一种防护服热阻的实验测试系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种防护服热阻的实验测试系统，其中防护服水平放置于所述锥形加热器下方的支架上，辐射挡板设于所述锥形加热器与防护服之间，所述热流密度计设于所述防护服下端一定距离处；所述热电偶测量系统用于检测所述防护服的最外侧的外层的外表面温度与最内侧的舒适层内表面温度，所述热流密度计用于检测最内侧的舒适层的热流密度，所述数据采集系统接收所述热电偶测量系统、热流密度计检测的数据并输出防护服热阻数据；本发明还公开了所述系统的实验方法。本发明通过建立适用于热辐射环境下防护服热阻的获取方法，测量高温热辐射环境下防护服的热阻；同时本发明可用于研究热辐射强度及防护服内部空气层大小和位置的影响。
【专利说明】
一种防护服热阻的实验测试系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于消防科学与技术领域，特别是一种防护服热阻的实验测试系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 消防部队是防火和灭火救援的主力军。火灾热辐射对消防员生命安全构成了严重 威胁。热防护服是火灾环境下消防员生命安全的主要保障之一。准确评估热防护服的热防 护性能，保障火灾环境下消防员免受高温热辐射的侵袭，是火灾应急装备领域重要的研究 方向。
[0003] 服装热阻（thermal insulation)表征服装对传热的阻碍能力，是热舒适评价和极 端温度热安全评价中重要的物性参数。服装热阻和湿阻可以通过小尺寸的出汗热平板和全 尺寸的出汗暖体假人(Thermal manikin)测量得到，测量实验条件和步骤分别在标准ASTM F1868和ISO 9920有详细的规定和描述。
[0004] 但是高温热辐射环境中，外部热量透过热防护服，到达皮肤层。而一般室内环境下 热量从皮肤层散发，通过防护服的隔热层向外传递。高温与常温下热量传递过程的不同，热 量透过防护服不同织物层的顺序不同，将对防护服热阻和湿阻的测量产生影响，进而影响 高温热危害评价的准确性。此外，现有关于高温热辐射环境下防护服的热湿传递过程的研 究没有定量分析服装内部含水量和热辐射对热湿传递的影响防护服的热阻测量。
[0005] 目前现有技术还没有提供一种有效的测量防护服热阻的技术。
【发明内容】
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种防护服热阻的实验测试系统，其包括锥 形加热器、辐射挡板、热电偶测量系统、热流密度计以及数据采集系统，所述防护服水平放 置于所述锥形加热器下方一定距离处的支架上，所述锥形加热器为所述防护服提供热辐 射，所述辐射挡板设于所述锥形加热器与防护服之间，用于间隔所述锥形加热器与所述防 护服之间的热辐射;所述防护服的最外侧朝上，防护服的最内侧朝下，所述热流密度计设于 所述防护服下端一定距离处；
[0007] 所述热电偶测量系统用于检测所述防护服的最外侧的外层的外表面温度与最内 侧的舒适层内表面温度，所述热流密度计用于检测最内侧的舒适层的热流密度，所述数据 采集系统接收所述热电偶测量系统、热流密度计检测的数据并输出防护服热阻数据。
[0008] 较佳地，所述热电偶测量系统包括三个对称的K型热电偶。
[0009] 本发明还提供了防护服热阻的实验测试方法，包括以下步骤：
[0010] S1:将所述防护服水平放置于所述锥形加热器下方一定距离处的支架上，将电偶 系统布置在所述防护服样品的最外侧的外层的外表面温度与最内侧的舒适层内表面，将热 流密度计布置在防护服下端一固定距离；
[0011] S2:将锥形加热器放置于设定的位置，设置锥形加热器的温度，将锥形加热器加热 到设置的辐射功率；
[0012] S3:在锥形加热器达到设定的辐射功率之后稳定lOmin，移开遮辐射遮挡板，将防 护服样品暴露于热辐射环境中20min，通过热电偶采集到的外层的外表面温度ToutW及舒适 层的内表面温度Tin，热流密度计的测量值R1;最后将辐射遮挡板移回，冷却阶段的时间是 lOmin；
[0013] S4:重复步骤S3三次，分别记录每次的外表面温度Tout、舒适层的内表面温度Tin、热 流密度计的测量值Ri，分别取三次记录的Tcmt、Tin、仏的平均值；
[0014] S5:获取服装总热阻：
[0015] 服装总热阻ItCChi^1)通过穿透防护服的散热量以及防护服内外层表面的温差 来计算，计算公式为：
(2_1)
[0017]其中Tc^PTin分别是外层的外表面温度以及舒适层的内表面温度，°C;
[0018] Ht是穿透防护服的散热量，W/m2,通过以下公式计算：
[0019] Ht = HF-Ri-C (2-2)
[0020] 其中HF是锥形加热器的辐射功率，W/m2; h是热流密度计的测量值，W/m2; C是热流 密度计和样品下表面之间空气层的自然对流，W/m2。
[0021] 较佳地，在所述外层与防水透气层之间设置空气层，重复步骤S1-S5,获得服装总 热阻。
