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                      低熱輻射強度下防護服熱防護性能探究

                      [2020-03-20 15:43]
                      一般情況下,人體擁有一個復雜的熱控制系統,保持心臟、肺部以及大腦等重要器官的溫度穩定在37 ℃左右[1]。著裝條件下,人體產熱通過蒸發、導熱、輻射和對流等方式散熱,建立人體-服裝-環境系統間熱交換的動態平衡過程。在極端的高溫熱輻射環境下,服裝需要阻止環境中的熱量傳遞到人體,維持人體與環境間的動態熱平衡。消防員參與救援工作時穿著的高溫防護服作為工作服裝的一種類型,其熱防護性能與一般服裝有很大的不同[2],這類服裝的熱防護性能受到火焰和高溫等因素的影響而降低,可引起人體熱應力和生理疲憊[3]。
                       
                      服裝熱阻是服裝熱舒適和熱危害評價中的重要物性參數之一[4]。服裝小尺度實驗(bench scale test)是測量服裝熱防護性能常用的工具之一[5],國際標準ISO 11092-1993 和國內標準GB-T11048-2008就常溫環境下使用熱平板測量熱阻的小尺度實驗進行了規定。Gibson等根據國際標準的規定,在常溫環境下對多種軍用防護服裝測量熱阻,同時討論了影響測量的環境因素[6]。目前,還沒有人在高溫熱輻射條件下對防護服進行小尺度熱阻實驗研究。防護服包括外層、防水層、隔熱層以及舒適層。高溫熱輻射條件下環境中輻射熱將穿透防護服的外層向內部傳遞,對人體加熱。而常溫下人體散熱,通過防護服的舒適層向外傳遞。高溫熱輻射與常溫下防護服熱傳遞的差異性,影響熱阻的測量,進而影響熱危害評價的準確性。
                       
                      此外,高溫和熱輻射條件下防護服熱防護性能的已有研究還包括短時間暴露火焰條件下的TPP(thermal protective performance)實驗[7]、 紅外熱輻射條件下不同熱阻和反射率的防護服吸收熱輻射的實驗研究[8,9],以及短時間暴露火焰條件下的防護服熱傳遞模型數值計算[10]。然而,大多數情況下消防員長時間持續工作在低中等熱輻射條件下(1~20 kW/m2), 穿著的防護裝備沒有出現明顯的損壞,而不是TPP實驗中采用的短時間暴露于高熱流密度火焰環境中(84 kW/m2)。
                       
                      綜合以上分析可以看出,目前基于小尺度實驗的防護服熱性能研究沒有分析高溫輻射條件下防護服熱阻的測量,以及低中等熱輻射條件下的熱防護性能。本文利用自行設計的小尺度實驗測試裝置,進行低熱輻射條件下(1~10 kW/m2)防護服多層織物的熱防護性能實驗研究,同時推導了高溫下的熱阻計算公式。
                       
