關(guān)于高溫作業(yè)防護(hù)服裝的設(shè)計與研究

陳俊帆 徐逸楷 黃興鑫 李賢賢 陳玉釗

摘?要：本文主要針對高溫作業(yè)專用服的設(shè)計及其溫度分布的研究，利用引入類比法、公式法和枚舉法等多種方法，做了高溫作業(yè)下服裝的各層溫度分布數(shù)學(xué)模型，運用Excel、MATLAB得出了高溫防護(hù)服各層溫度分布隨時間的變化關(guān)系、溫度變化與服裝材料相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，并通過計算。首先分別求出在指定的限制條件下材料層的最優(yōu)厚度，確保達(dá)到人體安全和舒適。其次在環(huán)境溫度為75℃下，給出的服裝各層的厚度、熱傳導(dǎo)率和假人皮膚外側(cè)的溫度變化，構(gòu)造類比于多個電阻串聯(lián)電路的模型，引入熱阻，接著根據(jù)公式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而計算出服裝各層的傳熱系數(shù)，再求出各層所占傳熱比，最后將其與環(huán)境和皮膚外側(cè)溫度之差相乘，由外層至內(nèi)依次求出與層與層之間的溫度差及交界溫度。

關(guān)鍵詞：高溫作業(yè)服裝;熱阻;傳導(dǎo)系數(shù);溫度分布

引言

目前，國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中的爆炸、火災(zāi)、劇毒化學(xué)物泄漏等災(zāi)難性事故發(fā)生率極高：恐怖分子制造爆炸案件、運用生化毒劑襲擊等各種手段危害公眾安全的威脅增加。高溫作業(yè)人員在進(jìn)行危險情景下進(jìn)行救援工作時，保障其人身安危成為救援的首要前提，因此設(shè)計耐高溫作業(yè)服裝，提高應(yīng)急救援高溫作業(yè)專用服的防護(hù)水平就成為關(guān)鍵[1]。國外在防護(hù)服面料及性能檢測方面開展了大量的研究，而國內(nèi)在自主研發(fā)防護(hù)服面料及對防護(hù)服的性能進(jìn)行綜合評價的進(jìn)展仍處于落后狀態(tài)，從20世紀(jì)80年代后期開始，研究人員開始著手研發(fā)高溫和火災(zāi)環(huán)境中熱防護(hù)服熱性能的數(shù)學(xué)模型，但這些模型基于平面一維傳熱機制[2]，而由于服裝本身有一定的厚度，顯然，導(dǎo)致沒有將厚度這一重要因素考慮進(jìn)去的一維模型可信度不高，因此，建立服裝在實際高溫環(huán)境中的溫度分布模型，進(jìn)一步加強耐高溫阻燃防護(hù)服的開發(fā)及性能檢測的研究勢在必行。

1、問題分析

高溫作業(yè)專用服裝已被廣泛應(yīng)用于石油和天然氣等引發(fā)的火災(zāi)險情中[3]，由于應(yīng)急熱防護(hù)服裝的特殊功能性，其材料必須具有良好的隔熱、阻燃特性，此外還需要考慮穿著舒適性等其他因素，在高溫環(huán)境下，人們需要穿著特種功能專用服裝避免灼傷的危險狀態(tài)，除此之外，在民用方面對于推進(jìn)熱防護(hù)織物、服裝等裝備的研發(fā)，可間接減少熱輻射等危險環(huán)境對人體造成的熱傷害[4]。由此可見，用假人來測試皮膚外側(cè)的溫度變化情況，計算溫度分布，建立高溫作業(yè)專用服裝的溫度分布的模型，降低了開發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，更是為高溫作業(yè)防護(hù)服的設(shè)計、加大人類在危險處境中的安全性保障提供十分有利的理論依據(jù)。

2、模型的建立

該專用服裝材料各層的相關(guān)參數(shù)（密度、比熱、熱傳導(dǎo)率、厚度）已知，假人皮膚外側(cè)溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)用EXCEL制圖。先做模型構(gòu)想，類比于多個電阻串聯(lián)電路模型，即將溫度比作電壓，熱傳導(dǎo)率比作電阻，再引入熱阻、傳熱系數(shù)，兩者結(jié)合厚度和熱傳導(dǎo)率，構(gòu)造環(huán)境-服裝-人體外側(cè)的溫度分布的數(shù)學(xué)模型。

