中国知网查重 高校在线论文查重入口

立即检测
  • 58 元/篇
    系统说明: 知网职称论文检测AMLC/SMLC是杂志社专用系统,针对投稿论文、评审论文、学校、单位职称论文的学术不端重复率检测系统。
  • 298 元/篇
    系统说明: 知网本科论文检测PMLC是最权威的大学生毕业论文检测系统,含“大学生论文联合对比库”,国内95%以上高校使用。检测结果和学校一致!
  • 498 元/篇
    系统说明: 此系统不支持验证!可用作研究生初稿检测,相比知网VIP5.3缺少“学术论文联合对比库”,检测结果有5%左右的误差!(论文中若参考往届研究生论文,重复率误差会较大)
  • 128 元/篇
    系统说明: 大分解论文检测系统,对于想检测学术不端文献检测系统,而又价格便宜的同学可以选择,限每篇2.9万字符,结果与大学生PMLC、硕博VIP定稿系统有出入!
  • 68 元/篇
    系统说明: 知网论文小分解检测系统,适合中国知网初稿查重,数据库和定稿查重不同。结果与本科PMLC,研究生VIP5.3有出入,限每篇1.4万字符!
  • 3 元/千字
    系统说明: 学术家论文重复率检测系统,支持学位论文、毕业论文、投稿论文、职称评审论文,提供全文对照,word标红报告,性价比超高!
论文案例分享-矿井热害冷却背心研究
时间:2021-05-06 14:41:13

  当代我国正处于各方面高速发展阶段,我们面临的高温环境问题也越来越大,诸多的科研领域都面临着这个问题。这使得作业人员的工作效率和人身安全都受到高温的严重影响,我们面临的高温环境的问题已经成为制约我们发展的重要因素之一。目前缓解高温热影响最有效的手段之一是个体防护服。相变材料的冷却服由于有诸多优点,比如成本较低、效率较高等。所以冷却服成为了我们解决高温环境问题的一个重要手段。

  我们通过查阅资料找到人体热平衡方程,以热平衡理论为基础并考虑到穿着者的舒适性及实用性展开研究,最后进行冷却背心的可用性评估。

  我们研究的冷却背心,主演是是针对矿井作业人员,从理论到实际,对冷却背心进行了冷却背心结构以及相变材料用多少的问题研究,最后设计出尽可能的满足我们矿工需求的冷却服,从而保护井下作业人员的身体健康和维持生产力。

  研究背景:在这个社会各个方面高速发展的时代,能源是我们发展的重要基础,而煤矿资源又是我国重要资源之一。由于各方面能源的大量消耗,我们对煤矿资源的需求量大大增加,所以导致了近几年的地下浅部的煤矿资源快速减少。而社会发展和人类进步不会停止,于是我们开始向更深部位开采资源,随着开采的深度不断增加,我们面临着诸多挑战,矿井热害就是我们面临的首要难题。矿井下热量的主要来源有井巷围岩放热、机电设备放热、运输中煤炭及矸石放热、热水放热。

  研究意义:对于外界环境的变化,我们本身有着自动调节的机制,但是自我调节的能力是有限的。当我们进入井下高温环境工作时,由于井下温度高达40℃,这就大大超出了我们人体自我调节的范围。因此我们需要借助外力来实现温度的调节,相变材料的冷却服可以通过相变材料的相变实现人体的降温,改善井下工作人员的工作环境。本文设计的冷却降温背心,能够在井下工作人员与高温环境之间通过相变材料建立一个微气候区,通过微气候区吸热维持人体的热平衡,保证在高温环境下井下作业人员的有效散热,避免上述情况产生。

  1.2研究目的

  研究目的:煤矿浅部资源匮乏是由于我们对煤炭资源的需求增大。这就要求煤矿开采的要继续加大开采深度,于是矿井热害就成为了我们进一步获取能源的首要障碍,导致深部煤矿各个矿职工工作场所温度升高,引起工作人员精力涣散等矿井热害问题。实现工作环境的降温才可以尽最大可能的避免生产事故的发生。

  冷却服的设计以人体热平衡理论为基础,再考虑工作人员穿着的舒适性,达到真正的高效实用性。冷却服以相变材料的相变过程实现温度的下降,进而提高工作人员的工作效率。因此,本文意在设计一种可以在井下高温环境中持续工作4小时,为人体降温,并保证矿井工作人员人体的舒适性的冷却降温背心。

  1.3冷却背心的分类及其现状

  降温服的按照降温介质的不同可以分为三类,分别是相变降温服、气体降温服、液体降温服,三种冷却服利用不同的降温原理实现降温的共同目标。

  (1)相变降温服

  相变材料冷却服是目前降温效果比较好的降温服,相变材料有着经济实用和安全高效等诸多优点,是我们目前较为理想的一种冷却服。相变材料冷却服通常放在中间那层,利用相变材料发生相变的过程会吸热,从而带走人体热量,达到降温的效果。再回到平时的生活环境,最后相变材料会放出热量然后回到最初的状态,这样就达到了一个循环利用的过程。常用蓄冷介质主要有冰、干冰、相变材料等。

