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              消防服熱防護性能檢測用熱流儀及其測試方法

              本發明涉及一種熱流儀,具體涉及一種消防服熱防護性能檢測用熱流儀和其測試方法。 
              [0002] 消防服隔熱防護性能測試方法要求之一是要測量著裝人體的溫度上升程度,也就是測試分析人體皮膚達到一定燒傷所需要的時間,從而可以測試組成消防服裝所用防護織物的熱防護性能(Thermal Protective Performance,簡稱TPP)。目前,消防服的熱防護性能檢測用的熱流儀由銅片構成,根據銅片的溫度上升曲線并結合Stoll曲線來確定人體皮膚達到二級燒傷所需時間。然而Stoll燒傷準則是Stoll和Chianta兩位研究者通過實驗確定皮膚在4. 2?16. 8kff/m2的熱暴露環境下皮膚二級燒傷時間,而暴露熱流量在此范圍之外的二級燒傷時間,則是通過外推法而得,而且,應用Stoll方法首要前提是保證入射到皮膚表面熱流量是一個恒定值,任何小的波動變化都會使Stoll準則失效;另外,銅片與人體皮膚的熱屬性相差甚遠,并不能達到模擬人體皮膚吸熱的效果。因此必須合理的選擇模擬皮膚的熱流儀來準確確定真實人體皮膚表面吸收熱流量顯得異常重要。目前現有檢測消防服熱性能的熱流儀或者傳感器都是一維的,即考慮服裝傳熱的一維性,而模擬人體軀干形狀的消防服檢測用徑向熱流儀未見報道。
              [0003] 常溫下所選模擬皮膚實驗材料有多種,包括丙綸、微孔聚四氟乙烯薄膜、純棉布等等,但在高溫環境下,由這些材料所做成的模擬皮膚的物理屬性會隨溫度的變化而變化,超高溫下會發生焦化,其實驗重復性差。目前在熱防護織物的小規模及熱防護服裝的“火人”(Thermo man)測試中,多用銅片熱流計作為測量熱源發熱量及消防服裝織物性能的裝置。根據測試的需要,評價熱防護性能的熱流儀必須滿足實驗耐熱時間長、量程廣、熱屬性與人體皮膚屬性相似等特性。
              [0004] 但無論采用何種熱流計,滿足人體真實形狀且與體皮膚屬性相似的特性是至關重要的,否則所測量得到的熱量與實際人體皮膚吸收的熱量相差太大,不能真正的達到織物防護性能測量結果。
               
              發明內容
              [0005] 本發明要解決的技術問題是現有效防護熱防護性能檢測用熱流儀測試結果有偏差、重復性差,提供一種測試結果更為準確、重復性好的消防服熱防護性能檢測用熱流儀,還提供了該熱流儀的測試方法。
              [0006] 本發明的技術方案是以下述方式實現的:一種消防服熱防護性能檢測用熱流儀,包括人工玻璃晶體制作的皮膚模擬器,在皮膚模擬器表面開設凹槽,在凹槽里裝有熱電偶,熱電偶的接線沿皮膚模擬器圓周方向穿過皮膚模擬器接入轉換器,熱電偶的測量端粘結于皮膚模擬器表面。
              [0007] 所述皮膚模擬器為圓柱形。[0008] 所述皮膚模擬器外徑為80mm、厚度為18. 8mm。
              [0009] 所述的人工玻璃晶體為熱傳導率為I. 5W/m*K,使用范圍在一 270°C?+ 800°C ;從800°C急冷至0°C不破碎,200°C急冷到0°C強度不變化的玻璃類材料
              一種消防服檢測用熱流儀測試方法,是按照下述方式進行的:
              (1)測量皮膚模擬器的表面溫度T1 ;
              (2)計算入射到熱流儀表面熱量q",
              其中:Pskin———皮膚組織的密度
              cp,skin———皮膚組織的比熱
              kskin——皮膚組織的導熱系數
              pb——人體血液的密度
              Cp,b——人體血液的比熱
              ωb-血流灌注率
              qm——新陳代謝產熱
              qr——激光、微波等外來能量被生物組織吸收后表現為容積發熱源 吸收后表現為容積發熱源 Tb-人體動脈溫度
              T——皮膚溫度值 r—皮膚模擬器的外直徑
              θ—皮膚模擬器溫度與初始穩態溫度值之差。
              [0010] (4)預測皮膚燒傷度Q,將測試分析并計算得到的皮膚溫度值T作為輸入參數代入到Henriques皮膚燒傷積分模型:
              [0011] 本發明所采用的皮膚模擬器采用人工玻璃晶體制作,這種材質與人體皮膚屬性相似,適合于制作高溫皮膚模擬器、其性能隨溫度變化小,且該皮膚模擬器形狀與人體真實形狀接近,因此相對于現有技術,本發明的熱流儀測量結果更為準確。另外,采用本熱流儀可以得到皮膚燒傷破壞程度的量化值,且可以模擬測試人體真是皮膚溫度并以此預測皮膚燒傷度所需時間的流程。
              附圖說明
              [0012] 圖I是本發明的結構示意圖。
               