[0022] 较佳地，改变所述防护服样品的空气层厚度，重复步骤S1-S5,获得服装总热阻。
[0023] 较佳地，在所述防护服样品中的防水透气层与隔热层之间增加一空气层，重复步 骤S1-S5，获得服装总热阻。
[0024]本发明具有以下有益效果：
[0025] 建立适用于热辐射环境下防护服热阻的获取方法，测量高温热辐射环境下防护服 的热阻;本发明可用于研究热辐射强度及防护服内部空气层大小和位置的影响。
[0026] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。
[0028] 图1为本发明实施例提供的防护服热阻的实验测试系统示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 如图1所示，本发明实施例提供了一种防护服热阻的实验测试系统，其包括锥形加 热器1、辐射挡板2、热电偶测量系统5、热流密度计6以及数据采集系统7,所述防护服水平放 置于所述锥形加热器1下方一定距离处的支架4上，所述锥形加热器1为所述防护服提供热 辐射，所述辐射挡板2设于所述锥形加热器1与防护服之间，用于间隔所述锥形加热器1与所 述防护服之间的热辐射;所述防护服的最外侧朝上，防护服的最内侧朝下，所述热流密度计 6设于所述防护服下端一定距离处；
[0031] 所述热电偶测量系统5用于检测所述防护服的最外侧的外层的外表面温度与最内 侧的舒适层内表面温度，所述热流密度计6用于检测最内侧的舒适层的热流密度，所述数据 采集系统7接收所述热电偶测量系统5、热流密度计6检测的数据并输出防护服热阻数据。 [0032]本发明实施例提供的防护服样品包括外层8、防水透气层10、隔热层12和舒适层13 共四层。本发明实施例各层织物采用的材料见表1中。
[0034] 表 1
[0035] 本发明实施例中防护服中空气层厚度范围，大约是2-10mm，本实施例采用的空气 层厚度分别是〇、2_和5_。不同空气层厚度的样品组合见表2,编号分别为N1-N9,本发明分 别对N1-N9的组合进行了防护服热阻的实验。
[0037] 表 2
[0038] 本实施例提供的所述的锥形加热器1的热辐射强度通过3个对称的K型热电偶测量 的平均温度进行控制。本实施例提供的防护服样品表面接受的热辐射强度范围控制在1-10kW/m2。防护服样品接收热辐射的有效面积是5cm X 5cm，本实施例提供的可移动的辐射挡 板2用于控制样品的暴露时间，屏蔽暴露之前热辐射传递到测试样品上。测试样品放置于锥 形加热器下方的样品支架上4,防护服样品到加热器下表面的高度是25_，测试样品的尺寸 大小是 l〇cm X 10cm;
[0039] 本实验测试系统可以控制空气层的厚度和位置。不同厚度的空气层垫片放置于位 置9或者位置11。位置9代表外层8和防水透气层10之间的位置，位置11代表防水透气层10和 隔热层12之间的位置。
[0040] 热电偶测量系统5和热流密度计6用于测量各层织物的表面温度和测量皮肤所在 位置处所接收到的热流密度。本实施例提供的热流密度计6到护服样品的内表面距离是 6.4mm。数据采集系统7用于采集热电偶和辐射密度计的测量数据。
[0041] 本发明实施例提供了一种防护服热阻的实验测试方法，其包括以下步骤：
[0042] S1:将所述防护服水平放置于所述锥形加热器下方一定距离处的支架上，将电偶 系统布置在所述防护服样品的最外侧的外层的外表面温度与最内侧的舒适层内表面，所述 防护服样品从外到内依次包括外层、防水透气层、隔热层和舒适层，将热流密度计布置在防 护服下端一固定距离；
[0043] S2:将锥形加热器放置于设定的位置，设置锥形加热器的温度，将锥形加热器加热 到设置的辐射功率；
[0044] S3:在锥形加热器达到设定的辐射功率之后稳定lOmin，移开遮辐射遮挡板，将防 护服样品暴露于热辐射环境中20min，通过热电偶采集到的外层的外表面温度ToutW及舒适 层的内表面温度T in，热流密度计的测量值R1;最后将辐射遮挡板移回，冷却阶段的时间是 lOmin；
[0045] S4:重复步骤S3三次，分别记录每次的外表面温度Tout、舒适层的内表面温度Tin、热 流密度计的测量值Rl，分别取三次记录的Tcmt、T in、仏的平均值；
[0046] S5:获取服装总热阻：
[0047]服装总热阻iTCCm、-1)通过穿透防护服的散热量以及防护服内外层表面的温差 来计算，计算公式为：
(2-1)
[0049] 其中WPTin分别是外层的外表面温度以及舒适层的内表面温度，°C;
[0050] Ht是穿透防护服的散热量，W/m2,通过以下公式计算：
[0051] Ht = HF-Ri-C (2-2)
[0052]其中HF是锥形加热器的辐射功率，W/m2; h是热流密度计的测量值，W/m2; C是热流 密度计和样品下表面之间空气层的自然对流，W/m2。
