Расчетно-экспериментальные исследования эффективности устройства для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха

.

Из этого равенства найдем :

,

Уточним значение U_0, воспользовавшись формулами (6),(7):

,

,

,

Таким образом, получена следующая математическая модель, учитывающая, что изменение температуры насадки на этапах аккумуляции тепла описывается уравнением (10), а на этапах регенерации - уравнением (11).

, , , (10)

, , .(11)

Числа и характеризуют интенсивность теплообмена, их мы назовем коэффициентами энергоэффективности материала СКРТ. Уравнения 10 и 11 дополнены начальным условием 12, уравнением согласованности 13, условием единственного начального состояния 14, и условием периодического режима 15.

,(12)

, , (13)

,(14)

при . (15)

3. Экспериментальные исследования процесса теплообмена

3.1 Планирование эксперимента

Планирование эксперимента -- комплекс мероприятий, направленных на эффективную постановку опытов. Основная цель планирования эксперимента -- достижение максимальной точности измерений при минимальном количестве проведенных опытов и сохранении статистической достоверности результатов.

Планирование эксперимента применяется при поиске оптимальных условий, выборе значимых факторов, оценке и уточнении констант теоретических моделей.

Задачи эксперимента: измерить температуры на входе и выходе из насадки.

Экспериментальное оборудование: термометр с термопарами TASI-8620.

Последовательность действий:

Измерение температуры воздуха, выходящего из регенеративной насадки. Лицевая маска с регенеративной насадкой надевается на испытателя, затем подключаются датчики температуры с внутренней стороны лицевой маски и на

3.2 Результаты экспериментальных исследований эффективности стационарных регенеративных канальных теплоутилизаторов (СРКТ) на примере регенеративного блока тепловой маски

Опыт №1:

Тип маски: утепленная трехслойная GH-2015

Дата испытания: 10 декабря 2016 г.

Температура наружного воздуха: -7 °С

Таблица 3.2.1 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
1	11,85	12,70	0,85
2	14,87	17,00	2,13
5	10,99	10,50	0,49
6	14,34	16,80	2,46
8	20,19	24,00	3,81
10	14,26	11,00	3,26
12	20,16	20,70	0,54
14	19,45	20,50	1,05
17	7,46	8,10	0,64
18	19,45	17,50	1,95
20	20,16	22,50	2,34
21	7,46	9,10	1,64
23	26,51	25,10	1,41
24	15,01	15,60	0,59
27	26,51	26,50	0,01
28	15,01	16,10	1,09

Таблица 3.2.2 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	1,50	єС
Стандартное отклонение (S)	1,07	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,53	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	1,14	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,75	-

Таблица 3.2.3 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-7,00	26,50	8,10	1,04	0,80
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-7,00	33,70	29,00	0,96	0,12



Рисунок 3.2.1- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок3.2.2 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.3 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №2:

Тип маски: утепленная трехслойная GH-2015

Дата испытания: 15 декабря 2016 г.

Температура наружного воздуха: -13 °С

Таблица 3.2.4 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	14,20	14,20	0,00
2,3	24,55	27,20	2,65
4,2	10,59	13,70	3,11
6,3	23,76	25,80	2,04
8,5	17,73	18,80	1,07
10	29,80	29,80	0,00
12	10,02	11,00	0,98
14,3	23,64	26,70	3,06
16,2	10,02	13,70	3,68
18,2	29,78	28,00	1,78
20,2	10,01	13,50	3,49
22,3	29,78	27,40	2,38
24,5	17,67	17,30	0,37
26,3	29,78	26,60	3,18
28,4	17,67	16,60	1,07
29,3	27,01	26,10	0,91

Таблица 3.2.5 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	1,90	єС
Стандартное отклонение (S)	1,26	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,63	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	1,34	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,72	-

Таблица 3.2.6 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-13,00	29,80	11,00	1,33	0,58
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-13,00	32,20	25,10	0,96	0,17

Рисунок 3.2.4- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.5 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных



Рисунок 3.2.6 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №3:

Тип маски: утепленная трехслойная GH-2015

Дата испытания: 15 декабря 2016 г.

Температура наружного воздуха: -13 °С

Таблица 3.2.7 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	22,61	22,00	0,61
3,2	22,95	23,60	0,65
5,4	16,54	16,60	0,06
7,8	22,25	23,30	1,05
9	18,27	17,90	0,37
11,6	24,38	24,30	0,08
13	18,22	17,60	0,62
15,2	22,72	23,70	0,98
17,3	16,38	16,70	0,32
19	22,70	23,50	0,80
21,2	18,19	17,10	1,09
23,3	24,33	24,20	0,13
25,3	16,36	17,30	0,94
27,2	22,69	23,70	1,01
29,5	16,36	16,80	0,44

Таблица 3.2.8 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,60	єС
Стандартное отклонение (S)	0,36	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,18	-
Критерий Стьюдента (t)	2,14	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,39	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,64	-

Таблица 3.2.9 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-13,00	24,30	16,60	0,49	0,23
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-13,00	34,60	25,60	1,70	0,21

Рисунок 3.2.7- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени



Рисунок 3.2.8 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.9 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №4:

Тип маски: cпортивная однослойная GH-2016

Дата испытания: 26 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -15 °С

Таблица 3.2.10 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	13,80	13,80	0,00
2,3	24,62	27,40	2,78
4,3	18,22	15,90	2,32
6,3	23,95	27,40	3,45
8	10,40	10,50	0,10
10,8	18,70	19,50	0,80
12,4	15,87	12,20	3,67
14,4	23,84	25,60	1,76
16,3	15,86	13,20	2,66
18	29,79	29,70	0,09
20,2	10,33	12,50	2,17
22	29,79	29,00	0,79
24	10,33	12,30	1,97
26	29,79	28,90	0,89
28,3	10,33	14,30	3,97
29,4	27,06	25,50	1,56

