) - сумма тепловых сопротивлений воздушных прослоек и сопротивлений переходу тепла от одного материала к другому, м²⋅ч⋅град/ккал.

Подбирая те или иные материалы для верха и низа обуви на основе учета условий ее эксплуатации и производя необходимые расчеты теплозащитных свойств, можно разработать конструкции обуви, обеспечивающие при носке в зимних условиях нормальное самочувствие человека.

1. Тепловой расчет конструкции обуви для создания определенных теплозащитных свойств

При проектировании обуви определенного назначения конструктору задается район ее эксплуатации. В табл. V.1 приведены обобщенные экспериментальные данные гигиенической оценки P_пол обуви разных видов при носке в различных метеорологических условиях. Территория Советского Союза разделена на зоны I-VI; кроме того, зоны I, III, IV, V разделены на части А и Б, отличающиеся отдельными элементами климата, но в совокупности создающие примерно одинаковые теплоощущения для человека. Каждая территория (зона) характеризуется сравнительно однородным типом одежды и обуви. Зоны I-IV требуют создания одежды и обуви, защищающей человека от холода в зимний период; зоны V и VI - одежды и обуви, предотвращающей перегрев тела человека.

Таблица V.1. Обобщенные экспериментальные данные гигиенической оценки Р_пол обуви разных видов при носке в различных метеорологических условиях

Приближенный тепловой расчет конструкции обуви включает в себя определение тепловых сопротивлений верха и низа на основе заданного общего показателя теплозащитных свойств обуви или, наоборот, определение Р_сум при заданных материалах верха и низа обуви. Вычисление значений Р_в и Р_н по уравнению трудности не представляет.

Толщина материалов и коэффициенты их теплопроводности приведены в табл. V.2, а показатели тепловых сопротивлений переходу тепла от одного слоя к другому для некоторых конструкций обуви - в табл. V.3. Сопротивление переходу тепла между слоями материала в обуви с обычной конструкцией верха (от кожи к ткани, от кожи к коже, от ткани к ткани) можно принять равным 0,01-0,03 м²⋅ч⋅град/ккал. Для упрощения расчета теплозащитных свойств обуви разработаны номограммы, представляющие собой решение уравнения

Это уравнение можно представить в следующем виде:

Таблица V.2. Толщина материалов и коэффициентов их теплопроводности

Таблица V.3. Показатели тепловых сопротивлений при переходе тепла от одного слоя к другому для обуви некоторых конструкций (стелька кожаная, простилка из войлока)

На левой оси радиантной номограммы (рис. V.1, а) в определенном масштабе приведены значения Р_н, на правой - Р_в и на центральной оси - Р_сум. Величина угла и положение центральной оси выбраны таким образом, чтобы (для обуви определенной полноты) при проведении прямой линии через любые деления на осях Р_н и Р_сум на оси Р_в отсекалась величина Р_в, рассчитанная по уравнению. При прохождении прямой через деления на осях Р_в и Р_сум на оси Р_в отсекается расчетная величина Р_н. Таким образом, та или иная величина Р_сум, например 0,4, может быть получена из сочетания величин, получаемых отсечением соответствующих отрезков на осях Р_в и Р_н множеством прямых, проходящих через точку 0,4 на оси Р_сум.

Рис. V.1. Радиантные номограммы

Положение оси Р_в меняется в зависимости от полноты обуви. С увеличением полноты ось Р_в приближается к оси Р_сум.

Соотношение тепловых сопротивлений низа и верха обуви различных конструкций, характеризуемое отношением применительно к разным условиям носки меняется в ту или иную сторону. Для случаев эксплуатации обуви, когда нет интенсивной теплоотдачи со стороны низа обуви (человек сидит, подошвы обуви не находятся на опоре), коэффициент К должен быть меньшим, чем для случаев, когда имеется интенсивная теплоотдача от низа обуви (в грунт, сильно воспринимающий тепло). Коэффициент К для неутепленной обуви различных конструкций колеблется от 2,5 до 3,6, а для утепленной - от 1,5 до 3,4.

Разработаны также номограммы для расчета значений Р_в и Р_н для обуви несложных конструкций. Номограмма для расчета Р_в (рис. V.1, б) состоит из двух частей. Правая часть позволяет рассчитать тепловое сопротивление подкладки Р_подкл по толщине и коэффициенту теплопроводности, а левая - тепловое сопротивление наружных деталей Р_{нар. дет}. Суммирование этих двух величин, получаемых на осях Р_подкл и Р_{нар. дет}, производится путем отсечения соответствующего отрезка на оси Р_в при проведении прямой через две полученные точки, характеризующие показатели тепловых сопротивлений подкладки и наружных деталей.

Аналогичный вид имеет и номограмма для расчета тепловых сопротивлений низа обуви (рис. V.1, в). В левой ее части определяется тепловое сопротивление стельки, в правой - подошвы. При проведении прямой линии через точки, определяющие показатель тепловых сопротивлений стельки Р_с и подошвы Р_под, на оси Р_н отсекается отрезок, характеризующий тепловое сопротивление низа.

При наличии простилки и межподкладки величины их тепловых сопротивлений прибавляются к величинам Р_н и Р_в, полученным расчетным путем.

Рассмотрим пример расчета тепловых сопротивлений обуви. Предположим, что для носки зимой в период очень низких температур в северной климатической полосе европейской территории СССР нужна обувь с примерным показателем Р_сум = 0,3 м²⋅ч⋅град/ккал. Требуется рассчитать тепловые сопротивления элементов обуви, обеспечивающие нужную величину показателя Р_сум.

