CN117460951A - 一种衣下气流热防护性能测评装置 - Google Patents
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Abstract
一种衣下气流织物热防护性能测评装置，包括提供热源的控制系统(1)、圆柱形皮肤模拟器(9)、衣下气流监测系统(14)；圆柱形皮肤模拟器(9)上端设置有均匀分布的织物夹持装置(11)，织物夹持装置(11)上设有滑轨(12)，滑轨(12)与圆柱形皮肤模拟器(9)固定，圆柱形皮肤模拟器(9)表面嵌入皮肤模拟传感器(10)，皮肤模拟传感器(10)与数据采集及处理系统(17)电性相连，圆柱形皮肤模拟器(9)表面设有织物经向热收缩刻度计(24)；衣下气流监测系统(14)用于监测人体服装系统内的气流流速、温度，并与数据采集及处理系统(17)相连。该装置能够准确预测着装人体在不同衣下气流状态下的热防护性能。
Description
技术领域
本发明涉及阻燃织物热防护性能测评领域，特别是涉及一种衣下气流织物热防护性能测评装置。
背景技术
在“人体-服装-环境”系统中，影响服装热防护性能的因素十分复杂，主要包括服装本身、衣下空气层和外部热源。阻燃织物的基本性能、热物性参数和结构特性会影响织物内部的热传递。将阻燃织物制作成服装穿着到人体时，织物的透气率、人体的运动等会以影响衣下气流的方式影响热传递。
在实验研究方面，小尺度的测试应用较为广泛。通常假定热源向织物表面传递的热量是一维的,并采用与人体皮肤属性不同的铜质热流计作为皮肤模拟器,不能真实模拟实际使用情况。人体躯干和四肢近似为圆柱体，故可以进行织物层面的圆柱型测试，模拟织物和人体之间直接接触或存在空气层的情况。普通台式实验中多模拟横向空气层，即空气层与地面平行，这种实验方式无法体现重力对空气流动的影响。
当处于火场环境时，极少有人会保持静止，消防作业人员等多处于运动状态。由于运动时服装与皮肤间的位移和部分环境风的影响，衣下空气层中的空气将不再保持静止，而是产生不同程度的衣下气流。衣下气流的流速可以由环境风速、运动幅度等计算得出。普通台式实验仅能模拟静止状态下的空气层，却无法模拟衣下气流的流动，即衣下局部空间与周围衣下热空气或冷空气的热交换。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种衣下气流织物热防护性能测评装置，能够准确预测着装人体运动时服装局部的热防护性能。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种衣下气流织物热防护性能测评装置，包括热源控制系统、圆柱形皮肤模拟器，衣下气流监测系统，其中：
所述热源控制系统：包括由连杆相互连接的热源支架一热源支架二，热源控制台；热源支架一上固定热源固定板，热源固定板上安装辐射热源，辐射热源和热源控制台电性连接；热源支架二上固定热源预屏蔽板，热源支架二上设有屏蔽板卡槽，热源预屏蔽板嵌在屏蔽板卡槽上；
所述圆柱形皮肤模拟器上端设置有均匀分布的织物夹持装置，织物夹持装置上设有滑轨，滑轨与圆柱形皮肤模拟器固定，圆柱形皮肤模拟器表面嵌入皮肤模拟传感器，皮肤模拟传感器与数据采集及处理系统电性相连，圆柱形皮肤模拟器表面设有织物经向热收缩刻度计；
所述衣下气流监测系统：包括固定在圆柱形皮肤模拟器上的热线式风速传感器和T型热电偶并与数据采集及处理系统电性相连。
进一步的，还包括衣下气流模拟装置，所述衣下气流模拟装置包括调温调速风机，调温调速风机上设有调压开关、调温开关，衣下气流模拟装置连接软管将气流输送至衣下空间。
进一步的，还包括具有不同直径的圆柱形空气层控制支架，空气层控制支架套在圆柱形皮肤模拟器外围。
进一步的，热源预屏蔽板上装有屏蔽板手柄。
进一步的，所述滑轨上设有刻度。
进一步的，所述圆柱形皮肤模拟器面向和远离辐射热源的轴线上各设置3个皮肤模拟传感器。
有益效果
