• Выделение тепла человеком


    Физика человека. Тепловыделение человека, в Вт в зависимости от вида нагрузки. Сухое и скрытое тепло.


    Навигация по справочнику TehTab.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Справочник инженера / / Физика и химия человека. Данные о среднем инженере / инженере-даме или будущем инженере. Механика и гидравлика инженеров. Расход энергии инженерами. Тепловые параметры инженеров. Инженеры и звук. Электрические параметры инженеров. Оптика инженеров.  / / Физика человека. Тепловыделение человека, в Вт в зависимости от вида нагрузки. Сухое и скрытое тепло.

    Физика человека. Тепловыделение человека, в Вт в зависимости от вида нагрузки. Сухое=явное и скрытое тепло.

    В таблице ниже приводим суммарное метаболическое тепловыделение, а также примерное его распределение на сухое (явное) и скрытое тепло для различных видов активности человека. Таблица опирается на показания сухого термометра, что не вполне корректно для скрытого тепла, но, тем не менее, это отличный инструмент для проектных расчетов.

    Нагрузка Пример Средняя суммарная мощность тепловыделения для взрослого
    (Вт)
    Температура сухого термометра (oC)
    28 27 26 24 22 20
    Сухое = явное тепло (Вт) Скрытое тепло (Вт) Сухое = явное тепло (Вт) Скрытое тепло (Вт) Сухое = явное тепло (Вт) Скрытое тепло (Вт) Сухое = явное тепло (Вт) Скрытое тепло (Вт) Сухое = явное тепло (Вт) Скрытое тепло (Вт) Сухое = явное тепло (Вт) Скрытое тепло (Вт)
    Сидя, в покое Кино, театр, школа 100 50 50 55 45 60 40 67 33 72 28 79 21
    Легкая сидячая работа Работа на компьютере, Контрольная работа в школе 120 50 70 55 65 60 60 70 50 78 42 84 36
    Офисная работа Ресепшн гостинницы , кассир 130 50 80 56 74 60 70 70 60 78 52 86 44
    Медленная стоячая работа Работа в лаборатории 130 50 80 56 74 60 70 70 60 78 52 86 44
    Прогулка Хождение по коридорам в больнице 150 53 97 58 92 64 86 76 74 84 66 90 60
    Умеренная нагрузка Официант, парикмахер 160 55 105 60 100 68 92 80 80 90 70 98 62
    Работа на конвейере Механическое производство 220 55 165 52 158 70 150 85 135 100 120 115 105
    Современные танцы Вечеринка 250 62 188 70 180 78 172 94 156 110 140 125 125
    Быстрая ходьба Прогулка в горах 300 80 220 88 212 96 204 110 190 130 170 145 155
    Тяжелая работа

    Атлетика,

    Работа грузчика

    430 132 298 138 292 144 286 154 276 170 260 188 242



    Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу.
    TehTab.ru

    Реклама, сотрудничество: [email protected]

    Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями.

    Тепло человеческого тела как источник для производства термоэлектрической энергии

    Тепло человеческого тела как источник для выработки термоэлектрической энергии

    Мэтью Стивенс
    27 ноября 2016

    Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2016 г.

    Введение

    Рис. 1: Принципиальная схема термоэмиссионный генератор электричества, который может быть использован сделать силу из человеческого тела.(Источник: Викимедиа Commons)

    Идея преобразования тепла человеческого тела в форму полезная энергия была целью ученых в течение многих лет. Отдыхающий человек самец выделяет примерно 100–120 Вт энергии. Очень небольшая часть это может быть использовано термоэлектрическим устройством для питания носимых устройств. Например, часы Seiko Thermic Watch смогли запечатлеть непрерывно заряжается всего на один микроватт, поэтому, безусловно, есть жизнеспособный рынок, который еще не расцвел.Известно, что 80% сила обычного человеческого тела выделяется в виде тепла, современные технологии может производить всего несколько милливатт энергии. Этого недостаточно чтобы зарядить iPhone при входной мощности примерно 5 Вт, и к сожалению, такая эффективность никогда не будет возможна.

    Тепло человеческого тела

    Потому что мы должны помнить, что энергия не может быть сохранены абсолютно, мы должны смотреть на происхождение этой энергии в средства питания и, в частности, калории, которые потребляет человеческий организм как источник этой тепловой энергии через обмен веществ.Единая «калория» пищи содержит 4,184 × 10 3 джоулей. Если средний человек потребляет 1500 калорий каждый день, что составляет 6,27 × 10 6 джоулей в день. Условно говоря, речь идет о количество энергии, необходимое для запуска автомобиля в течение 15 минут. На глобальном в масштабе, это соответствует примерно 3,14 × 10 19 Дж на год. [1] Имея в виду такое количество потребляемой энергии, нам также необходимо понять вовлеченную энтропию Второй закон термодинамики устанавливает что ни одна система не является полностью эффективной, и часть этой энергии должна быть выделяется как отходящее тепло или тепло тела, как мы его знаем.

