Материал: Разработка компрессионно–холодильного устройства для нормализации теплового состояния человека в процессе эксплуатации теплоэнергетических установок
|
№ п/п |
Цель исследования |
Графическое представление результатов |
Основные выводы по результатам исследований |
|
1 |
Количественная оценка удельных потерь тепла от кожи гладких участков поверхности тела (ладони и лицо) и участков, покрытых волосами (плечо, спина, бедро и живот) |
|
По рисунку Т1.1: 1) на начало эксперимента потери тепла от гладкой кожи лица и ладони были в два - три раза выше, чем потери от участков кожи, покрытых волосами; 2) во время выполнения физических упражнений в условиях повышенных температур окружающей среды потери тепла от негладкой кожи существенно не увеличивались, тогда как потери от гладкой кожи постоянно возрастали, и к концу эксперимента были примерно в пять раз выше, чем теплопотери областей с негладкой кожей. По рисунку Т1.2: 1) начальные значения потерь тепла для областей гладкой кожи были более чем в два раза выше, чем для негладких участков кожи; 2) на большинстве участков негладкой кожи за время тренировки не наблюдается значительного увеличения потерь тепла, тогда как в областях гладкой кожи потери тепла увеличиваются более чем в два раза; 3) двумя негладкими зонами, на которых наблюдается некоторое увеличение потерь тепла, являются верхняя часть спины и бедро. Примечательно, что эти области находятся над мышцами, активно участвующими в упражнениях. |
|
2 |
Исследование влияния применения к руке отрицательного давления во время передачи тепла |
|
Применение лёгкого вакуума увеличивает потерю тепла от кожи руки на 33% |
|
3 |
Влияние местного охлаждения на максимальную частоту сердечных сокращений во время тренировки с фиксированной нагрузкой |
|
1. Охлаждение (в том числе с применением вакуума) оказало значительное влияние на максимальную частоту сердечных сокращений (далее - ЧСС). 2. Существенных различий в ЧСС на конец тренировки между сеансами, в которых обрабатывались различные области негладкой кожи, выявлено не было, также как и между сериями, в которых обрабатывались различные участки гладкой кожи. 3. Воздействие охлаждения различных участков кожи на сердечный ритм при фиксированной нагрузке было выше для гладкой, чем для покрытой волосами кожи, несмотря на то, что охлаждаемая площадь поверхности была значительно меньше. |
|
4 |
Влияние усиленной вакуумом теплоотдачи от ладони напроизводительность (эффективность)во время теплового воздействия и физических нагрузок (эксперимент в реальных условиях) |
|
1. Расстояние, пройденное за каждый последующий цикл, уменьшалось при любых условиях. 2. Расстояние, пройденное за первые циклы, в теплые дни было меньше, чем в прохладные. 3. В сериях без охлаждения ладони быстрота постепенного уменьшения пройденных расстояний с каждым последующим циклом была выше, чем в прохладные дни или в жаркие дни с охлаждением ладони. 4. В прохладные дни эффекта от охлаждения ладони не наблюдалось. 5. Эффект от охлаждения ладони в жаркие дни заключался в замедлении постепенного падения пройденного расстояния таким образом, что производительность была схожа с производительностью в прохладные дни. 6. В результате применения охлаждения ладони в жаркие дни расстояние, пройденное в последних трех циклах и общее пройденное расстояние было значительно больше, чем без охлаждения. Результатом периодического применения вакуумного охлаждения ладоней людей, работающих в жаркой среде, стало снижение скорости повышения температуры ядра и повышение производительности. |
Рисунок
Т1.1 - Данные о местных потерях тепла одного испытуемого 
Рисунок
Т1.2 - Усредненные данные о местных потерях тепла всех испытуемых Условные
обозначения: Т - бедро; LB - нижняя часть спины; UA - плечо; AB - живот; UB -
верхняя часть спины; F - лицо; Р - ладонь
Рисунок
Т2 - Усредненные значения потерь тепла от ладони всех испытуемых Условные
обозначения: W / O - без применения вакуума; W - с применением вакуума
Рисунок
Т3 - Усредненные частоты сердечных сокращений всех испытуемых Условные
обозначения: как на рис. Т1.2; WV - разряжение, приложенное к руке
одновременно с охлаждением
Рисунок
Т4 - Расстояние, пройденное за каждый цикл тренировки при разных условиях
эксперимента (полевые испытания) Условные обозначения: Та - температура
окружающей среды; 22РС - при Та = 22°C с охлаждением ладони; 22R - при Та =
22°C только отдых; 35РС - при Та = 35°C с охлаждением ладони; 35R - при Та =
35°C только отдых
5 Влияние усиленной вакуумом
теплоотдачи от ладони на скорость повышения температуры тела и