Таблица 3.2.11 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	1,80	єС
Стандартное отклонение (S)	1,29	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,65	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	1,38	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,76	-

Таблица 3.2.12 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	29,70	10,50	1,33	0,56
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	31,50	28,50	0,46	0,07

Рисунок 3.2.10- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.11 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.12 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №5:

Тип маски: cпортивная однослойная GH-2016

Дата испытания: 26 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -15 °С

Таблица 3.2.13 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	11,40	11,40	0,00
2,4	24,92	27,00	2,08
4	11,03	10,90	0,13
6	30,95	30,90	0,05
8	10,99	12,10	1,11
10,3	30,94	27,80	3,14
12,2	10,98	13,30	2,32
14,3	30,94	29,00	1,94
16,3	10,98	14,30	3,32
18,2	30,94	29,70	1,24
20,2	10,98	14,00	3,02
22,2	30,94	30,30	0,64
24,3	18,04	14,90	3,14
26,4	24,84	27,30	2,46
28,2	10,98	14,50	3,52
29,7	28,34	28,30	0,04

Таблица 3.2.14 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	1,80	єС
Стандартное отклонение (S)	1,30	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,65	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	1,39	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,79	-

Таблица 3.2.15 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	30,90	10,90	1,51	0,57
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	32,40	28,00	0,72	0,10

Рисунок 3.2.13- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.14 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных



Рисунок 3.2.15 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №6:

Тип маски: ООО “Второе Дыхание ТМ”

Дата испытания: 26 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -15 °С

Таблица 3.2.16 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0,5	6,22	6,10	0,12
1,8	7,31	8,50	1,19
2,7	4,11	5,60	1,49
5,6	8,83	8,90	0,07
9	7,23	6,70	0,53
10,8	3,75	4,60	0,85
13,2	8,56	7,80	0,76
14,7	3,67	4,60	0,93
16,6	5,55	5,90	0,35
18,7	3,63	4,10	0,47
20,4	5,51	5,40	0,09
23	3,60	3,90	0,30
25,3	8,44	7,90	0,54
26,5	5,08	5,40	0,32

Таблица 3.2.17 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,60	єС
Стандартное отклонение (S)	0,43	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,21	-
Критерий Стьюдента (t)	2,16	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,46	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,80	-

Таблица 3.2.18 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	8,90	3,90	0,17	0,23

Рисунок 3.2.16- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Опыт №7:

Тип маски: ООО “Второе Дыхание ТМ”

Дата испытания: 26 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -15 °С



Рисунок 3.2.17 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Таблица 3.2.19 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0,2	3,21	3,90	0,69
2,8	5,43	6,00	0,57
4,6	4,34	4,70	0,36
7	5,29	5,50	0,21
8,3	2,90	3,60	0,70
10,5	6,50	6,30	0,20
13	5,42	5,40	0,02
14,5	6,44	7,20	0,76
15,5	3,92	4,50	0,58
18,2	7,77	7,30	0,47
20,3	4,06	3,70	0,36
22,5	6,36	6,80	0,44
24,2	2,71	3,30	0,59
26,3	6,35	6,90	0,55
28,2	2,69	3,10	0,41
29,8	7,70	7,00	0,70

Таблица 3.2.20 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,50	єС
Стандартное отклонение (S)	0,21	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,10	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,22	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,47	-

Таблица 3.2.21 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	7,30	3,10	0,13	0,21

Рисунок 3.2.18- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.19 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №8:

Тип маски: ветрозащитная балаклава AliExpress

Дата испытания: 26 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -15 °С

Таблица 3.2.22 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	14,30	14,30	0,00
1,1	21,80	22,40	0,60
3,6	16,89	16,20	0,69
5,3	21,70	23,30	1,60
7,2	19,84	18,60	1,24
9,5	24,44	24,10	0,34
11,6	16,83	16,60	0,23
13	21,66	21,40	0,26
15,3	16,82	18,20	1,38
17	21,66	21,30	0,36
19	19,81	19,40	0,41
20,8	21,65	20,70	0,95
23,2	19,81	18,10	1,71
25	21,65	21,40	0,25
27	19,81	19,50	0,31
30	26,68	26,50	0,18

Таблица 3.2.23 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,70	єС
Стандартное отклонение (S)	0,55	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,27	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,58	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,89	-

Таблица 3.2.24 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	26,5	14,30	0,79	0,35
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	26,60	22,00	0,38	0,12

Рисунок 3.2.20- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.21 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных



Рисунок 3.2.22 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №9:

Тип маски: ветрозащитная маска AliExpress

Дата испытания: 26 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -15 °С

Таблица 3.2.25 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	-4,70	-4,70	0,00
3,2	-0,49	-1,90	1,41
4	-4,67	-4,40	0,27
7	-0,47	-0,50	0,03
8	-4,66	-4,70	0,04
11	-0,47	-0,70	0,23
12,3	-1,87	-3,10	1,23
15,2	-0,47	-1,40	0,93
16,3	-1,87	-2,80	0,93
18	5,42	5,40	0,02
19	-0,47	0,40	0,87
21	0,73	1,20	0,47
23	-0,47	-0,80	0,33
25	0,73	0,70	0,03
27,3	-2,74	-2,10	0,64
28,8	0,73	-1,30	2,03

Таблица 3.2.26 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,60	єС
Стандартное отклонение (S)	0,60	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,30	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,64	-
Относительная ошибка измерения (д)	1,08	-