    Технологии

    Преобразование текущей термоэлектрической энергии завершено в основном за счет использования эффекта Зеебека. На рис.1 представлена ​​простая диаграмма, отображающая функциональный механизм. Термоэлектрические устройства генерировать энергию, когда есть разница между нагретой поверхностью (при контакте с телом) и окружающей средой. Это можно записать в форма dT / T, где dT - разница температур тела и окружающей среды, где T - температура окружающей среды в Кельвин.Если человеческое тело имеет температуру 310 ° К (98,6 ° F), а температура окружающей среды составляет 297 ° K (75 ° F), мы получаем Значение dT 13 ° K по сравнению со значением T 310 ° K. Это равно значению 4,2% в доступном дифференциале. На самом деле это значение будет намного ниже учитывая невозможность использовать все потерянное тепло, так как это было бы фатально для любой живой человек. [2] С качественной точки зрения, больше электроэнергии было бы генерируется устройством, которое пользователь носит в более холодной среде. В функции, электроны перемещаются из областей с высокой температурой в области низкая температура.Чтобы использовать ток, два полупроводника необходимо. Один n-тип (отрицательный) и один p-тип (положительный), которые образуют термоэлектрическая пара для обеспечения постоянного тока, с которым мощность может производиться, как видно на рис. 2. Они должны быть настроены последовательно электрически, но термически параллельно. [2] Чем больше разность температур, тем больше будет соответствующее напряжение быть, и чем больше способность тока питать нагрузку (т.е.е. ваш Apple Watch), эффективно преобразуя тепловую энергию в электрическую. энергия.

    Более прочные термоэлектрические генераторы (ТЭГ), используется в крупных промышленных приложениях, таких как газопроводы, сталь литейные предприятия и ТЭЦ имеют возможность генерируют гораздо большую разницу тепла и, следовательно, гораздо большее напряжение. [3] Благодаря большему размеру и доступному пространству многие блоки могут быть связаны последовательно, обеспечивая большую выходную мощность.Термоэлектрические устройства сбор тепла тела, однако, должен быть намного меньше, гораздо более гибким, и не может ездить с такой большой разницей температур. Эти факторы приводят к гораздо более низкой выходной мощности в диапазоне от микроватт до милливатт. Эти ограничения в сторону, увеличивая добротность или значение Z, что представляет собой отношение эффективности между тепловыми свойствами и электрические свойства используемых материалов, приводы большей мощности выход. [4] Достижения в нанотехнологиях были достигнуты, чтобы управлять структура материалов для создания более высокого значения Z, хотя эти процессы чрезвычайно сложны, и есть ограничения на то, сколько увеличение значения Z, которое они могут создать.

    Нанотехнологии в приложении

    Наше главное внимание при разработке материалов с как можно больше значения Z - это выяснить, как уменьшить теплопроводность. [5] Здесь в игру вступают нанотехнологии. Используя углеродные нанотрубки и графен, исследователи могут разработать наноструктура меньше длины волны света. Это значит, что наблюдается усиление рассеяния фотонов, что приводит к снижение теплопроводности.[5] С электропроводностью все еще на месте, значение Z становится больше, делая материал более эффективен в термоэлектрическом генераторе. Это особенно ценно в сборе тепла тела, так как более высокое значение Z для гибких наноматериалов позволяет значительно повысить преобразование тепла тела в электрическую энергию. Таким образом, эти устройства могут незначительно компенсировать меньшие разность температур при производстве большего напряжения. На На данный момент эти наноструктуры оказались недостаточно эффективными, чтобы выпускается серийно.При дальнейших исследованиях мы можем ожидать, что это в какой-то степени измениться.

    Будущее

    В более широком смысле термоэлектрические устройства позволяют нам улавливать потраченную впустую энергию за счет тепла, которое часто является побочным продуктом других методы производства энергии. На рынке носимых устройств это означает, что мы может использовать тепловую энергию нашего тела, чтобы обеспечить неограниченную мощность некоторые небольшие устройства, если окружающая среда достаточно холодная. Однако существует крайне ограниченное значение выходной мощности, которое может на самом деле быть реализованным, и это обусловлено тремя факторами.Во-первых, количество тепла фактически теряется через человеческое тело. Во-вторых, способность проехать достаточно большой dT / T. И наконец, способность использовать это dT / T, поскольку мы можем только безопасно и практически захватить небольшой процент тепла человеческого тела. Таким образом, общая выходная мощность проект, который будет использоваться всем человечеством (если бы все иметь устройство), даже не повлияет на общую глобальную энергетику требования. Таким образом, как крупномасштабное энергетическое решение, это не выполнимо, но как нишевое приложение интригует.

    и копия Мэтью Стивенса. Автор дает разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

    Список литературы

    [1] Д. Бехштейн, "Мир Продовольственный бюджет, Physics 240, Стэнфордский университет, осень 2013 г.