本发明可通过滑轨控制衣下空气层的厚度，将不同温度的气流输送至衣下空间内，使衣下换热更接近于人体在运动时的状态。根据人体不同的步速计算衣下气流的流速，调节风机的风速和温度，并进行实验，本装置的空气层模拟更加贴合着装人体的实际情况。同时，阻燃织物在热暴露期间会由于受热发生热收缩，现有装置无法模拟该现象。本装置能够通过设定织物下边界自由下垂，模拟织物的沿经向的热收缩。本发明可以实现对火场中人体运动时阻燃服装整体的热防护性能预测，提高热防护性能预测的准确性，降低服装整体热防护性能预测的成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的圆柱形皮肤模拟器示意图；
图3是本发明的空气层控制支架示意图；
图中：热源控制系统1、热源支架一2、热源固定板3、辐射热源4、热源预屏蔽板5，屏蔽板卡槽6、屏蔽板手柄7、热源控制台8、圆柱形皮肤模拟器9、皮肤模拟传感器10、织物夹持装置11、滑轨12、织物样品13、衣下气流监测系统14、热线式风速传感器15、T型热电偶16、数据采集及处理系统17、耐高温软管18、衣下气流模拟装置19、调压开关20、调温开关21、调温调速风机22、空气层控制支架23、织物经向热收缩刻度计24、热源支架二25。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐述本发明。应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
阻燃面料常用于消防服等热防护服装，热防护服是特殊作业人员的必要防护屏障，因此，对热防护服装的热防护性能进行评估有重要意义。由于对织物的热暴露测试会产生破坏性影响，而整体服装的热暴露实验成本更高、环境模拟程度有限，故仅通过阻燃面料的热防护性能测试准确预测服装整体的热防护性能，并预测实际穿着状态下人体的烧伤情况具有实际意义。
本实施方式提供一种衣下气流织物热防护性能测评装置，用圆柱形皮肤模拟器模拟人体的小腿，能够考虑实际着装人体的纵向空气层情况，并模拟人体运动时人体局部衣下空间，即织物空气层系统中的气流情况，同时可以控制辐射热源与织物的距离以及织物与传感器间的空气层厚度，并模拟织物沿经向的收缩程度，使测试结果更加接近实际情况，实现服装整体热防护性能的精确预测。
热源固定板安装在热源支架一上，热源固定板上设置有辐射热源，能够通过热源控制台调节辐射热流密度。热源预屏蔽板与热源支架二固定，位于辐射热源与圆柱形皮肤模拟器之间。热源预屏蔽板上设置有手柄，在开始测试时可手动抽离，辐射热源采用石英管，石英管可产生不同热流密度的辐射热，模拟石油化工行业工人或消防员受困的各类火灾环境。
圆柱形皮肤模拟器用于模拟人体小腿部位的圆柱形态，其上端设置有6组均匀分布的织物夹持装置，织物夹持装置上设有滑轨，滑轨与圆柱形皮肤模拟器固定。滑轨上设置有螺丝，当螺丝旋松时，织物夹持装置处于可移动状态。当织物样品固定在织物夹持装置上时，可通过调节滑轨位置至指定刻度，旋紧螺丝，模拟服装与人体皮肤之间不同的衣下空气层厚度。另设有具有不同直径的空气层控制支架，空气层控制支架套在圆柱形皮肤模拟器外围，用于保证圆筒形面料自然下垂时的稳定性。自然下垂的织物在热暴露过程中会发生热收缩，根据织物经向热收缩刻度计可对其进行测量。
衣下气流模拟系统用于产生不同流速和温度的衣下气流，由调温调速风机和耐高温软管构成，调温调速风机可以通过调节电压和电阻调节风速和温度。耐高温软管可以将风机产生的气流输送至衣下空间。输送至衣下空间的气流参数通过衣下气流监测系统进行监测。热线式风速传感器和T型热电偶与数据采集及处理系统相连，可以实现对风速和温度的实时监测。
人体在运动时，不同部位之间会由于衣下空间体积的变化而产生不同的气流流速。在进行测试之前，首先需要根据模拟部位、空气层厚度、空气层体积和计算衣下气流的流速。通过服装开口的衣下气流(封闭空气层与环境之间的空气交换)可通过内部空气速度和封闭空气层厚度近似。人体运动的幅度，步速，会通过影响织物样品半径变化率、人体躯干系统半径变化率的方式影响封闭空气层中的气流流速。
工作过程包括以下步骤：
步骤1：根据所需空气层厚度在圆柱形皮肤模拟器外围制备圆柱形织物样品；
步骤2：根据所需空气层厚度，利用公式(1)-(2)计算衣下气流速度