Таблица 3.2.27 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	5,40	-4,70	0,28	0,68
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	28,00	15,70	0,89	0,34

Рисунок 3.2.23- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени



Рисунок 3.2.24 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.25 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №10:

Тип маски: ветрозащитная маска AliExpress

Дата испытания: 26 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -15 °С

Таблица 3.2.28 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	-2,43	-2,40	0,03
1,8	0,05	1,20	1,15
4	-2,52	-2,60	0,08
6,3	-1,51	-1,10	0,41
8	-2,57	-3,10	0,53
10,7	-2,89	-2,30	0,59
11,7	-2,60	-3,90	1,30
14,8	-2,90	-2,00	0,90
15,8	-2,61	-3,90	1,29
18,3	-1,58	-1,30	0,28
19,9	-2,62	-3,30	0,68
21,8	-0,10	1,40	1,50
24,4	-1,18	-1,40	0,22
25,8	-0,10	1,20	1,30
26,5	-2,92	-1,80	1,12

Таблица 3.2.29 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,80	єС
Стандартное отклонение (S)	0,50	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,26	-
Критерий Стьюдента (t)	2,14	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,53	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,70	-

Таблица 3.2.30 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	1,40	-3,90	0,14	0,39
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-15,00	30,50	24,30	0,70	0,15



Рисунок 3.2.26- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.27- График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.28- График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №11:

Тип маски: утепленная трехслойная GH-2015

Дата испытания: 2 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -6 °С

Таблица 3.2.31 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	11,60	11,60	0,00
1,8	31,40	30,50	0,90
3,8	11,67	12,70	1,03
5,5	28,92	29,30	0,38
7,7	15,32	13,80	1,52
10	31,41	31,40	0,01
11,8	11,67	13,40	1,73
14	31,41	31,40	0,01
15,5	15,32	14,90	0,42
18	31,41	30,90	0,51
20,3	19,77	16,60	3,17
22	31,41	30,00	1,41
24,3	19,77	17,40	2,37
26	31,41	31,30	0,11
27	19,71	19,60	0,11
29,7	28,92	29,50	0,58

Таблица 3.2.32 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,89	єС
Стандартное отклонение (S)	0,93	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,47	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,99	-
Относительная ошибка измерения (д)	1,12	-

Таблица 3.2.33 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-6,00	31,4	11,60	1,57	0,75
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-6,00	35,60	33,10	1,25	0,06

Рисунок 3.2.29 - График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.30 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных



Рисунок 3.2.31 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №12:

Тип маски: ООО “Второе Дыхание ТМ”

Дата испытания: 2 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -6 °С

Таблица 3.2.34 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
1,3	17,51	17,00	0,51
2,7	17,09	16,40	0,69
5	15,69	15,90	0,21
6,3	16,51	17,00	0,49
9,3	16,45	15,70	0,75
11,2	14,81	14,50	0,31
13,5	16,20	16,20	0,00
14,7	15,93	15,60	0,33
16,7	13,55	13,90	0,35
18,8	15,79	15,30	0,49
20,6	13,44	13,90	0,46
23	14,39	14,70	0,31
25,2	14,67	15,00	0,33
27,6	13,11	12,70	0,41
29	14,63	14,20	0,43

Таблица 3.2.35 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,40	єС
Стандартное отклонение (S)	0,18	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,09	-
Критерий Стьюдента (t)	2,14	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,20	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,48	-

Таблица 3.2.36 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-6,00	17,00	12,70	0,20	0,21
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-6,00	35,90	33,70	1,42	0,05

Рисунок 3.2.32- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени



Рисунок 3.2.33 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.34 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №13:

Тип маски: утепленная трехслойная GH-2015

Дата испытания: 3 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -17 °С

Таблица 3.2.37 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	4,90	4,90	0,00
2,3	13,81	15,20	1,39
4,7	8,62	9,90	1,28
6,3	13,77	15,30	1,53
8,3	8,60	6,90	1,7
10,2	13,75	14,90	1,15
12,5	8,59	9,20	0,61
14,3	13,74	14,60	0,86
16,3	8,58	6,80	1,78
18	17,49	17,60	0,11
20,4	8,58	8,20	0,38
22,5	13,74	13,20	0,54
24,2	4,77	6,50	1,73
26,5	13,74	12,90	0,84
28,2	8,58	7,00	1,58
29,7	17,49	16,00	1,49

Таблица 3.2.38 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	1,06	єС
Стандартное отклонение (S)	0,59	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,30	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,63	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,60	-

Таблица 3.2.39 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-17,00	17,60	4,90	0,51	0,46
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-17,00	36,30	32,90	2,51	0,07

Рисунок 3.2.35- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.36 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.37 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №14:

Тип маски: утепленная трехслойная GH-2015

Дата испытания: 4 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -31 °С

Таблица 3.2.40 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
1	7,08	6,90	0,18
3	6,98	7,00	0,02
5	6,80	6,50	0,30
7	6,72	6,70	0,02
9,2	5,90	6,20	0,30
11,3	7,08	7,00	0,08
13	6,34	6,50	0,16
15,3	6,89	6,80	0,09
17,2	6,16	5,90	0,26
19	6,12	6,20	0,08
21,5	5,36	5,40	0,04
23	5,98	6,20	0,22
25	5,86	5,60	0,26
27,5	6,46	6,20	0,26
29,3	5,11	5,30	0,19

Таблица 3.2.41 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	0,16	єС
Стандартное отклонение (S)	0,10	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,05	-
Критерий Стьюдента (t)	2,14	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,11	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,67	-

Таблица 3.2.42 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-31,00	7,00	5,40	0,05	0,04
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-31,00	35,40	32,70	1,18	0,04

Рисунок 3.2.38- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени

Рисунок 3.2.39 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных



Рисунок 3.2.40 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Опыт №15:

Тип маски: утепленная трехслойная GH-2015

Дата испытания: 6 января 2017 г.

