一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其中防護(hù)服水平放置于所述錐形加熱器下方的支架上，輻射擋板設(shè)于所述錐形加熱器與防護(hù)服之間，所述熱流密度計(jì)設(shè)于所述防護(hù)服下端一定距離處；所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)用于檢測(cè)所述防護(hù)服的最外側(cè)的外層的外表面溫度與最內(nèi)側(cè)的舒適層內(nèi)表面溫度，所述熱流密度計(jì)用于檢測(cè)最內(nèi)側(cè)的舒適層的熱流密度，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)、熱流密度計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)并輸出防護(hù)服熱阻數(shù)據(jù)；本發(fā)明還公開了所述系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。本發(fā)明通過建立適用于熱輻射環(huán)境下防護(hù)服熱阻的獲取方法，測(cè)量高溫?zé)彷椛洵h(huán)境下防護(hù)服的熱阻；同時(shí)本發(fā)明可用于研究熱輻射強(qiáng)度及防護(hù)服內(nèi)部空氣層大小和位置的影響。
【專利說明】
一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于消防科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 消防部隊(duì)是防火和滅火救援的主力軍。火災(zāi)熱輻射對(duì)消防員生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重 威脅。熱防護(hù)服是火災(zāi)環(huán)境下消防員生命安全的主要保障之一。準(zhǔn)確評(píng)估熱防護(hù)服的熱防 護(hù)性能，保障火災(zāi)環(huán)境下消防員免受高溫?zé)彷椛涞那忠u，是火災(zāi)應(yīng)急裝備領(lǐng)域重要的研究 方向。
[0003] 服裝熱阻（thermal insulation)表征服裝對(duì)傳熱的阻礙能力，是熱舒適評(píng)價(jià)和極 端溫度熱安全評(píng)價(jià)中重要的物性參數(shù)。服裝熱阻和濕阻可以通過小尺寸的出汗熱平板和全 尺寸的出汗暖體假人(Thermal manikin)測(cè)量得到，測(cè)量實(shí)驗(yàn)條件和步驟分別在標(biāo)準(zhǔn)ASTM F1868和ISO 9920有詳細(xì)的規(guī)定和描述。
[0004] 但是高溫?zé)彷椛洵h(huán)境中，外部熱量透過熱防護(hù)服，到達(dá)皮膚層。而一般室內(nèi)環(huán)境下 熱量從皮膚層散發(fā)，通過防護(hù)服的隔熱層向外傳遞。高溫與常溫下熱量傳遞過程的不同，熱 量透過防護(hù)服不同織物層的順序不同，將對(duì)防護(hù)服熱阻和濕阻的測(cè)量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響 高溫?zé)嵛：υu(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。此外，現(xiàn)有關(guān)于高溫?zé)彷椛洵h(huán)境下防護(hù)服的熱濕傳遞過程的研 究沒有定量分析服裝內(nèi)部含水量和熱輻射對(duì)熱濕傳遞的影響防護(hù)服的熱阻測(cè)量。
[0005] 目前現(xiàn)有技術(shù)還沒有提供一種有效的測(cè)量防護(hù)服熱阻的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其包括錐 形加熱器、輻射擋板、熱電偶測(cè)量系統(tǒng)、熱流密度計(jì)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述防護(hù)服水平放 置于所述錐形加熱器下方一定距離處的支架上，所述錐形加熱器為所述防護(hù)服提供熱輻 射，所述輻射擋板設(shè)于所述錐形加熱器與防護(hù)服之間，用于間隔所述錐形加熱器與所述防 護(hù)服之間的熱輻射;所述防護(hù)服的最外側(cè)朝上，防護(hù)服的最內(nèi)側(cè)朝下，所述熱流密度計(jì)設(shè)于 所述防護(hù)服下端一定距離處；
[0007] 所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)用于檢測(cè)所述防護(hù)服的最外側(cè)的外層的外表面溫度與最內(nèi) 側(cè)的舒適層內(nèi)表面溫度，所述熱流密度計(jì)用于檢測(cè)最內(nèi)側(cè)的舒適層的熱流密度，所述數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)接收所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)、熱流密度計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)并輸出防護(hù)服熱阻數(shù)據(jù)。
[0008] 較佳地，所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)包括三個(gè)對(duì)稱的K型熱電偶。
