相变与吸湿结合下的新型多功能降温服设计

2023-12-18明诗林夏婉婷张成隆徐晓宇罗清海

安全、健康和环境 2023年11期

明诗林,夏婉婷,张成隆,粟静,徐晓宇,罗清海

(南华大学土木工程学院,湖南衡阳 421001)

0 前言

对于常年处于高温高湿环境下作业的一线员工,防护服的气密性会加剧对作业人员身体和心理健康的危害,进而影响作业人员热舒适性,降低工作效率,且长时间处于高温高湿的工作环境下,可能会引起身体机能失常,严重者会出现脏器官功能衰竭,甚至死亡,所以有必要对长期在高温高湿环境下作业的职工采取一定的降温、降湿措施[1]。

在降温技术研究领域中,MENG T Y,等[2]将设计的微小型通风装置应用于服装中,改变外在服装的结构,并对该气体降温服装系统的冷却能力进行了评价;何骞[3]利用相变材料和小风扇,结合人机工程学、服装设计学等设计了一款新型冷却服,并进行了服装真人测试;Yang L,等[4]将新型吸湿面料应用于医用防护服上,破除传统防护服在透湿性与透气性的障碍,但未考虑在高温环境下的应用。综上,虽然已有前学者的研究,但目前的降温服设计,仍存在功能单一的问题,效果不够理想。

为保障高温高湿环境下职工的热舒适性和安全,分析其所处工作环境的特点,本文设计一款结合相变调温、吸附吸湿、网格透气和温度超限报警功能的新型多功能降温服,用于改善恶劣环境对一线员工的困扰,助力保障职工职业健康。

1 降温服的功能设计

新型多功能降温服具备以下4大功能:①相变调温。通过相变材料吸收热量,维持舒适的体表温度环境;②吸附吸湿。通过吸湿材料去除体表湿气,维持舒适的体表湿度环境;③网格透气。能够改善体表微环境和降低体表微环境热湿扩散的阻力,同时作为变蓄冷材料的布置层,增强吸湿材料的抗拉能力;④温度超限报警。温度报警器通过温度传感器探头实时监测人体体温,当人体工作环境温度超过不同的阈值后,温度报警器会给予不同程度的报警提示,用于提醒作业人员,保障其生命安全。

2 降温服结构设计

降温服设计为2层结构,结构如图1所示,网格透气层缝制若干口袋用于放置相变材料,最内层下腰部分放置温度报警器。

1.相变材料(口袋储存);2.温度报警器;3.网格透气层;4.吸附吸湿层;5.降温服外表面。图1 降温服结构示意

2.1 相变吸热层的设计

2.1.1 相变材料的选取

新型多功能降温服选取膨胀石墨/石蜡复合材料[5]作为相变材料,其原因如下:①相变温度为27.5 ℃满足人体的舒适度,且具备较大的降温潜力,其相变潜热高达245 kJ/kg;②具有较为稳定的固态结构,在相变前后不发生化学反应,安全可靠;③没有相分离现象且对人体无毒无害;④价格和水和盐相当,但其溶解热比水和盐大。

2.1.2 人体热平衡

人体的各项功能正常依赖于体温的基本恒定,即产热和散热保持平衡,当平衡失稳时,身体则会出现症状[6]。假设使用一个多层圆柱断面来表示人体的核心部分、皮肤部分和衣着,其与环境的热平衡示意如图2所示。

图2 人体与环境的热交换示意

以数学表达式表示人体热平衡[7],如公式(1)所示:

M-W-C-R-E-Eres-Cres-S=0

(1)

式中:M--人体能量代谢率,W/m2;

W--人体所做的机械功,W/m2;

C--人体通过对流形式散发的热量,W/m2;

R--人体通过辐射形式散发的热量,W/m2;

E--汗液蒸发所带走的热量,W/m2;

Eres--人体通过呼吸蒸发潜热的热交换,W/m2;

Cres--人体通过呼吸对流显热的热交换,W/m2;

S--人体蓄热率,W/m2。

降温服的使用环境是穿着在作业人员防护服内层,在此情况下,以外层降温服与防护服之间的衣内空间为新的外部环境。由于相变材料吸收人体向外散发的热量,所以热量C、R均考虑在相变材料的融化潜热负荷内,同时吸附吸湿层的设计,使得E汗液蒸发过程不再具备,人体要处于舒适状态,其蓄热率S为0。为统一计算方便,将单位转换为焦耳,新的工况下热平衡方程见公式(2):

(M-W-Eres-Cres)·A·N·t-Q=S

(2)

式中:A--人体体表面积,m2;

N--人体有效体表面积比率,%;

t--作用时间,s;

Q--相变材料的融化潜热,J。

所以,由公式(2)可知,为求得相变材料的融化潜热Q,需要间接查询或计算M、W、Eres、Cres等参数值。

2.1.3 人体的呼吸散热

人体保持热平衡的方式之一就有通过呼吸作用向外界环境散热,而呼吸散热又可以分为显热呼吸散热与潜热呼气散热。

呼吸的潜热热交换式见公式(3):

Eres=0.017 3M(5.87-φaPa)

(3)

式中:φa--空气相对湿度,%;

Pa--环境空气中水蒸汽的分压力,kPa。

呼吸的显热热交换式见公式(4)[8]:

Cres=0.001 4M(Tex-Ta)

(4)

式中:Tex--人体呼出气体的温度,℃;

Ta--环境中气体的温度,℃。

2.1.4 人体所做的机械功

人体的新陈代谢是一个非常复杂的生理过程,但在研究中为了方便计算进行了简化处理。当人体穿着降温服时大多处于活动状态,由于石油化工职工属于强体力劳动者,新陈代谢率M可取230 W/m2,而对于在炎热夏季执勤的交警新陈代谢率M可取140 W/m2,所以在计算中将人体新陈代谢率简化为中间值185 W/m2。

