關于高溫作業防護服裝的設計與研究

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專用服的設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，做了高溫作業下服裝的各層溫度分布數學模型，運用Excel、MATLAB得出了高溫防護服各層溫度分布隨時間的變化關系、溫度變化與服裝材料相關參數之間的關系，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厚度，確保達到人體安全和舒適。其次在環境溫度為75℃下，給出的服裝各層的厚度、熱傳導率和假人皮膚外側的溫度變化，構造類比于多個電阻串聯電路的模型，引入熱阻，接著根據公式轉換，進而計算出服裝各層的傳熱系數，再求出各層所占傳熱比，最后將其與環境和皮膚外側溫度之差相乘，由外層至內依次求出與層與層之間的溫度差及交界溫度。

關鍵詞：高溫作業服裝;熱阻;傳導系數;溫度分布

引言

目前，國內工業生產中的爆炸、火災、劇毒化學物泄漏等災難性事故發生率極高：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。高溫作業人員在進行危險情景下進行救援工作時，保障其人身安危成為救援的首要前提，因此設計耐高溫作業服裝，提高應急救援高溫作業專用服的防護水平就成為關鍵[1]。國外在防護服面料及性能檢測方面開展了大量的研究，而國內在自主研發防護服面料及對防護服的性能進行綜合評價的進展仍處于落后狀態，從20世紀80年代后期開始，研究人員開始著手研發高溫和火災環境中熱防護服熱性能的數學模型，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，導致沒有將厚度這一重要因素考慮進去的一維模型可信度不高，因此，建立服裝在實際高溫環境中的溫度分布模型，進一步加強耐高溫阻燃防護服的開發及性能檢測的研究勢在必行。

1、問題分析

高溫作業專用服裝已被廣泛應用于石油和天然氣等引發的火災險情中[3]，由于應急熱防護服裝的特殊功能性，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，除此之外，在民用方面對于推進熱防護織物、服裝等裝備的研發，可間接減少熱輻射等危險環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的溫度變化情況，計算溫度分布，建立高溫作業專用服裝的溫度分布的模型，降低了開發成本，縮短了研發周期，更是為高溫作業防護服的設計、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。

2、模型的建立

該專用服裝材料各層的相關參數（密度、比熱、熱傳導率、厚度）已知，假人皮膚外側溫度隨時間變化的數據用EXCEL制圖。先做模型構想，類比于多個電阻串聯電路模型，即將溫度比作電壓，熱傳導率比作電阻，再引入熱阻、傳熱系數，兩者結合厚度和熱傳導率，構造環境-服裝-人體外側的溫度分布的數學模型。

可知皮膚外側的溫度在達到48.08 ℃之前，溫度隨時間的變化呈正相關線性關系，由該變化趨勢構想模型：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。高溫作業服由三層不同的防熱材料組成，即外殼（Ⅰ層）、防水層（Ⅱ層）和隔熱層（Ⅲ層），另加上Ⅲ層與皮膚之間存在的空隙（Ⅳ層），基于假設，其中的Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ層可以近似看成只存在熱傳導，不存在熱輻射。聯想到多個電阻串聯的電路模型：各元件電壓差與電阻成正比可類比溫度差與熱阻成正比，構造環境-服裝-人體模型。

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

3、模型求解

結合單層熱阻公式和傳導系數公式，材料的厚度和熱傳導率，可求出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層的傳導系數，各層的相關參數見下表：

根據傳導系數，求出各層的傳導熱所占比：

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境與皮膚外側的溫度差，由上述已求得各層傳導熱所占比，將溫度差與其作乘積，即可求得各層隨時間變化的溫度差。從環境溫度75℃起，各層隨時間變化的溫度差已知，將相關數值做作差，依次有序求出 相鄰層交界溫度（環境與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果生成名為problem1.xlsx的文件，結合求解結果并用EXCEL軟件繪制溫度分布圖。我們建立了環境-人體外側溫度差與材料厚度、熱傳導率、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系，再將作為作為自變量探究與的關系。在滿足題中的限制條件下選取厚度較小的數值最優解的原則上，運用枚舉法不斷試探和縮小Ⅱ層的厚度。

總結

采用類比法構建環境-服裝人體外側的熱傳遞模型，在各個環節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，其在高溫環境下具有重要的影響，不能被忽略，可進一步將濕傳遞這一因素作為變量考慮到模型中。空氣間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和熱輻射的熱能，空氣間隙層在微系統中起著重要的阻隔作用。對于與其余幾層屬性差異甚遠的空氣間隙層（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，使結果具有更強的可用性和說服性。

參考文獻

[1]李利君，李風.耐高溫阻燃防護服研究進展[J].消防技術與產品信息，2009（04）：12-16.

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