关于高温作业防护服装的设计与研究

陈俊帆 徐逸楷 黄兴鑫 李贤贤 陈玉钊

摘 要：本文主要针对高温作业专用服的设计及其温度分布的研究，利用引入类比法、公式法和枚举法等多种方法，做了高温作业下服装的各层温度分布数学模型，运用Excel、MATLAB得出了高温防护服各层温度分布随时间的变化关系、温度变化与服装材料相关参数之间的关系，并通过计算。首先分别求出在指定的限制条件下材料层的最优厚度，确保达到人体安全和舒适。其次在环境温度为75℃下，给出的服装各层的厚度、热传导率和假人皮肤外侧的温度变化，构造类比于多个电阻串联电路的模型，引入热阻，接着根据公式转换，进而计算出服装各层的传热系数，再求出各层所占传热比，最后将其与环境和皮肤外侧温度之差相乘，由外层至内依次求出与层与层之间的温度差及交界温度。

关键词：高温作业服装;热阻;传导系数;温度分布

引言

目前，国内工业生产中的爆炸、火灾、剧毒化学物泄漏等灾难性事故发生率极高：恐怖分子制造爆炸案件、运用生化毒剂袭击等各种手段危害公众安全的威胁增加。高温作业人员在进行危险情景下进行救援工作时，保障其人身安危成为救援的首要前提，因此设计耐高温作业服装，提高应急救援高温作业专用服的防护水平就成为关键[1]。国外在防护服面料及性能检测方面开展了大量的研究，而国内在自主研发防护服面料及对防护服的性能进行综合评价的进展仍处于落后状态，从20世纪80年代后期开始，研究人员开始着手研发高温和火灾环境中热防护服热性能的数学模型，但这些模型基于平面一维传热机制[2]，而由于服装本身有一定的厚度，显然，导致没有将厚度这一重要因素考虑进去的一维模型可信度不高，因此，建立服装在实际高温环境中的温度分布模型，进一步加强耐高温阻燃防护服的开发及性能检测的研究势在必行。

1、问题分析

高温作业专用服装已被广泛应用于石油和天然气等引发的火灾险情中[3]，由于应急热防护服装的特殊功能性，其材料必须具有良好的隔热、阻燃特性，此外还需要考虑穿着舒适性等其他因素，在高温环境下，人们需要穿着特种功能专用服装避免灼伤的危险状态，除此之外，在民用方面对于推进热防护织物、服装等装备的研发，可间接减少热辐射等危险环境对人体造成的热伤害[4]。由此可见，用假人来测试皮肤外侧的温度变化情况，计算温度分布，建立高温作业专用服装的温度分布的模型，降低了开发成本，缩短了研发周期，更是为高温作业防护服的设计、加大人类在危险处境中的安全性保障提供十分有利的理论依据。

2、模型的建立

该专用服装材料各层的相关参数（密度、比热、热传导率、厚度）已知，假人皮肤外侧温度随时间变化的数据用EXCEL制图。先做模型构想，类比于多个电阻串联电路模型，即将温度比作电压，热传导率比作电阻，再引入热阻、传热系数，两者结合厚度和热传导率，构造环境-服装-人体外侧的温度分布的数学模型。

可知皮肤外侧的温度在达到48.08 ℃之前，温度随时间的变化呈正相关线性关系，由該变化趋势构想模型：各元件电压差与电阻成正比可类比为温度差与热阻成正比。高温作业服由三层不同的防热材料组成，即外壳（Ⅰ层）、防水层（Ⅱ层）和隔热层（Ⅲ层），另加上Ⅲ层与皮肤之间存在的空隙（Ⅳ层），基于假设，其中的Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ层可以近似看成只存在热传导，不存在热辐射。联想到多个电阻串联的电路模型：各元件电压差与电阻成正比可类比温度差与热阻成正比，构造环境-服装-人体模型。

由于单层热阻公式中的分母为导热系数，导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度，在1秒内通过1面积传递的热量，单位为瓦/米·度（可用℃代替K），参数热传导率的表现形式和定义一致，故将认为是材料热传导率，为材料厚度。

3、模型求解

结合单层热阻公式和传导系数公式，材料的厚度和热传导率，可求出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层的传导系数，各层的相关参数见下表：

根据传导系数，求出各层的传导热所占比：

I层：0.1367÷（0.1367+0.0617+0.0125+0.0056）= 0.6314，同理，其余各层求法一样，我们可以先求出每一时间的环境与皮肤外侧的温度差，由上述已求得各层传导热所占比，将温度差与其作乘积，即可求得各层随时间变化的温度差。从环境温度75℃起，各层随时间变化的温度差已知，将相关数值做作差，依次有序求出 相邻层交界温度（环境与Ⅰ层的交界温度记为：Ⅰ层与II层的交界温度记为：II层与III层的交界温度记为：III层与IV层的交界温度记为：随时间变化各层温度差、相邻层交界温度的求解结果生成名为problem1.xlsx的文件，结合求解结果并用EXCEL软件绘制温度分布图。我们建立了环境-人体外侧温度差与材料厚度、热传导率、时间的模型与传热与电路的类比模型，接下来先将作为自变量探究与的关系，再将作为作为自变量探究与的关系。在满足题中的限制条件下选取厚度较小的数值最优解的原则上，运用枚举法不断试探和缩小Ⅱ层的厚度。

总结

采用类比法构建环境-服装人体外侧的热传递模型，在各个环节尚有许多需要完善的地方，例如没有考虑到热量温度的湿传递问题，其在高温环境下具有重要的影响，不能被忽略，可进一步将湿传递这一因素作为变量考虑到模型中。空气间隙层厚度影响了温度增长率，皮肤烧伤程度随空气间隙层厚度的增加呈线性变化，表明较厚的空气间隙层能更多的吸收来自热传导和热辐射的热能，空气间隙层在微系统中起着重要的阻隔作用。对于与其余几层属性差异甚远的空气间隙层（Ⅳ），本文仅仅将其与其余三层一并考虑而没有对其进行另加分析和模型求解，因此，还可以特别针对空气层的热传递模型加以分析，使结果具有更强的可用性和说服性。

参考文献

[1]李利君，李风.耐高温阻燃防护服研究进展[J].消防技术与产品信息，2009（04）：12-16.

[2]万志琴.织物热防护中的吸热特性研究[J].纺织学报，2004（02）：43-46+5.