基于熱傳導(dǎo)方程模型對高溫防護(hù)服裝的設(shè)計研究

潘瑾璇，佘宇良，潘思羽

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

如今，高溫防護(hù)服的研究使得高危作業(yè)的風(fēng)險減小。在我國，消防員在進(jìn)行近火作業(yè)時所裝備的防護(hù)服裝的防護(hù)性能是嚴(yán)格按照公安部配備標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)定，通常是由三層織物材料構(gòu)成的一體式防護(hù)服。針對此類耐高溫服裝進(jìn)行分析研究。

利用在實(shí)驗室高溫環(huán)境中放置體內(nèi)溫度控制為的假人建立數(shù)學(xué)模型，用來確定假人皮膚外側(cè)的溫度變化情況，通過研究溫度分布，從而計算出專用防護(hù)服Ⅱ?qū)?、Ⅵ層（空氣層）的最?yōu)厚度。

2 實(shí)驗分析部分

2.1 實(shí)驗條件

采用的防護(hù)服裝具體參數(shù)見表1：

表1 耐高溫防護(hù)服材料的參數(shù)值

為了精確實(shí)際使用效果，在實(shí)驗中以體溫恒定在37℃的假人作為實(shí)驗對象，并且假設(shè)假人為均勻傳導(dǎo)介質(zhì)。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試

為了解防護(hù)服的基本防護(hù)情況，選擇了Ⅱ?qū)雍穸葹?mm，Ⅳ層厚度為5mm的防護(hù)服作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試。（如圖1所示）。

圖1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由觀測數(shù)據(jù)可以看出，因為溫度從外層穿過隔熱服的一、二、三、四層是需要一定的時間，所以0到15s的假人體表的溫度變化可以忽略不計，15s到24s之前的溫度變化也微乎其微，又因為1645s在以后熱量交換達(dá)到平衡，溫度不再變化，恒定在48.08℃，所以只需要考慮時間在（24，1645）范圍里的溫度變化情況。如圖2所示。

圖2 溫度變化擬合t=[24,1645]

對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到防護(hù)服溫度傳導(dǎo)的函數(shù)模型：

2.3 常最優(yōu)厚度分析

2.3.1 最優(yōu)厚度研究

基于上述模型，針對80℃的工作環(huán)境，對Ⅱ?qū)?、Ⅵ層（空氣層）的最?yōu)厚度進(jìn)行研究。針對這一時間段的溫度，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，考慮高度、寬度、厚度三種變量。建立三維熱傳導(dǎo)方程：，根據(jù)實(shí)際需要將方程簡化為一階偏微分方程。建立約束條件：

當(dāng)外界溫度為80℃時，工作時間為30min，假人皮膚外側(cè)溫度不超過47℃，t=1800s,U≤47℃超過44℃的時間不超過5min，t=1800s,U≤44℃；

根據(jù)不穩(wěn)定介質(zhì)的實(shí)際情況[1]將防護(hù)服近似的看成一個均勻的介質(zhì)，所以對熱傳導(dǎo)率做出處理：

在實(shí)際情況下，應(yīng)當(dāng)對第Ⅳ層有一定范圍的考量，適宜厚度的第Ⅳ層會使得服裝的吸濕性得到加強(qiáng)以及對人體和服裝起到調(diào)節(jié)作用，但是如果厚度過大則會使人體運(yùn)動靈活性及生理負(fù)荷方面產(chǎn)生影響,從而影響作業(yè)人員的工作效率[2]，故此，查詢資料得到第Ⅳ層應(yīng)為3mm≤x4≤6mm，才不會影響防護(hù)服的吸濕性和靈活性，并且在此范圍內(nèi)對人體和服裝的調(diào)節(jié)作用良好。

2.3.2 模型建立

綜上所述，計算第二層的最優(yōu)厚度所建立的目標(biāo)函數(shù)是：

同理計算第四層的最優(yōu)厚度所建立的目標(biāo)函數(shù)是：

其中：第i層厚度為xi，λ為消光系數(shù)，τ為材料透射率，ki為第i層的熱傳導(dǎo)率使用差分法運(yùn)用matlab軟件計算[3]，得到的結(jié)果是：x2=11.3mm，x4=4.9mm。

2.4 材料分析

為了降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，還應(yīng)該考慮到防護(hù)服的制作材料這一因素，見表2。

表2 防護(hù)服材料分析

根據(jù)得到的資料，聚丙烯睛化纖維織物具有密度小，耐熱性好，且價格便宜，拉伸性良好的優(yōu)點(diǎn)。在不考慮過高溫度的防護(hù)情況下，使用此材料制作防護(hù)服，既使質(zhì)量在可控范圍內(nèi)又使服裝延展性良好，穿著舒適，還降低了研發(fā)成本[4]。在考慮到過高溫度的防護(hù)情況下，聚酰亞胺纖維和聚苯硫醚纖維這兩種材料阻燃性能極強(qiáng)，且聚苯硫醚纖維的價格便宜，研發(fā)成本低，更符合條件。

3 結(jié)論

在上述分析中，首先擬合出防護(hù)服的熱傳導(dǎo)方程，隨后，又在溫度為80℃的工作環(huán)境下，求解出第Ⅱ?qū)雍偷贗V層的最優(yōu)厚度為11.3mm和4.9mm。即當(dāng)防護(hù)服第Ⅱ?qū)拥暮穸葹?1.3mm，第IV層的厚度為4.9mm，此時，防護(hù)服的防護(hù)效果最佳，可以確保工作30min時，假人皮膚外側(cè)溫度超過44℃的時間不超過5min，且不超過47℃并且，在考慮防護(hù)服實(shí)際設(shè)計材料的成本情況下，聚丙烯睛化纖維織物和聚苯硫醚纖維阻燃性能極強(qiáng)，而且價格便宜，研發(fā)成本更低。