低热辐射环境中消防服系统内热传递机制的研究进展

为有效避免低热辐射环境中消防作业人员遭受热损伤,揭示消防服系统内复杂的热交换机制并由此指导产品设计与开发,由消防服系统传热理论出发,从消防服织物基本性能和服装的款式特征、人体的形态结构与活动状态、辐射热源的特征以及热湿耦合作用4个角度对当前的研究进展进行了回顾与讨论。基于对以往研究中存在的难点和瓶颈问题的分析,提炼出未来研究中值得探索的方向,包括:非均匀空气层的分布与模拟方法的升级、非稳态人体运动和环境风形成的气流场和速度场变化规律及其与传热的关系、耦合人体热调节模型拓展服装传热机制研究的内涵3个层面。     

消防服衣下空气层热传递机制研究进展

空气层热传递机制的研究不仅可为更加准确的实验室热防护性能测试提供指导,也可提高消防服热湿传递数值模拟的精确度。在阐述了热防护性能测试中空气层的作用以及空气层热传递模型的研究现状的基础上,分析了服装与人体之间空气层微气候的特征,从热传导、对流换热和辐射换热3个方面总结了空气层的热传递机理,提出不同条件下空气层传热模型建立的基本思路,并对未来消防服衣下空气层热传递机理的研究动向作出了预测。     

应用三层热防护服热传递改进模型的皮肤烧伤度预测

针对人体持续暴露在闪火环境中烧伤时间及热防护服参数对防护性能的影响情况,利用建模与模拟的方法预测达到各级烧伤的最长安全工作时间。首先,对包含外壳、防水层和隔热层的3层防火材料、皮肤及三者间的空气层组成的系统,给出了系统各层热传递微分方程以及初边值条件,改进了已有的高温条件下多层热防护服的热传递模型。接着,使用该模型计算出各固定接触面随时间变化的温度值,该计算结果与同等条件下已有模型一致,从而验证了模型的可靠性。最后,采用改进的模型预测达到一级、二级和三级烧伤所需的临界时间,分析了空气层和织物厚度对防护服防护性能的影响。研究发现,在闪火条件下,消防人员即使身穿热防护服也仅有十几秒的安全时间,且空气层和织物的厚度大小对防服性能的影响十分显著。     

火灾环境下应急救援防护服传热数值模拟

 通过建立穿着于模拟人体的应急救援防护织物传热模型,研究模拟火灾环境下的服装传热特征。模拟人体肢体的圆柱体内核保持恒定温度37℃,模型考虑了织物吸收热辐射及热属性随温度变化的特性,运用有限差分完全隐式格式方法模拟计算了织物与人体皮肤的一维径向温度分布,将计算得到的温度值代入Henriques烧伤模型方程以预测皮肤达到二级烧伤所需的时间,其值与实验结果较为一致。研究结果表明,圆柱几何形状对天然阻燃高聚物纤维织物的热防护性能影响效果较为显著,所建立的模型为覆盖于圆柱体的多孔材料传热提供了系统的研究方法。     

数值模拟在热防护服装性能测评中的应用

对热防护服装性能合理的评价在公共安全领域具有重要意义。数值模拟成为继试验研究之后相关领域的重要研究手段。从模型的建立及验证2方面出发,主要对传热模型、皮肤烧伤预测模型和火场环境仿真等相关研究进行回顾,并对典型模型的发展过程、特点和不足进行归纳。根据相关技术的发展,预测了热防护服装数值模拟的发展趋势。未来将在完善热湿传递模型的基础上,发展全尺度的数值模拟,并结合人体热调节等模型对防护服进行多方位的评价。通过在优化热防护服装方面的应用,充分体现数值模拟研究的实用价值。     

热防护服装热湿传递模型研究及发展趋势

 合理地评价热防护服装的热防护性能对减少消防员的皮肤烧伤具有重要的意义。本文主要回顾并评价了热防护服装的热湿传递模型国内外的研究现状,包括皮肤传热模型及其烧伤评价模型、单层或多层面料的一维和二维热湿传递以及整体服装的三维热湿传递模型等,并比较分析了这些模型的应用缺陷,预测了热防护服装热湿传递模型研究未来的发展趋势。热湿传递模型的研究不仅可以为热防护服装的使用提供科学的理论指导以减少皮肤烧伤或蒸汽烧伤,而且能够进一步推动服装热防护性能测试技术的发展,满足我国“安全发展”和“公共安全防治”的技术需要。     

防火服热蓄积的影响因素及其测评方法

为了合理评价防火服的热蓄积,全面准确地研究防火服热防护性能,通过回顾实验室模拟低热流环境中防火服热蓄积的相关研究,分析了防火服热蓄积的产生原因以及由热蓄积引起的主要烧伤部位;总结了现阶段热蓄积的测试装置、测评方法以及热传递、热蓄积测试过程;从防火服反光带、防水层透湿性、隔热层厚度、外层织物特性、空气层厚度等服装因素以及热流量强度、热暴露时间、防火服中水分等环境因素归纳了影响热积蓄的因素;最后预测了未来防火服热蓄积的研究趋势;指出在未来的研究中,应更加全面地模拟火场特点,提高服装热蓄积性能测评方法准确性。     

