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低热辐射强度下防护服热防护性能探究

[2020-03-20 15:43]
一般情况下,人体拥有一个复杂的热控制系统,保持心脏、肺部以及大脑等重要器官的温度稳定在37 ℃左右[1]。着装条件下,人体产热通过蒸发、导热、辐射和对流等方式散热,建立人体-服装-环境系统间热交换的动态平衡过程。在极端的高温热辐射环境下,服装需要阻止环境中的热量传递到人体,维持人体与环境间的动态热平衡。消防员参与救援工作时穿着的高温防护服作为工作服装的一种类型,其热防护性能与一般服装有很大的不同[2],这类服装的热防护性能受到火焰和高温等因素的影响而降低,可引起人体热应力和生理疲惫[3]。
 
服装热阻是服装热舒适和热危害评价中的重要物性参数之一[4]。服装小尺度实验(bench scale test)是测量服装热防护性能常用的工具之一[5],国际标准ISO 11092-1993 和国内标准GB-T11048-2008就常温环境下使用热平板测量热阻的小尺度实验进行了规定。Gibson等根据国际标准的规定,在常温环境下对多种军用防护服装测量热阻,同时讨论了影响测量的环境因素[6]。目前,还没有人在高温热辐射条件下对防护服进行小尺度热阻实验研究。防护服包括外层、防水层、隔热层以及舒适层。高温热辐射条件下环境中辐射热将穿透防护服的外层向内部传递,对人体加热。而常温下人体散热,通过防护服的舒适层向外传递。高温热辐射与常温下防护服热传递的差异性,影响热阻的测量,进而影响热危害评价的准确性。
 
此外,高温和热辐射条件下防护服热防护性能的已有研究还包括短时间暴露火焰条件下的TPP(thermal protective performance)实验[7]、 红外热辐射条件下不同热阻和反射率的防护服吸收热辐射的实验研究[8,9],以及短时间暴露火焰条件下的防护服热传递模型数值计算[10]。然而,大多数情况下消防员长时间持续工作在低中等热辐射条件下(1~20 kW/m2), 穿着的防护装备没有出现明显的损坏,而不是TPP实验中采用的短时间暴露于高热流密度火焰环境中(84 kW/m2)。
 
综合以上分析可以看出,目前基于小尺度实验的防护服热性能研究没有分析高温辐射条件下防护服热阻的测量,以及低中等热辐射条件下的热防护性能。本文利用自行设计的小尺度实验测试装置,进行低热辐射条件下(1~10 kW/m2)防护服多层织物的热防护性能实验研究,同时推导了高温下的热阻计算公式。
 
