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收稿日期:2010-09-20作者简介:李东辉,1971年出生,博士研究生,研究方向为高温热防护材料辐射特性及耦合传热等。
E-m a i l :l d h 0086451@y a h o o .c o m .c n·计算材料学·多层高温隔热结构的传热特性李东辉 夏新林 艾 青(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨 150001)文 摘 建立了高温多层隔热结构传热计算模型,采用蒙特卡罗方法模拟每个半透明隔热材料层内的一维辐射传递,采用有限体积法对多层隔热结构辐射导热耦合换热能量方程进行求解,对多层隔热结构的瞬态传热及热响应进行了数值模拟分析,研究了反射屏个数等因素的影响。
结果表明,反射屏对多层结构隔热性能的影响取决于隔热材料的辐射特性与导热性能,当隔热材料衰减系数小时,将屏布置于高温区可提高隔热性能,当衰减系数大时,反射屏布置在低温区进行蓄热则更加有利。
关键词 多层隔热结构,热辐射,导热,耦合传热H e a t T r a n s f e r C h a r a c t e r i s t i c s o f H i g h T e m p e r a t u r e M u l t i l a y e r T h e r m a l I n s u l a t i o n sL i D o n g h u i X i a X i n l i n A i Q i n g(S c h o o l o f E n e r g y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150001)A b s t r a c t H i g h t e m p e r a t u r e m u l t i l a y e r t h e r m a l i n s u l a t i o n s h a v e w i d e a p p l i c a t i o n i n t h e r m a l p r o t e c t i o n t e c h n o l o -g i e s f o r h y p e r s o n i c v e h i c l e s .C o m p u t a t i o n a l m o d e l o f t h e h e a t t r a n s f e r i n t h e m a t e r i a l s w a s e s t a b l i s h e d b y t h e M C M f o r t h e o n e d i m e n s i o n a l r a d i a t i v e t r a n s f e r i n e a c h s e m i t r a n s p a r e n t i n s u l a t i o n l a y e r a n d b y t h e F V M f o r t h e h e a t t r a n s f e r o f c o m b i n e d r a d i a t i o n a n d c o n d u c t i o n i n t h e m u l t i l a y e r m a t e r i a l s .T h e t r a n s i e n t h e a t t r a n s f e r a n d t h e r m a l r e s p o n s e o f t h e m u l t i l a y e r i n s u l a t i o n s w e r e n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d .I n f l u e n c i n g f a c t o r s i n c l u d i n g s c r e e n n u m b e r s ,s c r e e n s l a y o u t ,e m i t t a n c e e t c w e r e a n a l y z e d .R e s u l t s o b t a i n e d s h o wt h a t b o t h r a d i a t i o n a n d c o n d u c t i o n p r o p e r t i e s o f t h e i n s u l a -t i o n m a t e r i a l i n f l u e n c e t h e i n s u l t i n g p e r f o r m a n c e o f t h e m u l t i l a y e r s t r u c t u r e .D e n s e l y d i s t r i b u t e d f o i l s i n h i g h t e m p e