  (2)气体降温服

  气体降温服的工作原理简单说就是利用通风增加散热速率,但是有一个特点就是通入的空气是冷风,这样可以更为有效的增加散热效率。气体降温服按照散热方式又可分为两种,两种冷却服在作用的机理上是不相同的,一种是蒸发型降温服,通入的是干燥空气,不用要求通风的温度,主要降温原理是利用水汽压梯度来促进散热;第二种是对流型降温服,其工作原理是利用动力装置,向衣内微气候区压入冷风,利用通入风量与皮肤温度的温差带走人体热量。因此要对通风温度有所要求,即通入风量的温度要低于人体皮肤的温度。

  (3)液体降温服

  液体降温服通过微气候区的循环降温液带走人体的代谢热,调节人体与环境的热量交换,维持人体热平衡。液冷服由基础服装和预冷装置组成,热交换装置在冷源处实现降低温度,冷却液再返回人体完成循环。

  按照不同的分类标准对降温服有着不同的划分,比如:按照降温动力来源可以划分为主动式降温服及被动式降温服;按照制冷方式可分为蓄冷型空调服、蒸汽压缩式空调服、涡流管式空调服、热电制冷式空调服,除此之外还有许多别的分类。

  人们对冷却服的探索和研究起始于20世纪60年代,1969年随着随着第一件液体冷却服的发明,揭开了人们对冷却服的研究和探索。在20世纪,人们就已经面对着一些高温环境的问题,于是人们就开始采取各种措施来改善工作环境,传统的通风降温已经不能精准的实现个人降温,于是人们开始设计能够达到精准降温的冷却服。杨兆生发明的冷却服主要用于保护冶金队的工作人员。我国最早开始研究降温方法是从1982年便携式局部液冷服(YL—IA型)的问世揭开了序幕,其降温原理主要是将利用动力装置将冷水混合物输送到人体微气候区,通过流经人体冷却服带走人体的热量实现降温,最后流回制冷装置,实现循环利用。随着人们对冷却服的研究经验和不断探索,降温服的制备不断完善,而且逐渐被用于消防和采矿等诸多领域。

  图1-1 YL-IA型液冷服系统流程图(采用直接式冰水换热器)

  北京工业大学研制的便携式空调系统,该制冷系统可提供300W以上的冷量,也属于液冷服系统,但该制冷装置的能效较低,其主要应用于军事领域。国外对冷却服的研究要比中国早,技术也相对比较成熟。20世纪60年代美国设计的第一件液体冷却服,主要是应用到航空航天领域,用来解决宇航员的高温环境问题。基于涡流管降温原理,美军陆军研究中心发明了风冷式冷却服,随后,美军又开发了高级轻型微气候降温系统ALMCS,加拿大的Yang等基于真空干燥冷却(VDC)技术提出了一种新型的降温服,其降温能力达到了373.1W/㎡。但该降温服尚在实验阶段,并没有实际应用。

  图3-12 VDC降温服

  1.4研究内容

  随着人们对冷却服的不断研究与探索,冷却服的制备不断更新和趋于完善,国内外研究进展都非常迅速。冷却服的制备首先我们要以人体热平衡理论为基础,由理论到实际,进而考虑人体穿着的舒适性。舒适性又包含着透气性和散热性等特点,最后要考虑经济、实用和环保等问题,最终设计出我们需要的冷却背心。

  1.5技术路线

  2.人体热舒适及热平衡基础计算

  人体摄入的能量和释放的能量要达到一个平衡状态,摄入的能量主要来源于食物,而消耗的能量则是主要分为两个去向,一个是维持人体各项生理活动的正常运行,包括人体的做功等。二是要把人体体温维持在一个正常的范围内。人们在温度过高超出自身调控范围时,就会出现一些身体不适的生理反应,此时,我们需要借助一些外因来改善环境温度,把人体体温调控在一个正常范围。

  2.1人体热舒适性

  随着社会快速发展,人们对各种事物的要求都越来越高,包括吃穿以及工作环境等各个方面。舒适的工作环境就是人在心理和感觉上认可的一种氛围,人们在这种环境下可以正常的工作及人体各项活动都能正常进行。一般认为,在普通室温环境中处于安静状态以及在气温较低的环境中进行轻度活动的人,额部和躯干部分的皮肤温度为31.5~34.5℃,则没有不舒适的感觉。当衣着部位与裸露部位的皮肤温度相差小于2℃,明显感觉热;当相差3~5℃时,感觉舒适。

  2.1.1人体体温调节

  人体体温调节是人的一种基本职能,体温调节分为生理调节和人的行为调节。大幅度的变化时,我们生理调节就会自发的进行,比如环境突然变冷,就会引起我们的血流量加快及骨骼肌颤立等生理活动,当然还有我们的行为调节,当我们所处的环境发生突然变冷,我们可以通过搓手取暖等一些活动做功来产生热量,从而增加体温,达到我们人体的正常运行。此外,人体体温的生理调节也会影响人的情绪。

