高溫作業(yè)專用服裝的研究與設(shè)計(jì)

李秋錦

摘要：熱防護(hù)服裝是應(yīng)用最廣泛的特種防護(hù)服裝，其熱防護(hù)功能是一項(xiàng)的重要的且關(guān)注度極高的功能。隨著時(shí)代發(fā)展的多樣性，對(duì)于該功能的要求也愈來(lái)愈高。當(dāng)進(jìn)行高溫環(huán)境下的作業(yè)時(shí)，衣物溫度會(huì)隨著外界溫度逐漸升高，導(dǎo)致人體皮膚溫度逐漸升高，當(dāng)超過(guò)人體身體所能承受的溫度之前，必須停止作業(yè)，否則會(huì)灼傷人體皮膚。本文基于高溫作業(yè)服裝的設(shè)計(jì)原理，根據(jù)熱傳導(dǎo)的方式，對(duì)高溫作用專用服裝進(jìn)行研究與分析

關(guān)鍵字：熱防護(hù)服熱傳導(dǎo)能量公式

1問(wèn)題分析

對(duì)熱防護(hù)服各材料層與人體皮膚的模型進(jìn)行假設(shè)。進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到一段時(shí)間內(nèi)人體溫度數(shù)據(jù)，分析這種數(shù)據(jù)可以得到，零時(shí)刻人體溫度為37℃，第15s時(shí)溫度開(kāi)始發(fā)生變化，時(shí)間在1645s時(shí)人體溫度變?yōu)?8.08℃隨后保持不變。將這些數(shù)據(jù)分為三個(gè)時(shí)間段分別進(jìn)行研究，由后向前，由里向外，根據(jù)熱傳導(dǎo)公式逐層算出各材料層達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度，再根據(jù)熱傳導(dǎo)率公式和能量公式算出各層的溫度分布。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各層溫度變化曲線。

2模型假設(shè)

（1）熱傳遞為垂直于皮膚方向進(jìn)行;

（2）三層材料層水平方向排列，材料層與皮膚之間存在空氣層;

（3）熱防護(hù)服各材料層是均勻的，且不發(fā)生熱溶解;

（4）系統(tǒng)熱傳遞僅考慮熱傳導(dǎo)，忽略熱輻射，熱對(duì)流，水蒸氣等的影響;

（5）溫度不變后，將模型看為是處于穩(wěn)態(tài)的;

（6）溫度在各材料層中的變化是連續(xù)的;

（7）不考慮外界環(huán)境的影響，將第1層的左邊界看為系統(tǒng)的起始點(diǎn)。

3符號(hào)說(shuō)明

4溫廈分布的求解

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為75 C、II層厚度為6 mni、IV層厚度為5 mm、時(shí)間為90分鐘的情形開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

4.1達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布

假定在1645s皮膚溫度達(dá)到48.08℃并保持不變后，各層溫度均達(dá)到穩(wěn)態(tài)，恒定在一定的溫度上，此時(shí)可以將熱防護(hù)服及人體的防熱系統(tǒng)看作多層平面壁的熱量傳遞，利用熱傳導(dǎo)公式可以計(jì)算各層達(dá)到穩(wěn)態(tài)的溫度。

公式如下：

數(shù)據(jù)L1、L2、L3、L4、k1、K2、k3、k4為已知數(shù)據(jù)，T4為皮膚層溫度，To為外界環(huán)境溫度，代人數(shù)據(jù)為：

由以上計(jì)算可以得到，在1645s時(shí)刻各層溫度分別達(dá)到的74.30℃、72.7 S℃、65.12℃、48.08℃，并在之后的時(shí)間內(nèi)保持不變。

4.2溫度不斷變化時(shí)間段的溫度分布

假設(shè)溫度隨時(shí)間的變化是連續(xù)的，分析數(shù)據(jù)可以得到皮膚溫度在出現(xiàn)一定溫差時(shí)，在時(shí)間差范圍內(nèi)的每一秒溫度都不變，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的溫度差，將溫度差不為O的數(shù)據(jù)篩選出來(lái)，同時(shí)得到達(dá)到該溫度差所經(jīng)歷的時(shí)間差記為At。

根據(jù)熱量計(jì)算公式：Q= cmAT

進(jìn)行推導(dǎo)Q= cpvAT=cpLAAT

QA= cpIAT

這里m為質(zhì)量由密度。與體積v的乘積得到，體積v又可以由厚度L與面積A的乘積得到，移項(xiàng)可以得到單位面積升高AT的溫度所需要吸收的熱量。又根據(jù)熱傳導(dǎo)率公式：

在已知在某一時(shí)間差內(nèi)皮膚溫度升高相應(yīng)的溫度，可以計(jì)算出上一層即第三層在該時(shí)間差內(nèi)的溫度差，由1645s的溫度向前計(jì)算可以得出該層的溫度分布。

計(jì)算公式為

ATt表示前一層的溫差，ATb表示后一層溫差。

代人數(shù)據(jù)可得該層各時(shí)間段的溫差，再由1645s處的溫度減去溫差，得到上一時(shí)間段的溫度，以此類推即可得到第三層的溫度分布。 得到第三層溫度分布后，循環(huán)上述步驟即可依次得到上一層的溫度分布。

4.3開(kāi)始時(shí)的溫度分布

由于時(shí)間較短，且空氣中存在熱輻射與熱對(duì)流等因素，而防護(hù)服不會(huì)在進(jìn)入高溫環(huán)境的瞬間開(kāi)始吸熱，所以整體的溫度變化較小，這里近似看為在15s之前服裝及人的系統(tǒng)保持37℃恒溫，即各層溫度均為37℃。

4.4擬合圖像

得到各層的溫度分布后，利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到各層的溫度隨時(shí)間變化圖像，下面給出第三層擬合曲線圖像：

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)所建立的模型以及求解結(jié)果，我們可以得到一定室溫下，熱防護(hù)服各部分溫度隨時(shí)間的分布模型，也可以使用于其他不同的室溫環(huán)境。通過(guò)對(duì)溫度變化過(guò)程的研究與分析，進(jìn)一步改良熱防護(hù)服的隔熱效果，延長(zhǎng)隔熱時(shí)間。對(duì)服裝的特殊功能設(shè)計(jì)具有重要意義。

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