一种分离式可降温安全帽设计

2020-04-24王海顺白双星黄俊传铭讲师凯高级工程师

安全 2020年3期

王海顺白双星黄俊传许铭讲师叶凯高级工程师

(1.中国地质大学(北京) 工程技术学院,北京 100083；2.北京市石景山区安全生产协会,北京 100041)

0 引言

安全帽是最常见、最重要的劳动防护用品之一，与安全网、安全带一起被建筑业誉为建筑工人“三宝”[1-3]。GB 2811-2007《安全帽》主要规定了安全帽的结构尺寸、强度等要求，对透气性能没有硬性规定[4]。在外界环境温度为34.6℃时高劳动强度作业，安全帽内部微环境积热严重，30min时最高可达56℃[5]。《安全帽》标准中规定安全帽通气孔总面积为150～450mm2，若塑料材质安全帽、玻璃钢材质安全帽开4个透气孔，则通气孔直径最大不超过11.9mm，因此到了夏季或者高温环境下难以起到明显的散热作用[4-5]。夏季户外作业或者高温作业中佩戴安全帽非常辛苦，严重影响正常工作，职工佩戴意愿不高[6-7]。因此，设计可降温安全帽，提高安全帽的散热性能，改善安全帽佩戴舒适性，对于增强职工佩戴安全帽的积极性，促进作业安全具有重要意义。

目前改进安全帽散热性能主要有两种尝试。一类是在安全帽壳内表面粘装冰袋等冷媒吸收热量降温[8-9]；另一类是在安全帽顶上、后部或前部打100mm左右的孔，在孔上加装叶片式风扇和电源，以向头部吹风或从头部吸风方式降温[10-11]。两种方式都能起到一定降温作用，但同时产生新的问题。一是增加了安全帽的质量，冷媒大约增加一倍质量；风扇、蓄电池、太阳能电池板等也增加不少质量。安全帽本身比较重，再增加质量会严重影响佩戴舒适性，长期佩戴对头颈部产生的影响不容忽视。此外，冷媒会在表面凝结水珠，掉落到头部和脸部不仅造成不适，还会影响作业安全。加装风扇可能会严重破坏安全帽的结构和强度，影响安全帽的防护功能。风扇还会产生噪声、振动和电磁辐射，这些职业危害因素紧贴头部，可能对人的健康和安全造成新的威胁。冷媒还需要增加冰箱等支持设备，需要频繁更换，后期成本较高，操作不便。

针对上述问题，本研究提出一种分离式可降温安全帽的设计思路，在实现降温的同时，不破坏安全帽的结构和强度，不增加安全帽的质量，不产生噪声、振动和辐射。

1 安全帽内温度场数学模型

安全帽内的空气流动为低速流动，可将空气看成不可压缩流体，空气温度为外界环境温度且变化不大，即密度变化不大，因此可认为空气流动符合Boussinesq假设[5]。这一假设由3部分组成：流体中的粘性耗散忽略不计；除密度外其他物性为常数；对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度亦作为常数。空气的粘性不能忽略，所以空气流动通常都是湍流流动。同时，模拟流动物理量(如温度、速度等)不随时间变化的稳态流动。综上所述，空气流动的物理模型可简化如下：常温、低速、不可压缩流体流动气体且符合Boussinesq假设；湍流；稳态。

气体流动模型遵循质量、动量和能量3大守恒定律[12-13]。符合湍流模型，使用标准K-ε模型进行求解温度场，K-ε方程如式(4)、式(5)[5,14]。

质量方程：

(1)

式中：

u、v、w—x、y、z3个方向的速度分量，m/s；

t—时间，s；

ρ—密度，kg/m2。

动量方程(x方向)：

(2)

式中：

pxx—粘性应力分量，Pa；

Fx—3个方向的单位质量力，m/s2。

忽略粘性耗散作用的稳态低速不可压缩流体，能量方程可以简化：

(3)

式中：

T—温度，K；

cp—比热容，J/(kg·K)；

k—流体的传热系数，W/m2·K；

Sh—单位体积内热源。

湍流脉动动能方程(K方程)：

(4)

湍流脉动动能耗散率方程(ε方程)：

(5)

(6)

