Проєктування теплозахисного спецодягу з автономною системою життєзабезпечення

Анотація

Мета. Метою дослідження є наукове та експериментальне обґрунтування принципів проєктування ефективного теплозахисного спеціального одягу (ТЗСО) з автономною системою
життєзабезпечення на основі інтегрованої еалізації пасивних і активних способів еплозахисту в умовах впливу екстремальних та надвисоких температур. Дослідження спрямоване на встановлення еплофізичних закономірностей теплопереносу в багатошарових пакетах матеріалів і розроблення прогностичної моделі розподілу температур та часу захисної дії за умов конвективного теплознімання. Методологія дослідження ґрунтується на поєднанні теоретичного моделювання, експериментального визначення теплофізичних характеристик і інженерно-конструкторських підходів. Теоретичне обґрунтування базується на положеннях теорії нестаціонарного теплопереносу та методу регулярного теплового режиму, з використанням аналітичного розв’язання диференціальних рівнянь, що описують процеси теплопровідності та конвективного теплообміну в пористих багатошарових системах. Теплофізичні показники матеріалів і пакетів визначалися із застосуванням плоского бікалориметра та мікрокалориметра регулярного режиму. Дослідження охоплювали пакети, сформовані з металізованих тепловідбивних шарів, термостійких тканин, мембранних матеріалів, теплоізоляційних прошарків і підкладкових матеріалів. Окрім того, розроблено та впроваджено наноструктурований текстильний матеріал, модифікований наночастинками срібла, синтезованими за «зеленою» технологією, що застосовано як гігієнічний білизняний шар. Проведено порівняльний аналіз різних конфігурацій пакетів з метою визначення оптимальних комбінацій за показниками термічного опору, щільності та ергономічності.
Головні результати. становлено, що використання виключно пасивного теплозахисту в умовах надвисоких температур є ергономічно неефективним через необхідність значного збільшення товщини та маси виробів. Інтеграція активної конвективної системи охолодження забезпечує суттєве зростання ефективного термічного опору багатошарової системи. Отримано математичну модель розподілу температур у пористому теплоізоляційному шарі за умов примусової фільтрації повітря. Запроваджено та аналітично визначено коефіцієнт ефективності активного теплозахисту, що дозволяє кількісно оцінювати результативність систем охолодження. Експериментально підтверджено, що оптимізовані пакети з металізованими
зовнішніми шарами та сучасними теплоізоляційними матеріалами забезпечують підвищений термічний опір за збереження прийнятних масо-габаритних показників. Використання наномодифікованого текстильного матеріалу у внутрішньому шарі забезпечує відповідність санітарно-гігієнічним вимогам, захист від ультрафіолетового випромінювання та підвищення екологічності виробництва.
Наукова новизна. Уперше теоретично обґрунтовано комплексну фізичну модель теплопереносу в теплозахисному одязі, що поєднує пасивну багатошарову теплоізоляцію з активним конвективним охолодженням. Отримано аналітичний розв’язок задачі розподілу температур у пористому теплоізоляційному шарі за умов конвективної фільтрації, що дозволяє визначати тепловий потік, який проникає до тіла людини, а також розраховувати коефіцієнт ефективності активного теплозахисту. Подальшого розвитку набув підхід до класифікації термостійких матеріалів за їх теплофізичними характеристиками та функціональним призначенням у структурі пакетів. Запропоновано використання наноструктурованого текстильного матеріалу з наночастинками срібла, отриманими екологічно безпечним способом, як складової комбінованих систем теплозахисту. Практична значимість. Отримані теоретичні залежності та експериментальні результати забезпечують можливість прогнозування часу захисної дії та ергономічних показників теплозахисного спеціального одягу на передпроєктному етапі. Розроблені принципи проєктування сприяють створенню конкурентоспроможних високотехнологічних виробів для пожежно-
рятувальних підрозділів та фахівців, що працюють в умовах екстремальних температур.
Упровадження наномодифікованих текстильних матеріалів підвищує гігієнічні характеристики виробів, забезпечує ультрафіолетовий захист, зменшує енерговитрати у виробничому процесі та підвищує екологічну безпечність технології. Запропонований підхід формує методологічну основу для подальшого розвитку адаптивних і автономних систем життєзабезпечення у конструкції сучасного захисного одягу.