Принимая соотношение тепловых сопротивлений низа и верха равным примерно 1,5, по номограмме (см. рис. V.1, а) задаемся Р_н = 0,4 и определяем Р_в = 0,27 м²⋅ч⋅град/ккал, наложив линейку на две известные точки Р_сум и Р_н.

Учитывая, что между наружными деталями верха и подкладкой имеется прослойка с тепловым сопротивлением 0,02 м²⋅ч⋅град/ккал, берем на оси Р_в номограммы (см. рис. V.1, б) точку, соответствующую 0,25 (точка А). Эта величина может быть получена из различных соотношений тепловых сопротивлений наружных деталей и подкладки.

Предположим, что наружные детали верха изготовлены из выростка хромового дубления толщиной 1,2 мм (коэффициент теплопроводности равен 0,060 ккал/м⋅ч⋅град). Тогда тепловое сопротивление слоя наружных деталей определяется точкой Б.

Проведя прямую через точки А и Б, на оси Р_н находим, что в данном случае подкладка должна иметь тепловое сопротивление 0,23 м²⋅ч⋅град/ккал (точка В). Таким показателем обладает, например, искусственный мех из лавсана (табл. V.4) с толщиной мехового слоя 8 мм и коэффициентом теплопроводности 0,035 ккал/м⋅ч⋅град.

Таблицa V.4. Показатели тепловых сопротивлений некоторых утеплителей

Принимаем, что обувь должна быть изготовлена методом горячей вулканизации (тепловыми сопротивлениями внутренних воздушных прослоек в конструкции низа пренебрегаем). При толщине кожаной стельки 2,8 мм и коэффициенте теплопроводности 0,1 ккал/м⋅ч⋅град тепловое сопротивление ее будет равным 0,028 м²⋅ч⋅град/ккал. Для обеспечения требуемого показателя Р_н тепловое сопротивление подошвы должно быть равным примерно 0,35 м²⋅ч⋅град/ккал. Таким сопротивлением обладает пористая резина с коэффициентом теплопроводности 0,04 ккал/м⋅ч⋅град, толщиной более 14 мм и плотностью 0,4-0,5 г/см³. Можно произвести расчет и в обратном порядке, определяя Р_сум обуви на основе Р_в и Р_н, если используем для верха и низа определенные материалы.

На основании проведенных по одному из приведенных выше способов расчетов устанавливают вид и толщину материалов всех деталей верха и низа обуви, обеспечивающих необходимое для заданного района тепловое сопротивление обуви.

Результаты заносят в таблицу по форме, приведенной ниже (табл. V.5).

Таблица V.5. Материалы деталей верха и низа для получения обуви с определенными теплозащитными свойствами

2. Определение теплозащитных свойств обуви по методу ЦНИИКП

По методу, разработанному ЦНИИКП, теплозащитные свойства обуви определяются бикалориметром в регулярном тепловом режиме. Бикалориметром является сама обувь, в которую вкладывают тонкий каучуковый баллон 1 (рис. V.2), изготовленный по внутренней форме обуви и заполненный нагретой до t = 43-45°С водой.

Рис. V.2. Схема прибора для определения теплового сопротивления обуви

В верхней части баллона имеется площадка 2 из теплоизолирующего материала для закрепления термометра с ценой деления 0,1-0,2 и мешалки 3 для перемешивания воды. Обувь ставят на две опоры в таком положении, что плоскость, проходящая через опорную поверхность каблука и выпуклость подошвы, горизонтальна.

Баллон, заполненный водой, является ядром бикалориметра. При соблюдении постоянства температуры внешней среды и коэффициента теплоотдачи это ядро охлаждается. Темп регулярного охлаждения m определяется по величинам температурных напоров и двух моментов времени: τ₁ и τ₂ по формуле

где τ₁ и τ₂ - моменты замера температуры;

ν₁ и ν₂ - температурные напоры в моменты времени τ₁ и τ₂.

Полное суммарное тепловое сопротивление Р‾'_сум определяют по формуле

где Φ - константа ядра.

При тонкой оболочке баллона константа ядра Φ примерно равна отношению веса заполняющей, баллон воды к внутренней поверхности обуви.

Опыты могут проводиться в атмосфере неподвижного или движущегося с различной скоростью воздуха.

Для обеспечения постоянных условий опыта обувь-бикалориметр рекомендуется поместить за стеклянное ограждение, предохраняющее от случайных внешних движений воздуха.

Так как Φ зависит от геометрических параметров обуви, то целесообразно сравнительные испытания проводить на определенных размерах обуви.

Площадку прибора устанавливают на такой высоте h, чтобы она соответствовала положению внутренней лодыжки стопы (см. рис. V.2). Величину h определяют по формуле

В табл. V.6 приведены условия, при которых могут производиться определения теплозащитных свойств обуви.

Таблица V.6. Условия определения теплозащитных свойств обуви

Величиной теплового сопротивления оболочки баллона, толщина которой равна 0,12-0,15 мм, можно пренебречь.

Производят замеры температуры воды в баллоне и окружающего воздуха через определенные промежутки времени и значения их заносят в табл. V.7.

Таблица V.7. Результаты замеров температуры воды ядра и воздуха в определенные моменты времени

Студент должен или подобрать материалы для всех деталей верха и низа проектируемой обуви определенной конструкции с заданным суммарным тепловым сопротивлением, или по заданным материалам деталей верха и низа обуви определить суммарное тепловое сопротивление обуви и установить, удовлетворяет ли оно условиям заданного района.