液冷服的散熱性能研究

液冷服的散熱性能研究

在護(hù)送勞工的外部活動(dòng)中，艙外天衣是保障孕婦安全最重要的個(gè)人救援設(shè)備，其中通風(fēng)罐服是艙外天衣的重要組成部分。20世紀(jì)60年代,美國(guó)航空航天局(NASA)在“雙子座計(jì)劃”(Geminiprogram)中證實(shí)通風(fēng)冷卻不能充分移除航天員的代謝產(chǎn)熱,并開(kāi)始了液冷服的研制與應(yīng)用。液冷服由服裝基體、換熱管網(wǎng)等部分組成,其主要功能是帶走人體代謝產(chǎn)熱,保證人體在艙外服內(nèi)穿著的熱舒適性,使航天員能夠高效工作。一直以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液冷服的研究主要集中在液冷服各部位的局部冷卻效率、冷卻液的分配及流動(dòng)形式等問(wèn)題。潛熱型功能熱流體是由傳統(tǒng)的單相傳熱流體和微/納米級(jí)別的相變顆?；旌隙傻囊活?lèi)兩相傳熱工質(zhì),包括相變材料微乳液、相變材料微膠囊懸浮液等等。由于相變顆粒在相變過(guò)程中釋放/吸收較大的相變潛熱,使得此類(lèi)流體具有較高的儲(chǔ)熱與對(duì)流換熱能力。研究結(jié)果表明,潛熱型功能熱流體的對(duì)流換熱Nu數(shù)是單相流體的1.5～3倍,無(wú)量綱壁面溫度減小至單相流體的50%。對(duì)于液冷服性能來(lái)說(shuō),以潛熱型功能熱流體替代傳統(tǒng)的單相冷卻液具有的潛在優(yōu)勢(shì)如下:1)較高的對(duì)流換熱性能可以提高液冷服的散熱效果,滿(mǎn)足更大代謝產(chǎn)熱的需要;2)較小的流量就能達(dá)到足夠的散熱需求,降低了泵的功耗;3)避免冷卻液入口溫度過(guò)低或出口溫度過(guò)高,在相變過(guò)程中溫度基本保持恒定的特性可以使人體皮膚溫度分布更加均勻,提高航天員的熱舒適性;4)較高的相變潛熱可以適應(yīng)大范圍的散熱負(fù)荷,減少航天員對(duì)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的反復(fù)操作,影響系統(tǒng)熱平衡。錢(qián)曉明等對(duì)微膠囊相變?nèi)闋钜旱牧鲃?dòng)及傳熱特性進(jìn)行了分析,指出了將其作為液冷服的冷卻液的構(gòu)想。本研究基于Pennes生物熱方程建立人體軀干部位與液冷服間的傳熱模型,比較了潛熱型功能熱流體作為液冷服冷卻介質(zhì)的人體散熱量、所需流量和功耗,冷卻效率以及航天員的熱舒適性,旨在為航天液冷服散熱能力及人體熱舒適性方面的研究提供參考。1材料的材料及計(jì)算主要針對(duì)人體軀干穿著通風(fēng)液冷服的情況分析計(jì)算,將其抽象成圓柱體,從內(nèi)到外分為核心層、肌肉層、脂肪層和皮膚層,具體尺寸劃分參見(jiàn)Smith模型。外部液冷服是由內(nèi)衣層、液冷管路和通風(fēng)氣體組成,如圖1所示。本文對(duì)于人體各組織的傳熱采用經(jīng)典的Pennes熱模型,該模型在導(dǎo)熱方程的基礎(chǔ)上考慮了組織的代謝產(chǎn)熱、血液與組織間的灌注換熱等因素。在數(shù)學(xué)模型的建立中做了如下假設(shè):1)由于人體自身的熱調(diào)節(jié)機(jī)制使人體內(nèi)部溫度幾乎保持恒定的37℃附近,因此假設(shè)核心層溫度為37℃;2)假設(shè)環(huán)境溫度與服裝溫度差別不大,忽略通過(guò)內(nèi)衣的輻射換熱;3)對(duì)于基本代謝產(chǎn)熱狀態(tài),假設(shè)人體表面無(wú)顯式出汗。