    [2] M. Highland eet al., "Носимый Термоэлектрические генераторы для сбора тепла человеческого тела, Appl. Energy 182 , 518 (2016).

    [3] Ф. ДиСальво, «Термоэлектрическое охлаждение и производство электроэнергии», Science, 285 , 5428 (1999).

    [4] В. Леонов, "Сбор термоэлектрической энергии Тепло человеческого тела для носимых датчиков ", IEEE Sens. J. 13 , 2284 (2013).

    [5] G. Pennelli et al. , «Обзор наноструктурированных устройств для термоэлектрических применений», Байльштейн Дж.нанотехнологий, 5 , 1268-1284, (2014).

    .

    Выделение и потеря тепла в человеческом теле, ... / ID: 150280

  • Kādēļ iekļaut savus darbus Atlants.lv

    Пелни науу! Em citus materiālus, netērējot naudu no macia! Saglabā savus darbus! Palīdzi un atbalsti!

  • Vispārīgie jautājumi

    Kas ir Atlants.lv un kam paredzēti tajā iekļautie materiāliKā noformēt atsauces uz Atlants.lv u.c. materiāliemKas л plaģiāts ип kādos gadījumos л pieļaujams citēt CITU Autoru darbusPārlūkprogrammas tehniskās prasībasIerosinājumiem ип novēlējumiemKā не atteikties нет jaunumu saņemšanasKā ип Кур вар tikties ар Interneta bibliotēkas vadību? Vai iespējams uzzināt lejupielāžu statistiku darbiem, Kas pievienoti нет nereģistrēta autora profila?

  • Materiālu meklēšana un izvēle

    Nepieciešamā materiāla meklēšanaMateriāla atbilstības novērtēšana pirms apmaksas

  • Materiālu apmaksa

    Apmaksa ar SMSApmaksa ar dāvanu kartes numuru (CDI-kodu) Apmaksa ar Swedbank internetbankuApmaksa ar maksājumu kartiApmaksa ar uzkrāto autoratlīdzību

  • Materiālu saņemšana

    Maksas apjoms un pamatojumsIepirkumu grozsMateriālu apmaksas veidi un to pieejamībaMateriālu saņemšana no Atlants.lvKā saņemt bezmaksas darbus?

  • Materiāls ir apmaksāts, bet nav saņemts

    Apmaksāts ar Swedbank internetbanku (Hanzanet) Apmaksāts ar norēķinu kartiApmaksāts ar SMSApmaksāts ar CDI-koduApmaksāts ar SEB internetbanku (Ibanku) Apmaksāts ar Citadele internetbanku (DIGI = LINK)

  • Saemtā faila atvēršana un kvalitāte

    Saņemto failu nav iespējams atvērtSaņemti divi vienādi darbiSaemts darbs, kas nokopēts no grāmatas vai internetaSaemts darbs, kas neatbilst aprakstam vai ir nekvalitatīvs ir nekvalitatīvs, saņemcūdāaints 9000 kūdāaints

  • Reģistrācija un autora profils

    Reģistrācija Atlants.lvAutorizācija un paroleAutora personas dati un to maiaNetiek saņemts e-pasts ar reģistrācijas saiti vai paroli

  • Darbu publicēšana un dzēšana

    Pievienojamo failu standartsDarbu pievienošanaNepiekrītu, ка Ман DARBS л plaģiātsNepiekrītu, ка Ман DARBS л nekvalitatīvs, Bez jaunradesSankcijas пара mēģinājumu iekļaut Atlants.lv plaģiātuKā dzēst Сава Darbu вай autora profilu? Pievienotais DARBS neuzrādās autora profilāKur apskatīt pievienotos, atteiktos ип vēl neapstiprinātos darbus? Kā veikt izmaiņas jau publicētā darbā?

  • Autoratlīdzība un tās izmaksa

    Autoratlīdzības apjoms un izmaksas kārtībaKādēļ kontā reāli ieskaitītā summa ir mazāka nekā izmaksātā? Kad tiek izmaksāta autoratlīdzība?

  • Dāvanu kartes numuri jeb CDI-kodi

    Nozaudēts dāvanu kartes numurs (CDI-kods)

  • .

    Человек-машина и термоэлектрический накопитель энергии для носимых устройств

    Тепловые свойства человека были изучены в случае, когда на тело помещается малогабаритный поглотитель энергии. В таком случае человек служит источником тепла для термобатареи мусорщика, а последний служит теплоизолирующим объектом. В результате локально изменяются свойства тела, а именно температура кожи, тепловой поток и тепловое сопротивление. Это результат перенаправления теплового потока внутри тела в более холодные зоны из-за теплоизоляции, обеспечиваемой поглотителем.Повышенное термическое сопротивление человеческого тела, в свою очередь, влияет на конструкцию мусорщика. Анализ такого поглотителя, выполненный для температуры окружающей среды от 0 ° C до 25 ° C, показывает, что он может достичь конкурентоспособных рабочих характеристик и заменить батареи в маломощной носимой электронике. Смоделированная мощность до 60 мкм Вт / см 2 при 0 ° C была подтверждена с использованием переносных термоэлектрических модулей.

