基于涂料反射隔热作用的改性安全帽降温性能研究_王云卿.pdf

45基于涂料反射隔热作用的改性安全帽降温性能研究*王云卿1李举鹏1陈明义2冀星光1杨嘉乐1赵嘉暄1陈悦3（1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 安全工程与应急管理学院，河北石家庄 050043；3.石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043）摘要采用实验室试验和 ANSYS 数值仿真法开展安全帽降温改性材料最佳配比的实验，并以石家庄季节气候条件模拟分析了季节特征温度和风速对安全帽降温效果的影响。结果表明：当 PET 涂料和新型纳米隔热涂料质量比为 13 时，降温幅度最大，为 11.6；普通安全帽与改性安全帽的温度云图均随着远离帽顶区域呈现出“层状分布”的降低趋势，且外界环境温度越高，改性安全帽降温效果越好；当风速低于 5m/s 时，改性安全帽降温效果显著，降温 1.43.2；随着风速的增大，太阳辐射吸收率急剧减小，安全帽热传递方式基本只存在与环境的对流换热，2 种安全帽的降温效果趋于相同。关键词安全帽反射降温涂料个体防护不安全行为热舒适性Research onthe cooling performance ofmodifiedsafetyhelmets based onthe reflective insulation effect of co-atingsWANG Yunqing1LI Jupeng1CHEN Mingyi2JI Xingguang1YANG Jiale1ZHAO Jiaxuan1CHEN Yue3（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang University of Railways，Shijiazhuang Hebei 050043，China）AbstractLaboratory tests and ANSYS numerical simulation were used to carry out experiments on the optimal ratioof safety helmet cooling modification materials，and the influence of seasonal characteristic temperature and windspeed on the cooling effect of safety helmets was simulated and analyzed with Shijiazhuang seasonal climate condi-tions.The results show that：When the mass ratio of PET coating and new nano thermal insulation coating is 13，the cooling range is the largest，11.6；the temperature clouds of both ordinary and modified helmets show a de-creasing trend of laminar distributionwith the area away fromthe top of the cap；the higherthe external environmenttemperature is，the better the temperature reduction effect of modified helmets is；when the wind speed was high，thetemperature reduction effect of modified helmets was better.when the wind speed is lower than 5 m/s，the modifiedsafety helmet cooling effect is significant，cooling 1.43.2；with the increase of wind speed，the solar radiation ab-sorption rate decreases sharply，the safety helmet heat transfer mode basically only exists with the environment con-vection heat exchange，the two kinds of safety helmet cooling effect tends to be the same.Key wordssafety helmetreflective cooling coatingindividual protectionunsafe behaviorthermal comfort0引言物体打击是我国建筑生产安全的高发事故之一1-2，而不佩戴或不规范佩戴安全帽是导致其频发的重要原因3，作业人员正确佩戴安全帽能有效降低此类不安全事故的发生4-5。在夏季户外作业或者高温作业过程中，作业人员因劳动会产生大量热量，在头部与安全帽间能够形成高热环境，佩戴热舒适性差的安全帽易造成作业人员安全生理异常、安全心理消极，导致不佩戴或不规范佩戴安全帽等不安全行为6，进而造成防护作用的丧失和伤害性事故的发生。因此，改良安全帽的热舒适性，对于提升作业人员佩戴安全帽的积极性以及预防物体打击事故等具有重要意义。近年来，国内外学者针对安全帽的散热降温特性开展了深入研究。目前主要通过风冷、液冷散热两类技术进行安全帽散热性能改进。在风冷散热方面，王海顺等7-8分析了温度分布特征，并设计了一款顶式风机吹风散热可降温安全帽；戴阳9则在安全帽靠近帽檐侧加装叶片式风扇进行吹风降温。在液冷散热方面，梁国治等10-11研究了安全帽内蓄冷材料的制备方法，在安全帽壳内表面粘装蓄冷袋吸收热量。