[0009] 本發(fā)明還提供了防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，包括以下步驟：
[0010] S1:將所述防護(hù)服水平放置于所述錐形加熱器下方一定距離處的支架上，將電偶 系統(tǒng)布置在所述防護(hù)服樣品的最外側(cè)的外層的外表面溫度與最內(nèi)側(cè)的舒適層內(nèi)表面，將熱 流密度計(jì)布置在防護(hù)服下端一固定距離；
[0011] S2:將錐形加熱器放置于設(shè)定的位置，設(shè)置錐形加熱器的溫度，將錐形加熱器加熱 到設(shè)置的輻射功率；
[0012] S3:在錐形加熱器達(dá)到設(shè)定的輻射功率之后穩(wěn)定lOmin，移開遮輻射遮擋板，將防 護(hù)服樣品暴露于熱輻射環(huán)境中20min，通過熱電偶采集到的外層的外表面溫度ToutW及舒適 層的內(nèi)表面溫度Tin，熱流密度計(jì)的測(cè)量值R1;最后將輻射遮擋板移回，冷卻階段的時(shí)間是 lOmin；
[0013] S4:重復(fù)步驟S3三次，分別記錄每次的外表面溫度Tout、舒適層的內(nèi)表面溫度Tin、熱 流密度計(jì)的測(cè)量值Ri，分別取三次記錄的Tcmt、Tin、仏的平均值；
[0014] S5:獲取服裝總熱阻：
[0015] 服裝總熱阻ItCChi^1)通過穿透防護(hù)服的散熱量以及防護(hù)服內(nèi)外層表面的溫差 來計(jì)算，計(jì)算公式為：
(2_1)
[0017]其中Tc^PTin分別是外層的外表面溫度以及舒適層的內(nèi)表面溫度，°C;
[0018] Ht是穿透防護(hù)服的散熱量，W/m2,通過以下公式計(jì)算：
[0019] Ht = HF-Ri-C (2-2)
[0020] 其中HF是錐形加熱器的輻射功率，W/m2; h是熱流密度計(jì)的測(cè)量值，W/m2; C是熱流 密度計(jì)和樣品下表面之間空氣層的自然對(duì)流，W/m2。
[0021] 較佳地，在所述外層與防水透氣層之間設(shè)置空氣層，重復(fù)步驟S1-S5,獲得服裝總 熱阻。
[0022] 較佳地，改變所述防護(hù)服樣品的空氣層厚度，重復(fù)步驟S1-S5,獲得服裝總熱阻。
[0023] 較佳地，在所述防護(hù)服樣品中的防水透氣層與隔熱層之間增加一空氣層，重復(fù)步 驟S1-S5，獲得服裝總熱阻。
[0024]本發(fā)明具有以下有益效果：
[0025] 建立適用于熱輻射環(huán)境下防護(hù)服熱阻的獲取方法，測(cè)量高溫?zé)彷椛洵h(huán)境下防護(hù)服 的熱阻;本發(fā)明可用于研究熱輻射強(qiáng)度及防護(hù)服內(nèi)部空氣層大小和位置的影響。
[0026] 當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0027] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述所需要使用的 附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附 圖。
[0028] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其包括錐形加 熱器1、輻射擋板2、熱電偶測(cè)量系統(tǒng)5、熱流密度計(jì)6以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7,所述防護(hù)服水平放 置于所述錐形加熱器1下方一定距離處的支架4上，所述錐形加熱器1為所述防護(hù)服提供熱 輻射，所述輻射擋板2設(shè)于所述錐形加熱器1與防護(hù)服之間，用于間隔所述錐形加熱器1與所 述防護(hù)服之間的熱輻射;所述防護(hù)服的最外側(cè)朝上，防護(hù)服的最內(nèi)側(cè)朝下，所述熱流密度計(jì) 6設(shè)于所述防護(hù)服下端一定距離處；
[0031] 所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)5用于檢測(cè)所述防護(hù)服的最外側(cè)的外層的外表面溫度與最內(nèi) 側(cè)的舒適層內(nèi)表面溫度，所述熱流密度計(jì)6用于檢測(cè)最內(nèi)側(cè)的舒適層的熱流密度，所述數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)7接收所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)5、熱流密度計(jì)6檢測(cè)的數(shù)據(jù)并輸出防護(hù)服熱阻數(shù)據(jù)。 [0032]本發(fā)明實(shí)施例提供的防護(hù)服樣品包括外層8、防水透氣層10、隔熱層12和舒適層13 共四層。本發(fā)明實(shí)施例各層織物采用的材料見表1中。
[0034] 表 1
[0035] 本發(fā)明實(shí)施例中防護(hù)服中空氣層厚度范圍，大約是2-10mm，本實(shí)施例采用的空氣 層厚度分別是〇、2_和5_。不同空氣層厚度的樣品組合見表2,編號(hào)分別為N1-N9,本發(fā)明分 別對(duì)N1-N9的組合進(jìn)行了防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)。
[0037] 表 2
