基于热传导方程模型对高温防护服装的设计研究

潘瑾璇，佘宇良，潘思羽

（甘肃农业大学，甘肃 兰州 730030）

1 概述

如今，高温防护服的研究使得高危作业的风险减小。在我国，消防员在进行近火作业时所装备的防护服装的防护性能是严格按照公安部配备标准来设定，通常是由三层织物材料构成的一体式防护服。针对此类耐高温服装进行分析研究。

利用在实验室高温环境中放置体内温度控制为的假人建立数学模型，用来确定假人皮肤外侧的温度变化情况，通过研究温度分布，从而计算出专用防护服Ⅱ层、Ⅵ层（空气层）的最优厚度。

2 实验分析部分

2.1 实验条件

采用的防护服装具体参数见表1：

表1 耐高温防护服材料的参数值

为了精确实际使用效果，在实验中以体温恒定在37℃的假人作为实验对象，并且假设假人为均匀传导介质。

2.2 基础数据测试

为了解防护服的基本防护情况，选择了Ⅱ层厚度为6mm，Ⅳ层厚度为5mm的防护服作基础数据测试。（如图1所示）。

图1 基础数据

由观测数据可以看出，因为温度从外层穿过隔热服的一、二、三、四层是需要一定的时间，所以0到15s的假人体表的温度变化可以忽略不计，15s到24s之前的温度变化也微乎其微，又因为1645s在以后热量交换达到平衡，温度不再变化，恒定在48.08℃，所以只需要考虑时间在（24，1645）范围里的温度变化情况。如图2所示。

图2 温度变化拟合t=[24,1645]

对数据进行拟合，得到防护服温度传导的函数模型：

2.3 常最优厚度分析

2.3.1 最优厚度研究

基于上述模型，针对80℃的工作环境，对Ⅱ层、Ⅵ层（空气层）的最优厚度进行研究。针对这一时间段的温度，根据热力学第二定律，考虑高度、宽度、厚度三种变量。建立三维热传导方程：，根据实际需要将方程简化为一阶偏微分方程。建立约束条件：

当外界温度为80℃时，工作时间为30min，假人皮肤外侧温度不超过47℃，t=1800s,U≤47℃超过44℃的时间不超过5min，t=1800s,U≤44℃；

根据不稳定介质的实际情况[1]将防护服近似的看成一个均匀的介质，所以对热传导率做出处理：

在实际情况下，应当对第Ⅳ层有一定范围的考量，适宜厚度的第Ⅳ层会使得服装的吸湿性得到加强以及对人体和服装起到调节作用，但是如果厚度过大则会使人体运动灵活性及生理负荷方面产生影响,从而影响作业人员的工作效率[2]，故此，查询资料得到第Ⅳ层应为3mm≤x4≤6mm，才不会影响防护服的吸湿性和灵活性，并且在此范围内对人体和服装的调节作用良好。

2.3.2 模型建立

综上所述，计算第二层的最优厚度所建立的目标函数是：

同理计算第四层的最优厚度所建立的目标函数是：

其中：第i层厚度为xi，λ为消光系数，τ为材料透射率，ki为第i层的热传导率使用差分法运用matlab软件计算[3]，得到的结果是：x2=11.3mm，x4=4.9mm。

2.4 材料分析

为了降低研发成本，缩短研发周期，还应该考虑到防护服的制作材料这一因素，见表2。

表2 防护服材料分析

根据得到的资料，聚丙烯睛化纤维织物具有密度小，耐热性好，且价格便宜，拉伸性良好的优点。在不考虑过高温度的防护情况下，使用此材料制作防护服，既使质量在可控范围内又使服装延展性良好，穿着舒适，还降低了研发成本[4]。在考虑到过高温度的防护情况下，聚酰亚胺纤维和聚苯硫醚纤维这两种材料阻燃性能极强，且聚苯硫醚纤维的价格便宜，研发成本低，更符合条件。

3 结论

在上述分析中，首先拟合出防护服的热传导方程，随后，又在温度为80℃的工作环境下，求解出第Ⅱ层和第IV层的最优厚度为11.3mm和4.9mm。即当防护服第Ⅱ层的厚度为11.3mm，第IV层的厚度为4.9mm，此时，防护服的防护效果最佳，可以确保工作30min时，假人皮肤外侧温度超过44℃的时间不超过5min，且不超过47℃并且，在考虑防护服实际设计材料的成本情况下，聚丙烯睛化纤维织物和聚苯硫醚纤维阻燃性能极强，而且价格便宜，研发成本更低。