                      1 實驗與方法
                      1.1 實驗材料與儀器
                      現有的常溫下測量服裝熱阻的熱平板不能應用于熱輻射條件下。因此,本文采用自行設計的一套小尺度實驗測試裝置,研究低熱輻射強度條件下多層織物熱傳遞機理,并開展低熱輻射條件下的熱防護性能實驗。
                      該測試裝置包括: 加熱錐、樣品臺和熱流密度計,如圖1所示。實驗采用FTT(Fire Technology Testing)錐形量熱儀的加熱錐作為熱源,加熱錐采用3個K型熱電偶,使用溫度控制器調控加熱溫度,改變加熱溫度得到實驗所需的熱輻射強度。樣品臺用于固定多層紡織物樣品,位于加熱錐正下方25 mm處。樣品尺寸是100 mm×100 mm, 加熱錐產生的輻射熱能均勻加熱實驗樣品。文[10]指出防護服內層與人體皮膚之間的距離是7 mm, 因此將Captec熱流密度計TS-30置于防護服舒適層背熱面正下方7 mm處,測量輻射熱穿透防護服之后被人體皮膚吸收的熱量(測量精度1%)。
                      本文采用的實驗材料是國內消防戰斗服常用的面料,由外層、防水層、隔熱層和舒適層組成。外層采用防火阻燃的Nomex 3A面料,防水透氣層由Nomex和Kevlar的混紡材料外覆PTFE防水透氣膜,隔熱層采用Nomex隔熱氈,舒適層是T-70純棉材料。
                      1.2 實驗步驟與計算方法
                      參考ISO 11092-1993 和GB-T11048-2008等標準關于使用熱平板測量熱阻的要求,將試驗樣品放置于溫度和濕度分別保持在20 ℃和65%左右的艙室環境中24 h, 分別測量各層樣品面料的厚度。外層受熱面、防水層受熱面、隔熱層背熱面、舒適層受熱面和舒適層背熱面分別布置3個直徑為0.8 mm的OMEGA的K型熱電偶(測量精度±0.3 ℃)。熱電偶采用膠布固定在織物的表面測量其表面溫度,每3個熱電偶讀取取平均值。將固定好樣品的樣品盒固定到樣品臺上,與加熱錐的垂直距離保持25 mm。將熱流密度計固定在防護服舒適層背熱面正下方7 mm處,測量該位置的熱流密度和溫度。使用PID溫度控制器控制達到防護服外層面料的熱流密度分別是1、 2、 3、 5、 7和10 kW/m2。開啟加熱錐達到設定熱流密度值以后,開始采集樣品的溫度數據10 min, 保證在加熱錐擋板打開之前樣品的溫度達到穩定。然后,打開擋板對樣品開始輻射加熱20 min, 使4層防護服面料溫度達到穩定10 min之后關閉擋板,取面料溫度達到穩定的10 min數據計算服裝熱阻,樣品冷卻10 min之后冷卻加熱錐,完成該組實驗。
                      參考文[11],本文開發了高溫熱輻射下使用熱平板測量熱阻的計算公式:
                      IT=Tout-TinHt,(1)Ht=R0-R1-C.(2)
                      式中: IT是總熱阻,℃·m2·W-1; Tout和 Tin分別是外層受熱面和舒適層背熱面的溫度,℃; Ht是輻射熱穿透防護服時被防護服吸收的熱量, W/m2; R0和 R1分別是外層受熱面和熱流密度計所在位置(防護服舒適層背熱面正下方7 mm)的輻射換熱量, W/m2。 C是防護服舒適層背熱面與熱流密度計位置之間自然對流換熱量, W/m2。
                      C=hc(Tin-Thf).
                      Thf是熱流密度計所在位置的溫度,℃; hc是對流換熱系數,W·m-2·℃-1, 計算方法如下[10]:
                      hc=0.59kaRa14L,Ra≤1090.1kaRa13L,Ra>109.(4)Ra=Gr·Pr.
                      其中: ka是空氣的導熱系數, W·m-1·℃-1; L是紡織物的寬度, 0.1 m。 Ra是Rayleigh數, Gr是Grashof數, Pr是Prandtl數。
                      Gr=gβ(Tin-Thf)L3ν2.
                      g是重力加速度, 9.81 m2/s; β是體積熱膨脹系數,℃-1; ν是運動粘度, m2/s。 ka、 Pr和 ν取 Tin和 Thf的平均溫度對應下的數值。
                      β=1273.15+0.5(Tin+Thf).
                      各層織物的分熱阻采用該層織物受熱面和背熱面的溫差除以 Ht計算得到。
                       