Effect of nano silver coating on thermal protective performance of firefighter protective clothing

The main aim of this experimental work is to find out possible improvement in thermal protective performance of firefighter protective clothing when subjected to different level of radiant heat flux density. Firefighter protective clothing normally consists of three layers: outer shell, moisture barrier and thermal liner. When thermal protective performance of firefighter protective clothing is enhanced, the time of exposure against radiant heat flux is increased, which will provide extra amount of time to firefighter to carry on their work without suffering from severe skin burn injuries. In this study, the exterior side of outer shell was coated with nano-silver metallic particle through magnetron sputtering technology. Coating of outer shell with nano-silver particles was performed at three level of thickness, i.e. 1, 2 and 3?µm, respectively. All the uncoated and silver coated specimens were then characterized on air permeability tester, Permetest and radiant heat transmission machine. It was observed that coating has insignificant difference on the air and water vapor permeability of specimen and a significant decline was recorded for the value of transmitted heat flux density Q_c (kW/m²) and percentage transmission factor (%TF Q_o) as compared to uncoated specimen when subjected to 10 kW/m² and 20?kW/m² indicating improvement of thermal protective performance. These values go on further reduction with increase in thickness of coating layer of nano-silver particles.     

Wearable cooling system to manage heat in protective clothing

This paper presents the working principle of a wearable miniature cooling system investigated by us for managing heat and sweat effectively and efficiently under extreme conditions. The cooling system consists of peltier units and mini refrigerant channels incorporated in a knitted spacer structure. The knitted spacer structure absorbs sweat and accumulates it to keep the skin dry. The cold side of the peltier units absorbs heat from the skin and transfers the heat to the refrigerant, which is converted to gas by the absorption of evaporative heat. The mini refrigerant channels are connected to a high pressure liquid refrigerant cylinder and to a gas receiver via polymer tubes. The wearable cooling system was evaluated using a test rig designed to simulate the origination of human body heat and a sealed environment similar to that inside a CBRN garment. Test results show that the temperature remains constant, when the cooling system is active even though the heat energy was produced continuously. This wearable cooling system can be used to manage heat and sweat under extreme conditions.     

热防护服装测评用传感器的发展及其研究现状

为揭示热传感器的测评规律和当前相关研究的不足,通过对热传感器相关研究及历史文献的梳理和对比,分析归纳了热传感器的类别,各类热传感器的结构特征、信息采集方法、传热模拟模型、应用场景及测评特点。研究表明:铜片式传感器测试稳定性好,但其热学性能与人体皮肤有一定差异,存在低估烧伤发生的风险;皮肤模拟传感器可更为真实地模拟人体皮肤受热的热响应状态,但其应用范围受限。根据研究的发展现状可以预测,铜片式传感器的功能应用将集中在标准化测试中,皮肤模拟传感器还需要更多的技术完善,新型传感器可考虑将模拟范围扩大到皮肤内部的热性能模拟上。     

热防护服蓄热防护与放热危害双重特性的研究进展

为全面评价热防护服在热暴露阶段的蓄热防护作用以及在冷却阶段因蓄热释放对人体造成的热危害效应,介绍了防护服热蓄积产生的原因,阐述了现阶段防护服热蓄积的测试方法以及数值模拟研究现状;从服装因素、环境因素以及人体因素3个方面归纳了防护服在热暴露阶段蓄热特性的影响因素;并总结了织物基本物理性能、空气层配置、织物水分、织物受压等因素对冷却阶段防护织物放热危害特性的影响。最后提出：在未来的研究中应针对多元化的热灾害环境以及冷却环境开展热防护服蓄放热双重特性的基础研究,并基于热防护服蓄放热双重效应探究其最优的配伍设计。     

防护服性能测评的研究进展

防护服的性能测试与评估是防护服在实际使用前的关键步骤.为此,对国内外消防服性能测试与评估方法进行综述,在现有方法基础上重点阐述消防服整体性能测评的重要性.在模拟及人体真实穿着条件下,结合主客观测评,针对消防服的整体防护性,分别论述消防服的热防护性、防水性、可见性及活动自由度等服装整体性能测评方法.探讨了消防服性能测评的...     

常用高温及低温防护服隔热性能的对比

高温和低温防护服是在具有较大温差的不同环境中使用的防护性服装.为此,对常用的高温和低温防护服隔热性能的异同进行研究.结果表明:高温及低温防护服均要求具有良好的隔热性能,服装中热阻较大的区段均位于胸背、臀腹、手臂和大腿部.不同类型高温及低温防护服面料、服装整体的隔热性表现出一定差异.所使用的高温防护服主要通过阻隔环境辐射热和传导热来达到热防护目的,防护的重点在于环境辐射热.低温防护服主要通过阻隔人体内热传递来达到防护的目的.面料并不是决定高温及低温防护服隔热性能的唯一因素,防护服结构设计亦会对其隔热性能产生影响.     