可知皮膚外側(cè)的溫度在達(dá)到48.08 ℃之前，溫度隨時間的變化呈正相關(guān)線性關(guān)系，由該變化趨勢構(gòu)想模型：各元件電壓差與電阻成正比可類比為溫度差與熱阻成正比。高溫作業(yè)服由三層不同的防熱材料組成，即外殼（Ⅰ層）、防水層（Ⅱ?qū)樱┖透魺釋樱á髮樱?，另加上Ⅲ層與皮膚之間存在的空隙（Ⅳ層），基于假設(shè)，其中的Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ層可以近似看成只存在熱傳導(dǎo)，不存在熱輻射。聯(lián)想到多個電阻串聯(lián)的電路模型：各元件電壓差與電阻成正比可類比溫度差與熱阻成正比，構(gòu)造環(huán)境-服裝-人體模型。

由于單層熱阻公式中的分母為導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度，在1秒內(nèi)通過1面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（可用℃代替K），參數(shù)熱傳導(dǎo)率的表現(xiàn)形式和定義一致，故將認(rèn)為是材料熱傳導(dǎo)率，為材料厚度。

3、模型求解

結(jié)合單層熱阻公式和傳導(dǎo)系數(shù)公式，材料的厚度和熱傳導(dǎo)率，可求出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層的傳導(dǎo)系數(shù)，各層的相關(guān)參數(shù)見下表：

根據(jù)傳導(dǎo)系數(shù)，求出各層的傳導(dǎo)熱所占比：

I層：0.1367÷（0.1367+0.0617+0.0125+0.0056）= 0.6314，同理，其余各層求法一樣，我們可以先求出每一時間的環(huán)境與皮膚外側(cè)的溫度差，由上述已求得各層傳導(dǎo)熱所占比，將溫度差與其作乘積，即可求得各層隨時間變化的溫度差。從環(huán)境溫度75℃起，各層隨時間變化的溫度差已知，將相關(guān)數(shù)值做作差，依次有序求出 相鄰層交界溫度（環(huán)境與Ⅰ層的交界溫度記為：Ⅰ層與II層的交界溫度記為：II層與III層的交界溫度記為：III層與IV層的交界溫度記為：隨時間變化各層溫度差、相鄰層交界溫度的求解結(jié)果生成名為problem1.xlsx的文件，結(jié)合求解結(jié)果并用EXCEL軟件繪制溫度分布圖。我們建立了環(huán)境-人體外側(cè)溫度差與材料厚度、熱傳導(dǎo)率、時間的模型與傳熱與電路的類比模型，接下來先將作為自變量探究與的關(guān)系，再將作為作為自變量探究與的關(guān)系。在滿足題中的限制條件下選取厚度較小的數(shù)值最優(yōu)解的原則上，運用枚舉法不斷試探和縮?、?qū)拥暮穸取?/p>

總結(jié)

采用類比法構(gòu)建環(huán)境-服裝人體外側(cè)的熱傳遞模型，在各個環(huán)節(jié)尚有許多需要完善的地方，例如沒有考慮到熱量溫度的濕傳遞問題，其在高溫環(huán)境下具有重要的影響，不能被忽略，可進(jìn)一步將濕傳遞這一因素作為變量考慮到模型中?？諝忾g隙層厚度影響了溫度增長率，皮膚燒傷程度隨空氣間隙層厚度的增加呈線性變化，表明較厚的空氣間隙層能更多的吸收來自熱傳導(dǎo)和熱輻射的熱能，空氣間隙層在微系統(tǒng)中起著重要的阻隔作用。對于與其余幾層屬性差異甚遠(yuǎn)的空氣間隙層（Ⅳ），本文僅僅將其與其余三層一并考慮而沒有對其進(jìn)行另加分析和模型求解，因此，還可以特別針對空氣層的熱傳遞模型加以分析，使結(jié)果具有更強的可用性和說服性。

參考文獻(xiàn)

[1]李利君，李風(fēng).耐高溫阻燃防護(hù)服研究進(jìn)展[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2009（04）：12-16.

[2]萬志琴.織物熱防護(hù)中的吸熱特性研究[J].紡織學(xué)報，2004（02）：43-46+5.