[0053]在本发明实施例中，当热辐射强度从2kW/m2增加到10kW/m2时，样品N1-N5的热阻分 别从17.1、25.83、21.84、27.17和27.64(\10-3°(：1112￥- 1)减小到10.5、13.08、13.21、14.44和 13.08( X10-^CmV1)。
[0054]没有空气层的样品N1的热阻小于有一个空气层的样品热阻(N2-N5KN2和N3的总 热阻（厚度为2mm)也小于N4和N5的总热阻（厚度为5mm)。除了 N3和N5的热阻在7kW/m2和 10kW/m2的条件下数值接近。
[0055] N6和N7的总热阻(位置11含有2mm厚度的空气层)相比，N7的热阻比N6略高。在五种 不同的热辐射强度下，N6和N7的总热阻分别是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的总热阻(位置11含有5mm厚度的空气层)相比，N9比N8的热阻 要高。此外，N6和N8的总热阻(位置9含有2mm厚度的空气层），以及N7和N9的总热阻(位置9含 有5mm厚度的空气层)都有明显的差别。N8和N9的总热阻分别高于N6和N7的总热阻。
[0056]以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽 叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的【具体实施方式】。显然，根据本说明书的内容， 可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明 的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅 受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
【主权项】
1. 一种防护服热阻的实验测试系统，其特征在于，包括锥形加热器、辐射挡板、热电偶 测量系统、热流密度计以及数据采集系统，所述防护服水平放置于所述锥形加热器下方一 定距离处的支架上，所述锥形加热器为所述防护服提供热辐射，所述辐射挡板设于所述锥 形加热器与防护服之间，用于间隔所述锥形加热器与所述防护服之间的热辐射;所述防护 服的最外侧朝上，防护服的最内侧朝下，所述热流密度计设于所述防护服下端一定距离处； 所述热电偶测量系统用于检测所述防护服的最外侧的外层的外表面温度与最内侧的 舒适层内表面温度，所述热流密度计用于检测最内侧的舒适层的热流密度，所述数据采集 系统接收所述热电偶测量系统、热流密度计检测的数据并输出防护服热阻数据。2. 如权利要求1所述的防护服热阻的实验测试系统，其特征在于，所述热电偶测量系统 包括三个对称的K型热电偶。3. 如权利要求1所述的防护服热阻的实验测试方法，所述防护服样品从外到内依次包 括外层、防水透气层、隔热层和舒适层，其特征在于，包括以下步骤： S1:将所述防护服水平放置于所述锥形加热器下方一定距离处的支架上，将电偶系统 布置在所述防护服样品的最外侧的外层的外表面温度与最内侧的舒适层内表面，将热流密 度计布置在防护服下端一固定距离； S2:将锥形加热器放置于设定的位置，设置锥形加热器的温度，将锥形加热器加热到设 置的辐射功率； S3:在锥形加热器达到设定的辐射功率之后稳定lOmin，移开遮辐射遮挡板，将防护服 样品暴露于热辐射环境中20min，通过热电偶采集到的外层的外表面温度以及舒适层的 内表面温度Tin，热流密度计的测量值R!;最后将辐射遮挡板移回，冷却阶段的时间是1 Omin; S4:重复步骤S3三次，分别记录每次的外表面温度Tout、舒适层的内表面温度Τιη、热流密 度计的测量值Rl，分别取三次记录的Tcmt、Tin、Rl·的平均值； S5:获取服装总热阻： 服装总热阻iTCCm2?-1)通过穿透防护服的散热量以及防护服内外层表面的温差来计 算，计算公式为：其中WPTin分别是外层的外表面温度以及舒适层的内表面温度，°C; Ht是穿透防护服的散热量，W/m2,通过以下公式计算： Ht = HF-Ri-C (2-2) 其中HF是锥形加热器的辐射功率，W/m2 是热流密度计的测量值，W/m2; C是热流密度 计和样品下表面之间空气层的自然对流，W/m2。4. 如权利要求3所述的防护服热阻的实验测试方法，其特征在于，在所述外层与防水透 气层之间设置空气层，重复步骤S1-S5，获得服装总热阻。5. 如权利要求4所述的防护服热阻的实验测试方法，其特征在于，改变所述防护服样品 的空气层厚度，重复步骤S1-S5，获得服装总热阻。6. 如权利要求5所述的防护服热阻的实验测试方法，其特征在于，在所述防护服样品中 的防水透气层与隔热层之间增加一空气层，重复步骤S1-S5,获得服装总热阻。
【文档编号】G01N25/20GK105928973SQ201610298557
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】付明, 吴征威, 王道亮, 李祥东, 许令顺, 关劲夫, 钱益武, 王伟, 随文杰
【申请人】清华大学合肥公共安全研究院, 安徽泽众安全科技有限公司