Температура наружного воздуха: -35°С

Таблица 3.2.43 - Сопоставление расчетной и эмпирической температур воздуха с наружной стороны СРКТ во времени

Время, с	Температура, °С
	расчетная	опытная	отклонение
0	8,80	8,80	0,00
1	17,59	16,40	1,19
3,5	8,41	9,10	0,69
6	21,49	20,40	1,09
8	2,86	2,40	0,46
10	20,82	19,40	1,42
11,3	6,35	8,00	1,65
13,3	17,27	16,00	1,27
15,4	6,20	6,60	0,40
18,3	20,55	18,00	2,55
20,7	8,18	8,90	0,72
21,8	17,17	18,50	1,33
23,3	6,14	7,90	1,76
26	20,52	19,10	1,42
27	10,46	9,70	0,76
30	20,52	19,80	0,72

Таблица 3.2.44 - Проверка адекватности расчетной модели экспериментальным данным

Среднее значение (Xср)	1,09	єС
Стандартное отклонение (S)	0,62	-
Стандартное отклонение среднего значения (Sср)	0,31	-
Критерий Стьюдента (t)	2,13	-
Доверительный интервал (ДИ)	0,66	-
Относительная ошибка измерения (д)	0,61	-

Таблица 3.2.45 - Коэффициенты эффективности регенеративной насадки

Оценка эффективности по наружной стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-355,00	20,40	2,40	0,75	0,39
Оценка эффективности по внутренней стороне насадки:
Tin	Tout	Tmax	Tmin	k1	k2
36,60	-35,00	33,60	27,90	1,06	0,09

Рисунок 3.2.41- График экспериментальной зависимости изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени



Рисунок 3.2.42 - График зависимости изменения температуры воздуха с наружной стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

Рисунок 3.2.43 - График зависимости изменения температуры воздуха с внутренней стороны СРКТ во времени с сопоставлением расчетных и опытных данных

3.3 Анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований

На основании проведенных в предыдущей главе экспериментальных исследований эффективности стационарных регенеративных канальных теплоутилизаторов (СРКТ) на примере регенеративного блока тепловой маски получены следующие средние значения коэффициентов эффективности регенеративных насадок-теплообменников, приведенные в таблице 3.3.1.

Таблица 3.3.1 - сводная ведомость осредненных значений коэффициентов эффективности подогрева воздуха в тепловых масках

№ пп	Вид маски	k1	k2
Маски регенеративно-смешивающего типа теплообменника
1	Утепленная трехслойная GH-2015 (Вологда)	0,85	0,24
2	Спортивная однослойная GH-2016 (Вологда)	0,52	0,17
3	ООО “Второе Дыхание ТМ” (Челябинск)	0,19	0,07
Маски смешивающего типа теплообменника
4	Ветрозащитная балаклава AliExpress (Китай)	0,59	0,24
5	Ветрозащитная маска AliExpress (Китай)	0,50	0,39

Во всех указанных в таблице устройствах СРКТ следует учитывать, что в пространстве между маской и ртом происходит теплообмен сложного характера, при этом процессы могут быть, в большей степени, отнесены к тепломассообмену, происходящему в теплообменных аппаратах смешивающего типа, что при исследовании эффективности СРКТ усложняет процесс математического моделирования.

В виду того, что регенеративные теплообменные устройства, применяемые в тепловых масках, представлены только в первых трех типах масок, следует вести оценку эффективности именно среди данных исследуемых образцов.

Как ранее указывалось, показатели эффективности СРКТ могут быть представлены в виде k1 - коэффициента эффективности аккумуляции тепловой энергии в СРКТ и k2 - коэффициента эффективности регенерации тепловой энергии в СРКТ.

Получено следующее:

1. Для разработанных научным коллективном двух вариантов тепловых масок с СРКТ типа GH-2015 и GH-2016 оба коэффициента k1 и k2 выше по сравнению со стационарным регенеративным теплоутилизатором тепловой маски ООО “Второе Дыхание ТМ” (Челябинск): для k1 это значение выше на 63…77%, для k2 - на 55..69%.

2. Довольно высокий коэффициент k1 для GH-2015 может говорить о высокой степени процесса аккумуляции тепловой энергии СРКТ (0,85) и правильно подобранном материале для его осуществления. Для GH-2016 коэффициент k1 может быть увеличен за счет подбора материала СРКТ с большим значением теплоемкости. Значение коэффициента k2 в диапазоне 0,17..0,24 может говорить о необходимости дальнейшего направления исследований по поиску вариантов материала СРКТ с большим значением коэффициента теплопроводности.

3. Высокие значения коэффициентов k1 (0,50..0,59) и k2 (0,24..0,39) для масок смешивающего типа теплообменника говорят о достаточной эффективности смешивающего эффекта подогрева наружного воздуха за счет внесения в него теплового воздуха дыхания человека, однако этот процесс в данном контексте исследований не анализируется и его влияние на процесс тепломассопереноса тепловых масках может быть изучен в дальнейшем.

Переходя к статистическому методу анализа экспериментальных данных, применен метод корреляций, посредством которого определена связь между двумя рядами экспериментальных данных - гармоникой изменения температуры воздуха с наружной и внутренней стороны СРКТ во времени и температурой. Коэффициент корреляции показал, каким образом одно явление влияет на другое или связано с ним в своей динамике.