    1. Введение

    Последние годы продемонстрировали растущий интерес мирового рынка к небольшим скрытым носимым устройствам для мониторинга хронических заболеваний и показателей жизнедеятельности.Такие устройства предпочтительно должны быть беспроводными и образовывать сеть по всему телу. Постоянный мониторинг физиологических параметров улучшит профилактику здоровья за счет раннего выявления заболеваний и отклонений параметров. Это поможет сдержать постепенный рост стоимости лечебной медицины [1]. По логике вещей, такие устройства должны быть интегрированы в уже существующие на человеческом теле вещи, такие как часы, украшения и одежду. Необходимость в батарее усложняет интеграцию устройства и замедляет распространение устройств для мониторинга состояния на рынке.Однако аккумулятор в переносном датчике может быть снабжен или заменен поглотителем энергии или комбайном, который преобразует доступную энергию окружающей среды в электрическую. Среди способов поглощения окружающей энергии можно рассмотреть три: фотоэлектрическое преобразование окружающего света, преобразование механической энергии человека, которое может быть выполнено с помощью электромагнитных, электростатических или пьезоэлектрических механизмов, и термоэлектрическое преобразование человеческого тепла.

    Фотоэлектрические элементы могут быть легко закрыты от света частями закрытия, надетыми поверх элементов с элементами.Поэтому их использование в одежде вряд ли приемлемо, потому что физиологические датчики расположены непосредственно на коже, то есть они должны быть встроены в нижнее белье, чтобы избежать электрических взаимосвязей между предметами одежды. Сбор механической энергии для систем здравоохранения ненадежен, потому что пациенты и пожилые люди, то есть те, кто обычно нуждается в медицинской помощи, могут время от времени иметь минимальную физическую активность. Кроме того, в механических системах произведенная мощность прямо пропорциональна испытательной массе, то есть весу массы, движущейся в поглотителе энергии.Принимая во внимание низкую частоту движений человека, мощность, вырабатываемая такой энергосберегающей микросистемой, относительно мала. Следовательно, улавливание механической энергии, которую можно использовать для питания устройств, например, в обуви спортсмена, не подходит для профилактического ухода за здоровьем. Третий источник энергии, а именно тепловой поток от человека, подходит всем. Сам человек выделяет тепло, которое можно использовать для питания носимых датчиков. Это тепло, вырабатываемое людьми и теплокровными животными как побочный эффект метаболизма, обеспечивает постоянную внутреннюю температуру тела и обычно обеспечивает определенную разницу температур между телом и окружающей средой.Возникающий в результате тепловой поток от человека к окружающей среде может быть преобразован в электричество посредством термоэлектрического преобразования [2]. Носимый термоэлектрический поглотитель энергии - надежный источник энергии. Кроме того, он обеспечивает неограниченный срок службы беспроводных датчиков без необходимости подзарядки или замены батарей. Уже было продемонстрировано несколько носимых беспроводных устройств без батареек и устройств с аккумулятором [3, 4]. Эти устройства питаются термоэлектрическим способом или с использованием комбинированного фотоэлектрического и термоэлектрического поглощения энергии.Их пригодность для интеграции в одежду также изучалась [3, 5].

    В этой статье обсуждаются принципы поглощения энергии с помощью термоэлектрического преобразователя тепла, называемого термоэлектрическим генератором (ТЭГ). Показано, что тепловые свойства человека необходимо учитывать для оптимизации ТЭГ, для достижения его максимальной мощности и, наконец, для успеха автономных устройств на рынке. Исследование человека, выполненное в этой работе, показывает, что носимый ТЭГ и человеческое тело влияют на свойства друг друга.Полученные результаты по термическому сопротивлению человека позволили оценить целевые рабочие характеристики носимых ТЭГ, о которых говорится ниже. Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными.

    2. Выделение и рассеивание тепла человеком

    Метаболизм субъекта изучался Харрисом и Бенедиктом [6]. Согласно их уравнениям, ежедневная выработка тепла мужчинами и женщинами без физической активности и без учета переваривания пищи, то есть основного обмена, составляет: [], [], (Мужчины) 𝐻 = 66.470 + 13,7516𝑤 + 5,0033𝑠 − 6,7550𝑎ккал (женщины) 𝐻 = 655,0955 + 9,5634𝑤 + 1,8496𝑠 − 4,6756𝑎ккал (1) где 𝐻 - общее тепловыделение за 24 часа, 𝑤 - вес в килограммах, 𝑠 - рост в сантиметрах, 𝑎 - возраст в годах. Возможно, современное население, некоторые нации или группы общества могут показать определенное отклонение от приведенных выше уравнений, установленных почти столетие назад. Например, Mifflin et al. [7] пришли в конце 90-х к выводу, что у исследованных американцев уравнения Харриса-Бенедикта переоценивают метаболизм на 5%.Они также сравнивают некоторые другие похожие исследования, подробности см. В [7]. Их уравнение для основного метаболизма выглядит следующим образом: [] 𝐻 = 9,99𝑤 + 6,25𝑠 − 4,92𝑎 + 166𝑚 − 161 ккал, (2) где 𝑚 - коэффициент, связанный с полом, 1 для мужчин и 0 для женщин. Для некоторых субъектов возможно отклонение скорости метаболизма до 30% от любого из приведенных выше уравнений. Это непредсказуемое личное отклонение может быть связано с индивидуальными различиями в генетически обусловленной или приобретенной метаболической эффективности. Приведенные выше уравнения действительны для взрослого населения.

