相變蓄冷材料包間隙對冷卻服熱濕傳遞特性的影響

姬長發(fā)，許 多，李美晨，楊晨雨

（西安科技大學(xué)，能源學(xué)院，陜西 西安710054）

高溫是日常生活和許多行業(yè)中不可避免的環(huán)境因素，它會引起人員缺氧、抗荷耐力降低、注意力分散、記憶力減弱、反應(yīng)靈活性下降等一系列生理心理問題，嚴(yán)重影響人員的心理情緒和身體健康，降低生活質(zhì)量和工作效率[1]。理論上主要有2 種解決途徑：一是增加人體的散熱；二是減少輸入人體的熱量[2]。人體的散熱機(jī)制主要是靠汗液的分泌、蒸發(fā)、輻射、對流等途徑來散發(fā)熱量，但人體長時間處于高溫環(huán)境，人體的散熱機(jī)制會大大降低，這時候需要借助外部的降溫措施。常用辦法是降低周圍環(huán)境的溫度，采用空調(diào)制冷[3]。但是在一些特殊情況下，如穿著密閉性防護(hù)服，直升飛機(jī)的駕駛室，工業(yè)爐窯檢修煉鋼地坑清渣，烈日下的交通崗等，利用空調(diào)制冷來降低人體溫度代價太昂貴或很難實現(xiàn)，這時候就需要對個體進(jìn)行降溫[4]。個體冷卻系統(tǒng)按冷卻方式的不同一般分為氣體冷卻服、液冷服及相變冷卻服等。目前，各個行業(yè)對冷卻服的需求越來越多，許多學(xué)者致力于研究調(diào)節(jié)方便、便于攜帶、結(jié)構(gòu)簡單的冷卻服[5-8]。韋帆汝等[9]研制了一種基于相變材料和微型通風(fēng)風(fēng)扇的新型便攜式個體混合冷卻服，采用出汗暖體假人，深入研究了冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境條件下的冷卻性能。朱方龍[10]根據(jù)多層熱防護(hù)服裝的傳熱特性，構(gòu)建了含相變材料層的熱防護(hù)服裝系統(tǒng)模型，討論了相變材料的融點對服裝熱防護(hù)性能的影響程度。針對人體冷卻服的研究主要集中在服裝的冷卻性能、人體舒適度實驗[11-13]等。為此，選取研制的相變蓄冷材料（Phase Change Cold Storage Material 簡稱PCCSM）填充冷卻服，運用數(shù)值模擬方法研究不同的PCCSM 分布間隙對冷卻服熱防護(hù)和濕擴(kuò)散的影響，找出最優(yōu)化的PCCSM 分布間隙，同時滿足人體濕散發(fā)及熱防護(hù)的要求。

1 相變冷卻服的式樣及其填充的相變蓄冷材料

1.1 相變冷卻服的式樣

設(shè)計的高溫防護(hù)服以身高175 cm，體重為65 kg 的25 周歲成年男子為標(biāo)準(zhǔn)，男子身體尺寸見表1。高溫防護(hù)服款式如圖1。

表1 男子身體尺寸Table 1 Man’s body dimensions

圖1 高溫防護(hù)服款式Fig.1 High temperature protective clothing style

高溫防護(hù)服采用立領(lǐng)結(jié)構(gòu)，袖子采用插肩袖結(jié)合插角連接，側(cè)縫處采用4 條松緊調(diào)節(jié)方式，袖口為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)袖采用松緊羅紋袖口，外袖采用松緊式結(jié)合魔術(shù)貼設(shè)計，側(cè)縫、腋下部分采用單層多孔纖維織物設(shè)計。其他不同身高規(guī)格的可以在此基礎(chǔ)上對舒適層、隔熱層等進(jìn)行稍許修改即可。

1.2 相變蓄冷材料

相變蓄冷材料以7%的聚乙烯醇溶液、10%的戊二醛溶液、2%的檸檬酸（催化劑）作為相變蓄冷劑的基液，三者質(zhì)量配比為：20∶1.1∶1，在基液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液（降溫劑）及5%的四硼酸鈉溶液（成核劑），制成成蓄冷劑水凝膠，其相變溫度為-6.5 ℃[14]。蓄冷劑樣品如圖2。