Осуществляя анализ влияния одного фактора на другой, необходимо учитывать возможное наличие запаздывания между сравниваемыми наборами данных. Учет запаздывания при расчетах корреляции между двумя наборами возможен, если рассматривать коэффициент корреляции как функцию величины сдвига одной выборки относительно другой. Однако для столь малых размеров СРКТ данным сдвигом можно пренебречь.

Результаты корреляционного анализа приведены в табл. 3.3.2.

Таблица 3.3.2 - сводная ведомость диапазона значений коэффициентов корреляции для исследуемых типов масок

№ пп	Вид маски	R
Маски регенеративно-смешивающего типа теплообменника
1	Утепленная трехслойная GH-2015 (Вологда)	0.80..0.94
2	Спортивная однослойная GH-2016 (Вологда)	0.84..0.89
3	ООО “Второе Дыхание ТМ” (Челябинск)	0.2..0,62

Анализ показал довольно высокую степень корреляции для двух типов СРКТ (0,80..0,94). Слабая степень корреляции для маски ООО “Второе Дыхание ТМ” (Челябинск) и наблюдения позволяют говорить о слабом воздухообмене через регенеративный теплообменный блок, что отражается на общей эффективности тепломассопереноса.

4. Инженерная методика определения эффективности

4.1 Понятие инженерных расчетов

Инженерные расчеты являются важнейшим этапом современного исследования и проектирования. За последние сто лет эти расчеты развились в отдельную науку, в которой широко используются последние достижения математики, механики и физики.

Точность расчетного предсказания параметров проектируемой конструкции или процесса в значительной степени определяет их надежность и работоспособность. Поэтому усилия ученых и инженеров всегда направлены на разработку новых более точных и полных методов таких расчетов.

При разработке методики расчета, как правило, возникают трудности, связанные с тем, что на современном уровне развития науки точное описание конструкции или процесса в терминах математики и механики обычно невозможно. Поэтому в расчетную схему приходится вводить упрощения, создавая теоретическую модель, которую уже можно анализировать известными методами.

Допустимость принимаемого упрощения, как правило, проверяют экспериментально. Для этого величину анализируемого параметра измеряют на реальной конструкции и сравнивают ее с величиной, получаемой по упрощенной расчетной модели. Иногда экспериментальное определение очень сложно или, вообще, невозможно и тогда допустимость принятых упрощений обосновывают либо ссылками на сходные случаи, либо опираются на так называемые «общие соображения», т.е. практически принимают без доказательства. Внутренним оправданием в этом случае является то, что без принятого упрощения теоретический анализ провести невозможно.

Математические процедуры определения искомого параметра при упрощенном описании конструкции (или ее элемента) называются математической моделью, и эта модель является основой инженерного расчета.

Стремясь повысить надежность расчетного предсказания того или иного параметра, математическую модель уточняют. Уточнение может вестись двумя путями: либо за счет использования более сложных методов математики и механики стараются избавиться от принятых ранее упрощений, либо модель уточняют введением, так называемых поправочных коэффициентов, которые определяются экспериментально или в некоторых случаях теоретически.

Различают два основных вида теплового расчёта теплообменников: поверочный и конструктивный. Целью поверочного расчёта является определение эффективности существующего устройства с известными теплотехническими параметрами конструкционного материала и габаритными размерами для конкретных температурных режимов. Основная задача конструктивного расчёта заключается в определении конструктивных размеров, необходимых для обеспечения требуемых параметров теплоносителей. В расчете могут быть заданы физические свойства теплоносителей, их расходы, начальные температуры теплоносителей, а также температура одного из теплоносителей на выходе из теплообменника. В работе поставлена задача по разработке инженерной методики поверочного теплового расчета СРКТ.

На основе теоретических представлений и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета аппарата, позволяющая определить конструктивные размеры, необходимые для обеспечения требуемых параметров теплоносителей. ?Общность результатов исследования и приложимость их для создания методики инженерного расчета в большой степени определяются используемыми IB упомянутых работах методами анализа. Вместе с тем до сих пор не создано приемлемой методики инженерных расчетов, обеспечивающей получение надежных результатов для различных условий.

4.2 Алгоритм определения

Последовательность реализация инженерной методики определения эффективности может быть представлена в виде следующей схемы.

Рис.4.1 - Алгоритм реализации инженерной методики определения эффективности

На основании предложенной математической модели разработан алгоритм ее решения, реализованный в программе MathCAD. Результаты испытаний (в общей численности более 30 замеров при различных температурах наружного воздуха от - 5⁰С до -42⁰С) обработаны по приведенной здесь инженерной методике. Методика позволяет оценить корреляцию результатов эксперимента и моделирования как в гармоническом режиме - коэффициент R с относительной ошибкой д, так и критерии эффективности К1 и К2. По результатам анализа критериев могут разрабатываться предложения по повышению эффективности СКРТ.

5. Технико-экономическое обоснование внедрения нового продукта на рынок

Внедрение нового устройства для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур обеспечит следующие показатели:

- повышение температуры вдыхаемого морозного воздуха на 35..40 ?С до положительных температур;

- снижение потерь теплоты организма человека в целом на 50 %, обеспечив защиту от заболеваний и время деятельности на открытом воздухе.

Средняя стоимость предлагаемого устройства составит 1450 руб.

Срок окупаемости проекта - 1 год.

Таблица 5.1 - Себестоимость устройства.

Материалы, сырье, комплектующие	Стоимость
Алюминий	30
Скрепляющая лента типа «крючок-петля»	10
Припой	10
Текстильная основа	550
Доставка комплектующих	100

Оплата труда - 300 руб./ед.

Итоговая себестоимость устройства - 1000 руб./ед.

Для доведения устройства до опытного образца требуется финансирование в размере 50 000 руб. в качестве гранта Правительства Вологодской области.