    Базальная скорость метаболизма приводит к тепловому потоку внутри тела, соответствующему примерно 58,2 Вт на квадратный метр площади тела. Этот тепловой поток является общепринятой мерой расхода энергии в покое для человека и соответствует метаболическому эквиваленту (MET). Последний определяется как 1 ккал кг −1 час −1 , или как потребление кислорода со скоростью 3,5 мл кг −1 мин −1 . Фактический тепловой поток на коже отдыхающего менее 58.2 Вт · м −2 , потому что часть тепла теряется при вдыхании, а часть тепла отводится в окружающую среду от кожи в виде скрытой теплоты испарения.

    Теплота обмена веществ зависит от его физической активности. Как и в любой другой машине, движение приводит к выделению тепла. Однако эффективность человеческой машины намного выше двигателя Карно. При типичной разнице температур между внутренним слоем тела и окружающей средой 15 ° C, то есть при КПД Карно 0,5%, человеческая машина показывает примерно в 40 раз лучшую производительность.В качестве примера можно сравнить результаты велотренажера. При очень небольшом усилии (механическая нагрузка 50 Вт) уровень метаболизма субъекта составляет 3 MET, в то время как при очень большом усилии, 250 Вт, скорость метаболизма увеличивается до 12,5 MET. Разница в 9,5 МЕТ приводит к увеличению механической мощности на 200 Вт, что соответствует 20% эффективности объекта с площадью тела 1,8 м 2 . Похоже, что необходимо отвести 800 Вт дополнительного тепла. Однако в типичных ситуациях большая часть этого избыточного тепла отводится от тела через потоотделение, то есть тепловой поток на коже человека лишь незначительно увеличивается, даже при больших усилиях (часто он уменьшается из-за потоотделения).Кроме того, некоторое увеличение теплового потока от кожи во время упражнений в основном связано с движением объекта относительно воздуха, то есть с принудительной конвекцией воздуха. В то время как конечности демонстрируют вазомоторную реакцию и обычно меняют температуру кожи во время упражнений, температура кожи туловища остается практически неизменной. Следовательно, физические упражнения улучшают не отток тепла от туловища, а испарение.

    В случае носимого термоэлектрического генератора тепловой поток от кожи к окружающей среде обычно является единственным важным механизмом отвода тепла.Существует два основных способа отвода тепла без потоотделения: радиационная теплопередача и конвекция. Первый имеет место в длинноволновой инфракрасной (LWIR) области спектра, где коэффициент излучения кожи человека составляет 97-98% независимо от расы. Хотя под прямыми солнечными лучами кожа получает больше энергии, чем та, которая повторно излучается в LWIR, большую часть времени люди проводят не под прямыми солнечными лучами, а в помещении, где энергия, излучаемая в LWIR от открытой кожи, согласно закону Планка, следующая 𝑊rad𝑇 = 𝜀𝜎4skin − 𝑇4amb𝐴, (3) где 𝜀 - коэффициент излучения, 𝜎 - постоянная Стефана-Больцмана, skin и amb - температуры кожи и окружающей среды в Кельвинах, а 𝐴 - эффективная площадь излучения.Обнаженный человек, сидящий в помещении, теряет около половины теплового потока от кожи в виде излучения, а другую половину - за счет конвекции и потоотделения. Одежда является неким барьером для LWIR. Они поглощают радиацию тела и повторно излучают ее в окружающую среду, но при более низкой температуре, чем температура кожи. Поскольку температура в (3) кратна четырем, одежда снижает радиационный теплообмен. Подобный эффект одежда оказывает на конвекцию - естественную или принудительную. Естественная конвекция наблюдается у неподвижного человека в спокойном воздухе.Воздух, нагретый телом, движется вверх за счет выталкивающей силы. Вместо этого на ветру или на движущемся человеке наблюдается вынужденная конвекция. Конвекцию от таких объектов, как человеческое тело, которое имеет сложную форму, неоднородную температуру и, кроме того, частично покрыто теплоизоляционной одеждой, нельзя описать простым уравнением. Однако существуют некоторые эмпирические корреляции, которые позволяют оценить конвективный перенос тепла от человека [8].

