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降温背心的关键技术和新型研究(内附此论文内容)

时间:2018-11-28 16:31:59 作者: 阅读:

 

导读

《产业用纺织品》杂志主要刊登国内外各种产业用纺织品和非织造布的综述;科研、生产技术报告;国内外有关新产品、新材料、新技术、新设备报导;有关专利、标准和测试方法介绍;国内外有关动态、市场信息和新闻简讯。


深圳优普泰近期发表了一篇《降温背心的关键技术和新型研究》的论文,刊登在《产业用纺织品》杂志2018年特种纺织品专刊上。为了让降温背心能更好地达到降温效果,从而能在消防员灭火服、消防员隔热服、消防员避火服等热防护服搭配着使用,提高特种作业人员的安全系数,深圳优普泰对该方面进行了深入研究,现已取得技术上的突破性进展。


本文介绍了降温背心的几种质量技术路线,指出了其各自的关键技术,及存在的优缺点,提出了新型降温背心研究方案,及适用领域和未来展望。可移步到《产业用纺织品》杂志2018年特种纺织品专刊上的108~109页阅读,也可继续阅读本文。

 

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【关键词】降温背心制冷技术相变储能纤维

1 前言

目前市场上的消防员灭火防护服、消防员避火服、消防员隔热服等热防护服装,其作用是保护消防员身体免受外界火源、高热、辐射等各种伤害。然而,由于高防护性能的要求,热防护服在将外界热危害阻隔在外的同时,也阻碍了人体蒸发散热,给作业人员带来严重的热应力[1],受热应力的影响,人体会产生一系列热疾病,如抽筋、虚脱、热枯竭及热中风等,如果没有及时的治疗和冷却,最终可能会导致死亡。因而应该采取有效的措施来降低热应激对消防员的影响,以保证消防员的职业安全与健康。降温系统应用于防护服中时其中的一项有效措施。


2 降温背心的分类

人体的散热途径有4类:传导、对流、辐射和蒸发。能够解决上述因素的任何一种途径均可能用于开发新的降温服装[2]


2.1 气体降温背心

气体降温背心的冷却介质是环境空气和压缩空气,主要由基础服装、通风管、空气压缩机等组成。其工作原理是首先空气压缩机将空气预冷,再通过涡流管将预冷空气通过管道系统排入服装内部,流动的冷空气增强了体表汗液的蒸发,汗液汽化吸热,与人体进行潜热热交换,降低体表温度;另外冷气在服装内部形成空气对流,与人体进行显热热交换,也可以达到降温的目的。

气体降温背心的优点:1.冷却效果较好,穿着舒适。2.重量轻。3.耗能少。其缺点在于:1.需要制冷装置和空气过滤装置。2.需要设计一个合适的排风扇。3.冷却效率依赖于排汗量的多少,在没有排汗的情况下,冷却效果不明显。4.空气压缩机内有诸多可拆卸部件,需要定期维护。


2.2液体降温背心

液体降温背心的冷却介质主要有水、冰水混合物、水与乙烯基乙二醇组成的低于零度的冷冻液、相变乳状液和微胶囊乳状液等,制冷系统和循环降温背心使用快速接头和软管连接,通过制冷系统将循环水注入背心的循环管道中,在工作过程中,循环水导入冷源(一般为蓄冷剂或冰块)的冷量,并通过微型水泵使其在管道背心内循环,利用在管道中流动的冷却液与人体接触换热,从而使背心产生降温效果。

液体降温背心的优点:1.冷却效果好,穿着舒适。2.全密封装置。3.具有较高的传热效率。4.通过调整冷却液进口温度或流速,可以控制液冷服的温度。5.能有效处理人体产生的大量代谢热。其缺点在于:1.存在过冷现象,多数冷却液的温度都在零度或零度以下,影响人体的穿着舒适性。2.存在冷却液泄漏风险。3.重量重。4.需与制冷装置相连接,限制了穿着者的行动。


2.3相变降温背心

相变降温背心的冷却介质主要有冰、干冰、冷凝胶、相变材料等。相变降温背心就是把背心设计成类似于防弹衣的铠甲形式,在冷却服的前片和后片并排布置多个装降温袋的口袋,每个口袋均有封口,使用时将降温袋装进背心的口袋里。降温袋通常要预先置于冷冻室进行储能,待使用时再取出。其制冷原理是:含有相变材料的降温背心在外界环境温度升高时,相变材料吸收热量,从固态变为液态(熔化蓄势过程),降低人体的体表温度。相反,当外界环境温度降低时,相变材料放出热量,从液态变为固态(凝固放热过程)[3],减少人体向周围散发热量,以保持人体正常体温,为人体提供舒适的“衣内微气候”环境[4],使人体始终处于一种舒适的状态。