Pennes穩(wěn)態(tài)熱模型如下式所示ki(d2Tdr2+1rdTdr)+hmi+hbi=0(1)ki(d2Τdr2+1rdΤdr)+hmi+hbi=0(1)其中hm和hb分別為新陳代謝產(chǎn)熱和血液灌注產(chǎn)熱,i=m,f,s分別表示肌肉層,脂肪層和皮膚層。hb=vρbCb(1-κ)(Ta-T)(2)v為組織的血液灌注率,ρb為血液密度,Cb為血液比熱。κ為表示血液與組織之間不完全換熱的常數(shù),其值在0到1之間。從圖1中可以看出,人體通過(guò)皮膚的熱量主要通過(guò)內(nèi)衣層被通風(fēng)氣體和冷卻液帶走,其數(shù)學(xué)模型為:q˙s=η1ks,1(T1?Ts)+(1?η1)ks,v(Tv?Ts)(3)q˙s=η1ks,1(Τ1-Τs)+(1-η1)ks,v(Τv-Τs)(3)其中η1為對(duì)內(nèi)衣層的液冷管路面積系數(shù),ks,1和ks,v分別為皮膚-冷卻液的傳熱系數(shù)和皮膚-通風(fēng)氣體的傳熱系數(shù),可以通過(guò)熱阻法進(jìn)行計(jì)算,如:1ks,1=ln(rc/rs)2πλc+ln(rti/rto)2πλt+12παin(4)1ks,1=ln(rc/rs)2πλc+ln(rti/rto)2πλt+12παin(4)式(4)中右邊三項(xiàng)分別為基礎(chǔ)服裝導(dǎo)熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻以及冷卻液對(duì)流的傳熱熱阻。冷卻液通過(guò)管壁吸收來(lái)自人體和通風(fēng)氣體的熱量,其方程為:m˙1Cp1=dT1dx=η2ks,1(Ts?T1)+(1?η2)kv,1(Tv?T1)(5)m˙1Cp1=dΤ1dx=η2ks,1(Τs-Τ1)+(1-η2)kv,1(Τv-Τ1)(5)其中η2為液冷管路的內(nèi)衣層面積系數(shù),kv,l為皮膚-通風(fēng)氣體的傳熱系數(shù)。仿真計(jì)算中采用的代謝量、血液灌注率、各項(xiàng)人體組織物性等參數(shù)均來(lái)自于文獻(xiàn),液冷服管路為Apollo飛行采用的內(nèi)徑3mm、外徑5mm、間距20mm的管路布置。本文根據(jù)液冷服常用的溫度區(qū)間,選擇了十六烷(C16H34)和十七烷(C17H36)兩種相變材料進(jìn)行了分析計(jì)算,其相變參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)連續(xù)相(水)和離散相(相變顆粒)各自的物性參數(shù)以及相變顆粒質(zhì)量濃度φ,可以計(jì)算不同濃度下潛熱型功能熱流體的密度和導(dǎo)熱系數(shù),具體公式見(jiàn)文獻(xiàn)。將相變熱效應(yīng)等效為隨溫度變化的流體的比熱容特性是潛熱型功能熱流體分析計(jì)算的常用方法,本文采用了與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線(xiàn)最為接近的正弦型有效比熱特性,在相變溫度區(qū)間內(nèi)(T1≤T≤T2),計(jì)算公式如下:Cp(T)=Cpb+πL2(T2?T1)sin(πT?T1T2?T1)(6)Cp(Τ)=Cpb+πL2(Τ2-Τ1)sin(πΤ-Τ1Τ2-Τ1)(6)其中Cpb=φCpcm+(1-φ)Cwater。