r a -t u r e z o n e c a n i m p r o v e t r a n s i e n t i n s u l a t i n g p e r f o r m a n c e w h e n e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e i n s u l a t i o n m a t e r i a l i s r e l a t i v e -l y s m a l l .O t h e r w i s e f o i l s i nl o wt e m p e r a t u r e z o n e a r e p r e f e r r e df o r i n s u l a t i o n s w i t hl a r g e e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t t o i n -c r e a s e h e a t s t o r a g e c a p a b i l i t y o f t h e m u l t i l a y e r s t r u c t u r e .K e y w o r d s M u l t i l a y e r t h e r m a l i n s u l a t i o n s ,T h e r m a l r a d i a t i o n ,H e a t c o n d u c t i o n ,C o u p l e d h e a t t r a n s f e r 0 引言隔热材料的多孔性通常使得其对热辐射具有半透明性,除利用粒子散射遮蔽热辐射传输外,还可将多个高反射率反射屏布置于辐射半透明的隔热材料内,以形成多层隔热结构,如图1所示[1]。
摘要耐高温阻燃防护服在保护消防员等应急救援人员的安危方面发挥着越来越重要的作用。
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方面还远远落后于国外发达国家,因此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。
本文通过热防护原理，重点介绍了一些阻燃面料，他们是如何进行阻燃的，具体结构是阻燃外层、防水层和隔热层。
其中阻燃外层的有芳香族聚酰胺纤维，Visil纤维，芳砜纶纤维。
还介绍了热防护服因具备的服用性能及舒适性，并通过简单的性能测试，定量的分析TPP 值与热防护服的关系。
最后是一些建议与总结。
关键字：高温阻燃，面料，舒适性，防护服阻燃面料的热防护性能探究瞿明洁0913082060 引言近年来，随着社会经济的快速发展，生产要素、生产设施的不断增加，造成了可燃物、助燃物及火源的种类和数量增多，火灾发生频率呈上升趋势，火场环境更加复杂。
火灾不仅给人们的财产带来损失还会威胁人们的生命安全。
每年，世界各地都有成千上万因衣着不当而导致的烧伤事故，而最严重的烧伤往往是由于所穿着的衣物着火造成的，服装燃烧而造成的皮肤烧伤程度常常比直接裸露在外的皮肤烧伤程度更为严重。
因此阻燃防护服就是针对火灾及其它灾害事故对人体的伤害而专门设计的用于保护消防人员的服装，阻燃防护服的防护性能好坏是关系到消防员是否能成功救援的关键，如果消防服防护性能不足则可能延误战机，或降低战斗力，甚至会在抢救被困人员时自身遭受烧伤。
因此,作为产业用纺织品的一个主要品种的热防护服的应用范围不断扩大,具有广阔的发展前景。
阻燃防护服是重要的个体防护装备，已广泛应用于石油、化工、冶金、造船、消防、国防以及有明火、散发火花、熔融金属和有易燃物质的场所，需求量极大，且每年还以两位数的速度递增。
美国、日本及欧洲的发达国家对热防护服的研究和开发较早,热防护服在许多行业中都得到了广泛的应用。
目前,他们已制订并实施了一系列先进和完善的热防护服产品标准和测试方法标准,可以较系统地设计、开发和生产各类热防护服,并较好地测试和评价热防护服的热防护性能。
防护热板法检测建筑节能保温材料导热系数的应用研究摘要：根据建筑节能保温材料在建筑工程中的应用，结合建筑节能检测的实际情况，对防护热板法测试导热系数进行分析研究，利用参比板对测试系统进行综合性能检查及标定，确保测试结果有效、准确。
关键词：建筑节能保温材料；导热系数；防护热板法；参比板建筑节能是我国节能工作中一个非常重要的方面。
建筑新技术、新材料的推广、应用对建筑节能的推动至关重要。
为此，广东省在2011年7月1号颁布《广东省民用建筑节能条例》，以此推动建筑节能工作的进程。
条例将建筑节能列为建设工程竣工验收的一项重要内容，表彰奖励在建筑节能新技术、新材料和新产品的研发、推广、应用。
1、建筑节能保温材料的应用在建筑工程中，用于控制室内热量外流的材料称为保温材料，防止室外热量进入的材料称为隔热材料，两种材料均利于节能，并广泛用于墙体及屋面工程。