производительность (эффективность)во время теплового воздействия и физических
нагрузок 
Рисунок Т5.1 - Изменение температур пищевода и барабанной перепонки одного испытуемого во время тренировочных циклов с 5 - ти минутными перерывами при разных условиях эксперимента (лабораторные испытания)
Условные обозначения:температура пищевода;температура барабанной перепонки;
РС-отдых с охлаждением ладони;только отдыхПо рисунку Т5.1:
)в результате применения охлаждения ладони наблюдается замедление скорости повышения температуры тела и более низкая температура на конец тренировки.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По рисунку Т5.2: 1)суммарная продолжительность упражнения при наилучших условиях (прохладная среда с охлаждением ладони) превышает продолжительность тренировки в наихудших условиях (жаркая среда без отвода тепла от ладони) почти на треть. 2) два центральных столбца, представляющие испытания, в которых имелся либо охлаждающий фактор окружающей среды, либо фактор охлаждения ладони различаются несущественно. Производительность в этих двух наборах испытаний была средней между двумя сериями испытаний в экстремальных условиях. 3) в условиях прохладной окружающей среды и охлаждения ладони скорость повышения температуры тела была наименьшей, а в условиях теплой окружающей среды без охлаждения ладони скорость роста температуры тела была наибольшей. В прохладной среде без охлаждения ладони и в теплой среде с охлаждением наблюдались промежуточные значения. |
|
6 |
Реакция организма испытуемых на охлаждение ладони |
|
Некоторые испытуемые сохраняли один и тот же уровень производительности, но испытывали меньшую скорость повышения температуры «ядра». Другие же достигали прироста производительности, но показывали одинаковую скорость повышения температуры «ядра» в экспериментальных и контрольных условиях. |
Рисунок
Т5.2 - Усредненные значения производительности (суммарного времени
тренировки) и скорости изменения температуры барабанной перепонки при разных
условиях отдыха между циклами для всех испытуемых (лабораторные испытания)
Условные обозначения: Та - температура окружающей среды; 22РС - при Та = 22°C
с охлаждением ладони; 22R - при Та = 22°C только отдых; 35РС - при Та = 35°C
с охлаждением ладони; 35R - при Та = 35°C только отдых
Рисунок
Т6 - Влияние
охлаждения ладони на температуру «ядра» в зависимости от влияния на
производительность
Таким образом, к настоящему времени по исследуемому вопросу имеется научный задел, состоящий в следующем:
) понимание терморегулирующей роли, которую играют определенные участки поверхности кожи, содержащие сосудистую сеть и AVAs, позволит переформулировать модели терморегуляции человека, которые используются при разработке и создании устройств для защиты от теплового стресса [6];
) в ходе обширных экспериментальных исследований было осуществлено практическое применение технологии, усиливающей теплообмен между голыми участками кожи и окружающей средой;
) на основе данных, полученных в процессеэтих исследований, сделаны следующие выводы:
применение легкого вакуума совместно с охлаждением способно усилить отвод тепла от ладони;
непрерывное охлаждение ладони во время выполнения физических упражнений в жарких условиях способствовало замедлению роста температуры «ядра» тела[5];
воздействие на ладонь охлаждения и вакуума способно понизить частоту сердечных сокращений человека при физических нагрузках в жарких условиях;
совместное применение охлаждения ладони и давления ниже атмосферного способно повысить выносливость при выполнении физических нагрузок в жаркой среде. Такое изменение характеризуется экспоненциальной зависимостью. Семьдесят процентов экспериментальных данных можно описать функцией вида у = 12,724е0,0372х, где у и х - продолжительность выполнения упражнения с охлаждением ладони и без него соответственно[5];
эксперименты по охлаждению ладоней спортсменов, участвующих в высокоинтенсивных тренировках, привели к наблюдению, что мышечная усталость может быть в значительной степени вызвана повышением температуры мышцы и работоспособность мышц значительно повышалась при охлаждении ладони [6]. Этот факт объясняется тем, что фермент пируваткиназа, в котором нуждаются мышцы для воспроизведения химической энергии, чрезвычайно чувствителен к температуре и при нормальной температуре тела он активен, а при повышении температуры начинает деформироваться в неактивную форму и при достижении температуры в мышце 104°F (40°С), деятельность фермента полностью завершается. При охлаждении мышечной клетки фермент возвращается в активное состояние.