  除了生理性调节之外,人的行为调节也是非常重要的。生理调节时人对所处环境变化做出的本能反应,而行为调节是通过我们的生活经验也就是通过大脑来做出的调节活动。人类社会发展是一个不断的认识和开发自然的过程。数千年来,人类通过不断地实践积累着经验,并不断地总结探索大自然,掌握了丰富的自然规律,正是这样,不断推动着我们人类社会不断地迈向新时代。人们在大雪天等极为寒冷的情况下会躲在密闭的场所,并用一些方法取暖,从当初的用火堆取暖逐渐进化到现在的地暖和空调等先进方法。当在一些开旷环境下及一些特殊场合,如宇航员的太空行走、特种作战士兵,甚至一些基建工人、厨师、田间劳动人们,传统降温方式存在难以实现。微环境气候理论认为,人体同样处在一个人体-服装-环境的微气候系统中,微气候系统与人体的舒适性密切相关。

  图2-2微气候区传热示意图

  人体能量的来源主要是食物,食物消化产生的能量被用于各项生理活动的正常进行及正常体温的维持。当外界环境温度突然升高时,人体会本能地进行体温生理调节,但是通常过高的温度是光靠人体调节是远远不够的,所以我们设计的冷却服可以通过在穿着者衣内形成一个微气候区来帮助人体进行体温调节。还有气冷式冷却服借助动力装置,把温度较低的空气送入衣内微气候区,通过促进汗水蒸发来促进散热,从而降低体温。

  2.2人体热平衡

  2.2.1人体产热

  人体热量的主要来源是肝脏和骨骼肌对有机物的氧化放能。例如,骨骼肌战栗、立毛肌收缩等动作可以增加热量。

  人体的能量来源主要是食物,进入人体后被用于各项生理活动以及维持人的正常体温消耗掉,还有一部分会转化成糖原和脂肪,以这两种形式存在人的体内。人体的各个组织都是不同的,而且生理活动的强度和代谢率也不同,所以每个部位产生的热量也不相同。由表格2-3可以看到,产热最多的是骨骼肌和内脏,占人体产热总量的74%。大脑在安静状态下的产热只有15%,其他器官在总产热量中所占的比例较小。从表中还可以看出,人在运动或劳动时的产热量会增加,此时人体温度升高,为了维持人体温度的平衡,需要向外界环境散热。

  表2-3几种组织器官的产热百分比

  人体热平衡方程:

  S=M-W-R-C-E

  式中,

  S——人体蓄热率,W/m2;

  M——人体新陈代谢率,W/m2;

  W——人体所做的机械功,W/m2;

  R——着装人体外表面与环境的辐射换热量,W/m2;

  C——着装人体外表面与环境的对流换热量,W/m2;

  E——皮肤扩散蒸发、汗液蒸发及呼吸所造成的散热量,W/m2。

  2.2.2人体与环境的对流换热

  高温环境中,相变冷却服有两种冷量损失的途径。分别是人体与冷却服的热量交换和冷却服与环境的热量交换。人体-相变防护服与外界进行热交换的对流热交换方程为:

  Q=fAh(T-T)f

  式中:Q为对流热交换,W;

  f为服装面积系数;无量纲;

  A人体有效表面积,㎡;

  h为对流换热系数,W/(m2·℃);

  T为着装人体最外层服装外表面温度,℃;

  T为外界高温环境温度,℃;

  f为有效对流面积系数

  (1)人体皮肤表面积及人体有效面积

  取样本为172cm,体重为65kg。由人体表面积公式

  S=0.0061h+0.0128w-0.1529

  S为人体总表面积,m

  W为人体体重,kg;

  H为人体身高,cm

  得S=1.7283 m

  由于本文冷却服为上体背心式冷却服,所以人体有效表面积计算公式如下:

  A=

  式中:A为人体有效表面积,m2;

  N为人体各部位面积百分比,%;

  冷却服的结构为背心式,覆盖人体部分为胸部、背部、腹部及臀部,由于冷却服长度未完全覆盖臀部,因此取有效面积百分比的一半,经过学者研究,人体各部分部位有效面积百分比,胸部、背部、臀部有效面积百分比分别为:10.2%、9.2%、6.6%。因此,人体有效面积百分比系数为:N=10.2%+9.2%+3.3%=22.7%

  A=22.7%*1.7283=0.392m

  (2)服装面积系数

  服装面积系数的含义是着装后外表面积与裸体时人体外表面积的比值,其值大于1。服装面积系数公式为:

  f=1.0+0.15R

  式中:fct为服装面积系数,无量纲;

  Rct服装基本热阻,clo。

  可以看出,服装面积系数与基本热阻呈线性关系,服装的基本热阻指的是皮肤到服装表面的热阻,人体着装后,体表面积会增大,这会对热阻的取值带来一定的影响,测定服装热阻的常用方法有暖体假人测试法和计算法。根据传热学知识,热阻在数值上是换热系数的倒数,因此:cclh R/1,1clo=0.155℃·m2/W,带入上式得:f=1.0+0.97/h。式中:hc为衣服外表面与空气间的对流换热系数