相变降温背心的优点:1.服装设计简单,穿脱方便。2.降温效果好。3.不需要额外的制冷装置。缺点:1.有效工作时间短。2.需预先在低温环境下储能,待使用时再拿出,封装于背心的口袋内。3.存在泄漏风险。4.重量较重[5]


3新型降温背心应用研究

基于以上三类降温背心的优缺点和消防部队对穿着舒适性和功能性的需求,优普泰的产品方案是褡裢式水循环降温背心,背心上布满冷却水管,经降温的水在水泵驱动下在水管中循环,快速吸走人体热量,达到降温的目的。

本方案的技术特征为:1.采用褡裢式结构,穿脱快捷、方便,可满足消防员快速出警的需要。2.马甲面料为芳纶+相变粘胶纤维+导电纤维混纺,具有永久性阻燃、耐高温、防静电、防水特性;具有极强的机械性能,抗撕裂、抗冲击、拒油污作用;同时具有防电磁辐射功能。里料采用相变粘胶纤维+导电纤维混纺面料,具有良好的调温作用和抗辐射作用。3.循环水的降温采用二级冷却方式,由两只水罐降温,水温更低,降温效果更好。4.采用蓄冷袋对循环水降温。不需要每次使用前调节水量,使用更方便、快捷。5.贮水降温系统与马甲合体,不仅穿脱快速方便,更便于开展灭火作业,行动自如。6.循环水泵在运行中会产生电磁辐射,背心的选材具有抗电磁辐射功能,更加保障了消防员的安全。

本次方案的创新性在于两点:其一是采用蓄冷袋对循环水降温,可随身携带,避免了与制冷装置连接,活动受限的情况。其二是采用了新型纤维混纺的面料,即相变储能粘胶纤维,通过在纺丝液中加入粒径适中的相变储能微胶囊,适当调整纺制过程和缓和的后处理工艺,可纺制出性能良好的相变储能纤维。该相变纤维织制的面料在外界温度过高时可以吸收一定的热量,最高可达15J/g。同时,由于里料也是采用的相变储能面料,可以缓解刚开始放入蓄冷袋产生的过冷现象。


4应用领域

降温背心通常是贴身穿着的,所以它可以和其他防护服(如消防服、生化防护服、赛车服等)配套穿着,一般情况下是穿着在防护服的里面。适合高温、高热环境下作业的热防护,不仅适用于消防员在执行灭火任务时穿着,也适用于铸造、司炉、冶金、玻璃制造、石棉清洁等工业作业[6]。另外,在民用方面,也可用于野外环境中作业和活动的人群,如交警、特警、地质勘查、环卫、运输司机和厨师等。


5未来展望

随着科学技术的进步和人类在认识和改造自然的过程中对自身的防护和舒适意识的提高,降温服将在航空航天、军用、民用、医疗、体育等领域得到广泛的普及和应用,可以说是具有非常广阔的应用前景和研究价值。但是目前市场上常见的降温服装都存在些许缺点,技术还不够完善,如冷却温度过低、作用时间短、重量重、维护不方便、价格昂贵等,这些因素严重制约着降温服的发展和推广应用。因此,我们在降温服的开发研制上还需付出更多的努力。

 

参考文献

[1]NUNNELEY S A. Heat stress in protective clothing: interactionsamong physical and physiological factors[J].Scandinavian Journal of Work:Environment and Health,1989,15(Suppl.1):52-57.

[2]袁修干.人体热调节系统的的数学模拟[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.5.

[3]韩增旺, 唐世君, 赖军. 国内外冷却服的发展现状及关键技术[J]. 中国个体防护装备, 2009(4):11-14.

[4]李利娜, 钱晓明, 樊朴. 冷却服装的发展状况及应用前景[C]// 功能性纺织品及纳米技术应用研讨会. 2007.

[5]李利娜, 钱晓明, 徐杰. 冷却服装的发展现状及应用[J]. 中国个体防护装备, 2008(2):24-28.

[6]王云仪, 赵蒙蒙. 高温强辐射下相变降温背心的热调节作用客观测评[J]. 纺织学报, 2012, 33(5):101-105.


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