Таким образом, технология, основанная на усиленном вакуумом отводе тепла от организма через некоторые участки поверхности кожи, является перспективной по нескольким причинам:
во-первых, она может стать основой для создания эффективных средств для предотвращения и лечения теплового и холодового стресса;
во - вторых, дает представление о влиянии температуры на спортивные результаты человека и предлагает средства для повышения результативности тренировок;
в - третьих, существует много потенциальных сфер
применения вакуумного ускоренного охлаждения в медицине, охране труда, а также
в спорте.
1.4 Уровень развития
техники по исследуемому вопросу
Для обзора существующих на данный момент методов и устройств, предназначенных для регулирования температуры тела человека, было выбрано два направления поиска:
) патентные документы;
) коммерчески реализуемые устройства.
1.4.1 Обзор патентных
документов
.4.1.1 Методы и устройства для извлечения тепловой энергии из «ядра» тела млекопитающих (Патент США №6656208)
В патентном документе [7] описывается способ, позволяющий регулировать тепловое состояние тела млекопитающих, в том числе и человека. Его практическое осуществление предполагает помещение части тела млекопитающего (например, конечности или ее части) в герметичную камеру, где она контактирует с низкотемпературной средой в условиях отрицательного давления в течение периода времени, достаточного для достижения желаемого снижения температуры тела.
Охлаждающей средой может быть твердый материал с регулируемой температурой, жидкость или газ. Выбор зависит от конкретного используемого на практике устройства.
Температура среды может варьироваться, ноне настолько, чтобы вызвать местное сужение сосудов на охлаждаемой поверхности млекопитающего. Диапазон возможного изменения температуры - от 0 до 35°С, но наиболее оптимальная температура от 15 до 25°С. Процесс охлаждения обычно длится не более 5 минут. Значения отрицательного давления находятся в границах от -20 до -85 мм рт. ст, но обычно не превышают -50 … -60 мм рт. ст.
Помимо описания метода, в патенте [7] приводятся
примеры устройств, реализующих этот метод на практике. Одно из таких устройств
представлено на рисунке 1.
Рисунок 1 - Устройство для регулирования
температуры тела человека
Устройство 100 состоит из корпуса 102, включающего камеру отрицательного давления 104 и теплообменник 106 и мягкого уплотнения 108, поддерживаемого каркасными элементами 110. Корпус 102 может быть представлен в единой конструкции либо состоять из отдельных деталей - крышки 112, основания 114 и торцевой крышки 116, имеющей два порта 118. Первый порт может использоваться для подключения к источнику вакуума, а второй - для вакуумного манометра.
Предпочтительным материалом для изготовления корпуса102является пластик.
Если используется разъемная конструкция, то крышка112и основание114могут быть скреплены друг с другом при помощи болтовых соединений120. В таком случае для герметизации периферии корпуса 102можно использовать прокладку или уплотнение.
Камера отрицательного давления 104,находящаяся между теплообменным элементом 106 и крышкой 112, выполнена таким образом, чтобы соответствовать руке человека любого размера. Также возможно выполнение корпуса такой формы, чтобы в него можно было поместить ногу человека.
Теплообменная поверхность 122, служащая для передачи или приема тепловой нагрузки от пользователя, также является частью камеры 104. Пользователь может контактировать с теплообменной поверхностью 122 непосредственно либо через перчатку или носок. Теплообменный элемент 106 изготавливается из алюминия или другого хорошо проводящего тепло материала. Для обеспечения температурной разности он может контактировать с устройством Пельтье, осушающим охлаждающим устройством либо с источником эндотермической или экзотермической химической реакции.
Однако более предпочтительно, чтобы теплообменник 106 контактировал с потоком перфузионной жидкости, находящейся под поверхностью теплообмена 122 и поступающей через входное и уходящей через выходноеотверстия124. Охлажденная или нагретая вода может использоваться для поддержания контактной поверхности элемента при желаемой температуре. Перфузионная жидкость проходит через серию поворотов в полости 126 между теплообменным элементом 106 и основанием 114. Задняя часть корпуса 102 и теплообменного элемента 106 может быть снабжена пластиной 128, содержащей входное и выходное отверстия124 в полость для теплообмена 126 и отверстие 130 в камеру 104.
На рисунке не показаны устройства для контроля температуры и перфузии, необходимые при обеспечении потока теплообменных сред с регулируемой температурой, а также источник и регулятор вакуума.
Во время работы данное устройство способно
поддерживать давление в пределах 20… 25 дюймов водяного столба и температуру от
19 до 22°С при охлаждении тела и от 40 до 45°С при нагреве.
1.4.1.2 Контролируемая передача тепла от тел млекопитающих (Патент США №7947068)
Патент [8]описывает способ и устройство для управления и регулирования температуры тела млекопитающего, а также алгоритм для создания программного обеспечения с целью реализации данного способа на практике.