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低辐射强度条件下消防战斗服内部热湿传递机理研究

黄冬梅  
【摘要】:消防员在进行灭火救援时,通常会受到来自环境的高温、烟气以及其他危害。消防战斗服是用于保护消防员免受高温和火焰伤害的专用防护服。一般而言,消防战斗服隔热性能越好,消防员身着消防战斗服进行灭火救援时的安全性越高;消防服越舒适,消防员进行灭火救援时的作战效率越高。 几十年来,国内外学者关于消防服的研究主要集中在消防服热防护性能测定、建立消防服内部传热模型、发展测定消防服性能的实验方法和实验装置、消防服人体工程学研究、消防服舒适性评价等方面。其中关于空气层厚度对消防服性能影响方面的研究,仅考虑了消防服与人体之间的空气层厚度,而未考虑消防服内部的空气层厚度。测定消防服隔热性能的装置也不能测定在消防服外层受热面连续施加水对消防服内部热传递的影响。部分研究考虑了织物内部的水分含量对传热的影响,而未对放置环境相对湿度对织物内部传热的影响进行研究。因此,本研究以我国现行使用的消防战斗服为研究对象,采用问卷调查、实验测定和数值模拟相结合的方法,分析我国现行使用的消防战斗服的缺点,研究消防战斗服所用织物内部的热湿传递机理,得出消防战斗服改进的一些建议,为继续深入开展消防战斗服相关研究提供指导。 首先在全国范围内对1201名现役消防队员进行了问卷调查。分析问卷结果可知,我国现行使用的消防战斗服会使得消防员救援时活动困难,降低消防员救援效率;消防员在夏季身着消防战斗服进行灭火救援时通常感觉过热,84.5 %的被调查者出现过头晕、脱水、抽搐等热疾病,严重影响消防员的身心健康。 搭建了多层织物热传递机理实验测试装置。该装置即可测定的不同空气层厚度、不同辐射条件、不同初始含水量条件下织物内部温度变化外,又可以测定外层受热面连续施加水时,织物内部的温度变化。基于该实验装置,对热电偶测定织物表面温度的误差进行了分析,发展了热电偶测定织物表面温度时的误差修正模型。然后测定了消防战斗服背热面与恒温水箱之间空气层厚度为0-10 mm、辐射强度为3-10 kW m~(-2)、织物放置环境相对湿度为30 %-80 %、外层受热面水施加量为500-2000 L h~(-1) m~(-2)等条件下织物内部各层表面的温度变化,并基于基本传热理论,分析了空气层内部热传递机制。结果表明:辐射强度大于等于8 kW m~(-2)时,120 s后消防战斗服外层材料失去保护能力;辐射强度大于等于5 kW m~(-2)时,120 s后织物内部发生一定程度的碳化。各层织物内部的含水量与织物放置环境相对湿度成线性关系。当外层受热面水施加量大于等于1000 L h~(-1) m~(-2),辐射强度等于5 kW m~(-2)时,织物外层背热面的温度可控制在一定值而不增长,随着水施加量的增大,外层背热面的温度降低。织物与恒温水箱表面之间的空气层厚度为0-10 mm时,空气层内部的传热机制为Ⅰ类和Ⅱ类,即对流的影响很小,织物内部的传热方式主要是垂直于织物方向上的导热。 基于多孔介质连续介质模型和生物传热模型,发展了环境-织物-空气层-皮肤热湿耦合模型,模型考虑了各层织物之间存在空气层及各层织物之间的相互影响。结果表明:发展的数值模型计算的各层织物表面温度与实验测定的结果符合较好。采用验证后的数值模型计算织物内部的各态水的分布,得到了织物初始放置环境相对湿度和外层表面液态水体积分数不同时织物内部的各态水以及有效比热容、有效导热系数、有效密度等的分布。织物内部各种形态的水分的变化直接影响织物内部有效热物性参数,其中液态水的体积分数的影响最大。 结合生物传热方程和Henriques方程计算人体皮肤烧伤时间。结果表明:辐射强度为5 kW m~(-2)时,人体皮肤烧伤时间与环境相对湿度、人体与织物之间的空气层厚度成线性关系。当外层液态水体积分数大于等于0.6时,可有效延长人体皮肤烧伤时间。相同空气层厚度条件下,空气层位于外层与防水层之间时,人体皮肤烧伤时间大于空气层位于织物与皮肤之间;当防水层与外层之间的空气层厚度大于等于7 mm,人体皮肤烧伤时间极大延迟。


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