基于熱傳導方程模型對高溫防護服裝的設計研究

潘瑾璇，佘宇良，潘思羽

（甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

如今，高溫防護服的研究使得高危作業的風險減小。在我國，消防員在進行近火作業時所裝備的防護服裝的防護性能是嚴格按照公安部配備標準來設定，通常是由三層織物材料構成的一體式防護服。針對此類耐高溫服裝進行分析研究。

利用在實驗室高溫環境中放置體內溫度控制為的假人建立數學模型，用來確定假人皮膚外側的溫度變化情況，通過研究溫度分布，從而計算出專用防護服Ⅱ層、Ⅵ層（空氣層）的最優厚度。

2 實驗分析部分

2.1 實驗條件

采用的防護服裝具體參數見表1：

表1 耐高溫防護服材料的參數值

為了精確實際使用效果，在實驗中以體溫恒定在37℃的假人作為實驗對象，并且假設假人為均勻傳導介質。

2.2 基礎數據測試

為了解防護服的基本防護情況，選擇了Ⅱ層厚度為6mm，Ⅳ層厚度為5mm的防護服作基礎數據測試。（如圖1所示）。

圖1 基礎數據

由觀測數據可以看出，因為溫度從外層穿過隔熱服的一、二、三、四層是需要一定的時間，所以0到15s的假人體表的溫度變化可以忽略不計，15s到24s之前的溫度變化也微乎其微，又因為1645s在以后熱量交換達到平衡，溫度不再變化，恒定在48.08℃，所以只需要考慮時間在（24，1645）范圍里的溫度變化情況。如圖2所示。

圖2 溫度變化擬合t=[24,1645]

對數據進行擬合，得到防護服溫度傳導的函數模型：

2.3 常最優厚度分析

2.3.1 最優厚度研究

基于上述模型，針對80℃的工作環境，對Ⅱ層、Ⅵ層（空氣層）的最優厚度進行研究。針對這一時間段的溫度，根據熱力學第二定律，考慮高度、寬度、厚度三種變量。建立三維熱傳導方程：，根據實際需要將方程簡化為一階偏微分方程。建立約束條件：

當外界溫度為80℃時，工作時間為30min，假人皮膚外側溫度不超過47℃，t=1800s,U≤47℃超過44℃的時間不超過5min，t=1800s,U≤44℃；

根據不穩定介質的實際情況[1]將防護服近似的看成一個均勻的介質，所以對熱傳導率做出處理：

在實際情況下，應當對第Ⅳ層有一定范圍的考量，適宜厚度的第Ⅳ層會使得服裝的吸濕性得到加強以及對人體和服裝起到調節作用，但是如果厚度過大則會使人體運動靈活性及生理負荷方面產生影響,從而影響作業人員的工作效率[2]，故此，查詢資料得到第Ⅳ層應為3mm≤x4≤6mm，才不會影響防護服的吸濕性和靈活性，并且在此范圍內對人體和服裝的調節作用良好。

2.3.2 模型建立

綜上所述，計算第二層的最優厚度所建立的目標函數是：

同理計算第四層的最優厚度所建立的目標函數是：

其中：第i層厚度為xi，λ為消光系數，τ為材料透射率，ki為第i層的熱傳導率使用差分法運用matlab軟件計算[3]，得到的結果是：x2=11.3mm，x4=4.9mm。

2.4 材料分析

為了降低研發成本，縮短研發周期，還應該考慮到防護服的制作材料這一因素，見表2。

表2 防護服材料分析

根據得到的資料，聚丙烯睛化纖維織物具有密度小，耐熱性好，且價格便宜，拉伸性良好的優點。在不考慮過高溫度的防護情況下，使用此材料制作防護服，既使質量在可控范圍內又使服裝延展性良好，穿著舒適，還降低了研發成本[4]。在考慮到過高溫度的防護情況下，聚酰亞胺纖維和聚苯硫醚纖維這兩種材料阻燃性能極強，且聚苯硫醚纖維的價格便宜，研發成本低，更符合條件。

3 結論

在上述分析中，首先擬合出防護服的熱傳導方程，隨后，又在溫度為80℃的工作環境下，求解出第Ⅱ層和第IV層的最優厚度為11.3mm和4.9mm。即當防護服第Ⅱ層的厚度為11.3mm，第IV層的厚度為4.9mm，此時，防護服的防護效果最佳，可以確保工作30min時，假人皮膚外側溫度超過44℃的時間不超過5min，且不超過47℃并且，在考慮防護服實際設計材料的成本情況下，聚丙烯睛化纖維織物和聚苯硫醚纖維阻燃性能極強，而且價格便宜，研發成本更低。