1 实验与方法
1.1 实验材料与仪器
现有的常温下测量服装热阻的热平板不能应用于热辐射条件下。因此,本文采用自行设计的一套小尺度实验测试装置,研究低热辐射强度条件下多层织物热传递机理,并开展低热辐射条件下的热防护性能实验。
该测试装置包括: 加热锥、样品台和热流密度计,如图1所示。实验采用FTT(Fire Technology Testing)锥形量热仪的加热锥作为热源,加热锥采用3个K型热电偶,使用温度控制器调控加热温度,改变加热温度得到实验所需的热辐射强度。样品台用于固定多层纺织物样品,位于加热锥正下方25 mm处。样品尺寸是100 mm×100 mm, 加热锥产生的辐射热能均匀加热实验样品。文[10]指出防护服内层与人体皮肤之间的距离是7 mm, 因此将Captec热流密度计TS-30置于防护服舒适层背热面正下方7 mm处,测量辐射热穿透防护服之后被人体皮肤吸收的热量(测量精度1%)。
本文采用的实验材料是国内消防战斗服常用的面料,由外层、防水层、隔热层和舒适层组成。外层采用防火阻燃的Nomex 3A面料,防水透气层由Nomex和Kevlar的混纺材料外覆PTFE防水透气膜,隔热层采用Nomex隔热毡,舒适层是T-70纯棉材料。
1.2 实验步骤与计算方法
参考ISO 11092-1993 和GB-T11048-2008等标准关于使用热平板测量热阻的要求,将试验样品放置于温度和湿度分别保持在20 ℃和65%左右的舱室环境中24 h, 分别测量各层样品面料的厚度。外层受热面、防水层受热面、隔热层背热面、舒适层受热面和舒适层背热面分别布置3个直径为0.8 mm的OMEGA的K型热电偶(测量精度±0.3 ℃)。热电偶采用胶布固定在织物的表面测量其表面温度,每3个热电偶读取取平均值。将固定好样品的样品盒固定到样品台上,与加热锥的垂直距离保持25 mm。将热流密度计固定在防护服舒适层背热面正下方7 mm处,测量该位置的热流密度和温度。使用PID温度控制器控制达到防护服外层面料的热流密度分别是1、 2、 3、 5、 7和10 kW/m2。开启加热锥达到设定热流密度值以后,开始采集样品的温度数据10 min, 保证在加热锥挡板打开之前样品的温度达到稳定。然后,打开挡板对样品开始辐射加热20 min, 使4层防护服面料温度达到稳定10 min之后关闭挡板,取面料温度达到稳定的10 min数据计算服装热阻,样品冷却10 min之后冷却加热锥,完成该组实验。
参考文[11],本文开发了高温热辐射下使用热平板测量热阻的计算公式:
IT=Tout-TinHt,(1)Ht=R0-R1-C。(2)
式中: IT是总热阻,℃·m2·W-1; Tout和 Tin分别是外层受热面和舒适层背热面的温度,℃; Ht是辐射热穿透防护服时被防护服吸收的热量, W/m2; R0和 R1分别是外层受热面和热流密度计所在位置(防护服舒适层背热面正下方7 mm)的辐射换热量, W/m2。 C是防护服舒适层背热面与热流密度计位置之间自然对流换热量, W/m2。
C=hc(Tin-Thf)。
Thf是热流密度计所在位置的温度,℃; hc是对流换热系数,W·m-2·℃-1, 计算方法如下[10]:
hc=0.59kaRa14L,Ra≤1090.1kaRa13L,Ra>109.(4)Ra=Gr·Pr.
其中: ka是空气的导热系数, W·m-1·℃-1; L是纺织物的宽度, 0.1 m。 Ra是Rayleigh数, Gr是Grashof数, Pr是Prandtl数。
Gr=gβ(Tin-Thf)L3ν2.
g是重力加速度, 9.81 m2/s; β是体积热膨胀系数,℃-1; ν是运动粘度, m2/s。 ka、 Pr和 ν取 Tin和 Thf的平均温度对应下的数值。
β=1273.15+0.5(Tin+Thf).
各层织物的分热阻采用该层织物受热面和背热面的温差除以 Ht计算得到。
 