机械功的计算表达式见公式(5):

W=ηM

(5)

式中:η--人体机械效率。

最后,对于人体的机械效率也应取值简化计算,因为人体的机械效率也是处于一直变化的状态,对大多数活动,人体的机械效率几乎为0,很少高于20%[8],在计算中保守取值16%。

2.1.5 模型简化通式与计算

在进行模型简化中,将皮肤表层温度Tsk设置为34 ℃,环境温度Ta定为36 ℃,人体呼气温度Tex定为37 ℃,环境湿度定为50%RH进行简化计算,将上述假设以及数值代入,得到人体热平衡方程为公式(6):

(M-ηW-Eres-Cres)A·N·t-Q=S

(6)

对人体的表面积进行估算,设计中采用公式(7)进行计算[9]:

A=0.006 1H+0.012 4G-0.009 9

(7)

式中:A--人体体表面积,m2;

H--人体身高,cm;

G--人体体重,kg。

选取身高为175 cm,体重为60 kg的样本,N取25.75%[3],设其工作时长为4 h代入公式(7)得到A为1.801 6 m2。并最终计算Q相变材料的融化潜热为60.8 kJ。

2.1.6 相变材料的布置形式

从表1可知,人体冷点、热点分布在人体不同部位,各部位对于冷热的敏感程度不相同,当温度过高或者过低时会对人体造成不适感[10]。研究发现,相变材料置于胸部、腹部、后背以及上背处调节温度是合适的,所以在新型多功能降温服相变材料的排布中,充分将人体冷热点这一因素考虑到其中,通过材料的设计排布以使人体达到一个最佳的热舒适状态。

表1 人体各部位冷点和热点的分布密度表[11] cm-2

所需相变材料用量见公式(8):

q=Q/ω

(8)

式中:q--所需相变材料用量,g;

ω--膨胀石墨/石蜡复合材料的相变潜热,kJ/kg。

根据公式(8),计算作业人员在4 h工作下维持一个舒适的状态所需要相变材料的用量q为250 g,降温服网格透气层上一共缝制大小相同的72个口袋,将计算得出的相变材料均匀分配到这72个口袋当中,具体相变材料分布见图3。

图3 相变材料布置

2.2 吸附吸湿层的设计

2.2.1 吸湿材料的选取

当人体长时间处于高温高湿环境下作业时,体表会产生大量汗液,形成黏腻感等不适的主观感受。故在降温服的研究中,设计吸湿层用于吸收人体产生的汗液,调节衣服内微环境的湿度,能极大改善使用者的舒适感。

由于近年来吸湿材料在降温服上的研究推进,以丙烯酸、丙烯酰胺和聚乙烯醇为原料,采用湿纺丝法制备的PAAAM/PVA高吸水性纤维,具有较高的吸湿性和保水性,每克吸湿面料最大的吸湿率为1.04 g/h。选取其作为吸湿面料,能有效吸收人体产生的汗液,维持人体体表一个舒适湿度环境。

2.2.2 吸湿材料的用量计算

因为人体的产湿量与劳动强度和温度有关,所以在研究中为了方便计算,参考魏洋,等[12]针对人体出汗率的研究将强体力劳动的产湿量取定值X为206.741 g/(h·m2);何骞,等[3]对冷却服的性能设计可取降温服吸湿层的面积Ab为0.55 m2;为简便计算,假定Yang,等[4]制备的PAAAM/PVA高吸水性纤维在4 h内以最大吸湿率进行工作。

计算公式为公式(9):

λ=(X·Ab·t)/δ

(9)

式中:λ--吸湿材料的用量,g;

X--人体产湿量,g/(h·m2);

Ab--吸湿层面积,m2;

t--工作时长,s;

δ--每克吸湿面料的最大吸湿率,g/h。

计算结果为:

λ=(206.741×0.55×4)/4.16≈109.33(g)

2.2.3 吸湿材料和透气面料的布置形式

为了使吸湿材料均匀分布于降温服内,保证上躯体各处产生的汗液都能被吸收,所以在设计中将吸湿层设置为背心式的样式,透气面料也设计成背心形式,二者相互结合用于缝制若干口袋装相变材料,放置在降温服最内层与作业人员体表皮肤接触,网格透气层为缝制口袋的外层。具体布置形式见图4,图中虚线为吸附吸湿层。

图4 吸湿材料的布置

2.3 网格透气层的设计

在新型多功能降温服的研究中,网格透气层的设计有以下3点作用:①增强体表微环境气流组织的扩散,从而改善体表微环境;②降低体表微环境热湿扩散的阻力;③通过划分网格面料,缝制6 cm×6 cm的口袋用于装配相变材料,其与内层吸附吸湿层连接,所以也能增强吸湿材料的抗拉能力。

选取蒋荣华[13]制备的高透气/透湿双组分微多孔涂层面料作为透气面料,其材料关键性指标包含透气性大于5 mm/s、透湿量大于8 000 g/(m2·24 h)、静水压大于15 000 mm·H2O。

3 温度报警器的设计

采用基于DS18B20温度报警器系统[14],并在原有基础上进行升级优化,提出一种温度报警器系统,结构组成见图5。

图5 温度报警器系统的结构组成

在设计温度报警器中,报警电路采用分级报警的原理,当人体温度超过不同的阈值后报警器给予不同程度的警报声提示,当人体温度超过37 ℃时报警器给予轻度提示然后继续进行判断,当温度超过37.5 ℃时给予中度提示并中断一级警报,最后当温度超过38.5 ℃后中断二级警报,当报警器给予危险提示时,强制作业人员停止工作,更换降温服。报警器分级报警的流程如图6所示。