Для выхода на заявленные производственные мощности планируется на 2,5 года взять кредит 2 000 000 руб. на оборудование и оборотные средства. В течение третьего года кредит будет погашен.

Таблица 5.2 - Схема погашения кредитов.

Схема погашения кредитов	1 год	2 год	3 год
Кредит	2 000 000 р.	-	-
% за кредит	300 000р.	300 000 р.	188 000 р.
Возврат кредита			2 000 000 р.

Таблица 5.3 - Объемы продаж поквартальные и годовые

Показатель	1 год	1 год, всего	2 год	2 год, всего
	I	II	III	IV		I	II	III	IV
Ожидаемые продажи, шт.	-	300	600	1200	2100	1500	1500	1500	1500	6000
Цена продажи ед., руб.	-	1450	1450	1450	1450	1450	1450	1450	1450	1450
Общий объем продаж установок, млн. руб.	-	0,435	0,87	1,74	3,045	2,283	2,283	2,283	2,283	9,135

Таблица 5.4 - Расчетный постатейный поквартальный баланс доходов и расходов первого года.

Показатель	Квартал	Итоги 1 года
	I	II	III	IV
Ожидаемые продажи "Устройство для защиты органов дыхания", шт.		300	600	1200	2100
Цена продажи единицы услуги, руб.		1450	1450	1450
Общий объем продаж "Устройства для защиты органов дыхания", руб. (выручка от реализации)		435000	870000	1740000	3045000
Постоянные затраты
затраты на оплату труда (с увлечением на 5% в год)		462000	462000	462000	1386000
страховые взносы на фонд заработной платы (30%)		138600	138600	138600	415800
аренда производственных помещений и затраты на электр. и отопление	50 000	50 000	50 000	50 000	200000
ремонт и оборудование помещений	280 000
приобретение производственного оборудования	150000				150000
рекламно-агитационная деятельность		100000	40000	40000	180000
НИОКР по усовершенствованию конструкции			50000	50000	100000
Сертифицирование, регистрация товарной марки		100000			100000
Проценты по кредиту (ставка 15 %)	75000	75000	75000	75000	300000
Возврат кредита
ИТОГО	555000	925600	815600	815600	3111800
Переменные затраты
Материалы и комплектующие		240000	480000	960000	1680000
затраты на упаковку		15000	30000	60000	105000
ИТОГО	0	255000	510000	1020000	1785000
ВСЕГО ЗАТРАТ	555000	1180600	1325600	1835600	4896800

Таблица 5.5 - Расчетный постатейный поквартальный баланс доходов и расходов второго года.

Показатель	Квартал	Итоги 2 года
	I	II	III	IV
Ожидаемые продажи "Устройство для защиты органов дыхания", шт.	1500	1500	1500	1500	6000
Цена продажи единицы услуги, руб.	1523	1523	1523	1523
Общий объем продаж "Устройства для защиты органов дыхания", руб. (выручка от реализации)	2283750	2283750	2283750	2283750	9135000
Постоянные затраты
затраты на оплату труда (с увлечением на 5% в год)	485100	485100	485100	485100	1940400
страховые взносы на фонд заработной платы (30%)	145530	145530	145530	145530	582120
аренда производственных помещений и затраты на электр. и отопление	55000	55000	55000	55000	220000
рекламно-агитационная деятельность	40000	40000	40000	40000	160000
НИОКР по усовершенствованию конструкции	50000	50000	50000	50000	200000
Сертифицирование, регистрация товарной марки	50000				50000
Проценты по кредиту (ставка 15 %)	75000	75000	75000	75000	300000
ИТОГО	900630	850630	850630	850630	3452520
Переменные затраты
Материалы и комплектующие	1200000	1200000	1200000	1200000	4800000
затраты на упаковку	75000	75000	75000	75000	300000
ИТОГО	1275000	1275000	1275000	1275000	5100000
ВСЕГО ЗАТРАТ	2175630	2125630	2125630	2125630	8552520

Таблица 5.6 - Расчетный постатейный поквартальный баланс доходов и расходов третьего года.

Показатель	Квартал	Итоги 3 года
	I	II	III	IV
Ожидаемые продажи "Устройство для защиты органов дыхания", шт.	2000	2000	2000	2000	8000
Цена продажи единицы услуги, руб.	1599	1599	1599	1599
Общий объем продаж "Устройства для защиты органов дыхания", руб. (выручка от реализации)	3197250	3197250	3197250	3197250	12789000
Постоянные затраты
затраты на оплату труда (с увлечением на 5% в год)	509355	509355	509355	509355	2037420
страховые взносы на фонд заработной платы (30%)	152807	152807	152807	152807	611226
аренда производственных помещений и затраты на электр. и отопление	60000	60000	60000	60000	240000
ремонт и оборудование помещений
рекламно-агитационная деятельность	60000	60000	60000	60000	240000
Проценты по кредиту (ставка 15 %)	75000	75000	38000		188000
Возврат кредита, руб.		1000000	1000000
ИТОГО	857162	1857162	1820162	782162	5316646
Переменные затраты
Материалы и комплектующие, руб.	1600000	1600000	1600000	1600000	6400000
затраты на упаковку, руб.	100000	100000	100000	100000	400000
ИТОГО	1700000	1700000	1700000	1700000	6800000
ВСЕГО ЗАТРАТ	2557161,5	3557162	3520162	2482162	12116646

Таблица 5.7 - Расчет движения денежных средств за первый год.