  (3)对流换热系数

  在自然对流的条件下,h受人体温度和环境温度的影响,并与其两者差值成正比关系。由公式可以看出,温差越大,对流换热系数越大。对流换热系数也受环境风速的影响,不同的风速会导致对流换热系数也不尽相同,对流换热系数与环境风速也是成正比关系。即:

  h=max{2.38(t-t),12.1}

  式中:t着装人体外表平均温度,℃;

  ta为人体周围环境温度,℃;

  v为环境风速,m/s

  根据不同的应用条件,即工作人员在不同的风速中以及不同的工作姿势都会有不一样的结果。因此,一些科研人员开始对这些因素进行研究,最后研究结果绘制成表2.2.2在表中明显看到对流换热系数是受工作者的工作姿势以及风速的影响的。因为我们矿井工作人员主要以站立姿势为主,因此,我们选择站立的姿态。我们假设矿井在没有实行通风降温的环境,高温的环境温度为40度,人体舒适的温度为25度,环境风速取值为0.1m/s,根据我们的两种条件查询表格,确定对流换热系数为4.根据上文计算得到的对流换热系数为4.68,与表格中的4相差不大,考虑误差的存在,我们可以选取前文计算的数据进行使用。

  表2.2.2对流换热系数

  对流换热系数提出者适用条件说明

  (4)服装有效对流面积系数

  服装有效面积是指完全能跟空气接触的部分的面积,所以服装有效面积收到工作人员工作姿势的影响。由于工作姿势有各种各样,而且又是从事矿井生产作业,因此,我们只考虑站立式的工作姿势。通常看,工作人员站立时候服装有效面积是最大的,这也是我们研究站立式工作姿态的一个重要因素。通常情况下,工作人员站立工作时的服装有效对流面积系数为94.2%,综上,我们决定取f为94.2%。

  (5)人体-防护服系统与环境的对流换热量

  人体-防护服系统与环境的对流换热量由上文的公式计算

  Q=fAh(T-T)f

  上文得出人体有效面积为0.392m,环境温度和人体适宜温度分别取40度和25度有效对流换热系数确定为4.68,服装面积有效系数为94.2%,代入数据计算得到对流交换热是16.34W。

  2.2.3人体-防护服系统与外界的辐射换热

  (1)环境辐射温度

  大自然中到处都存在着能量的交换,自然中的任何物体都会向外界环境散放辐射热,而环境吸收这些热量的同时也会向这些物体散放辐射热量,自然环境向物体散放热量的温度称之为环境辐射温度,取其平均数值即为平均环境辐射温度。人体与外界物体的辐射换热受物体结构的影响,比如冬天的水和冰,相对而言冰比水带走人体的热量会更多。因此我们在涉及防护服的同时考虑到这些因素。平均辐射换热温度的求取非常复杂,由于我们和物体都不是形状规则以及表面温度均匀的研究对象,因此。想要求取平均环境温度,就要假设人是黑体这种理想的状态。由于我们要研究的是针对矿井热害的冷却背心,为了尽可能的模拟矿井下的工作温度,我们把T定为40℃。

  (2)着装人体表面平均发射率

  任何物体都会向外界环境散发辐射热,物体的不同当然会造成发射率的不同,发射率的含义就是在相同条件下,物体向外界环境发射能力相对于理想状态下的黑体散射能力的比值。一般而言,服装的发射率约为0.95,由于人体着装,所以不考虑皮肤的发射能力。

  (3)有效辐射面积系数

  有效辐射面积系数指的是能够与外界环境完全有效接触的部分的面积。比如衣服在褶皱的情况下就会造成有效面积系数减小,而工人在工作时不能确保始终保持衣服表面的平整性,站立的情况下有效辐射面积系数会达到最大值,根据实验可测的此时的有效辐射面积的系数约是0.77,其他一些工作姿势都会引起衣服发生褶皱,从而使有效辐射面积系数的减小。因为本文主要研究的冷却背心是要应用到矿井生产工作中去,工人大多时间都是站立状态,综上,我们只考虑站立的工作状态。

  研究辐射换热之前,我们首先要计算一个下文要用到的辐射换热系数,根据有关公式

  h=4ε?(273.2+)f

  可以进行计算,

  式中:ε为着装人体表面平均发射率,无量纲;

  σ为玻尔兹曼常数,取值为5.67×10W/(m·K);

  f为有效对流面积系数.

  自然中的能量交换也是无处不在,人通过摄取食物来获得能量,然后分解食物来维持各项基本生理活动的正常进行和体温的维持。大自然中的能量交换也是如此,一切物体都会向外界放射辐射热量,放热的同时当然也会吸收热量,冷却服吸收的热量过多时就会引起冷却服的冷量的损失。根据波尔斯曼定律计算辐射换热量为:

  Q=hAf(T-T)

  式中:Q为辐射换热量,W;

  h为辐射换热系数,W/(m2·K);

  f服装面积系数,无量纲,为1.24

  T服装外表面温度,℃;

  T环境辐射温度,℃;

  带入以上数据计算:

  h=4×0.95×5.67×10(273.2+32.5)×0.77=4.74w/(m·k)

  Q=4.74×1.24×0.392×(40-25)=34.56w

  得到辐射换热系数为4.74,辐射换热量为34.56。

  2.2.4呼吸造成的热损失

  人的呼吸会造成热量损失,损失热量的两个方面是呼吸显热损失和呼吸潜热损失。

  人体的呼吸就是体内的空气与外界环境中的空气互换的过程,当外界温度较高时,人体吸进身体的空气会带来一部分热量;外界温度较低时,吸进体内的空气就会带来一部分冷量。由于我们研究的是矿井下的工作高温环境,假设的温度为40度,所以人体会吸入外界环境高温的气体,从而使身体获得一部分热量,这部分热量我们称之为呼吸显热得热量人,则呼吸显热得热量为:

  E=0.0014M(T—T)

  T=29+0.2T

  式中:E为人体显热得热,W;

  T为人体呼气体的温度,℃;

  T为环境温度,℃;

  我们在呼吸过程中,由于体内空气与外界环境气体的温度不相同,会造成上文所属的热量交换,除此之外,在我们设定的40度的高温环境下,外界气体温度高于人体呼出气体温度,高温气体进入人体会是人体内一些液体蒸发,促使人体损失掉部分热量,这部分热量我们看做呼吸造成的潜热损失。查阅有关公式,呼吸潜热损失可近似表达为:

  E=1.7310M(P—P)

  式中:

  E为呼吸潜热损失,W;

  P为呼出气体的饱和水蒸气分压,Pa;

  P为环境中不饱和水蒸气分压,Pa

  本文是研究矿井下的热害防治问题,设定的温度为40度。根据杨晨雨《相变蓄冷材料填充式冷却服性能研究》得到,在不同温度下,水的饱和蒸气压是不同,在一定范围内,水的饱和蒸气压随温度的增加而增加,37度和40度的水的饱和蒸气压分别是6279Pa和7381Pa。将数据带入公式计算,得

  人体呼吸潜热损失为:E=1.73×10M(P-P)=1.67w

  人体呼吸显热得热量为:E=0.0014M(T-T)=0.22w

  2.2.5人体机械功

  人体从外界获取食物,通过消化分解得到能量。得到的能量除了用于基本的生理活动和维持体温的正常,还有一部分是用于人体日常生活的一些身体活动。人体所做的功要靠人体的新陈代谢来体现,新陈代谢维持着人体做功,当人体在进行跑步等剧烈活动时,呼吸速率会加快,因为体内要快速的利用氧气来分解能量维持身体的做功。由于食物摄取是的热量相比于其分解时的热量很小,此处我们选择忽略不计。人体机械功不好直接计算,我们考虑其与新陈代谢的关系,进一步研究其与氧气消耗量的关系因此,可以将测定新陈代谢率的大小转化为测定耗氧量,Nishi提出的计算方法是:

  M=352.2(0.23β+0.77)Q/A

  M——人体新陈代谢率,W/m;

  β——呼吸嫡,即同一时间内人体呼出CO,与耗氧量的体积比;

  Q——人体耗氧量;

  A——人体表面积,m,

  机械功表达式为:

  W=ηM

  通常情况下人们穿着冷却服都是出于工作的状态,但是由于工作的岗位和性质有差别,所以每个人的情况也不同。在只考虑轻度劳动的状态下,我们取测得新陈代谢率为140W/m。

  但是本文设计的冷却背心主要是应用于煤矿井下热害的防治措施,给煤矿职工降低温度,改善工作环境,提高生产效率。一般情况下,煤矿职工的工作量和工作强度还是比较大的,因此我们可以取新陈代谢率为重体力工作状态下的数值210W/m,对于炎热夏季,大众日常走动,M值相对小一些,取以3km/h的速度平地走动值140 2。同时为了冷却服能够有足够的降温时间,相变材料的量要充足,在计算时人体新陈代谢产生的热量应充分考虑其中,因此在此取新陈代谢速率为两种情况的平均值为175W/m。又考虑到工人不会一直高体力劳动等因素,所以我们决定取两个状态下的平均值为新陈代谢率。

  一般而言,人体对外的机械效率很低,不会超过20%。

  因此:W=70W

  2.4.6人体蒸发散热

  在矿井下的高温工作环境中,外界环境温度高于我们人体的舒适温度,为保持体温恒定,身体会通过毛孔分泌出汗水,此时外界环境高温会促使汗水蒸发,然后带走部分热量,降低人体体温这部分我们成为可敢蒸发。此外,还有不分泌汗水的皮肤表面也会有部分水分因为高温蒸发,我们基本感觉不到,这种形式的我们叫做不可感蒸发。人体的蒸发散热主要就是通过这两种途径。

  (1)可感蒸发

  在我们日常生活中,环境温度的突然升高会引起我们的生理体温调节,生理体温调节又是以排汗散热为主要散热方式,而排汗散热又收到劳动强度和外界环境温度的影响,所以不容易直接计算。根据有关学者做的回归实验分析,我们得到通过新陈代谢量和机械功来计算可感蒸发的公式:

  E=0.42(M-W-38.1)=89w

  式中:E为人体可干蒸发热损失,W;

  (2)不可感蒸发

  不可感蒸发指的是不是以汗水的形式蒸发散热,而是以人的身体皮肤表面的水分在高温环境下蒸发带走热量的方式。不可感蒸发的速率受身体温度和外界环境温度的差值的影响,差值越大,散热越快。根据不可感蒸发热交换公式:

  E=3.0510(254t-3335-P)

  式中:t人体皮肤温度,℃;