基于最大衰减因子模型的服装热防护性能预测

为解决全尺度燃烧假人实验测试成本高、实验效率低,以及尚未与织物小样测试统一联合表征等难题,利用新型的热防护性能评估模型:二级烧伤最大衰减因子模型,对热防护服装的织物试样测试与燃烧假人实验进行同步研究,并建立基于织物试样测试的服装整体热防护性能预测模型。结果表明:防护织物的热防护性能与其服装整体的热防护性能具有显著相关性;将织物热防护性能值、服装平均衣下空气层厚度以及服装热暴露时间作为预测模型输入参数,可以实现服装热防护性能值以及人体皮肤烧伤百分比的预测;经模型验证发现,服装实测热防护性能值与其预测值间的相对误差仅为5.1%。     

消防服热防护性能检测用热传感器的研究

叙述了消防服热防护性能检测对热传感器的具体要求,对四种应用在该领域的热传感器进行了比较和分析,概述其性能和特点。     

火灾环境下防水透气层对消防服热湿防护性能的影响

为评价防水透气层织物对消防服热湿防护性能的影响,采用新研发的热防护性能测评装置,在干态与湿态2种热暴露条件下,测量不同防水透气层织物系统的热防护性能,分析防水透气层织物的基本参数与其热防护性能之间的关系。结果表明:在干态热暴露条件下,防水透气层织物厚度与面密度的增加能显著提高织物系统的热防护性能;在湿态热暴露条件下,含有防水透气层的织物系统能明显提高织物的热湿防护性能,其主要的影响因素是织物的回潮率与透气性。另外,在湿态条件下的总传递热量主要通过高温蒸汽的相变来传递热量,防护的重点在于蒸汽的渗透与吸收。     

消防服用隔热层孔型结构优化与测评

为进一步提高消防服用蜂窝织物的热防护性能,针对隔热层进行蜂窝孔型的结构优化与测评。选取当前典型的消防服各层材料,综合考虑隔热层分层和蜂窝孔型的边长、壁厚等因素,分别对直孔和斜孔设计了6种孔洞尺寸以及1种实心对照组。利用激光切割技术进行13组实验方案制备试样,并采用热防护性能测试仪进行闪火燃烧测试。实验结果表明:蜂窝分层重组可有效提高消防服用蜂窝织物系统的热防护性能;通过非参数相关样本检验,测得不同开孔方式蜂窝织物的热防护性能有着显著性差异,说明斜孔结构比直孔具有更好的热防护性。     

相变材料在热防护服上的应用研究进展

为深入了解和提高附加相变材料热防护服的热防护性能,对现阶段相变材料在热防护服中的应用、影响因素以及未来研究趋势进行综述.首先介绍了相变材料的类型和特点,阐述了相变材料基于密封袋法、纺丝法和微胶囊技术的织物后整理法在热防护服中的应用;其次回顾了附加相变材料热防护服传热模型的发展过程,重点从相变材料的类型、相变温度、添加量...     

Moisture management of underwear fabrics and linings of firefighter protective clothing assemblies

Thermal comfort of firefighters is strongly dependent on moisture management of clothing layers closest to the skin. This study centers on liquid moisture and moisture vapor transfer across various types of underwear fabrics and innermost layers of the firefighter intervention jacket (linings). Importance of the underwear neighboring layer in liquid moisture and moisture vapor transfer and hence, in thermal comfort of a firefighter is underlined and discussed. Moisture management tester is employed as an efficient tool in evaluating a transfer of liquid moisture not only through individual underwear fabric but also through bi-layers underwear lining. Moisture vapor transfer properties of mono- and bi-layer fabrics were investigated by evaporative dish method. The results show that moisture management performances of tested mono- and bi-layer fabrics are related to their composition and the general physical properties. Composition of both underwear and lining has a crucial impact on liquid moisture transfer through bi-layers. Transfer of moisture vapor is mainly governed by fabric physical properties. Combination of natural and synthetic fibers results in best performing fabrics with regard to the moisture management.     

消防服外层织物热防护性与舒适性综合评价

为保证消防服具有良好的热防护性能和较好的热湿舒适性能,选取7种消防服用外层织物为研究对象,测试了织物热防护性能及舒适性能相关指标,分析了织物原料及性能参数等因素对热防护性能与舒适性能的影响,并阐述其影响规律;采用模糊综合评判的方法综合评价织物热防护性能与舒适性能。结果表明：织物的热防护性能与其原料组成、织物厚度及紧度相关,舒适性能主要与织物密度、紧度以及织物厚度、面密度有关;在测试的7 种织物中芳纶防静电防护织物的综合性能最佳,而腈纶/ 棉混纺防护织物的性能较差。