Показатель	Квартал	Итоги 1 года
	I	II	III	IV
Доходы, в том числе:	2000000	435000	870000	1740000	5 045 000
Выручка от реализации	0	435000	870000	1740000	3045000
Инвестиционные средства	2000000	0	0	0
Расходы	555000	1180600	1325600	1835600	4 896 800
Налог УСН 15%					22 230
Чистая прибыль					125 970
Рентабельность производства					1,03

Таблица 5.8 - Расчет движения денежных средств за второй год.

Показатель	Квартал	Итоги 2 года
	I	II	III	IV
Доходы, в том числе:	2283750	2283750	2283750	2283750	9 260 970
Выручка от реализации	2283750	2283750	2283750	2283750	9135000
Доход за предыдущий год	125970
Расходы	2175630	2125630	2125630	2125630	8 552 520
Налог УСН 15%					87 372
Чистая прибыль					621 078
Рентабельность производства					1,06

Таблица 5.9 - Расчет движения денежных средств за третий год.

Показатель	Квартал	Итоги 3 года
	I	II	III	IV
Доходы, в том числе:	3197250	3197250	3197250	3197250	13410078
Выручка от реализации	3197250	3197250	3197250	3197250	12789000
Доход за предыдущий год	621078
Расходы	2557162	3557162	3520162	2482162	12 116 646
Погашение кредита		1000000	1000000
Налог УСН 15%					100 853
Чистая прибыль					1 192 579
Рентабельность производства					1,05

6. Экология, здравоохранение, социальное обеспечение

Во второй половине ХХ столетия во всем мире начали интенсивно проводиться научно-исследовательские работы по изучению географической патологии, медицинской географии, краевой патологии. Появилось множество обобщающих научных исследований об особенностях заболеваний человека на Севере.

На Всесоюзной конференции в г. Красноярске в 1981 г. было констатировано образование новой отрасли медицинской науки -- северной (арктической) медицины. Целесообразность её выделения не вызвала сомнений среди многих исследователей Севера.

Интерес к изучению действия холода на организм человека особенно возрос после Второй мировой войны. В ходе военной кампании на советско-германском фронте значительные потери в живой силе были обусловлены обморожениями и другими поражениями холодом.

В послевоенный период в США, Англии и Канаде резко возросли объёмы проводимых научных исследований по проблемам адаптации к низким температурам и медико-биологическим проблемам северных территорий. В России повышение интереса к изучению вопросов акклиматизации человека на Севере было обусловлено задачами послевоенного экономического развития СССР посредством резкого увеличения эксплуатации богатых природных ресурсов обширных северных территорий России и привлечения в эти регионы огромных людских ресурсов.

Привлечение больших людских ресурсов потребовало усиления научных исследований по акклиматизации и адаптации человека в суровых природно-климатических условиях Севера.

Резкое увеличение объёма научных медико-биологических исследований по проблемам Севера во всем мире и выявленное при этом отставание показателей состояния здоровья населения арктических территорий способствовали проведению в Женеве в 1962 г. первой международной научной конференции ВОЗ по проблемам медицины и здравоохранения в Арктике и Антарктиде. Возникла необходимость координации и международного обмена научными данными учёных различных стран мира. В связи с этим регулярно стали проводиться международные конгрессы по приполярной медицине под эгидой Международного союза по приполярной медицине. В настоящее время проведено 13 конгрессов.

Интерес к этой проблеме не ослабевает со стороны мирового сообщества. Данное обстоятельство диктуется колоссальными природными ресурсами Севера при ожидаемом в ближайшем будущем истощении запасов минеральных ресурсов в более доступных регионах земного шара. По самым смелым прогнозам в отдалённом будущем на Арктику могут переселиться до 1,5 млрд. человек.

Основные задачи арктической медицины: раскрыть тонкие механизмы адаптации человека при воздействии на организм экстремальных факторов Севера, особенно холода и нарушения фотопериода; выявить клинико-патогенетические особенности заболеваний органов и систем; разработать этиопатогенетические методы их лечения.

Данное направление исследований усиленно разрабатывается на протяжении ряда лет мировым сообществом учёных на основе теоретического обобщения мирового опыта и следующих положений:

- В арктических регионах заболевания человека имеют свои особенности распространения, которые в большей степени связаны с экологическими факторами региона и состоянием адаптированности организма.

- Развитие заболеваний человека в суровых условиях региона происходит на фоне сдвигов медико-биологических и физиологических параметров организма: специфического рациона, нарушения питания, полигиповитаминозных состояний, сдвигов физиологических функций систем организма.

- Болезни на Севере, наряду с общепризнанными причинами, имеют специфические и характерные для арктических регионов факторы риска. С удлинением сроков проживания на Севере повышается частота заболеваний дистрофически-дегенеративного характера. Клиническая картина заболеваний характеризуется гипостенизацией симптоматики и торпидностью течения.

- Низкая эффективность медицинской помощи на Севере объясняется фактическим отсутствием системы обучения с учётом северной специфики, отсутствием научно обоснованных программ первичной и вторичной профилактики наиболее социально значимых заболеваний человека в условиях региона.

Выделение арктической медицины стало возможным благодаря достижениям современной медицинской науки в изучении особенностей заболеваний сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, пищеварения, обмена веществ и других систем и органов в условиях Арктики

7. Безопасность жизнедеятельности при эксплуатации разрабатываемого устройства

7.1 Общие положения

Процесс адаптации человека в условиях Арктики сопровождается существенной перестройкой всех его физиологических систем. Как отечественные, так и зарубежные исследователи сходятся во мнении, что энерготраты организма в Арктике существенно повышаются. Уровень суточных энерготрат у людей, занятых одной и той же физической работой, в Арктике на 30% выше, чем в условиях умеренного климата.