                      2 結果與討論
                      按照熱阻的計算公式,對不同輻射密度下多層防護服的總熱阻進行分析。
                      ,隨著熱輻射強度的增加,尤其是在熱輻射密度超過5 kW/m2時,總熱阻減小。輻射密度為1 kW/m2時總熱阻是1.76×10-2℃·m2·W-1,而輻射密度10 kW/m2時總熱阻是1.05×10-2℃·m2·W-1, 比1 kW/m2時降低了40%。文[12]使用熱平板常溫下測量了外層、防水層和隔熱層3層防護服的總熱阻,各層使用的織物面料與本文相似。測量得到的總熱阻是0.151 ℃·m2·W-1, 是1 kW/m2時4層防護服總熱阻的8.58倍。由此可見,高溫熱輻射條件下的熱阻比常溫下大幅降低,使用常溫下防護服的熱阻設計防護服或者評價高溫熱危害,將極大地影響人員的生命和健康安全。這一結論與使用暖體假人計算得到的高溫和常溫下防護服總熱阻的對比情況是一致的。但是,暖體假人實驗中重型防護服高溫下各部分總熱阻的范圍是0.038~0.245 ℃·m2·W-1,是1 kW/m2時4層防護服總熱阻的2.16~13.9 倍。這是因為假人實驗中重型防護服屬于全身式防護,各層織物之間包含有大量的空氣,并且防護服與假人之間也存在空氣層,大量的空氣增加了防護服的熱防護性能。
                      圖3是不同輻射密度下防護服各層的熱阻。由圖3可以看出,外層的熱阻最小,防水層和隔熱層的熱阻接近,舒適層的熱阻隨著熱輻射密度的增加與防水層和隔熱層的熱阻越來越接近,尤其是在10 kW/m2時,都大于其他3層的熱阻。這與各層的原料構成和所處的位置相符。此外,熱輻射密度從1 kW/m2到10 kW/m2時,外層熱阻的變化范圍是0.48×10-3~1.25×10-3℃·m2·W-1; 防水層熱阻的變化范圍是3.14×10-3~7.47×10-3℃·m2·W-1; 隔熱層熱阻的變化范圍是3.1×10-3~6.87×10-3℃·m2·W-1?梢,外層、防水層和隔熱層這3層的熱阻隨著熱輻射強度的增加而降低,這與總熱阻的變化情況相似。這一現象出現的主要原因可能是環境中空氣和織物面料的導熱系數隨溫度升高而增加。熱輻射強度的增加使得服裝和舒適層下方空氣層的溫度不斷升高。同時,織物面料的導熱系數也隨之升高,加強了各層織物之間的導熱。由式(4)—(7)可知,空氣層導熱系數 ka的增加以及服裝舒適層溫度 Tin的升高使得舒適層下方空氣層的自然對流換熱量 C加劇,因而熱輻射密度增加時各層熱阻和總熱阻隨之減少。
                      熱輻射密度從1 kW/m2到10 kW/m2時,舒適層熱阻先增大后減小, 3 kW/m2時最大,為4.95×10-3℃·m2·W-1。這一現象與其他3層有明顯的不同。下面從各層織物的溫差來分析原因。
                      圖4是不同熱輻射密度下4層織物的受熱面和背熱面的溫差對比情況?梢钥闯, 隨著熱輻射強度的增加,舒適層的溫差與隔熱層的溫差越來越接近,尤其是在10 kW/m2時,舒適層的溫差大于隔熱層的溫差。熱輻射強度分別是1、 2、 3 kW/m2時,熱輻射階段舒適層對應的穩定溫度分別是55、 76、 97 ℃。由上述的分析可知,熱輻射密度的增加,使得其他3層織物面料的導熱系數隨溫度升高而增加。由于有這3次織物對輻射熱的阻礙,以及舒適層下方空氣層的自然對流換熱量 C增大,因此舒適層溫度升高沒有那么快,由式(4)—(7)可知,舒適層熱阻將增加。而當熱輻射強度分別是5、 7、 10 kW/m2時,舒適層的穩定溫度分別是128、 161、 190 ℃,此時舒適層的導熱系數也隨溫度升高而增加,由式(4)—(7)可知,舒適層熱阻將減小。因此,舒適層和其他3層的熱阻在不同熱輻射密度下變化差異性原因是一致的,即熱輻射使得環境中空氣和織物面料的導熱系數隨溫度升高而增加。
                      熱流密度計測量的熱流密度隨時間變化情況?梢钥闯,熱輻射密度從1到3 kW/m2時,該位置的熱流密度隨時間保持穩定; 從5、 7到10 kW/m2時,該位置的熱流密度隨時間變化率分別是-0.85、 -1.94和-5.35 W·m-2·min-1。熱流密度隨時間的變化率隨著輻射強度的增加而大幅增加。導致這一現象的原因可能是織物材料長時間持續暴露于熱輻射之下引起了織物對熱輻射吸收率的變化[8,9],導致有部分輻射熱被反射到周圍的空氣中。由式(1)和(2)可知:
                      ?IT?R1=Tout-TinHt2,(8)?IT?t=ITHt?R1?t.(9)
                      由式(8)和(9)可以看出,熱輻射強度分別是5、 7到10 kW/m2時,由于熱流密度計的測量值的衰減引起測量熱阻隨時間的變化率與總熱阻的比值分別是: -2.34×10-4 min-1、 -3.86×10-4 min-1和-7.16×10-4 min-1。取面料溫度達到穩定的10 min數據計算服裝熱阻時,由于熱流密度測量值的衰減引起的熱阻測量誤差小于1%。由此可以得出,低輻射強度下(小于10 kW/m2), 織物對熱輻射吸收率的變化對高溫輻射下熱阻的測量影響可以忽略不計。
                       
                      3 結 論
                      本文將自行設計的一套小尺度實驗測試裝置用于研究低熱輻射強度條件下多層織物熱傳遞機理。同時,推導了對應的高溫熱阻的計算公式,測量了低熱輻射條件下服裝熱阻,進而為高溫熱安全評價提供準確的服裝熱防護性能參數。本文得出的結論如下:
                      1) 隨著熱輻射強度的增加,尤其是在熱輻射密度超過5 kW/m2時,防護服總熱阻減小。
                      2) 隨著熱輻射強度的增加,外層、防水層和隔熱層的熱阻減少,而舒適層的熱阻先增大后減小。
                      3) 低輻射強度下(小于10 kW/m2), 織物對熱輻射吸收率的變化對高溫低輻射條件下熱阻測量的影響可以忽略不計。

                       

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