封闭空气层中的平均空气速度v的计算方式如公式(1)：
其中，rf是织物样品的半径(m)，rb是身体/圆柱体部位的半径(m)，l是身体部位的高度(m)。
Vexc＝ v.T.p (2)
其中Vexc是通过服装开口的空气交换(m3/s)，v是封闭空气层中的平均空气速度(m/s)，T是封闭空气层(m)的厚度，p是身体的封闭部分的周长(m)；
步骤3：将热源预屏蔽板5固定在屏蔽板卡槽6上，打开热源控制台8等待辐射热源稳定到实验数值；
步骤4：调节织物夹持装置11和滑轨12至固定刻度，获得所需空气层厚度，根据设定空气层厚度，选择合适的空气层控制支架23，套在圆柱形皮肤模拟器外围，并将步骤1中缝制成圆筒状的织物样品13固定在织物夹持装置11上。
步骤5：调整调温调速风机22开关，使输出满足步骤2求出的衣下气流流速。
步骤6：抽出热源预屏蔽板5，开始正式热暴露实验，由模拟皮肤传感器10记录到达皮肤的温度和热流密度数据，根据织物经向热收缩刻度计24测量织物沿经向的热收缩，并利用数据采集及处理系统17进行数据记录。
步骤7：达到预设时间后结束实验，利用采集的数据计算皮肤内部传热，并采用烧伤预测模型判断是否达到烧伤以及烧伤等级。
单次实验结束，等待装置和传感器冷却后，自步骤1开始下一轮实验。当连续测试相同热流密度下的热防护性能时，可不必重复步骤3的热源校正过程。
本发明可通过滑轨控制织物样品与衣下空气层的厚度，将不同流速、温度的气流输送至衣下空间内，使衣下空间更接近于人体在运动时的状态。垂直设置的实验装置可以更好的量化人体在直立时织物发生的经向热收缩，对织物的热老化情况进行表征。风机产生的不同流速、温度的风，对应了不同外环境、不同运动幅度时人体衣下空间的热量交换过程，在测试时精确控制衣下气流，可实现对处于运动状态的阻燃服装的整体热防护性能预测，提高局部热防护性能预测的准确性，降低服装整体热防护性能预测的成本。对精准预测人体的烧伤情况有重要意义。
Claims (6)
1.一种衣下气流织物热防护性能测评装置，包括热源控制系统(1)、圆柱形皮肤模拟器(9)，衣下气流监测系统(14)，其特征在于：
所述热源控制系统：包括由连杆相互连接的热源支架一(2)热源支架二(25)，热源控制台(8)；热源支架一(2)上固定热源固定板(3)，热源固定板上安装辐射热源(4)，辐射热源(4)和热源控制台(8)电性连接；热源支架二(2)上固定热源预屏蔽板(5)，热源支架二(25)上设有屏蔽板卡槽(6)，热源预屏蔽板(5)嵌在屏蔽板卡槽(6)上；
所述圆柱形皮肤模拟器上端设置有均匀分布的织物夹持装置(11)，织物夹持装置上设有滑轨(12)，滑轨与圆柱形皮肤模拟器固定，圆柱形皮肤模拟器表面嵌入皮肤模拟传感器(10)，皮肤模拟传感器与数据采集及处理系统(17)电性相连，圆柱形皮肤模拟器表面设有织物经向热收缩刻度计(24)；
所述衣下气流监测系统：包括固定在圆柱形皮肤模拟器(9)上的热线式风速传感器(15)和T型热电偶(16)并与数据采集及处理系统(17)电性相连。
2.根据权利要求1所述的一种衣下气流织物热防护性能测评装置，其特征在于，还包括衣下气流模拟装置(19)，所述衣下气流模拟装置包括调温调速风机(22)，调温调速风机上设有调压开关(20)、调温开关(21)，衣下气流模拟装置连接软管(18)将气流输送至衣下空间。
3.根据权利要求1所述的一种衣下气流织物热防护性能测评装置，其特征在于，还包括具有不同直径的圆柱形空气层控制支架(23)，空气层控制支架(23)套在圆柱形皮肤模拟器外围。
4.根据权利要求1所述的一种衣下气流织物热防护性能测评装置，其特征在于，热源预屏蔽板上装有屏蔽板手柄(7)。
5.根据权利要求1所述的一种衣下气流织物热防护性能测评装置，其特征在于，所述滑轨上设有刻度。
6.根据权利要求1所述的一种衣下气流织物热防护性能测评装置，其特征在于，所述圆柱形皮肤模拟器(9)面向和远离辐射热源轴线上各设置3个皮肤模拟传感器(10)。
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