圖2顯示了含有20%十七烷的潛熱型功能熱流體和水的有效比熱曲線(xiàn)。流體在圓管內(nèi)輸送時(shí)克服延程阻力的功率N計(jì)算公式如下:N=qv△P=128μLq2vπd4(7)Ν=qv△Ρ=128μLqv2πd4(7)qv為體積流量,L和d分別為管道長(zhǎng)度和直徑,μ為流體動(dòng)力粘度系數(shù)。潛熱型功能熱流體的粘度常用Vand模型計(jì)算μ=μf(1-φv-1.16φ2v)-2.5(8)μf和φv分別為基液粘度和顆粒相的體積濃度。2結(jié)果與討論2.1流量對(duì)液冷服熱能力的影響圖3顯示了液冷服入口溫度為20℃時(shí),采用不同濃度的十七烷功能熱流體的液冷服散熱量隨著流體流量的變化?？梢钥闯?散熱量隨著流量的增大而提高,但是當(dāng)流量較大時(shí)曲線(xiàn)呈漸進(jìn)形式,此時(shí)繼續(xù)增大流量,散熱能力并不能相應(yīng)的持續(xù)增加。液冷服的散熱能力隨著流體中相變材料的濃度的升高而增大,在低流量(0～10.0kg/h)的情況下,濃度為5%,10%和20%潛熱型功能熱流體的散熱量比水分別提高4.0%,7.4%和12.4%。另一方面,當(dāng)人體散熱量一定的情況下,如散熱量為55W的情況下,濃度5%,10%和20%功能流體所需要的流量分別為水的70.7%,54.4%和39.8%,相應(yīng)的功耗分別為水的58.2%,35.5%和35.9%。因此采用潛熱型功能熱流體可以大大減小所需的流體流量和泵功,從而縮小整個(gè)主動(dòng)溫控液冷系統(tǒng)的體積重量。2.2潛熱型功能熱流體的熱特性改變液冷服的散熱能力主要依靠調(diào)節(jié)進(jìn)口液溫來(lái)實(shí)現(xiàn)的,如Apollo飛行中液冷系統(tǒng)的進(jìn)口液溫是根據(jù)不同的工作負(fù)荷分檔劃定的。圖4顯示了流量為30kg/h時(shí),液冷工質(zhì)為水,20%的十七烷功能熱流體,20%的十六烷功能熱流體,以及同時(shí)含有10%十七烷和10%十六烷的功能熱流體在入口溫度5～25℃變化時(shí)的液冷服散熱能力?？梢钥闯?水的散熱能力與入口溫度呈線(xiàn)性關(guān)系,與文獻(xiàn)中的結(jié)果相似;而潛熱型功能熱流體散熱能力的變化趨勢(shì)則受入口溫度的影響較大:在冷卻液入口溫度略低于相變溫度時(shí),十六烷和十七烷功能流體表現(xiàn)出最高的相對(duì)冷卻能力,其中十六烷功能熱流體在15℃入口溫度時(shí)與水在10℃入口溫度的冷卻能力相當(dāng),十七烷功能熱流體在20℃入口溫度時(shí)相當(dāng)于水在16.5℃入口溫度的冷卻能力;還可以看出,雖然含有十七烷和十六烷各10%的功能熱流體的相對(duì)冷卻能力峰值較小,但是其有效工作的溫度范圍比較大。因此,對(duì)于熱負(fù)荷較高的情況,利用潛熱型功能熱流體可以使用相對(duì)較高的入口溫度,避免局部過(guò)冷引起的皮膚血管收縮,導(dǎo)熱系數(shù)降低等問(wèn)題,進(jìn)而提高航天員的舒適性。平均皮膚溫度是影響人體熱舒適性的重要指標(biāo),皮膚溫度的范圍和溫度梯度也是影響人體舒適性的重要因素。圖5顯示了十六烷功能熱流體在15℃入口溫度時(shí)與水在10℃入口溫度時(shí)(流量為30kg/h,散熱量相同),沿冷卻液流動(dòng)方向上的皮膚平均溫度和冷卻液的溫度變化曲線(xiàn)。