常用的墙体及围护结构节能保温材料主要有蒸压加气混凝土砌块、蒸压泡沫混凝土砌块、建筑保温砂浆、胶粉聚苯颗粒外墙保温系统等，绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(xps)及绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料主要用于屋面节能工程。
导热系数是节能保温材料主要的技术指标，工程中使用的材料应符合设计要求和相关标准的规定。
表1为常用建筑节能保温材料导热系数的技术指标。
材料名称蒸压加气混凝土砌块蒸压泡沫混凝土砌块建筑保温砂浆胶粉聚苯颗粒外墙保温系统绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(xps) 绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料(ⅰ类)b07 b08 b11 b12 ⅰⅱ导热系数w/m.k ≤0.18 ≤0.20 ≤0.48 ≤0.65≤0.085 ≤0.070 ≤0.060 ≤0.030 ≤0.026平均温度℃25 25 25 25 25 25 25 25 232、防护热板法装置的原理及防护热板法的应用为测定材料的导热系数采用防护热板法，采用的仪器设备为sk-dr300r 型平板导热仪，该设备为双试件式，测试过程中只需测量尺寸、温度和电功率。
*西北工业大学博士论文创新基金资助(CX200405)石振海:1960年生,博士研究生,主要从事热防护材料的研究 T el:029 ******** E mail:shizhenhai9307@航天器热防护材料研究现状与发展趋势*石振海,李克智,李贺军,田 卓(西北工业大学材料学院,西安710072)摘要 热防护系统中所采用的多层复合热防护材料的层间界面结合和小块材料之间的连接对航天器的可靠性有很大影响,目前二者都存在一定的缺陷。
依据功能梯度材料和C/C 复合材料的理论,将高导热率碳泡沫和低导热率碳微球设计成密度和热导率功能梯度热防护碳泡沫材料,使其具备组分之间无层间界面和小块材料间易于连接等特点。
关键词 热防护材料 碳泡沫 功能梯度材料 C/C 复合材料Research Status and Application Advance of Heat ResistantMaterials for Space VehiclesSH I Zhenhai,LI Kezhi,LI Hejun,T IAN Zhuo(Schoo l of M aterials Science,N o rthwester n P olytechnical U niver sity,Xi an 710072)Abstract T he reliability o f space v ehicles is much affected by the inter face bonding of multilayer heat resist ant mater ials and t he joining of smaller mater ials in the ther mal prot ection sy st em.Ho wev er,ther e ar e defect s in bothaspects.Based on the theo ries concerning funct ional g radient mater ials and C/C composit es,a way is desig ned to pre par e a functional gr adient carbon foam w ith density and heat conductiv ity for ther mal pr otection from the car bon foam with hig h heat conductivity and the carbon microsphere with low heat conductivity.T he advantag es of the newly designed material lie in that there are no interfaces between layers of materials and smaller pieces of materials ar e easy to join.Key words heat r esistant mater ial,carbon foam,functio nal gr adient mater ial,C/C composites1 航天器的热防护系统和热防护材料热防护系统(T her mal pr otectio n sy st em,简称T PS)是各国正在研制的可重复使用于航天(空天)飞行器上的关键部件之一[1,2]。
纺织纤维的导热与保温性纺织纤维的导热与保温性1.指标(1)导热系数λ——材料厚度为1m，两表面之间温差为1℃，每小时通过1m2材料所传导的热量。