  P环境水蒸气分压力,P

  (3)人体蒸发热损失计算

  不可感蒸发受多个因素影响,外界环境温度的变化就有很大的影响。根据周浩《人体皮肤温度影响因素试验》文献结论,得到多数人人体皮肤为34.1度。上文提到的水在不同温度下的饱和蒸气压也会不同,查询资料得到:水在40度时的饱和蒸气压是7381Pa。取矿井下的湿度以60%为准,则此所以不饱和蒸气压为4428Pa。

  即:

  人体不可感蒸发热损失:E=3.05(254)=2.74w

  人体可感蒸发热损失为:E=0.42(M-W-38.1)=28.1w

  3.冷却背心结构设计与工作原理

  3.1相变冷却背心降温原理

  大自然中存在的一些物理变化和化学变化,往往都伴随着吸热或者放热。自然界中物质的三种存在形态即固态、液态和气态,三种形态在温度的影响下可以互相转化形态,转化形态的过程我们可以称之为相变过程。本文所设计的冷却服就是以相变材料发生相变的过程中吸收热量的原理来进行降温,人体的温度得到降低,舒适度和工作效率自然就有了保证。在离开工作面后,回到正常的环境,温度相比工作面的温度有所降低,相变材料就会放热发生相变,回到原来的形态,这样就形成了一个循环利用的过程。而且达到了我们实用性经济性的要求。冷却服的作用原理图如图3-1所示。

  相变材料融化吸热

  图3-1冷却服工作原理示意图

  3.2冷却背心设计和布料选择

  冷却背心的工作原理已经体现了实用性和经济性的优点,在设计冷却背心的同时也应该考虑到冷却背心的穿着方便性和舒适性。以为相变层要起到降温的作用,为了保护相变材料不受破损,我们不打算让它暴露在外边,而且防止相变材料降温出现过冷的意外,我们也不能让他直接接触皮肤,综上考虑,我们决定把相变冷却背心设计为三层。在最中间的一层放置相变降温材料,这样及保护了相变材料又防止了意外。最外面的一层最还是要起到一定的隔热作用,防止外界环境的热量进入衣内,也保护了衣内微气候区的冷量不会流失。最内层与人体皮肤直接接触,所以我们可以考虑穿着的舒适性。

  3.2.1隔热层

  最外层的设计有着几个作用,人体在高温环境下,由于外界环境高于人体体温,向外界环境散发热量较难,所以主要是保护相变材料不受破损和隔绝外界环境的热量以及保护衣内微气候区的冷量。聚氨酯全名为聚氨基甲酸酯,是一种高分子化合物。聚氨酯有聚酯型和聚醚型二大类。软质聚氨酯主要是具有热塑性的线性结构,隔热、隔音、抗震、防毒性能良好。硬质PU塑料质轻、隔音、绝热性能优越、耐化学药品、电性能好,易加工。”因此,考虑到隔热以及透气性问题选用软质聚氨酯处理过的纯棉布料。

  3.2.2相变层

  我们把相变材料放在最中间的一层,有最外层的隔热效果可以在衣内形成一个微气候区,实现人体降温的效果。由于相变材料要达到给人体降温的作用,需要我们设计时候考虑到传热性和透气性问题。现在可供选择的材料有很多,各种各样,而且各有所长,我们要本着经济适用安全可靠的原则来选取材料。目前绝大多数衣服采用的纯棉材质,不光是因为纯棉柔软和透气性较好,而且纯棉对人体的亲和力也很好。但是纯棉衣服也有它的缺点,比如穿着过程中会出现变形、缩水和褪色等问题。羊毛虽然毛质柔软,但是也有着缩水起球的缺点,而且成本较高。皮质的衣服表面光滑耐用、易洗易干,但是价格很贵,不利于我们大规模生产。尼龙虽然也有着表面光滑耐用的特点,但是由于他容易产生静电,而我们研究的冷却背心是要用于煤矿井下生产作业的,这会对我们矿井的安全生产造成很大的威胁,所以我们直接放弃这种材料的选取。聚酯纤维同样有着容易产生静电的特点以及容易是皮肤产生刺痒感的麻也不实用。

  综合考虑:纯棉材料是我们最合适的相变层材料。

  3.2.3内层

  内层位于我们的皮肤和相变材料之间,与我们的皮肤直接接触。因为本文设计的冷却背心是要投入煤矿井下使用的,所以首要考虑安全问题,井下穿着首先要防静电,这是我们必须首要想到的。其次由于跟我们的皮肤直接接触,所以我们要选取的材质不仅对我们的皮肤没有刺激和危害,还要尽可能的满足透气性和吸湿性。纯棉不仅防静电,而且对人体皮肤亲和力较好,尽管易产生缩水褶皱等问题,但是综合考虑还是优大于弊,所以选择棉布作为内层布料。

  3.2.4相变材料细节设计

  衣领是我们衣服的组成部分,他的设计在日常生活中通常以美观为主,常见的有三种领型,V领、圆领比较常见,而立领不为多见。但是这三种领型也是各有长短。一般来说,在炎热的夏天,我们习惯穿V领或者圆领的衣服,因为领口较大,便于空气流通,加快散热。但是因为我们要研究的冷却背心是应用于矿井中抵抗热害的,要在衣内形成一个微气候区,同时最大可能的防止外界的热量进入衣内,所以我们考虑立领作为降温背心的领口。