    В этой статье предполагается, что на теле находится относительно небольшой объект - термобатарея.Электрическая мощность 𝑃, передаваемая термобатареей в электрически согласованную нагрузку, зависит от теплового потока 𝑊 и термоэлектрической эффективности ее преобразования в электричество, 𝜂: 𝑃 = 𝑊𝜂, (4) 𝜂 = 𝑍Δ𝑇tp4, (5) где 𝑍 - термоэлектрическая добротность, а Δ𝑇tp - падение температуры на термобатареи, которая должна быть теплоизолирующим элементом. Действительно, окружающий воздух показывает высокое тепловое сопротивление, 𝑅amb. В медицинских исследованиях наблюдается высокая термическая стойкость человеческого тела 𝑅ℎ; см., например, [8–10].Если термобатарея имеет тепловое сопротивление tp, намного меньшее, чем (amb + 𝑅ℎ), перепад температуры на ней Δ𝑇tp будет небольшим. В результате согласно (5) будет приближаться к нулю, а мощность согласно (4) будет низкой. Однако, если термобатарея имеет tp≫𝑅amb +, эффективность максимизируется, а тепловой поток сводится к минимуму. Согласно (4) продукт хорошего КПД за счет почти нулевого теплового потока снова будет низким. Следовательно, мощность максимальна в случае, когда термобатарея имеет тепловое сопротивление порядка сопротивления тела и воздуха.Это неизбежно изменяет поток тепла от кожи под термобатареей. Следовательно, тепловое сопротивление тела при такой термобатареи изменяется локально, и данные, измеренные в медицинской литературе, например, в [8–10], неприменимы в случае использования человека в качестве источника тепла для выработки электроэнергии. Прежде чем более подробно рассмотреть взаимодействие человеческого тела с ТЭГ, определим условия, при которых достигается максимальная мощность.

    3. Термоэлектрическое преобразование в переносном поглотителе энергии

    ТЭГ работает в тепловой области как нагрузка теплового генератора.В случае человека в качестве теплогенератора, тепловой генератор состоит из тепловых сопротивлений тела и окружающего воздуха, рис. 1, то есть источника тепла и поглотителя тепла. Они последовательно соединены между собой: 𝑅th.gen = 𝑅amb + 𝑅ℎ. (6) Термическое сопротивление границ раздела и теплопроводные компоненты ТЭГ также должны быть включены в 𝑅th.gen. Их можно сделать намного ниже, чем amb и therefore, поэтому они не показаны на рисунке 1. Термобатарея - это хрупкий объект, и, как правило, ТЭГ имеет некоторые другие удерживающие или герметизирующие элементы, которые несут ответственность за некоторый паразитный тепловой поток между горячими и холодные стороны ТЭГ.Следовательно, тепловое сопротивление ТЭГ, 𝑅TEG, в простейшем случае может быть представлено двумя параллельными терморезисторами: 𝑅TEG = 11 / 𝑅tp + 1 / 𝑅par, (7) где 𝑅par учитывает как теплопроводность через воздух внутри ТЭГ, так и радиационный теплообмен между его горячими и холодными компонентами. Из (4) и (5) максимальная мощность генерируется, когда произведение 𝑊Δ𝑇tp максимизируется. В последующем обсуждении предполагается, что температура кожи 𝑇skin равна температуре горячих спаев термобатареи, в то время как внешняя теплообменная пластина ТЭГ имеет ту же температуру, 𝑇ext, что и холодные спаи, так что Δ𝑇tp = 𝑇skin− 𝑇внеш.Тогда максимальная мощность 𝑃max, генерируемая оптимизированным ТЭГ, может быть выражена следующим образом: 𝑃max = 𝑍Δ𝑇2tp, opt16𝑅th.gen1 + 𝑁 − 1, (8) где 𝑁 = 𝑅par / 𝑅th.gen - коэффициент теплоизоляции. Он показывает, насколько хорошо ТЭГ подходит для применения в конкретной тепловой среде; чем больше 𝑁, тем выше мощность. Однако при от единицы может быть получена только половина максимальной мощности.


    Тепловой поток 𝑊 в тепловой цепи, показанной на рисунке 1, зависит от теплового сопротивления ТЭГ: 𝑊 = Δ𝑇𝑅th.gen + 𝑅TEG, (9) где Δ𝑇 = 𝑇core − 𝑇amb, 𝑇core - глубинная температура тела или внутренняя температура. Температура у здорового человека обычно составляет около 37 ° C. Согласно (9) практически любой ТЭГ, помещенный на тело, изменяет тепловой поток. Оптимальный перепад температуры на термобатареи при максимальной мощности составляет Δ𝑇tp

    .