可以看出,經(jīng)過(guò)冷卻管路的潛熱型功能熱流體的溫升遠(yuǎn)小于水,同時(shí)人體皮膚的溫度變化較小也在一定程度上提高了舒適性。2.3比熱隨水/ts-tin液冷服的冷卻效率(ε)定義為實(shí)際制冷能力(Qa)與潛在的最大制冷能力(Qmax)的比值。對(duì)于傳統(tǒng)的單相傳熱介質(zhì)來(lái)說(shuō),可以用進(jìn)出口溫度(Tin,Tout)與平均皮膚溫度(Ts)之間的關(guān)系來(lái)表示ε=(Tout-Tin)/(Ts-Tin),而由于比熱隨溫度變化的原因,此式對(duì)于潛熱型功能熱流體并不適用,適用的計(jì)算式為:ε=∫inoutCeff(T)dT/∫insCeff(T)dT(9)ε=∫inoutCeff(Τ)dΤ/∫insCeff(Τ)dΤ(9)圖6顯示了入口溫度為20℃時(shí),水和十七烷功能熱流體的冷卻效率隨流量的變化?？梢钥闯?液冷服的冷卻效率(對(duì)應(yīng)于左側(cè)坐標(biāo)軸),隨著質(zhì)量流量的增大而不斷降低;在流量較低時(shí)(小于15.0kg/h),潛熱型功能熱流體的冷卻效率較高,而在流量較大時(shí)則低于水的冷卻效率。但從圖6也可以看出,所有流量下的潛熱型功能熱流體的散熱量(對(duì)應(yīng)于右側(cè)坐標(biāo)軸)皆高于水,因此應(yīng)用潛熱型功能熱流體的液冷服冷卻效率并不能體現(xiàn)其冷卻效果。2.4微膠囊的熱舒適性基于Pennes瞬態(tài)熱模型可以研究當(dāng)人體代謝率變化時(shí)各點(diǎn)溫度變化,如下式所示:ρCp?T?t=k(?2T?r2+1r?T?r)+hm+hb(10)ρCp?Τ?t=k(?2Τ?r2+1r?Τ?r)+hm+hb(10)當(dāng)航天員進(jìn)行高負(fù)荷出艙活動(dòng)時(shí)伴隨著高代謝率,圖7顯示了在流體入口的溫度20℃和流量30kg/h的情況下,人體連續(xù)經(jīng)過(guò)狀態(tài)1,2,3的皮膚溫度變化曲線(xiàn)。其中,狀態(tài)1(0～10min):基本代謝熱的平衡狀態(tài);狀態(tài)2(10～30min):肌肉代謝率提高到200W;狀態(tài)3(30min后):恢復(fù)到基本代謝率?？梢钥闯?代謝熱突然增大后,皮膚溫度迅速升高,代謝量恢復(fù)到基本代謝產(chǎn)熱后,皮膚溫度又迅速恢復(fù)。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱載荷突然增大時(shí),采用潛熱型功能熱流體的動(dòng)態(tài)溫升低于水,而熱載荷恢復(fù)后皮膚溫度又可以更快速恢復(fù),說(shuō)明采用潛熱型功能熱流體的液冷服對(duì)于代謝產(chǎn)熱的波動(dòng)具有較強(qiáng)的熱緩沖能力,有利于改善航天員的熱舒適性。工程實(shí)際應(yīng)用的相變材料微膠囊,除了需要選擇適合的相變溫度之外,還需要選擇合適的壁材以及顆粒粒徑以避免泵循環(huán)中出現(xiàn)微膠囊破裂的問(wèn)題。研究結(jié)果表明,壁材為蜜胺樹(shù)脂的微膠囊具有較好的致密性和機(jī)械強(qiáng)度,顆粒越小越不易破裂,粒徑5～10μm的微膠囊經(jīng)7000余次循環(huán)后仍十分穩(wěn)定。3潛熱型功能熱流體的優(yōu)點(diǎn)基于Pennes生物熱方程建立了人體軀干部穿著通風(fēng)液冷服的傳熱模型,對(duì)潛熱型功能熱流體作為液冷服冷卻液的傳熱性