  肩部的设计也是我们需要考虑的一个方面,工作人员在矿井下需要进行体力作业,肩部可能会抗一些重物,因此我们要注意肩部设计对工人的保护以及肩部的磨损程度。煤矿井下的工作劳动强度是很高的,会经常扛一些重物,这就要用到我们的肩部,同时本文设计的冷却背心范围也包括肩部,所以这也是我们需要注意的问题。如果在肩部加入相变材料包,可能会由于重物被压坏,因此可以加入些减压的材质,以此来保护相变材料不受损坏。当然因为肩部面积较小,产热比例也不大,肩部可以不加入相变材料包,只加入一些减压的纤维物保护工人肩部即可。

  3.4冷却背心尺寸

  根据GB 5703中国成年人人体尺寸数据,考虑年龄为18—60周岁的成年男性各项数据中多数人参考标准,绘制数据表格如下:

  身体部位及名称尺寸单位

  胸围94.4 cm

  胸厚26.1 cm

  腰围85.9 cm

  最大肩宽48.6 cm

  肩高149.4 cm

  背长61.0 cm

  考虑胸部因加入相变材料会增加胸围,所以应根据需求适当增加胸围尺寸。

  4相变材料选择与用量计算

  4.1相变材料的选择

  相变材料既Phase change materials(PCM)是一种在特定的温度或温度范围内,通过其自身相态的变化吸收或释放热量,从而达到特定功能的一种物质。相变材料是冷却服工作的核心,相变材料比其他降温物质要有效得多,主要因为相变材料温度恒定且热效率较高等诸多优点,而要选择应用于冷却服的相变材料,必须掌握冷却服所需相变材料的要求,以及各类相变材料的性质、优势、缺点,以便能够找到最合理高效的相变材料。

  4.1.1相变材料的分类

  (1)按组成成分分类:

  按照相变材料的组成成分可以分为三类,常见的两种主要是有机材料和无机材料。另外一种虽然不常用,但是也是一种极为重要的相变材料顾名思义,其组成成分主要是要靠有机材料和无机材料来制备。不同的相变材料各有优劣,我们需要根据我们的需要来选择合适的相变材料。总结如下表:

  (2)按相变过程分类:

  按照相变过程可分为四种相变材料,这四种相变材料也是各有优劣,固液相变材料是现在较为普遍的一种相变材料。其他的固固相变、固气相变和液气相变三种材料也是极为重要的相变材料。由于固液及液气相变材料不满足工人工作的方便性和安全性,所以考虑另外两种相变过程。

  4.1.2冷却服相变材料的确定

  选取相变材料的四个基本要求:

  ①安全相变材料相变过程中产生的产物必须对人体无毒无腐蚀性、且不能过冷或过冷度小。

  ②效率PCM在相变过程中不能出现降解、变化,循环相变后性能变化小:相变前后体积变化不易过大;材料的温度必须保持在人体舒适温度范围内;较大的相变潜热。

  ③环保不可燃、无危险、不污染环境。

  ④成本材料来源广泛,易于生产;价格适当,经济效益好。

  根据以上为参考,最后经过综合考虑进行最终决策。

  相变材料的确定

  要选取合适的相变材料,就需要考虑相变材料的相变点、相变潜热、过冷度及凝胶性,氯化钠型蓄冷剂,成分为氯化钠、四硼酸钠、聚乙烯醇、戊二醛、柠檬酸。

  根据李生金的文献《冷却服填充用相变蓄冷材料特性研究》中的结论,氯化钠作为降温剂是不错的选择,氯化钠降温剂可以从上表中查看其各种性质。而且以氯化钠为降温剂的蓄冷剂凝胶制备也不算太麻烦,在恒温水浴50℃下的温度环境下,主要是成分是质量分数为2%的柠檬酸、7%的聚乙烯醇溶液、5%的氯化钠溶液、10%的戊二醛溶液和基液,加热4~5小时形成蓄冷剂水凝胶。

  4.1.3相变材料的封装

  相变材料与织物的融合方法有四种方式,以下表格是四种融合方法的具体介绍。

  融合方法含义

  熔融纺丝法熔融纺丝法是将PCM和纤维织物加热至融融状态,再通过喷丝孔射出到空气中冷凝成丝条,以此作为织物的原材料。

  ?轧法是将PCM与纤维结合性均好的聚甲基丙烯酸甲酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯作为黏合剂,分别通过一浸一轧的方式将PCM均匀整理到纯棉纯涤涤/棉织物上。

  涂层法是将含一定容量的PCM聚氨酯基直接涂覆在织物上,织物的调温性能强弱与PCM的含量有关,织物的相变焓随着PCM分数的增大而升高。

  微胶囊法是将一定相变温度范围的相变材料用物理或化学方法包覆起来制成粒径在微米级别的常态稳定的核-壳结构的固体颗粒,通过直接纺丝或织物表面整理法将相变微胶囊与织物结合