[0038] 本實(shí)施例提供的所述的錐形加熱器1的熱輻射強(qiáng)度通過3個(gè)對(duì)稱的K型熱電偶測(cè)量 的平均溫度進(jìn)行控制。本實(shí)施例提供的防護(hù)服樣品表面接受的熱輻射強(qiáng)度范圍控制在1-10kW/m2。防護(hù)服樣品接收熱輻射的有效面積是5cm X 5cm，本實(shí)施例提供的可移動(dòng)的輻射擋 板2用于控制樣品的暴露時(shí)間，屏蔽暴露之前熱輻射傳遞到測(cè)試樣品上。測(cè)試樣品放置于錐 形加熱器下方的樣品支架上4,防護(hù)服樣品到加熱器下表面的高度是25_，測(cè)試樣品的尺寸 大小是 l〇cm X 10cm;
[0039] 本實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)可以控制空氣層的厚度和位置。不同厚度的空氣層墊片放置于位 置9或者位置11。位置9代表外層8和防水透氣層10之間的位置，位置11代表防水透氣層10和 隔熱層12之間的位置。
[0040] 熱電偶測(cè)量系統(tǒng)5和熱流密度計(jì)6用于測(cè)量各層織物的表面溫度和測(cè)量皮膚所在 位置處所接收到的熱流密度。本實(shí)施例提供的熱流密度計(jì)6到護(hù)服樣品的內(nèi)表面距離是 6.4mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7用于采集熱電偶和輻射密度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0041] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，其包括以下步驟：
[0042] S1:將所述防護(hù)服水平放置于所述錐形加熱器下方一定距離處的支架上，將電偶 系統(tǒng)布置在所述防護(hù)服樣品的最外側(cè)的外層的外表面溫度與最內(nèi)側(cè)的舒適層內(nèi)表面，所述 防護(hù)服樣品從外到內(nèi)依次包括外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層，將熱流密度計(jì)布置在防 護(hù)服下端一固定距離；
[0043] S2:將錐形加熱器放置于設(shè)定的位置，設(shè)置錐形加熱器的溫度，將錐形加熱器加熱 到設(shè)置的輻射功率；
[0044] S3:在錐形加熱器達(dá)到設(shè)定的輻射功率之后穩(wěn)定lOmin，移開遮輻射遮擋板，將防 護(hù)服樣品暴露于熱輻射環(huán)境中20min，通過熱電偶采集到的外層的外表面溫度ToutW及舒適 層的內(nèi)表面溫度T in，熱流密度計(jì)的測(cè)量值R1;最后將輻射遮擋板移回，冷卻階段的時(shí)間是 lOmin；
[0045] S4:重復(fù)步驟S3三次，分別記錄每次的外表面溫度Tout、舒適層的內(nèi)表面溫度Tin、熱 流密度計(jì)的測(cè)量值Rl，分別取三次記錄的Tcmt、T in、仏的平均值；
[0046] S5:獲取服裝總熱阻：
[0047]服裝總熱阻iTCCm、-1)通過穿透防護(hù)服的散熱量以及防護(hù)服內(nèi)外層表面的溫差 來計(jì)算，計(jì)算公式為：
(2-1)
[0049] 其中WPTin分別是外層的外表面溫度以及舒適層的內(nèi)表面溫度，°C;
[0050] Ht是穿透防護(hù)服的散熱量，W/m2,通過以下公式計(jì)算：
[0051] Ht = HF-Ri-C (2-2)
[0052]其中HF是錐形加熱器的輻射功率，W/m2; h是熱流密度計(jì)的測(cè)量值，W/m2; C是熱流 密度計(jì)和樣品下表面之間空氣層的自然對(duì)流，W/m2。
[0053]在本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)熱輻射強(qiáng)度從2kW/m2增加到10kW/m2時(shí)，樣品N1-N5的熱阻分 別從17.1、25.83、21.84、27.17和27.64(\10-3°(：1112￥- 1)減小到10.5、13.08、13.21、14.44和 13.08( X10-^CmV1)。
[0054]沒有空氣層的樣品N1的熱阻小于有一個(gè)空氣層的樣品熱阻(N2-N5KN2和N3的總 熱阻（厚度為2mm)也小于N4和N5的總熱阻（厚度為5mm)。除了 N3和N5的熱阻在7kW/m2和 10kW/m2的條件下數(shù)值接近。
[0055] N6和N7的總熱阻(位置11含有2mm厚度的空氣層)相比，N7的熱阻比N6略高。在五種 不同的熱輻射強(qiáng)度下，N6和N7的總熱阻分別是0 ? 3 l°Cm2W-1、0 ? 22 °Cm2W-1、0 ? 2 l°Cm2W-1、0 ? 16 °Cm2W-1和0.15°Cm2W-'N8和N9的總熱阻(位置11含有5mm厚度的空氣層)相比，N9比N8的熱阻 要高。此外，N6和N8的總熱阻(位置9含有2mm厚度的空氣層），以及N7和N9的總熱阻(位置9含 有5mm厚度的空氣層)都有明顯的差別。N8和N9的總熱阻分別高于N6和N7的總熱阻。