单位：Kcal/m·℃·h； W·m/m2·℃λ↑→导热性越好，保温性越差常见纤维的导热系数（在室温20℃时测得）纤维种类:λ(W·m/m2·℃)棉:0.071-0.073涤纶:0.084羊毛:0.052-0.055腈纶:0.051蚕丝:0.050-0.055丙纶:0.221-0.302粘纤:0.055-0.071氯纶:0.042醋纤:0.050锦纶:0.244-0.337★空气:0.026★水:0.5992) 绝热率TT=[(Q1-Q2）/Q1]*100%式中：Q1——包覆试样前保持热体恒温所需热量；Q2——包覆试样后保持热体恒温所需热量。
T↑→材料保温效果越好2.影响纤维导热性能的因素分子量的大小在同一温度下，分子量越高→λ↑。
温度与回潮率的影响T↑λ↑（∵T↑，分子的振动频率加大，使热量能籍此得到更好的传递之故）。
水分越多，λ越大，保暖性越差（在同样温湿度条件下，吸湿能力比较好的纤维，导热性比较好）。
3.纤维集合体的体积重量保暖与否主要取决于纤维层中夹持的静止空气数量。
纤维层中夹持的空气越多，则纤维层的绝热性越好。
一旦夹持的空气流动，保暖性将大大降低。
纤维层的体积重量在0.03-0.06g/cm3，λ最小，保暖性最好。
3.增强服装保暖性的途径（1）尽可能多的储存静止空气；（中空纤维、多衣穿着、不透水）（2）降低W%；（3）选用λ低的纤维；（4）加入陶瓷粉末等材料。
二.纤维的热机械性能曲线1．定义：高聚物受力变形或初始模量等随温度变化而变化的曲线。
2．曲线的特点（1）四个温度a.玻璃化温度Tg——非晶态高聚物大分子链段开始运动的最低温度或由玻璃态向高弹态转变的温度。
b.粘流温度Tf——非晶态高聚物大分子链相互滑动的温度,或由高弹态向粘流态转变的温度。
导热系数测试案例
碳纤维毡导热系数的测量
碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。
碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。
碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料，也是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具实现“轻量化”的完美材料。
由碳纤维制成的毡称为碳毡，碳毡在真空或惰性气氛下经2000℃以上高温处理后成为石墨毡，含碳量比碳毡高，达99%以上。
碳毡和石墨毡产品具有质轻、炭含量高、而烧蚀、抗腐蚀、纯度高、高温无挥发、导热系数小、高温不变形等优异性能，石墨毡在非氧化气氛条件下，使用温度可达3000℃左右，通常作为真空烧结炉、单晶炉电阻炉、高压炉、感应炉等的保温隔热材料，在化学工业中可作为高纯度腐蚀性化学试剂的过滤材料，广泛用于光伏、半导体以及冶金、光纤制造、玻璃加工和陶瓷工业。
利用TC3000热线法导热系数仪，测量了室温下不同材料碳纤维和不同工艺制成的碳毡的导热系数，可以看到，不同的样品之间，导热系数有明显的差异。
表1. 碳纤维毡的导热系数测试结果
更多关于瞬态热线法和仪器设备的介绍，详见固体导热系数仪。
uhmwpe纤维导热系数解释说明1. 引言1.1 概述本篇文章主要探讨了超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE纤维）的导热系数，并对其定义、特点以及影响因素进行详细阐述。
通过对导热系数的测量方法和精确性评价的介绍，我们可以更好地理解和评估UHMWPE纤维在导热方面的性能，从而为相关领域的应用提供参考和指导。
1.2 文章结构本文按照以下结构进行组织：引言部分首先简要介绍了文章的背景和目标；随后分为四个主要部分，分别是UHMWPE纤维导热系数的定义与特点、影响因素、测量方法及精确性评价，最后是结论与展望部分。
每个部分都从不同角度对UHMWPE纤维导热系数进行详尽解释并提供相应的实证和理论依据。
1.3 目的本文旨在深入探讨UHMWPE纤维在导热方面的基本原理和规律，解释其导热系数的定义与特点，同时阐明影响其导热性能的关键因素。
此外，我们还将介绍UHMWPE纤维导热系数的测量方法，并评估其测量精确性。
最后，本文将总结研究结果并提出未来的研究方向建议，为进一步探索UHMWPE纤维在导热领域应用的发展方向提供参考。
（以上内容为正式写作风格所需，实际写作中可根据需要适当调整语言表达方式）2. UHMWPE纤维导热系数的定义与特点2.1 定义UHMWPE纤维是超高分子量聚乙烯（Ultra-High Molecular Weight Polyethylene）的缩写，它由高分子量的聚乙烯单体聚合而成。
导热系数（Thermal Conductivity）是衡量材料导热性能的参数，它表示单位时间内单位面积上传导热量的多少。
在UHMWPE纤维中，导热系数指的是材料在传递热量时所表现出来的性质。
2.2 特点UHMWPE纤维具有以下特点：首先，UHMWPE纤维具有低导热系数。
由于其分子链非常长且结晶度较高，其分子链间距离远大于其他普通聚合物纤维，因此减少了传热路径，使得导热性能变得相对较低。
其次，UHMWPE纤维具有优异的隔热性能。
