相变冷防护服系统热量散失及影响因素的研究

摘要

在低温工作环境中，如果缺乏适当的保暖条件，会引起人体冻痛冻伤甚至冻僵。为探讨低温环境中着装人体躯干部位散热情况及影响因素，指导相变冷防护服的设计，本文改进并制作了一款相变冷防护服，进行了暖体假人着装实验。使用多通道热流计对各躯干部位、各服装层间的热流密度进行了测量，并进一步分析了环境温度、相变材料用量和相变温度与服装系统外表面热量散失的关系，建立了各影响因素与评价指标之间的经验公式。
　　首先，设计相变冷防护服系统由4层服装组合而成，从内到外依次称为内层、保暖层、相变层和外层服装。选择我国国标中规定的标准体型对应的号型170/92A进行纸样设计，确定了领子为立领结构、肩部进行分割并添加育克，无袖，侧缝处收2cm的省量，门襟处采用拉链闭合。根据人体热需求选择相变温度为28、34℃的石蜡类PCM，使用475g、635g、950g三种材料用量，以分散封装法（macroencapsulation）将PCM封装成袋，制成相变冷防护服。
　　其次，在环境温度为0、2、5℃、相对湿度60％、风速0.1m/s的人工气候舱进行暖体假人着装实验，根据ISO15831﹣2004采用恒温模式控制暖体假人平均皮肤温度为34℃。利用多通道热流计分别测量了穿着相变冷防护服和常规保暖服装时胸部、腹部、肩胛及后腰部位的热流密度以及皮肤层、内层服装外表面及外层服装外表面的热流密度。穿着相变冷防护服时，热流密度变化趋势可分为四个阶段，皮肤层和内层热流密度随时间先迅速减小，再迅速增加，最后缓慢增加直至达到热平衡后保持不变，而外层热流密度的变化趋势完全相反；穿着常规保暖服装时热流密度变化仅分为2个阶段；在环境温度5℃时，穿着加载950g相变温度为34℃PCM的相变冷防护服时假人皮肤层的总散热量（57.88KJ）远小于穿着常规保暖服装时（84.08KJ），说明穿着相变冷防护服时人体自身散热量会减小；而相变冷防护服外层的总散热量（94.25KJ）远大于常规保暖服装（64.65KJ），相变材料释放了大量潜热，同时增大了服装系统向外界环境的散热。说明相变冷防护服具有更好的隔热保暖性能。
　　再次，对不同躯干部位、不同层间的热流密度分布规律及单位面积散热量进行了两因素方差分析和多重比较。研究表明着相变冷防护服时，不同躯干部位以及不同层间的平衡热流密度均没有显著差异，说明相变结束后，各部位、各层间的热流密度也达到了相互平衡的状态；着常规保暖服装时，不同躯干部位的平衡热流密度存在极显著差异，且在各层都是：胸部＞腹部＞肩胛＞后腰。着相变冷防护服时，不同躯干部位的单位面积散热量没有显著差异，而不同层间的总散热量存在极显著差异。躯干外层的总散热量远大于内层和皮肤层，三个不同层间的变异系数高达25.90%，外层服装总散热量是皮肤层或内层的1.63倍。
　　然后，利用偏相关分析法分析了环境温度、相变材料用量和相变温度对服装系统外表面热量散失的影响。环境温度与平衡热流密度、热调节能力存在极显著线性负相关关系，与总散热量存在极显著线性正相关关系；相变材料用量与平衡热流密度存在极显著线性负相关关系，与总散热量、热调节能力存在极显著的线性正相关关系；相变温度与平衡热流密度、总散热量、热调节能力都存在极显著线性正相关关系。
　　最后，利用SPSS数据统计分析软件进行多元线性相关分析，建立环境温度、相变材料用量及相变温度与平衡热流密度、有效防护时间、总散热量以及热调节能力之间的经验公式。经过检验，这四个经验公式的复相关系数都高达0.98，且F检验极显著，说明经验公式都有意义，且回归程度非常高，可用于指导后续相变冷防护服的设计。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1引言

1.2研究背景

1.3研究现状

1.4本课题的研究内容与意义

第二章 相变冷防护服装系统设计

2.1相变冷防护服的结构设计

2.2相变冷防护服的相变层设计

2.3相变冷防护服的层间配置设计

2.4本章小结

第三章 着装人体躯干部位热量散失的变化规律

3.1实验设计

3.2着装人体躯干部位热流密度随时间的变化规律

3.3着装人体躯干部位的平衡热流密度

3.4着装人体躯干部位的总散热量

3.5综合分析

3.6本章小结

第四章 服装系统外表面热量散失影响因素的研究

4.1实验设计

4.2环境温度对服装系统外表面热量散失的影响

4.3 PCM用量对服装系统外表面热量散失的影响

4.4相变温度对服装系统外表面热量散失的影响

4.5本章小结

第五章 相变冷防护服系统热量散失的经验公式

5.1多元线性回归分析

5.2相变冷防护服系统平衡热流密度的经验公式

5.3相变冷防护服系统有效防护时间的经验公式

5.4相变冷防护服系统总散热量的经验公式

5.5相变冷防护服系统热调节能力的经验公式

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1研究结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