              具體實施方式
              [0013] 實施例I :一種消防服熱防護性能檢測用熱流儀,包括人工玻璃晶體制作的皮膚模擬器1,在皮膚模擬器表面開設圓形的凹槽2,在凹槽2里裝有T型的熱電偶3,熱電偶3的接線4沿皮膚模擬器I圓周方向穿過皮膚模擬器I接入轉換器5,熱電偶3的測量端通過環氧樹脂粘結于皮膚模擬器I表面。環氧樹脂可耐最高溫度380°C,適用于制作強熱流環境下粘結劑。所述的轉換器5為PCI-MI0-16E-1數據采集卡DAQ,由熱電偶3采集到的溫度模擬信號經PCI-MI0-16E-1數據采集卡DAQ轉換成標準信號輸入計算機。
              [0014] 所述的人工玻璃晶體屬玻璃類材料,其熱傳導率為1.5W/m*K,而且它的熱物理性能不隨其表面溫度改變而改變,這一點與皮膚屬性極其相似;在熱源的輻射下,它的表面溫度上升率與熱慣性參數成反比,比實際人體皮膚要小一點。另外,它還是一種耐高溫絕緣材料,同時又是能在超高溫領域廣泛使用的耐腐蝕、絕緣材料。它的使用范圍在一 270°C?+SOO0C ;由于玻璃陶瓷中的云母晶體具有一定的彈性,能制止微裂紋的延伸,因此它又具有較好的抗熱沖擊性能,從8000C急冷至0°C不破碎,2000C急冷到0°C強度不變化,可重復進行試驗,因此它非常適合于制作高溫皮膚模擬器。
              [0015] 所述皮膚模擬器I為圓柱形,其外徑為80mm、厚度為18. 8mm。
              [0016] 一般情況下,當皮膚表皮層下80 y m處的溫度達到44°C以上時,皮膚開始燒傷,因此只要確定皮膚受熱溫度變化,就可以決定皮膚燒傷情況。
              [0017] 一種消防服檢測用熱流儀測試方法,是按照下述方式進行的:(1)測量皮膚模擬器I的表面溫度T1 ;
               
              (2)計算入射到熱流儀表面熱量q",
              本發明假設皮膚模擬器為半無限體,根據Diller法則,將半無限體的某一受熱時間段Ai分成n個時間步長,并用熱電偶測量每個步長下半無限體表面的瞬時溫度Tj,則
               
              其中:p———皮膚組織的密度
              cp'———皮膚組織的比熱
              k-—皮膚組織的導熱系數
              巧——人體血液的密度
              ——人體血液的比熱
              —血流灌注率
              —新陳代謝產熱
              qr——激光、微波等外來能量被生物組織吸收后表現為容積發熱源 %——人體動脈溫度
              T——皮膚溫度值
              r—皮膚模擬器的外直徑
              &—皮膚模擬器溫度與初始穩態溫度值之差。
              [0018] 本發明根據皮膚生物組織傳熱特點,考慮了熱量在皮膚傳遞速度有限的熱波皮膚模型來測量皮膚的燒傷度,本發明以消防服裝下皮膚燒傷級別來評價織物的熱性能,在一維徑向Pennes皮膚傳熱方程中增加傳熱滯后時間T ,即可獲得一維徑向皮膚生物傳熱(RSTWM)方程:
              (4)預測皮膚燒傷度Q,將測試分析并計算得到的表面溫度T作為輸入參數代入到Henriques皮膚燒傷積分模型(4):
               
              式中:q——皮膚燒傷破壞程度的量化值,無量綱;
              R——摩爾氣體常數,8. 31 J/mol*K ;
              -皮膚的活化能,J/mol ;
              P——皮膚組織頻率因子,1/sec ;
              T——皮膚表面80 ii m處溫度,V ; t——皮膚受熱時間,s。
              [0019] 當D等于或大于I時,皮膚即達到二級燒傷度;當O等于0.53時,皮膚達到一級燒傷度,因此根據以上內容,提出利用熱流儀上的熱電偶3測量皮膚模擬器I的溫度,從而模擬測試人體真實皮膚溫度并以此預測皮膚燒傷度所需時間的流程。
              [0020] 實施例2 :本實施中所測試用消防織物取本質芳綸阻燃織物Nomex IIIA,密度為374. 6kg/m3,厚度為0. 412mm,測試儀的結構和測試方法同實施例I。
              [0021] 入射到熱流儀表面的輻射熱流量為21kW/m2,將皮膚模擬器I測得的熱量值代入到Pennes皮膚傳熱方程,采用Henriques皮膚燒傷模型預測皮膚達到二級燒傷度所需要的時間為7. 9秒。
              [0022] 實施例3 :入射到熱流儀表面的輻射熱流量為21kW/m2,將皮膚模擬器測得的熱量值代入到RSTWM皮膚生物傳熱方程,采用Henriques皮膚燒傷模型預測皮膚達到二級燒傷度所需要的時間為12. 5秒。STWM方程考慮了皮膚這類生物組織傳熱滯后的特點,即在傳統Pennes傳熱方程中考慮進去了一個熱松弛時間。本實施例其他同實施例2。
              [0023] 實施例4 :入射到熱流儀表面的輻射熱流量為42kW/m2,將皮膚模擬器測得的熱量值代入到Pennes皮膚傳熱方程,采用Henriques皮膚燒傷模型預測皮膚達到一級燒傷度所需要的時間為5. 8秒。本實施例其他同實施例2。
              [0024] 實施例5 :入射到熱流儀表面的輻射熱流量為42kW/m2,將皮膚模擬器測得的熱量值代入到RSTWM皮膚傳熱方程,采用Henriques皮膚燒傷模型預測皮膚達到二級燒傷所需要的時間為9. 6秒。本實施例其他同實施例2。

               

              2020-03-20 15:53

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