高温作业专用服装的研究与设计

李秋锦

摘要：热防护服装是应用最广泛的特种防护服装，其热防护功能是一项的重要的且关注度极高的功能。随着时代发展的多样性，对于该功能的要求也愈来愈高。当进行高温环境下的作业时，衣物温度会随着外界温度逐渐升高，导致人体皮肤温度逐渐升高，当超过人体身体所能承受的温度之前，必须停止作业，否则会灼伤人体皮肤。本文基于高温作业服装的设计原理，根据热传导的方式，对高温作用专用服装进行研究与分析

关键字：热防护服热传导能量公式

1问题分析

对热防护服各材料层与人体皮肤的模型进行假设。进行模拟实验，得到一段时间内人体温度数据，分析这种数据可以得到，零时刻人体温度为37℃，第15s时温度开始发生变化，时间在1645s时人体温度变为48.08℃随后保持不变。将这些数据分为三个时间段分别进行研究，由后向前，由里向外，根据热传导公式逐层算出各材料层达到稳态时的温度，再根据热传导率公式和能量公式算出各层的温度分布。对这些数据进行拟合，得到各层温度变化曲线。

2模型假设

（1）热传递为垂直于皮肤方向进行;

（2）三层材料层水平方向排列，材料层与皮肤之间存在空气层;

（3）热防护服各材料层是均匀的，且不发生热溶解;

（4）系统热传递仅考虑热传导，忽略热辐射，热对流，水蒸气等的影响;

（5）温度不变后，将模型看为是处于稳态的;

（6）温度在各材料层中的变化是连续的;

（7）不考虑外界环境的影响，将第1层的左边界看为系统的起始点。

3符号说明

4温厦分布的求解

实验环境温度为75 C、II层厚度为6 mni、IV层厚度为5 mm、时间为90分钟的情形开展实验。

4.1达到稳态时的温度分布

假定在1645s皮肤温度达到48.08℃并保持不变后，各层温度均达到稳态，恒定在一定的温度上，此时可以将热防护服及人体的防热系统看作多层平面壁的热量传递，利用热传导公式可以计算各层达到稳态的温度。

公式如下：

数据L1、L2、L3、L4、k1、K2、k3、k4为已知数据，T4为皮肤层温度，To为外界环境温度，代人数据为：

由以上计算可以得到，在1645s時刻各层温度分别达到的74.30℃、72.7 S℃、65.12℃、48.08℃，并在之后的时间内保持不变。

4.2温度不断变化时间段的温度分布

假设温度随时间的变化是连续的，分析数据可以得到皮肤温度在出现一定温差时，在时间差范围内的每一秒温度都不变，计算出单位时间内的温度差，将温度差不为O的数据筛选出来，同时得到达到该温度差所经历的时间差记为At。

根据热量计算公式：Q= cmAT

进行推导Q= cpvAT=cpLAAT

QA= cpIAT

这里m为质量由密度。与体积v的乘积得到，体积v又可以由厚度L与面积A的乘积得到，移项可以得到单位面积升高AT的温度所需要吸收的热量。又根据热传导率公式：

在已知在某一时间差内皮肤温度升高相应的温度，可以计算出上一层即第三层在该时间差内的温度差，由1645s的温度向前计算可以得出该层的温度分布。

计算公式为

ATt表示前一层的温差，ATb表示后一层温差。

代人数据可得该层各时间段的温差，再由1645s处的温度减去温差，得到上一时间段的温度，以此类推即可得到第三层的温度分布。 得到第三层温度分布后，循环上述步骤即可依次得到上一层的温度分布。

4.3开始时的温度分布

由于时间较短，且空气中存在热辐射与热对流等因素，而防护服不会在进入高温环境的瞬间开始吸热，所以整体的温度变化较小，这里近似看为在15s之前服装及人的系统保持37℃恒温，即各层温度均为37℃。

4.4拟合图像

得到各层的温度分布后，利用MATLAB进行数据拟合，得到各层的温度随时间变化图像，下面给出第三层拟合曲线图像：

5结语

通过所建立的模型以及求解结果，我们可以得到一定室温下，热防护服各部分温度随时间的分布模型，也可以使用于其他不同的室温环境。通过对温度变化过程的研究与分析，进一步改良热防护服的隔热效果，延长隔热时间。对服装的特殊功能设计具有重要意义。

参考文献

[1]成知宁，孙浩泽宇，王凯.基于傅里叶定律的高温服装热度分布模型[J]，中国新通信，2019，21（03）：215 216.

[2]卢琳珍，徐定华，徐映红.应用三层热防护服热传递改进模型的皮肤烧伤度预测[J].纺织学报，2018，39（01）：lll-118+125.

[3]蒋晓颖.两类空间分数阶扩散方程反问题研究及其在热防护服设计中的应用[D].浙江理工大学，2 018.