[0056]以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡 敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的【具體實(shí)施方式】。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容， 可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明 的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅 受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，包括錐形加熱器、輻射擋板、熱電偶 測(cè)量系統(tǒng)、熱流密度計(jì)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述防護(hù)服水平放置于所述錐形加熱器下方一 定距離處的支架上，所述錐形加熱器為所述防護(hù)服提供熱輻射，所述輻射擋板設(shè)于所述錐 形加熱器與防護(hù)服之間，用于間隔所述錐形加熱器與所述防護(hù)服之間的熱輻射;所述防護(hù) 服的最外側(cè)朝上，防護(hù)服的最內(nèi)側(cè)朝下，所述熱流密度計(jì)設(shè)于所述防護(hù)服下端一定距離處； 所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)用于檢測(cè)所述防護(hù)服的最外側(cè)的外層的外表面溫度與最內(nèi)側(cè)的 舒適層內(nèi)表面溫度，所述熱流密度計(jì)用于檢測(cè)最內(nèi)側(cè)的舒適層的熱流密度，所述數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)接收所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng)、熱流密度計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)并輸出防護(hù)服熱阻數(shù)據(jù)。2. 如權(quán)利要求1所述的防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述熱電偶測(cè)量系統(tǒng) 包括三個(gè)對(duì)稱的K型熱電偶。3. 如權(quán)利要求1所述的防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，所述防護(hù)服樣品從外到內(nèi)依次包 括外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層，其特征在于，包括以下步驟： S1:將所述防護(hù)服水平放置于所述錐形加熱器下方一定距離處的支架上，將電偶系統(tǒng) 布置在所述防護(hù)服樣品的最外側(cè)的外層的外表面溫度與最內(nèi)側(cè)的舒適層內(nèi)表面，將熱流密 度計(jì)布置在防護(hù)服下端一固定距離； S2:將錐形加熱器放置于設(shè)定的位置，設(shè)置錐形加熱器的溫度，將錐形加熱器加熱到設(shè) 置的輻射功率； S3:在錐形加熱器達(dá)到設(shè)定的輻射功率之后穩(wěn)定lOmin，移開遮輻射遮擋板，將防護(hù)服 樣品暴露于熱輻射環(huán)境中20min，通過熱電偶采集到的外層的外表面溫度以及舒適層的 內(nèi)表面溫度Tin，熱流密度計(jì)的測(cè)量值R!;最后將輻射遮擋板移回，冷卻階段的時(shí)間是1 Omin; S4:重復(fù)步驟S3三次，分別記錄每次的外表面溫度Tout、舒適層的內(nèi)表面溫度Τιη、熱流密 度計(jì)的測(cè)量值Rl，分別取三次記錄的Tcmt、Tin、Rl·的平均值； S5:獲取服裝總熱阻： 服裝總熱阻iTCCm2?-1)通過穿透防護(hù)服的散熱量以及防護(hù)服內(nèi)外層表面的溫差來計(jì) 算，計(jì)算公式為：其中WPTin分別是外層的外表面溫度以及舒適層的內(nèi)表面溫度，°C; Ht是穿透防護(hù)服的散熱量，W/m2,通過以下公式計(jì)算： Ht = HF-Ri-C (2-2) 其中HF是錐形加熱器的輻射功率，W/m2 是熱流密度計(jì)的測(cè)量值，W/m2; C是熱流密度 計(jì)和樣品下表面之間空氣層的自然對(duì)流，W/m2。4. 如權(quán)利要求3所述的防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，其特征在于，在所述外層與防水透 氣層之間設(shè)置空氣層，重復(fù)步驟S1-S5，獲得服裝總熱阻。5. 如權(quán)利要求4所述的防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，其特征在于，改變所述防護(hù)服樣品 的空氣層厚度，重復(fù)步驟S1-S5，獲得服裝總熱阻。6. 如權(quán)利要求5所述的防護(hù)服熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，其特征在于，在所述防護(hù)服樣品中 的防水透氣層與隔熱層之間增加一空氣層，重復(fù)步驟S1-S5,獲得服裝總熱阻。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK105928973SQ201610298557
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】付明, 吳征威, 王道亮, 李祥東, 許令順, 關(guān)勁夫, 錢益武, 王偉, 隨文杰
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)合肥公共安全研究院, 安徽澤眾安全科技有限公司