熱防護(hù)服防護(hù)性能測(cè)試評(píng)估方法

2024年3月31日發(fā)(作者：我都懂得)

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熱防護(hù)服防護(hù)性能測(cè)試評(píng)估方法

熱防護(hù)服是指對(duì)在高溫條件下工作的人體進(jìn)行安全保護(hù)，從而避免人體受到高溫傷害的各種保護(hù)性服

裝，它主要用來(lái)減少熱在人體皮膚上的積聚，從而保護(hù)皮膚不被燒傷或灼傷。因此，許多安全防護(hù)行業(yè)要

求職工工作中須穿著防護(hù)服裝，以防高溫輻射。即使在穿著防護(hù)服裝的情況下，在極高溫環(huán)境中人體也有

可能被高溫灼傷皮膚，因此，很多研究者就熱防護(hù)服裝和織物的熱防護(hù)性能進(jìn)行了大量的研究。

目前已研制出小規(guī)模(Bench—top tests)測(cè)試、火人測(cè)試及美國(guó)伍斯特軍事學(xué)院的熱屬性評(píng)價(jià)裝置

(Thermal Properties Test Fixture，T陽(yáng)F)¨J，用來(lái)評(píng)價(jià)各種熱危險(xiǎn)環(huán)境下織物或服裝的熱防護(hù)性能。從國(guó)外

所述文獻(xiàn)[8—11]來(lái)看，定量的評(píng)價(jià)熱防護(hù)服裝的熱防護(hù)性能過(guò)程中，需要運(yùn)用皮膚傳熱模型，并結(jié)合

Henriques皮膚燒傷方程，才能得到人體皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷所需時(shí)間t：，但是所有的皮膚傳熱模型都是基

于如下的Pennes傳熱方程建立的：

從物理學(xué)與生理學(xué)來(lái)說(shuō)，Pennes皮膚傳熱方程的本身就存在著一些問(wèn)題，尤其是在瞬間的高溫傳熱過(guò)

程中。實(shí)際上，該模型是在基于經(jīng)典的Fourier熱流定律基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，這也就是隱含著這樣的一個(gè)假

設(shè)，即認(rèn)為介質(zhì)中的熱傳播速度無(wú)限大，這就相當(dāng)于只要介質(zhì)內(nèi)某處溫度發(fā)生變化，就會(huì)瞬間引起另一點(diǎn)

的溫度變化，然而對(duì)于像人體皮膚這類生物組織來(lái)說(shuō)，熱量從一點(diǎn)傳輸?shù)阶罱稽c(diǎn)需要對(duì)熱擾動(dòng)響應(yīng)作出

反映的松弛時(shí)間丁H3。，因此，在評(píng)價(jià)熱防護(hù)服熱防護(hù)性能時(shí)，需要考慮到皮膚組織傳熱速度有限的因素，

以使燒傷預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際皮膚燒傷結(jié)果。

筆者介紹一種新型皮膚傳熱方程，即考慮了熱量在皮膚傳遞速度有限的熱波皮膚模型來(lái)測(cè)量皮膚的燒

傷度，從而以此熱防護(hù)服用織物層下皮膚燒傷級(jí)別來(lái)評(píng)價(jià)織物的熱性能。首先，通過(guò)模擬皮膚器表面的熱

電偶測(cè)量模擬器的溫度，通過(guò)將溫度值代入Diller法則公式?jīng)Q定皮膚模擬器吸收的熱量值；然后，再將得到

的熱量值作為熱波皮膚模型的邊界條件預(yù)測(cè)皮膚基面溫度，結(jié)合Henriques皮膚燒傷模型得到皮膚二級(jí)燒傷

的時(shí)間；同時(shí)還比較了運(yùn)用Pennes皮膚模型與TWMBT模型預(yù)測(cè)皮膚燒傷時(shí)間與皮膚溫度變化的結(jié)果。

1熱波皮膚模型

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根據(jù)傅立葉熱流定律，并考慮皮膚生物組織傳熱速度有限的物理事實(shí)，Cattaneo。14o提出了非穩(wěn)態(tài)下

的一維熱流方程，即非Fourier公式的線性展開：

當(dāng)7-珈，式(3)即轉(zhuǎn)化為著名的Pennes生物傳熱方程。由于生物組織中的熱傳播速度遠(yuǎn)較其他材料(如

金屬、液體等)為小，其熱松弛時(shí)間(如肉類下一20—30 S)遠(yuǎn)大于金屬等的r一10。10一10。4 S，因而考慮

了熱有限傳播速度的熱波模型更合理，更能反映生物傳熱的本質(zhì)。

實(shí)際傳熱過(guò)程中，皮膚組織上傳熱實(shí)際上主要發(fā)生在垂直皮膚表面一維方向，并且假定容積發(fā)熱源為0，

根據(jù)式(3)，那么皮膚組織上的穩(wěn)態(tài)溫度值t(戈，0)分布如下：

初始條件(t=o)：

0(z)=0 (9)

式中，t，為皮膚受熱時(shí)間。數(shù)值解方程時(shí)，假定皮膚表面和體核的溫度是一個(gè)常數(shù)，分別為32．5℃

和37。C。通過(guò)在整個(gè)求解皮膚區(qū)域內(nèi)建立有限數(shù)目的網(wǎng)格，將溫度場(chǎng)各微分方程變換為節(jié)點(diǎn)方程，運(yùn)用完

全隱式差分格式，編寫VB程序計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度和熱流量值。

2 實(shí)驗(yàn)

2．1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用的是改進(jìn)的輻射防護(hù)性能(RPP)測(cè)試儀，如圖1所示，其測(cè)試基本原理同NFPA1977[1副標(biāo)

準(zhǔn)方法(防野火防護(hù)服裝與裝備標(biāo)準(zhǔn))所述類似。輻射源裝置由5根500 W的紅外石英燈管作為輻射熱源，垂

直地對(duì)試樣進(jìn)行熱輻射。熱源的輻射熱量由調(diào)壓變壓器控制，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓，使石英燈管輻射出規(guī)定

的熱流量為0．5 caL／(cm2·s)或2．0 cal／(cm2·s)。

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