防护服阻热性能关系详解热防护服是各类防护服中应用最为广泛的品种之一,可以保护人体免受各种热的伤害,如对流热、传导热、辐射热等,它必须具有在高温下保护人体的功能,因此,它的热防护性能始终是人们关注的焦点。
用于热防护服的外层织物的热防护性能对于防护服的整体热防护性非常重要。
TPP值是织物对热辐射和热对流综合作用的热防护能力,它可以直接反映试样的热防护性能。
本文通过TPP实验测试,就织物燃烧前后质量损失、厚度、面密度与TPP值的关系进行了探讨。
1实验部分1.1材料选择13种可用作热防护服外层的织物。
织物成分、比例、组织结构、厚度及面密度等参数见表1。
1.2测试方法TPP实验已得到了ASTM、ISO及NFPA的认可。
这种测试方法是将试样水平放置在特定的热源上面,在规定距离内,热源以2种不同的传热形式———热对流和热辐射出现。
置于试样另一侧的铜片热流计可测量试样背面的温度。
要求火焰与试样直接接触,使到达织物表面的热流量达到84kWm2,用试样后面的铜片热流计测量其温升曲线并与Stoll标准曲线比较得到二级烧伤所需时间t2,并与暴露热能量q相乘得TPP值,其计算式为TPP=t2q(1)式中:q为规定辐射热流量(84kWm2);t2为引起二度烧伤所需要的时间,s。
采用CSI-206热防护性能测试仪,按NFPA1976标准测试TPP值。
试样尺寸为150mm×150mm。
对13种面料进行测试,总热流量为(83±4)kWm2,燃烧时间设为20s(根据经验设定)。
测定燃烧前后织物的质量,然后计算各试样的质量损失,计算公式为质量损失=(燃烧前质量-燃烧后质量)燃烧前质量×100%(2)2实验结果与分析2.1质量损失及织物参数与TPP值的关系13种试样的TPP实验结果见表2。
可以看出,除Nomex472外,其余各织物的TPP值都在10以上,热防护性最好的是预氧化纤维织物,TPP值达到了16.5,所以,除Nomex472外,其余织物都可考虑作为热防护服外层织物。
第32卷㊀第3期2024年3月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.3Mar.2024DOI :10.19398∕j.att.202306020热防护服散热性的数学模型仿真汪易平1,丁㊀颖1,于志财2,王㊀震1,徐丽慧1(1.上海工程技术大学纺织服装学院,上海㊀201620;2.武汉纺织大学纺织科学与工程学院,武汉㊀430200)㊀㊀摘㊀要:为了探求热防护服的散热规律和在高温环境中工作的极限,根据傅里叶热传导定律,用微元法和有效差分法建立了热防护服在高温条件下的 外界环境-织物层-皮肤 散热数学模型并进行仿真模拟,然后将穿着相同防护服的恒温假人放置在与数学模型中假设温度一致的实验室温度下进行实测,并采用DS18B20温度传感器测量出假人表面温度进行比对验证㊂结果表明:实测假人皮肤温度为43.71ħ,与模型仿真结果43.99ħ的误差仅为0.28ħ㊂研究结果说明建立的热传导散热模型具有较高准确度,能够对热防护服的散热防护效果进行仿真预测与合理评价,可为在较短的研发周期内设计散热效果更好的热防护服提供借鉴㊂关键词:散热模型;安全性;防护服;数学建模;仿真模拟中图分类号:TS941.7;TN305.94㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1009-265X(2024)03-0102-08收稿日期:20230619㊀网络出版日期:20231101基金项目:国家自然科学基金项目(51703123)作者简介:汪易平(1998 ),女,安徽池州人,硕士研究生,主要从事智能纺织品方面的研究㊂通信作者:丁颖,E-mail:tingying@㊀㊀近年来随着生产制造业的飞速发展,新工艺㊁新设备的大量采用,高温作业的劳动群体也日渐庞大㊂高温作业环境恶劣,尤其是环境温度过高会导致人体表面皮肤与高温接触而受到损伤㊂热防护服能够极大程度地保护处于高温环境下的工作人员㊂散热是热防护服设计和操作中需要考虑的重要因素,当前,对于散热性的评价主要是依靠大量的实验测试,重复性差且耗费成本巨大㊂因此,建立高温环境下热防护服的散热模型,对热防护服的散热防护效果进行仿真模拟和合理评价,可为在较短的研发周期内设计隔热效果更好的热防护服提供参考㊂对热防护服装散热性能的数学建模研究始于20世纪80年代,早期的研究普遍只着眼于织物层内部的热传递[1]㊂Torvi 等[2]提出了热防护服外层织物的传热模型㊂Mell 等[3]考虑了织物的热传导㊁热辐射,提出了多层织物层与层之间的反射㊂Mercer 等[4]建立了含有相变材料的多层织物的热传递模型㊂Sawcyn [5]使用ASTM D 4108实验装置在多层织物模型上分析了防护服和微气候区内部的热传递模型㊂随着模型的不断优化,从织物到皮肤的热传递模型也开始被建立㊂Song 等[6]基于PyroMan 暖体假人分析系统,建立了强热环境下防护服装㊁皮肤系统的热传递模型㊂Barry [7]建立了在强火焰暴露条件下热防护服装的热传递模型,发现织物属性以及空气层厚度对热传递的影响㊂但是外界环境㊁织物层与皮肤三者关系的热传递模型至今仍未建立㊂本文对热防护服在高温炎热情况下的热量传递进行研究,拟建立 