Кроме того, большой расход энергии в полярных районах связан не только с низкими температурами воздуха, но и с целым комплексом факторов, таких как ношение тяжелой, сковывающей движения одежды, ветер, высота снежного покрова и так далее. Только замена демисезонной одежды на теплую ведет к повышению расхода энергии при легкой физической работе на 7%, а при выполнении тяжелой работы на 25%.

Еще один проблемный вопрос -- это дефицит витаминов. По данным исследований, даже кратковременные физические нагрузки в сочетании с низкой температурой окружающей среды и субкалорийным питанием могут привести к дефициту витамина С в организме. При низких температурах возникают нарушения обмена витамина С и комплекса витамина В.

Особенностями Арктической и Антарктической зон являются экстремальные для хозяйственной деятельности человека природные условия: низкие температуры, высокий снежный покров в зимнее время и болотистая местность в летние месяцы, сильный ветер, удаленность от основных промышленных центров, слабое развитие транспортной сети. Отсюда вытекают требования к эксплуатируемой технике, главные из которых стабильная работа оборудования при температуре 50 °С и ниже, усиленная теплоизоляция, высокая проходимость и долговечность.

7.2 Разработка техники безопасности при эксплуатации маски

Для обеспечения собственной безопасности и правильного функционирования нужно внимательно изучить инструкцию по её применению.

1. Используйте данную маску только для защиты органов дыхания человека от воздействия низких температур наружного воздуха, встречного воздуха и осадков.

2. Тепловая маска изготовлена из материала, не являющегося ударопрочным. Она не защищает от сильных ударов, взрывоопасных материалов и коррозионных жидкостей.

3. При низких температурах рекомендуем дополнительно использовать защитные очки.

4. Внимательно проверьте и убедитесь, что отсутствуют трещины, царапины, не плотности и т. д., которые могут серьезно снизить защитные свойства маски. Такие поврежденные элементы необходимо немедленно заменить.

5. Перед началом работы всегда проверяйте надежность крепления регенеративного теплообменника к тканевой маске, а также плотность прилегания тканевой маски к коже лица, чтобы убедиться в правильности ее работы.

6. Для очистки используйте чистую теплую воду с последующей просушкой деталей. Не используйте растворители.

7. При длительном использовании маски возможно повышение аэродинамического сопротивления регенеративной насадки в виду накопления влаги в проходных каналах, поэтому рекомендуется при обнаружении подобных случаев резким сильным выдохом прочистить каналы.

8. Перед каждым применением и по окончанию использования произведите очистку внутренней части маски и регенеративной насадки, очистите от пыли и грязи наружную поверхность маски. При этом не используйте агрессивные и абразивные материалы и средства.

9. При монтаже наголовного крепления маски исключите ее падение.

10. При использовании маски возможно увлажнение ее внутренней поверхности и поверхности регенеративной насадки, что вполне нормально. Степень увлажнения зависит от температуры наружного воздуха, влажности воздуха, наличия осадков и индивидуальных особенностей организма человека.

Заключение

В результате проведенных исследований в рамках подготовки выпускной квалификационной работы на соискание магистерской научной степени по теме «Расчетно-экспериментальные исследования эффективности устройства для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха» за период с 2015 по 2017 годы и получены следующие результаты:

1. Разработана физическая модель процесса тепломассообмена в СРКТ с применением методов моделирования физического процесса с учетом его формализации и идеализации.

2. Сформирована демо-зона действующих образцов российского рынка теплозащиты, а также экспериментально-измерительный стенд и методика испытаний подобных устройств.

3. Разработана математическая модель, описывающая процесс тепломассобмена в СРКТ по п.1 и учитывающая температуру насадки как функцию от времени, при этом она носит периодический характер, ее изменение зависит от начальной температуры насадки, коэффициентов теплоотдачи и температуры воздуха внутренней и наружной среды.

4. Сформулированы комплексные коэффициенты энергоэффективности СРКТ, вычисляемые в математической модели п.3 и зависящие от экстремумов периодического режима и учитывающие теплоемкость материала насадки в режиме аккумуляции и коэффициент теплопроводности в режиме регенерации.

5. Разработаны алгоритм вычисления математической модели п.3 и компьютерная программа, реализующая данный алгоритм в системе Mathcad.

6. Полученные высокие коэффициенты энергоэффективности позволили говорить о высокой степени процесса аккумуляции тепловой энергии СРКТ (0,85) и правильно подобранном материале для его осуществления. При необходимости дальнейшего повышения коэффициентов, исследования могут быть продолжены в направлении поиска вариантов материала СРКТ с большим значением теплоемкости и коэффициента теплопроводности.

7. Корреляционный анализ гармонической зависимости изменения температур наружного воздуха на входе в СРКТ и на выходе из него показал довольно высокую степень сопряжения процессов аккумуляции-регенерации для двух типов СРКТ (диапазон не ниже 0,80).

8. Сделан вывод о том, что разработанные устройства для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха на основе СРКТ могут эффективно использоваться оперативным персоналом в инфраструктурах систем обеспечения аварийно-спасательных и других неотложных работ в особо сложных условиях и на критически важных объектах, в том числе нефтегазодобычи, энергетических и коммунальных объектах, тем самым обеспечивая выполнение Постановления Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. N 366 г. Москва "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года".

Магистерская работа соответствует требованиям паспорта магистерской программы обучения 130401, затрагивая такие направления, как тепло- и массообменные аппараты различного назначения, применяемые в профессиональной деятельности и включает теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса в устройствах, использующих тепловую энергию.

Статистика достижений за 2 года выполнения НИОКР:

1 премия за научные достижения;

2 гранта с участием магистранта;

3 выставки с демонстрацией результатов исследования;

8 ед. научных статей в отечественных сборниках материалов конференций;