2 结果与讨论
按照热阻的计算公式,对不同辐射密度下多层防护服的总热阻进行分析。
,随着热辐射强度的增加,尤其是在热辐射密度超过5 kW/m2时,总热阻减小。辐射密度为1 kW/m2时总热阻是1。76×10-2℃·m2·W-1,而辐射密度10 kW/m2时总热阻是1。05×10-2℃·m2·W-1, 比1 kW/m2时降低了40%。文[12]使用热平板常温下测量了外层、防水层和隔热层3层防护服的总热阻,各层使用的织物面料与本文相似。测量得到的总热阻是0。151 ℃·m2·W-1, 是1 kW/m2时4层防护服总热阻的8。58倍。由此可见,高温热辐射条件下的热阻比常温下大幅降低,使用常温下防护服的热阻设计防护服或者评价高温热危害,将极大地影响人员的生命和健康安全。这一结论与使用暖体假人计算得到的高温和常温下防护服总热阻的对比情况是一致的。但是,暖体假人实验中重型防护服高温下各部分总热阻的范围是0。038~0。245 ℃·m2·W-1,是1 kW/m2时4层防护服总热阻的2。16~13。9 倍。这是因为假人实验中重型防护服属于全身式防护,各层织物之间包含有大量的空气,并且防护服与假人之间也存在空气层,大量的空气增加了防护服的热防护性能。
图3是不同辐射密度下防护服各层的热阻。由图3可以看出,外层的热阻最小,防水层和隔热层的热阻接近,舒适层的热阻随着热辐射密度的增加与防水层和隔热层的热阻越来越接近,尤其是在10 kW/m2时,都大于其他3层的热阻。这与各层的原料构成和所处的位置相符。此外,热辐射密度从1 kW/m2到10 kW/m2时,外层热阻的变化范围是0.48×10-3~1.25×10-3℃·m2·W-1; 防水层热阻的变化范围是3.14×10-3~7.47×10-3℃·m2·W-1; 隔热层热阻的变化范围是3.1×10-3~6.87×10-3℃·m2·W-1。可见,外层、防水层和隔热层这3层的热阻随着热辐射强度的增加而降低,这与总热阻的变化情况相似。这一现象出现的主要原因可能是环境中空气和织物面料的导热系数随温度升高而增加。热辐射强度的增加使得服装和舒适层下方空气层的温度不断升高。同时,织物面料的导热系数也随之升高,加强了各层织物之间的导热。由式(4)—(7)可知,空气层导热系数 ka的增加以及服装舒适层温度 Tin的升高使得舒适层下方空气层的自然对流换热量 C加剧,因而热辐射密度增加时各层热阻和总热阻随之减少。
热辐射密度从1 kW/m2到10 kW/m2时,舒适层热阻先增大后减小, 3 kW/m2时最大,为4.95×10-3℃·m2·W-1。这一现象与其他3层有明显的不同。下面从各层织物的温差来分析原因。
图4是不同热辐射密度下4层织物的受热面和背热面的温差对比情况。可以看出, 随着热辐射强度的增加,舒适层的温差与隔热层的温差越来越接近,尤其是在10 kW/m2时,舒适层的温差大于隔热层的温差。热辐射强度分别是1、 2、 3 kW/m2时,热辐射阶段舒适层对应的稳定温度分别是55、 76、 97 ℃。由上述的分析可知,热辐射密度的增加,使得其他3层织物面料的导热系数随温度升高而增加。由于有这3次织物对辐射热的阻碍,以及舒适层下方空气层的自然对流换热量 C增大,因此舒适层温度升高没有那么快,由式(4)—(7)可知,舒适层热阻将增加。而当热辐射强度分别是5、 7、 10 kW/m2时,舒适层的稳定温度分别是128、 161、 190 ℃,此时舒适层的导热系数也随温度升高而增加,由式(4)—(7)可知,舒适层热阻将减小。因此,舒适层和其他3层的热阻在不同热辐射密度下变化差异性原因是一致的,即热辐射使得环境中空气和织物面料的导热系数随温度升高而增加。
热流密度计测量的热流密度随时间变化情况。可以看出,热辐射密度从1到3 kW/m2时,该位置的热流密度随时间保持稳定; 从5、 7到10 kW/m2时,该位置的热流密度随时间变化率分别是-0。85、 -1。94和-5。35 W·m-2·min-1。热流密度随时间的变化率随着辐射强度的增加而大幅增加。导致这一现象的原因可能是织物材料长时间持续暴露于热辐射之下引起了织物对热辐射吸收率的变化[8,9],导致有部分辐射热被反射到周围的空气中。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,热辐射强度分别是5、 7到10 kW/m2时,由于热流密度计的测量值的衰减引起测量热阻随时间的变化率与总热阻的比值分别是: -2.34×10-4 min-1、 -3.86×10-4 min-1和-7.16×10-4 min-1。取面料温度达到稳定的10 min数据计算服装热阻时,由于热流密度测量值的衰减引起的热阻测量误差小于1%。由此可以得出,低辐射强度下(小于10 kW/m2), 织物对热辐射吸收率的变化对高温辐射下热阻的测量影响可以忽略不计。
 
3 结 论
本文将自行设计的一套小尺度实验测试装置用于研究低热辐射强度条件下多层织物热传递机理。同时,推导了对应的高温热阻的计算公式,测量了低热辐射条件下服装热阻,进而为高温热安全评价提供准确的服装热防护性能参数。本文得出的结论如下:
1) 随着热辐射强度的增加,尤其是在热辐射密度超过5 kW/m2时,防护服总热阻减小。
2) 随着热辐射强度的增加,外层、防水层和隔热层的热阻减少,而舒适层的热阻先增大后减小。
3) 低辐射强度下(小于10 kW/m2), 织物对热辐射吸收率的变化对高温低辐射条件下热阻测量的影响可以忽略不计。

 
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