式中：

ρ—空气密度，kg/m3；

μi—速度矢量，m/s；

K—湍流脉动动能，m2/s2；

μ—层流动力粘性系数，Pa·S；

μt—湍流粘性系数，Pa·S；

ε—湍流能量耗散率，m2/s3。

式中6个经验常数一般取值如下：

cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，στ=0.9～1.0

2 积热数值模拟

2.1 安全帽积热区域物理建模

根据实际测量，安全帽帽衬与帽壳间隙可看作外径220mm、内径185mm的半球壳。对该空间用ANSYS ICEM CFD软件以1mm方形网格进行物理建模，如图1。

图1 安全帽内环境物理建模

2.2 确定模拟边界条件

头部肌肉组织占比较少，大脑是主要热源。当作业人员在高温作业下进行高强度劳动时，头部产热量主要来自于基础代谢，头部各组织层产热量，见表1，计算得到头部发热速率为17.42 J/s[5]。

表1 头部各组织层产热量及发热速率

据此，模拟边界条件，见表2。

表2 积热模拟边界条件

2.3 模拟结果

(1)普通安全帽。

对无降温设计的普通安全帽进行工况模拟，使用1800s、3600s、5400s时长帽壳内部温度分布结果,如图2。

其中最高温度主要集中在帽顶区域，温度随时间增长情况，如图3。大体上与使用时长成正比，使用时长越长，安全帽内部温度越高，其趋势线拟合为：

y=0.0018x+35.8

式中：

x—时间，s；

y—温度，℃。

(2)可降温安全帽。

Kerlake认为，对人体起热交换作用的风速要高于0.2m/s[5]。吹到头部的风速过大会造成不适，因此本研究参照1级风，将吹气速度控制在0.3～1.5m/s之内。图4显示了0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s三种风速下5400s时长的模拟结果。

模拟显示当风速为1.5m/s时，帽内温度在35～37℃之间，顶部积热现象已基本消失。故本研究设计风速设定为1.5m/s。

图2 不同时长的温度场分布图

图3 安全帽内部最高温度变化

图4 不同风速下使用5400s时长安全帽内温度场

3 可降温安全帽设计

分离式可降温安全帽由安全帽、出风口、风管、风机、电源、开关以及控制盒组成，如图5。

图5 分离式可降温安全帽产品简图

安全帽选用普通塑料材质安全帽。风管采用塑料软管且分为两段，第一段风管内径为3mm，完全位于安全帽内部且盘绕固定在帽壁上，其上设置有出风口；第二段风管为内径8mm，是连接第一段风管和风机之间的风管；第一段风管与第二段风管之间可拆卸，实现了安全帽与风机可分离。出风口为5个直径3mm的洞，其中第一段风管上设置4个出气口，沿圆周方向均匀分布，位于安全帽顶部中心的第一段风管末端亦形成1个出风口。风机选用额定功率为60W，额定电压为24V，额定电流为3A，风量为3.6m3/min，噪声为65分贝，大小为9cm×9cm×1.8cm的小型离心风机。电池选用24V/3A、电池含量为15000mA的锂电池。线路上安装开关控制启动和关闭状态。风机、电源和开关设置在控制盒里，挂在腰带上。风机的风通过风管输送到出气口，向头部吹风移除聚集的高温气体。

4 积热实验研究

在室内温度35℃、湿度65%的环境下，每次实验开始前，受试者在该室内环境下静坐10min，随后分别佩戴普通安全帽和可降温安全帽负重15kg在室内环境快步疾走模拟高温作业人员的劳动强度。将温度传感器固定在帽衬条上，佩戴时温度传感器位于头部与安全帽中形成的高温潮湿微小气候中。佩戴普通安全帽和分离式可降温安全帽运动不同时长时的温度变化情况，见表3。

表3显示可降温安全帽可有效消除安全帽内部的积热。同时，由于该产品是分离式的，因此不用破坏安全帽的结构和强度，测得两段塑料管约为45g，几乎不增加安全帽的质量；风机、电源和开关挂在腰部，因此不会对头颈部增加质量，不会对头部带来噪声、振动和辐射。实验表明，这种设计效果好、构造简单，具有很好的市场前景。