然而，开孔加装风机或粘装蓄冷袋等技术一定程度*基金项目：石家庄铁道大学大学生创新创业训练计划项目（S202110107085）。2023 年第 49 卷第 3 期March 202346上会破坏安全帽的结构和强度，弱化安全帽的防护功能，并且往往需要额外能源消耗，操作不便。为此，有学者将具有降温性能的涂料应用于安全帽热舒适性改进中12-13。辐射型隔热降温涂料能够以热辐射的形式把物体吸收的日照光线和热量发射到空气中，可以达到较好的散热降温效果14-15。然而，针对温度等外界环境对安全帽降温涂料性能的影响，还需要开展深入研究。基于石家庄季节气候条件，论文采用实验室试验和ANSYS数值仿真技术，研究确定了安全帽辐射降温改性涂料的最佳配比，并进一步模拟分析了温度及风速对改性涂料辐射降温效能的影响。研究工作对于安全帽降温涂料的应用研发以及性能检测具有理论指导意义。1实验内容1.1反射隔热降温涂料的最佳配比试验实验采用新型纳米反射隔热涂料和 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）涂料，将二者以一定质量比混合制成反射降温改性涂料。其中，新型纳米隔热材料化学性能稳定，几乎不受热量、湿度等外部环境影响，对红外线和紫外线的反射率可达 90%以上；PET 涂料具有较强的柔顺性和耐候性，同时能够对红外线和紫外线进行高效反射，将吸收的太阳光热量辐射发散到大气中，使安全帽内部保持适宜温度。实验选用同一批次的塑钢安全帽，利用红外加热灯模拟自然光照，红外灯置于距安全帽顶端 3 cm处垂直照射。将温度自记仪置于安全帽中部，温度数据采集周期设置为 1min。采集时长为 120min。安全帽底部采用厚度为 30 mm 泡沫板密封，隔绝外部空气与帽内空气的对流传热。此外，在安全帽一侧设置定向定速吹风仪，模拟外界环境的风流运动。热环境实验测试装置示意图见图 1。图 1安全帽热环境实验测试装置示意首先设置普通安全帽空白对照组，进行 3 次平行实验，分别采集 0120 min 时间段内的温度变化，并取 3 次最终稳定温度的平均值作为参考数据，其次保持光照强度、时长、风速不变，根据正交理论，设置PET涂料和新型纳米反射隔热涂料质量比分别为10、11、12、13、14 等 5 组实验，在不同质量比下分别进行 3 次平行实验，并取稳定温度的平均值作为基础数据。石家庄夏季典型气象日的日平均风速为0.9m/s16，本实验将风速设为 1 m/s 的软风条件。1.2数值模拟实验实验运用 SolidWorks 软件进行建模，根据实际测量的安全帽尺寸，建立与室内实验所采用的安全帽 11 的物理模型，考虑人脑处于高温环境时，认知能力会受到明显的干扰和损害，尤其是复杂的认知能力，为直观反映安全帽温度对人脑区域温度的影响，基于人体头部在安全帽内所处实际区域，在安全帽物理模型内构造半径为 85mm，高为 135mm的圆柱体，建立安全帽内头部模型。采用 ANSYS 软件进行自动网格划分，得到网格模型结构，并使用温度探针，记录人头部区域的温度变化，如图 2 所示。温度探针气孔温度探针40mm135 mm图 2安全帽模型基于室内实验测量的数据，设置普通安全帽和最佳配比的改性安全帽模型参数。脑部区域设置为空气，涂料与安全帽热传方式为热传导，安全帽外部与周围空气传热方式为自然对流，安全帽内的空气流动为低速流动，传热方式为热辐射。根据斯蒂芬波尔兹曼方程，q=A1F12（T41-T42）式中，q为热流率；为辐射率（黑度）；为斯蒂芬波尔兹曼常数，约为 5.6710-8W/（m2K）；A1为辐射面1 的面积；F12为由辐射面 1 到辐射面 2 的形状系数；T1为辐射面1的绝对温度；T2为辐射面2的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的，太阳辐射对于安全帽的积热影响难以计算，故将其简化为热流的形式，即对安全帽施加热流与对流换热，安全帽内壁与脑部区域热辐射采用Face-to-Face 模型。施加温度场载荷，仿真模拟时间设置为 120 min。472基础参数测定2.1材料基础参数利用赛默飞世尔科技有限公司的傅里叶变换红外光谱仪测试普通白色安全帽试片的反射率，结果见图 3。选取大气窗口中的热红外波段（813 m）13的平均发射率 98%作为基础参数。图 3普通安全帽试片反射率光谱2.2热环境物理参数根据中国气象台数据，获得石家庄市 2021 年每月最高气温，结合材料特性，利用Fluent辐射模型中Solar Calculator 计算对应月份的对地辐射理论最大值，作为热流密度，见图 4。图4石家庄市2021年月份最高温度及安全帽热流密度分布普通安全帽及改性安全帽的导热系数和比热容采用凯戈纳斯仪器商贸（上海）有限公司的Hot-Disk热常数分析仪，使用块体模块，所获得的结果的温度升高、特征时间、误差均在可接受范围内，测试结果如表 1 所示。表 1模型材料特性不同模型厚度/m导热系数/(W m-1K-1)密度/(kgm-3)比热容/(Jkg-1K-1)发射率/%普通安全帽0.003 20.924 41 8001147.098涂料 1:30.001 00.333 51 800163.0空气0.024 21.2251 006.43结果与分析3.1涂料最佳配比的确定由于安全帽受持续恒定光照时长为 2h时，帽内温度基本稳定7，因此，将热环境物理参数设置为：光照强度 8 000 lx、风速 1 m/s、光照时长为 2 h，在此环境下模拟安全帽的辐射得热过程。不同配比涂料的改性安全帽内部温度随时间的变化曲线如图 5 所示。在相同的外界环境条件下，类似于普通安全帽，改性安全帽内部温度随时间也呈现出先快速增加、而后缓慢升高最后趋于稳定的变化趋势。然而，不同安全帽的升温幅度略有差异。在强光辐射作用下，普通安全帽温升幅度为 24.8，而 5 种改性安全帽的升温幅度为 13.219.5，与普通安全帽相差5.311.6。其中，当涂料配比为13时，改性安全帽的温升曲线最为平缓、且升温幅度最小，为 13.2。当时间达到 40