    Информация и рекомендации по общественному здравоохранению: тепло и здоровье

    Защита здоровья от повышения температуры и экстремальной жары

    Основные факты
    • Воздействие тепла на население увеличивается из-за изменения климата, и эта тенденция сохранится. Во всем мире наблюдается увеличение частоты, продолжительности и масштабов экстремальных температурных явлений. В период с 2000 по 2016 год количество людей, подвергшихся воздействию волн тепла, увеличилось примерно на 125 миллионов.Только в 2015 году аномальной жаре подверглись 175 миллионов человек больше, чем в среднем за годы.
    • Единичные события могут длиться несколько недель, происходить последовательно и приводить к значительной избыточной смертности. В 2003 году 70 000 человек в Европе умерли в результате события июня-августа, в 2010 году 56 000 дополнительных смертей произошло во время 44-дневной волны тепла в Российской Федерации.
    • Воздействие чрезмерного тепла имеет широкий спектр физиологических последствий для всех людей, часто усугубляя существующие условия и приводя к преждевременной смерти и инвалидности.
    • Негативное воздействие жары на здоровье предсказуемо и в значительной степени предотвратимо с помощью конкретных мер общественного здравоохранения. ВОЗ выпустила руководство по вопросам общественного здравоохранения для населения и медицинских работников по борьбе с сильной жарой.
    Обзор

    Глобальные температуры, а также частота и интенсивность волн тепла в 21 веке вырастут в результате изменения климата. Длительные периоды высоких дневных и ночных температур создают кумулятивную физиологическую нагрузку на организм человека, которая усугубляет основные причины смерти во всем мире, включая респираторные и сердечно-сосудистые заболевания, сахарный диабет и почечные заболевания.Волны тепла могут резко воздействовать на большие группы населения в течение коротких периодов времени, часто вызывают чрезвычайные ситуации в области общественного здравоохранения и приводят к чрезмерной смертности и каскадным социально-экономическим последствиям (например, к потере трудоспособности и производительности труда). Они также могут вызвать потерю возможностей оказания медицинских услуг, когда нехватка электроэнергии, которая часто сопровождает волны тепла, нарушает работу медицинских учреждений, транспорта и инфраструктуры водоснабжения.

    Осведомленность о рисках для здоровья, связанных с волнами тепла и продолжительным воздействием повышенных температур, остается недостаточной.Медицинские работники должны скорректировать свое планирование и меры вмешательства с учетом повышения температуры и волн тепла. Практические, осуществимые и зачастую недорогие меры вмешательства на индивидуальном, общественном, организационном, правительственном и общественном уровнях могут спасти жизни.

    Кто пострадал?

    Повышение глобальной температуры окружающей среды затрагивает все население. Однако некоторые группы населения в большей степени подвержены, более или физиологически или социально-экономически уязвимы к физиологическому стрессу, обострению болезней и повышенному риску смерти от воздействия избыточного тепла.К ним относятся пожилые люди, младенцы и дети, беременные женщины, работники на открытом воздухе и работники физического труда, спортсмены и бедняки. Пол может играть важную роль в определении теплового воздействия.

    Как тепло влияет на здоровье?

    Прирост тепла в человеческом теле может быть вызван сочетанием внешнего тепла из окружающей среды и внутреннего тепла тела, выделяемого в результате метаболических процессов. Быстрое увеличение тепловыделения из-за воздействия условий, превышающих средние, снижает способность организма регулировать температуру и может привести к каскаду заболеваний, включая тепловые судороги, тепловое истощение, тепловой удар и гипертермию.Смерть и госпитализация от жары могут происходить очень быстро (в тот же день) или иметь запаздывающий эффект (несколько дней спустя) и приводить к ускорению смерти или болезни у и без того слабых, особенно наблюдаемых в первые дни волн тепла. Даже небольшие отклонения от средних сезонных температур связаны с увеличением заболеваемости и смертности. Экстремальные температуры также могут ухудшить хронические состояния, включая сердечно-сосудистые, респираторные и цереброваскулярные заболевания, а также состояния, связанные с диабетом.

    Тепло также имеет важные косвенные последствия для здоровья. Тепловые условия могут влиять на поведение людей, передачу болезней, оказание медицинских услуг, качество воздуха и критически важную социальную инфраструктуру, такую ​​как энергетика, транспорт и водоснабжение. Масштаб и характер воздействия жары на здоровье зависят от времени, интенсивности и продолжительности температурного явления, уровня акклиматизации и приспособляемости местного населения, инфраструктуры и учреждений к преобладающему климату.Точный порог, при котором температура представляет собой опасное состояние, зависит от региона, других факторов, таких как влажность и ветер, местных уровней акклиматизации человека и готовности к тепловым условиям.