外界环境-织物层-皮肤 的热传导散热模型,并用所建立的模型对假人皮肤层的温度进行预测,与实测温度进行比较分析㊂1㊀散热模型的建立1.1㊀热量传递的方式热量传递方式共有3种,分别是热传导㊁热对流和热辐射㊂传热可以以其中1种方式进行,也可以同时以2种或3种方式进行㊂热传导的产生是由于能量在相邻粒子之间进行传输㊂热对流发生在一个以一定流速流动的流体内,能量通过流动或输运进行传递;工程上比较常见流体流过一个物体并与其表面间产生热量传递,这种现象称为对流传热㊂物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射;物体会因各种原因发出辐射,其中因热而发出的辐射能现象称为热辐射㊂本文在建立模型时,结合热防护服的实际应用,主要考虑热传导和热对流这两种热传递形式,即高温外界环境与外层织物间的热对流和织物层与皮肤㊁织物层与织物层的热传导㊂1.2㊀散热模型的确定本文建立的织物层散热模型由4层构成,如图1所示㊂其中Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ层分别为阻燃耐热层㊁防水透气层㊁接触皮肤层,Ⅲ层与皮肤之间还存在空隙空气,将此空隙记为Ⅳ层㊂Ⅰ层与外界环境接触,外层面料尽量选取阻燃隔热性能良好的材料,可以减少工作人员受到高温的威胁,缓解生理压力㊂由于高温作业的环境温度远高于正常人体温度,在这种环境条件下,正常通过环境散热的程度较低,唯一散热途径就是通过人体的蒸发散热,当防护服的透气性不能满足正常的生理需求,会使穿着对象产生疲劳和不舒适感受㊂防护服在保证服用性能基础上,应选取最佳的防水透气性材料作为Ⅱ层面料,为工作者提供了一个更加舒适的内环境㊂直接与人体接触的为舒适层Ⅲ,需要其具备良好的舒适性能与阻燃性能,最常用的面料是阻燃棉和阻燃黏胶[8]㊂舒适层面料能直接影响穿着者的生理感受,有研究表明,织物紧密度及厚度㊁紧密度直接影响面料的舒适性,紧密度及厚度㊁面密度越小的织物,透气性能越好[9]㊂表1为本文选用防护服各层材料的数据[10]㊂图1㊀散热模型的结构Fig.1㊀Structure of aheat dissipation model表1㊀防护服材料的参数值Tab.1㊀Parameter values of protective clothing materials层次密度∕(kg㊃m-3)比热容∕(J㊃kg-1㊃K-1)热传导率∕(W㊃m-1㊃K-1)厚度∕mm Ⅰ层300.0013770.0820.6Ⅱ层862.0021000.3700.6~25.0Ⅲ层74.2017260.045 3.6Ⅳ层 1.1810050.0280.6~6.4㊀㊀热量从外界环境向防护服传递时产生热传递现象,防护服内的热量转移的过程也属于热传递,构建如图2所示的坐标系,建立外界-织物层-皮肤的热传递数学模型㊂d1㊁d2㊁d3㊁d4分别为防护服Ⅰ层到Ⅳ层的介质区域厚度㊂外界的热量向防护服Ⅰ层传递时,传热的介质为空气,热量从外界环境传递到防护服Ⅰ层织物与外界的分界面时,以热对流的方式传递,必然同时伴有由于流体本身分子运动所产生的导热作用㊂在Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ层织物中以热传导的形式进行热量传递[7]㊂热传导是由温差而引起的能量的转移,在任何时候,只要在某个介质中或者是两个介质之间有温差存在,便会发生传热现象[11-12],再通过热对流的方式从防护服Ⅲ层织物传递到空气层Ⅳ中㊂假定各层织物的初始温度应为室温26ħ,即T(χ,0)=26;外界环境温度为60ħ,即T0=60㊂图2㊀热量的传递示意图Fig.2㊀Schematic diagram of heat transfer㊃301㊃第3期汪易平等:热防护服散热性的数学模型仿真1.3㊀关于模型的几点假设模型需要针对问题的主要因素,忽略次要因素,使我们要解决的问题简化,使模型更合理化,所以针对该模型提出以下几点假设:a)假设热传递过程中织物材料的结构几乎不变,即它的密度㊁比热容㊁热导率㊁厚度等几乎不变㊂b)假设系统的热传递仅考虑热传导㊁热辐射和热对流,忽略水汽的影响,即不考虑湿传递㊂c)假设外界环境与防护服Ⅰ层㊁防护服Ⅰ层与防护服Ⅱ层㊁防护服Ⅱ层与防护服Ⅲ层㊁防护服Ⅲ层与防护服Ⅳ层以及防护服Ⅳ层与皮肤之间的温度变化都是连续的㊂d)假设织物材料无褶皱且其表面温度处处相同㊂e)假设假人可以承受实验中所达到的所有可能温度㊂2㊀关于织物散热的微分方程的建立与求解2.1㊀织物散热的微分方程的建立在给定时间和空间内,区域内织物温度随织物厚度的变化分布一般是空间坐标与时间的函数,设函数为u(t,x),即:u(t,x)=f(x,y,z,t)(1)式中:x㊁y㊁z分别表示三维坐标中的横轴㊁纵轴㊁竖轴;t表示时间,s㊂对于外界环境与防护服Ⅰ层的分界面,热量从外界以热对流的方式传递到防护服Ⅰ界面㊂对流传热常用热传导率k描述,单位为W∕(m㊃K),可根据傅里叶定律[13]计算:k=αS(T w-T