Thermal manikin evaluation of PCM cooling vests

• Autorzy: Bendkowska W. , Kłonowska M. , Kopias K. , Bogdan A.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie manekina termicznego do oceny kamizelek chłodzących zawierających PCM

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

To diminish a worker’s thermal discomfort in a moderately hot environment, a new microclimate cooling vest was designed and tested. The cooling vest was intended to be worn under a chemical protective garment. As coolants, encapsulated phase change materials in the form of macrocapsules of 3 mm diameter were used. The cooling effect is based on the latent heat absorption of phase change material; a highly-productive means of thermal storage. Two kinds of macrocapsules were selected: containing hexadecane (melting point 18 °C) and containing octadecane (melting point 28 °C). MacroPCMs were inserted into small knitted sacks, which were then adhered to the inner surface of the vest i.e. near the skin. Air gaps between the macroPCM particles facilitate both heat and moisture transport through the vest. The total weight of the cooling vest was 2.64 kg, the vest area comprising about 20% of the total body surface area. A stationary thermal manikin consisting of 16 electrically independent heating segments was used to evaluate the cooling effectiveness performance of the vests. Experiments were carried out in a climatic chamber where the air temperature was 20 °C, the relative humidity 50% RH, and the air velocity 0.4 m/s. The results of the experiments demonstrated that the vest containing a mixture of macrocapsules with hexadecane and macrocapsules with octadecane had the best cooling characteristic.

PL

W celu zmniejszenia dyskomfortu termicznego u pracowników wykonujących umiarkowany wysiłek (240 – 300 W) fizyczny w odzieży ochronnej, zaprojektowano i wykonano prototyp kamizelki chłodzącej zawierającej materiał przemiany fazowej (PCM) w formie makrokapsułek o średnicy 3 mm. W badaniach użyto dwóch rodzajów makrokapsułek: zawierających oktadekan (temperatura topnienia 28 °C) i zawierających heksadekan (temperatura topnienia 18 °C). PCM zawarty w makrokapsułkach pochłania ciepło generowane przez organizm użytkownika odzieży ochronnej i hamuje wzrost temperatury mikroklimatu pod odzieżą ochronną. Woreczki z dzianiny poliestrowej zawierające kapsułki z materiałem przemiany fazowej były przymocowane do wewnętrznej powierzchni kamizelek z tkaniny bawełnianej i znajdowały się w pobliżu skóry użytkownika odzieży. Luźna struktura dzianiny oraz szczeliny powietrzne między makrokapsułkami PCM ułatwiają transport zarówno wilgoci jak i ciepła przez kamizelkę. Masa kamizelki wynosi 2.64 kg, a pole jej powierzchni wynosi około 20 % całkowitego pola powierzchni organizmu użytkownika. Skuteczność chłodzenia kamizelek oceniano posługując się stacjonarnym 16-to elementowym manekinem termicznym Diana, o kształcie i wymiarach dorosłej kobiety. Pomiary prowadzono w komorze klimatycznej w warunkach opisanych w normie PN ISO 15831, tj. przy temperaturze powietrza 20 ± 1 °C i wilgotności względnej 50 ± 3% oraz średniej prędkości przepływu powietrza: 0.4 ± 0.1 m/s. Kamizelka chłodząca umieszczona była na manekinie pod jednoczęściowym kombinezonem chroniącym przed środkami chemicznymi. Na podstawie wyników tych badań można powiedzieć, że najkorzystniejszą charakterystykę chłodzenia ma kamizelka z czynnikiem chłodzącym w postaci mieszaniny makrokapsułek z oktadekanem i makrokapsułek z heksadekanem.

Słowa kluczowe

EN

thermal manikin; phase change material; thermal comfort; cooling vests; cooling process effectiveness

PL

manekin termiczny; materiał fazowo-zmienny; komfort termiczny; kamizelki chłodzące; efektywność procesu chłodzenia

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Fibres & Textiles in Eastern Europe
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 18, no. 1 (78)
• Strony: 70--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Bendkowska W.

• Department of Knitting Technology and Structure of Knitted Products Technical University of Lodz, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, Poland

autor

Kłonowska M.

• Department of Knitting Technology and Structure of Knitted Products Technical University of Lodz, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, Poland

autor

Kopias K.

• Department of Knitting Technology and Structure of Knitted Products Technical University of Lodz, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, Poland

autor

Bogdan A.