    Какие действия следует предпринять общественности?
    Держите дом в прохладе
    • Стремитесь сохранить прохладу в жилом пространстве. Проверяйте температуру в помещении с 08:00 до 10:00, в 13:00 и ночью после 22:00. В идеале температура в помещении должна быть ниже 32 ° C днем ​​и 24 ° C ночью.Это особенно важно для младенцев или людей старше 60 лет, страдающих хроническими заболеваниями.
    • Используйте ночной воздух, чтобы охладить ваш дом. Открывайте все окна и ставни на ночь и рано утром, когда наружная температура ниже (если это безопасно).
    • Уменьшите тепловую нагрузку внутри квартиры или дома. Закройте окна и ставни (если есть), особенно те, которые днем ​​смотрят на солнце. Выключите искусственное освещение и как можно больше электроприборов.
    • Вешайте шторы, драпировки, навесы или жалюзи на окна, на которые попадает утреннее или дневное солнце.
    • Повесьте влажные полотенца, чтобы охладить воздух в комнате. Учтите, что при этом повышается влажность воздуха.
    • Если в вашем доме есть кондиционеры, закройте двери и окна и сэкономьте электроэнергию, которая не нужна вам для охлаждения, чтобы обеспечить доступность электроэнергии и снизить вероятность отключения электричества в сообществе.
    • Электрические вентиляторы могут помочь, но при температуре выше 35 ° C не могут предотвратить тепловые заболевания.Важно пить жидкость.
    Беречь от жары
    • Переместитесь в самую прохладную комнату в доме, особенно ночью.
    • Если поддерживать прохладу в доме невозможно, проводите 2–3 часа в день в прохладном месте (например, в общественном здании с кондиционером).
    • Не выходите на улицу в самое жаркое время дня.
    • По возможности избегайте интенсивных физических нагрузок. Если вам необходимо заниматься напряженной деятельностью, делайте это в самое прохладное время дня, обычно утром между 4:00 и 7:00.
    • Оставайся в тени.
    • Не оставляйте детей или животных в припаркованных транспортных средствах.

    Сохраняет тело прохладным и увлажненным

    • Примите прохладный душ или ванну. Альтернативы включают холодные компрессы и обертывания, полотенца, губки, ванны для ног и т. Д.
    • Носите легкую, свободную одежду из натуральных материалов. Если вы выходите на улицу, наденьте шляпу или кепку с широкими полями и солнцезащитные очки.
    • Используйте легкое постельное белье и простыни, без подушек, чтобы избежать накопления тепла.
    • Пейте регулярно, но избегайте алкоголя и слишком большого количества кофеина и сахара.
    • Ешьте небольшими порциями и ешьте чаще. Избегайте продуктов с высоким содержанием белка.
    Помогите другим
    • Спланируйте встречу с семьей, друзьями и соседями, которые проводят большую часть времени в одиночестве. Уязвимым людям может потребоваться помощь в жаркие дни.
    • Обсудите с семьей экстремальную жару. Каждый должен знать, что делать в местах, где проводит время.
    • Если кто-то из ваших знакомых находится в опасности, помогите ему или ей получить совет и поддержку.Пожилых или больных людей, живущих в одиночестве, следует посещать как минимум ежедневно.
    • Если человек принимает лекарства, спросите лечащего врача, как они могут повлиять на терморегуляцию и баланс жидкости.
    • Пройдите обучение. Пройдите курс по оказанию первой помощи, чтобы узнать, как действовать в чрезвычайных ситуациях, связанных с жарой и другими чрезвычайными ситуациями. Каждый должен знать, как реагировать.
    Если у вас проблемы со здоровьем
    • Храните лекарства при температуре ниже 25 ° C или в холодильнике (прочтите инструкции по хранению на упаковке).
    • Обратитесь за медицинской помощью, если вы страдаете хроническим заболеванием или принимаете несколько лекарств.
    Если вы или окружающие плохо себя чувствуете
    • Постарайтесь обратиться за помощью, если вы чувствуете головокружение, слабость, беспокойство или сильную жажду и головную боль; как можно скорее переместитесь в прохладное место и измерьте температуру своего тела.
    • Выпейте немного воды или фруктового сока для регидратации.
    • Немедленно отдохните в прохладном месте, если у вас возникают болезненные мышечные спазмы (особенно в ногах, руках или животе, во многих случаях после продолжительных упражнений в очень жаркую погоду), и пить растворы для пероральной регидратации, содержащие электролиты.Если тепловые судороги продолжаются более часа, требуется медицинская помощь.
    • Если вы чувствуете необычные симптомы или симптомы не проходят, обратитесь к врачу.

    Если у одного из членов вашей семьи или людей, которым вы помогаете, появляется горячая сухая кожа и делирий, судороги и / или потеря сознания, немедленно вызовите врача / скорую помощь. В ожидании помощи переместите человека в прохладное место, поместите его или ее в горизонтальное положение и приподнимите ноги и бедра, снимите одежду и начните внешнее охлаждение, например, поместив холодные компрессы на шею, подмышечные впадины и пах, обмахивая веером. непрерывно и опрыскивая кожу водой при температуре 25–30 ° C.Измерьте температуру тела. Не давайте ацетилсалициловую кислоту или парацетамол. Положите человека без сознания на бок.

    Приведенное выше руководство по общественному здравоохранению взято из всеобъемлющего набора руководств для различных аудиторий, выпущенного Европейским региональным бюро ВОЗ.

    .

    Смотрите также