x=0)(2)外界通过热对流传递的热量与界面Ⅰ吸收的热量相等,热量可以用Q来表示:㊀Q=kΔt=αS(T0-T|x=0)Δt=C1ρ1Sd1ΔT(t)(3)式中:α为对流传热系数,W∕(m2㊃K);S为传热面积,m2;T为温度,ħ,其中T0是外界环境温度为60ħ,T x=0为防护服Ⅰ层温度,即初始温度26ħ, t为时间,s,当外界环境为60ħ被温度为26ħ的防护服界面Ⅰ冷却时经过的时间Δt,s;ρ1㊁ρ2㊁ρ3㊁ρ4分别为防护服Ⅰ~Ⅳ的层织物的密度,kg∕m3;C1㊁C2㊁C3㊁C4分别为防护服Ⅰ~Ⅳ层织物的比热容, J∕(kg㊃K);d1㊁d2㊁d3㊁d4分别为防护服Ⅰ~Ⅳ层织物的厚度,mm㊂用微元法建立防护服散热系统的热量传递模型:微元[x,x+Δx]在时间段[t,t+Δt]内吸收的热量为:Q1=ʏx x+Δx cρ(u(t+Δt,x)-u(t,x))d x =ʏt t+Δtʏx x+Δx cρ u t d x d t(4)式中:c为织物的比热容,J∕(kg㊃K),ρ为织物的密度,kg∕m㊂根据傅里叶热传导定律[11-13]:Q2=ʏt t+Δt k(x+Δx)∂u∂x(t,x+Δx)-k(x)∂u∂x(t,x)()d t ㊀=ʏt t+Δtʏx x+Δx∂∂x k∂u∂x()d x d t(5)因为Q1=Q2,所以有ʏt t+Δtʏx x+Δx cρ∂u∂t d x d t=ʏt t+Δtʏx x+Δx∂∂x k∂u∂x()d x d t(6)在各防护服织物层之间的区间内成立㊂2.2㊀织物散热的微分方程的求解防护服织物界面的边界条件如下织物界面左边界的边界条件:-k1∂u∂x+k e u=k e u e(7)式中:k1为防护服第Ⅰ层的热传导率,W∕(m㊃K), k e代表外界环境与防护服第Ⅰ层之间的热传导率,W∕(m㊃K)㊂织物界面右边界的边界条件:k4∂u∂x+k s u=k s u s(8)式中:k4为第Ⅰ层的热传导率,W∕(m㊃K),k s代表第Ⅳ层与皮肤之间的热传导率,W∕(m㊃K)㊂交界面处的边界条件:k j∂u∂x()-=k j+1∂u∂x()+(9)由此建立的热防护服系统一维热量传递的偏微分方程模型:c jρj∂u∂t=∂∂x k j∂u∂x(),t>0,xɪ(l j-1,l j)(j=1,2,3,4)(10)当t=0时,u=u0㊂当x=l0,即外界环境与第Ⅰ层之间热传导:-k1∂u∂x+k e u=k e u e(11)当x=l4,即第Ⅳ层与皮肤之间热传导:㊃401㊃现代纺织技术第32卷k 4∂u∂x +k su =k s u s (12)当x =l j ,即三层织物之间的热传导:u -=u +,k j∂u∂x()-=k j +1∂u ∂x ()+,j =1,2,3.ìîíïïï(13)由以上一维热量传递模型的偏微分方程,在Matlab 软件中建立相关散热模型,通过有效差分法求解微分方程㊂得到防护服各分界面随着时间变化的温度分布图,如图3所示㊂从图3中可以看出:防护服最外层也就是左边界在59.52ħ时达到了稳定,防护服第Ⅱ层在59.11ħ时达到了稳定,防护服第Ⅲ层在58.2ħ时达到了稳定,防护服第Ⅳ层在53.72ħ时达到了稳定,皮肤层在43.71ħ达到了稳定㊂㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图3㊀分界面温度随时间变化曲线Fig.3㊀Changes in the temperature of separatrixes with time㊃501㊃第3期汪易平等:热防护服散热性的数学模型仿真㊀㊀图4为防护服每层温度随厚度以及时间变化的三维分布图㊂随着防护服的厚度增加,皮肤温度会逐渐降低㊂图4㊀温度随时间㊁空间的变化曲线Fig.4㊀Temperature changes over time and space3 织物导热的微分方程的验证为测试散热模型,将体内温度控制在37ħ的假人穿上防护服放置在实验室的60ħ环境中,用温度传感器对假人温度信息进行采集,再转换为电信号在数码显示器上显示温度,如图5(a)显示㊂目前,在常用的温度的传感器当中,PT100温度传感器[14]和DS18B20温度传感器[15]的技术比较成熟,应用广泛,但DS18B20使用比PT100更方便,同时DS18B20具有直接输出不需要校正的数字温度值的特性,具有较强的抗压性能等显著优点,更适合于高温高压环境,在这里测试假人皮肤的温度传感器选取DS18B20温度传感器,如图5(b)所示㊂验证实验中采用型号为TS-18B20数字温度传感器,由DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成㊂工作电压为3.0~5.0V,测温范围为-55~125ħ,在-10~85ħ范围内误差为ʃ0.4ħ㊂最后通过数字信号输出温度结果㊂在验证使用中,如图6所示的实验环境图,使用了温度恒定为37ħ的假人,与仿真建模中相同的织物并控制其初始温度为26ħ,在温度恒定为60ħ的高温环境实验室中进行测温以验证相同初始室温下模型的精度㊂然后再改变室温到75ħ,观察实测数据趋势是否和模型一致㊂图5㊀温度显示器与传感器Fig.5㊀Temperature display