  另外我们要考虑到在高温环境中,我们要考虑冷却服每一层的特点,根据每一层的特点和作用,我们给每一层的设计也不同。在最内层主要是考虑舒适性和透气性的纯棉材质的布料,中间的相变层主要用透气性和吸湿性较好的纯棉布料,最外层要考虑到隔热性要好的纯棉材料。最后相变材料封装选用导热性能良好的TPU薄膜。

  4.2 PCM的分布设计与用量计算

  冷却服的相变材料分布方式对于工作人员的整体着装舒适度有重要影响,材料布置整体上分为纵向布置和横向布置,两种布置方法各有其优缺点。比如纵向布置会导致工作人员挤压到相变材料及胸部,造成工作不便,但是易于换取,布置简单。变得效果较好。但是横向布置换取不方便。最后应根据实际情况选择横纵结合的相变材料布置方式。

  3600·2·S=3600·2[(M-W-W)-(E+E)-E+Q+Q+E]=m·q

  式中:m为相变材料的用量,kg;

  q相变材料的相变潜热,KJ/kg;

  计算m为=1.16Kg

  由于考虑到实际的制冷量的损失,实际相变材料用量可略大于1.16Kg。

  区域胸部胸部以下肩部背部

  排列方式横向横向横向纵向

  PCM包个数23×15 10个

  21×15 8个20×7 12个23×30 4个

  21×30 4个

  总数38个

  5.矿井作业中的可用性评估

  5.1实验方案的确定

  由于矿山湿度达到了100%,实验室很难完全模拟实地环境,本实验很难在人工气候室里进行。因此我们在实地选择10名来自夏甸金矿的中国工人参加实验。要求受试者在特定工作地点和时间下进行实际工作。根据ISO 8996,代谢率可分为几类:平均代谢率为165W/m2,中等代谢率为130~200w/m2(Ⅱ级)。煤矿井下常见的工作活动也符合这一范围,这些分类在本研究中得到了应用。通过对皮肤含水率、汗液蒸发效率、蒸发冷却能力和最大出汗能力的关系的连续迭代,将受试者的Tre(直肠温度)、Tsk(皮肤温度)、SR(汗液)、HR(心率)等生理指标的实验观察值与没有穿戴降温服人员进行比较。

  5.1.1实验设计

  本次测试在某集团公司金矿采场独头巷道内进行,埋深-1080m;截面尺寸为3.5m×3.2m;巷道内空气温度在±0.3℃范围内为32~38℃;相对湿度在±5%范围内为90%~100%;风速在±0.3m/s范围内为0.1~1m/s,工作空间的空气速度约为0.1 m/s。相邻的硐室温度与实际工作地点相差不大,可以用于让受试者准备进行实验。

  受试者身穿降温服,在铲运机上工作120分钟,每隔10分钟记录一次受试者耳膜温度、心率、Tsk、Tre和出汗率等指标。因条件限制受试者仅有10名,并且需要未穿降温服的对照组,本研究将采用随机抽样,将十名待测人员进行从①到⑩的编号,从10名受试者中抽取1名作为对照组①,这名受试者除了未穿降温服,其他设备都跟另9名相同。在实验过程中记录受试者的耳膜温度,利用公式得出核心温度,即核心温度=耳膜温度+1.04℃。同时记录受试者心率以及身体各部位皮肤平均温度的变化,并与不穿降温服的各项参数比较,得出PCM降温服对井下人体机能的影响。

  5.1.2仪器选用

  井下测试使用仪器设备有:红外耳式体温计(昆山热映光电有限公司,测量范围:35℃~42℃,误差:±0.3℃),秒秒测智能医用体温计(秒测医疗设备有限公司,测量范围:32.0℃~42.0℃,误差:±0.1℃),温、湿度传感器,手持激光测距仪(森威电子有限公司),分体式风速风量计TM586(TECMAN),心率检测带,电子体重计(精度:0.01Kg)。

  5.2受试者

  我们从某金矿招募志愿者。首先对候选人进行健康状况标准化问卷调查,有热相关疾病史的受试者没有资格参加这项研究。之后,从劳动力库中招募了25名健康男性工人。所有招募的人员都有10年以上在井下从事体力劳动的经验。从综采队、综掘队和井下机电队、运输队的四种职业工人选择一种。根据安全经理和矿区工人的意见,肢体运动幅度过大的体力劳动者对于穿降温服比较犹豫,担心穿着时会影响作业人员操作的方便性,降低工作效率,增加安全隐患。而LHD(矿石运输作业)的作业人员肢体运动幅度较小,可接受降温服的实验测试,并且安全经理考虑到作业的安全与效率原因,建议本次试验可选择LHD工种测试。在参与研究之前,每位参与者都会收到实验的口头和书面解释,然后签署知情同意书。这个解释包括对实验程序和仪器的简要介绍,以及在工作场所上的预期活动。

  5.3井下测试结果

  5.3.1平均表面皮肤温度

  皮肤温度将通过带有热敏电阻的温度传感器片粘贴在皮肤表面测得,热敏电阻使用外科的、透水的胶带固定,并连接到受试者在试验期间携带的数据记录器。携带数据记录器可确保受试者在铲运机上工作能够自由活动以确保实验的准确性。