• Central Institute of Labor Protection, Department of Ergonomics ul. Czerniakowska 16, 00-701, Poland, Warsaw

Bibliografia

• 1. Havenith G.; Heat balance when wearing protective clothing, Ann. Occup. Hyg., 43 (1999) 5, pp. 289-296.
• 2. Nunneley S.A.; Heat stress in protective clothing. Scand. J. Work Environ. Health, 15 (1989) Supplement 1, pp. 52-57.
• 3. Konz S.A.; Personal cooling garments – a review, ASHRAE Trans., 90 (1984) 6, pp. 499-517.
• 4. Bennett B.L, Hagan R.D. Huey K.A., Minson C., Cain D.; Comparison of two cool vests on heat strain reduction while wearing a firefighting ensemble, Eur. J. Appl. Physiology, 70 (1995) 4, pp. 322-328.
• 5. Carter J.B., Banister E.W., Morrison J.B.; Effectiveness of rest pauses and cooling in alleviation of heat stress during simulated fire-fighting activity, Ergonomics, 42 (1999) 2, pp. 299-313.
• 6. Carter J.M., Rayson M.P., Wilkinson D.M., Richmond V., Blacker S.; Strategies to combat heat strain during and after firefighting, J. Therm. Biol. 32 (2007) 2, pp. 109-116.
• 7. House J.R., Lunt H., Magness A., Lyons J.; Testing the effectiveness of techniques for reducing heat strain in royal navy nuclear, biological and chemical cleansing stations’ teams. J. R. Nav. Med. Serv., 89 (2003) 1, pp. 27-34.
• 8. McLellan T.M., Frim J.; Efficacy of air and liquid cooling during light and heavy exercise while wearing NBC clothing, Aviat. Space Environ. Med., 70 (1999) 8, pp. 802-811.
• 9. Vallerand A.L., Michas R.D., Frim J., Ackless K.N.; Heat balance of subjects wearing protective clothing with a liquidor air-cooled vest. Aviat. Space Environ. Med., 62 (1991) 4, pp. 383-391.
• 10. Banta G.R., Braun D.E.; Heat strain during at-sea helicopter operations and the effect of passive microclimate cooling. Aviat. Space Environ. Med., 63 (1992) 9, pp. 881-885.
• 11. Bishop P.A., Nunneley S.A., Constable S.H.; Comparisons of air and liquid personal cooling for intermittent heavy work in moderate temperatures, AIHA Journal, 52 (1991) 5, pp. 393-397.
• 12. Zalba B., Marin J.M., Cabeza L.F., Mehling H.; Review on thermal energy storage with phase change materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering, 23 (2003), pp. 251 -283.
• 13. Farid M.M., Khudhair A.M., Razack S.A.K., Al-Hallaj S.; A review on phase change energy storage: materials and applications, Energy Conversion and Management, 45 (2004), pp. 1597-1615.
• 14. Mondal S.; Phase change materials for smart textiles – An overview, Applied Thermal Engineering, 28 (2008), pp. 1536-1550.
• 15. Himran S., Suwong S.; Characterization of alkanes and paraffin waxes for application as phase change energy storage medium, Energy Sources, 16 (1994) 2, pp. 117-128.
• 16. Nishihara N., Tanabe T., Hayama H., Komatsu M.; A cooling vest for working comfortable in a moderately hot environment, J. Physiol. Anthropol. 21 (2002) 1, pp. 75-82.
• 17. Ueno S., Sawada S.; Estimation of cooling effect of ice packs by thermal manikin, Proceedings of the 12th International Conference on Environmental Ergonomics, ICEE 2007, Mekjavic I.B., Kounalakis S.N. & Taylor N.A.S. (Ed.). Piran, Slovenia. August 2007, Biomed, Ljubljana (2007), pp. 447-450.
• 18. Pause B.; Nonwoven protective garments with thermoregulating properties, J. Ind. Text., 33 (2003) 2, pp. 93-99.
• 19. Holmer I., Gao Ch., Kuklane K.; Improved thermal comfort with a personal cooling vest, Proceedings of the 11th International Conference, Indoor Air 2008, Copenhagen, Denmark, 17-12 August 2008.
• 20. Colvin D.P., Bryant Y.G.; Microclimate cooling garment, US Patent 5,415,222, May 1995.
• 21. Bendkowska W., Kłonowska M., Kopias K., Bogdan A.; Badania skuteczności kamizelek chłodzących zawierających materiały przemiany fazowej, za pomocą manekina chłodzącego, Polski Przegląd Medycyny Lotniczej, Vol. 14 (4), (2008).
• 22. EN ISO15831 Clothing – Physiological effects – Measurement of thermal insulation by means of a thermal manikin.
• 23. Sarier N., Onder E.; The manufacture of microencapsulated phase change materials suitable for design of thermally enhanced fabrics, Thermochimica Acta, Vol.452, (2007), pp. 149-160.