andsensor图6㊀恒温假人和实验环境图Fig.6㊀Thermostatic dummy and experimentalenvironment diagram测得假人皮肤外侧在5400s 内的温度变化数据,如图7(a)所示,将数字信号数据导入Matlab 可视化,可以看出在与模型建立的相同初始室温60ħ下,通过温度传感器测得的假人皮肤温度达到43.99ħ并保持稳定㊂调整高温环境实验室温度为75ħ时测得假人皮肤外侧在5400s 内的温度变化数据㊂从图7(b)可以看出,假人温度最后稳定在48.08ħ㊂㊃601㊃现代纺织技术第32卷图7㊀假人皮肤温度随时间变化Fig.7㊀Dummy skin temperature changes with time 由Matlab软件建立的模型,在60ħ室温下测出的假人皮肤温度为43.71ħ㊂由温度传感器DS18B20测得的假人皮肤温度是43.99ħ㊂两者进行对比,误差在0.5ħ㊂调整室温为75ħ后,温度变化趋势与模型几乎一致,可以得出所建立的模型准确性较高㊂从是否考虑湿传递的角度,热防护服装的数学模型主要分为干燥模型和热湿耦合模型㊂结合建立模型的假设,本文采用的均为干燥模型㊂没有考虑织物内部的水分(包括汗水和水蒸气等),主要研究外部的辐射热量,织物相关物理学性质,织物层与层之间和织物与皮肤之间空气层的厚度等对防护性能的影响㊂热湿耦合模型认为织物内部水分主要来源于人体汗液和织物自身所含的水分[16-19]㊂Lawson 等[20]研究了多层织物组合状态下的瞬时状况下热湿传递模型,并且考虑热防护服装内部各层之间的辐射传热,同时分析了初始含水量的影响,模型中含有随着含水量变化而变化的物理参数,发现水分也会影响到整个热传递过程㊂由此总结出未考虑湿传递是误差存在的主要原因㊂但是当模拟外界室温和高温实验室室温均为60ħ时,误差仅为0.28ħ,且调整实验室室温到75ħ,稳定后的温度也仅升高到48.08ħ㊂本研究建立的模型基于热传递干燥模型,高温下,湿传递是人体散热的主要方式之一㊂理论上,不考虑湿传递会造成较大误差,但实验较仿真的误差较小,主要原因是湿传递主要依靠人体汗液的蒸发,实验用恒温假人并没有人体的相同条件,所以使用干燥模型更为合理㊂4㊀结㊀论本文为了探求高温环境下热防护服的散热规律,实现对热防护服隔热效果的预测与合理评价㊂根据傅里叶热传导定律,通过微元法与有效差分法建立了热防护服在高温环境下的 外界-织物层-皮肤 的散热数学模型,并通过假人实验进行验证分析㊂验证实验中假人皮肤温度为43.71ħ,数学散热模型仿真结果为43.99ħ,误差仅为0.28ħ㊂研究发现随着热防护服的厚度增加,皮肤温度会逐渐降低,空气层有明显的降温散热作用㊂模型仿真结果与实测结果误差较小说明建立的散热数学模型准确度较高,对热防护服的散热防护效果合理评价有借鉴意义㊂参考文献:[1]朱荣桂,赵晓明.消防服的研究现状及发展趋势[J].成都纺织高等专科学校学报,2016,33(3):214-218. 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多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定一、本文概述随着现代工业技术的快速发展，高温环境作业已成为许多行业不可避免的工作场景。
因此，对高温防护服装的研究显得尤为重要。
多层热防护服装作为一种有效的个人防护装备，在保护工作人员免受高温伤害方面起着至关重要的作用。
本文旨在深入探讨多层热防护服装的热传递模型，并通过参数优化决定，为高温防护服装的设计和优化提供理论支持和实践指导。
本文将首先介绍多层热防护服装的基本原理和构造，包括各层材料的热学性能和结构特点。
在此基础上，将详细阐述热传递模型的理论框架，包括热传导、热对流和热辐射等基本传热方式在多层结构中的综合作用。
通过构建热传递模型，可以更准确地预测多层热防护服装在不同高温环境下的热防护性能。
接下来，本文将探讨多层热防护服装参数的最优决定方法。
通过对影响服装热防护性能的关键因素进行分析，如材料导热系数、服装厚度、服装层数等，我们将建立参数优化模型，以寻求在给定条件下最佳的服装设计方案。
通过参数优化，可以进一步提高多层热防护服装的热防护效果，降低高温环境对工作人员的潜在威胁。
本文将总结多层热防护服装热传递模型及参数最优决定的研究意义和应用前景。
随着科技的不断进步，多层热防护服装的性能将不断优化，为保障高温环境作业人员的安全和健康发挥更加重要的作用。
本文的研究成果将为相关领域的科研人员和企业提供有益的参考和借鉴，推动多层热防护服装技术的持续发展和创新。
二、多层热防护服装的热传递模型多层热防护服装的设计初衷在于通过多层次的材料结构来抵抗外界热源的侵害，保护穿着者免受高温环境的伤害。
为了深入理解这种防护机制，需要构建一个能够准确描述多层热防护服装内部热传递过程的数学模型。
在构建模型时，我们首先需要考虑服装各层材料的热传导性能，包括导热系数、热容和密度等参数。
这些参数将直接影响热量在材料间的传递效率。
我们还需要考虑服装层间的接触热阻，这是由于层间空气和不完全接触导致的热传递阻碍。