圖2 蓄冷劑樣品Fig.2 Samples of coolant

2 PCCSM的填充形式及尺寸

2.1 PCCSM 填充形式及規(guī)格

高溫防護(hù)服PCCSM 分布如圖3。由圖3 可知，防護(hù)服衣領(lǐng)、袖子、側(cè)縫處均不添加PCCSM，只在1～6 區(qū)域添加PCCSM，防護(hù)服各區(qū)域尺寸見表2。

圖3 高溫防護(hù)服PCCSM 分布Fig.3 PCCSM distribution of high temperature protective clothing

表2 防護(hù)服各區(qū)域尺寸Table 2 Size of each area of protective clothing

從表2 可看出，防護(hù)服1～6 區(qū)域最小尺寸為17 cm，最大尺寸為44 cm。根據(jù)規(guī)格尺寸確定PCCSM包的規(guī)格為8 cm×2 cm，防護(hù)服各區(qū)域溫包的排布及數(shù)量見表3。

表3 防護(hù)服各區(qū)域溫包的排布及數(shù)量Table 3 Distribution and number of thermal packs in various areas of protective clothing

根據(jù)防護(hù)服軀干部位的6 個區(qū)域面積及PCCSM 包縱橫尺寸，確定PCCSM 包排布個數(shù)為258 個，根據(jù)相變材料的用量、密度及有無沉降現(xiàn)象，確定PCCSM 包的厚度為12 mm；間隙量的確定需要根據(jù)人體熱防護(hù)及散濕性能進(jìn)行數(shù)值模擬，確定出最優(yōu)的間隙量。

2.2 防護(hù)服分層結(jié)構(gòu)

防護(hù)服由內(nèi)到外的分布層次為：外層、PCM 層、內(nèi)層（舒適層）、人體皮膚。舒適層和外層織物結(jié)構(gòu)為多孔纖維，相變材料在服裝內(nèi)能降低人體皮膚溫度，但同時也會阻礙人體熱濕通過織物空隙散發(fā)至外界空氣，因此高溫防護(hù)服PCCSM 包的分布設(shè)計對于人體熱舒適性尤為重要。人體熱濕通道示意圖如圖4。

圖4 人體熱濕通道示意圖Fig.4 A schematic diagram of the hot and wet passage of the human body

在PCCSM 覆蓋區(qū)，人體皮膚汗液蒸發(fā)形成的水蒸氣通過舒適層后，由于PCCSM 層的阻擋不易排出。PCCSM 包之間需要保留一定距離，提供人體汗液蒸發(fā)水蒸氣的孔隙通道。由此得出PCCSM 間隙量的大小直接影響到人體余濕的散發(fā)，間隙量越大，人體余濕散發(fā)越容易。另一方面，PCCSM 包間隙分布過大，與PCCSM 包接觸的舒適層與間隙處的舒適層溫度分布不均勻，間隙過大會導(dǎo)致間隙處被熱輻射擊穿，服裝的熱舒適性變差，因此需要PCCSM 包之間的間隙越小越好。因此需要找出最優(yōu)化的PCCSM分布間隙，同時滿足人體濕散發(fā)及熱防護(hù)的要求。

3 PCCSM 包間隙優(yōu)化模擬

3.1 熱防護(hù)性能及濕傳遞性能模型

熱防護(hù)性能模型如圖5，防護(hù)服濕傳遞模型如圖6。

圖5 熱防護(hù)性能模型Fig.5 Thermal protection performance model

圖6 防護(hù)服濕傳遞模型Fig.6 Wet transfer model of protective clothing

織物層為370 mm×5 mm 的矩形，密封罩的尺寸為370 mm×50 mm，PCCSM 包大小為80 mm×15 mm，分別以2、4、6、8、10 mm 建立5 種間隙量模型。模擬初始時刻，PCCSM 包與織物溫度為25 ℃，人體微環(huán)境溫度為33.5 ℃，外界空氣溫度為40 ℃。濕傳遞計算中，將密封罩分為370 mm×50 mm 等體積的兩部分，上側(cè)為37 ℃的飽和水蒸氣，模擬人體出汗時汗液蒸發(fā)，下側(cè)為40 ℃時的不飽和水蒸氣，相對濕度為60%，模擬夏季水蒸氣的含量，①點測量水蒸氣透過的速率，界面①測量水蒸氣的質(zhì)量流量。

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在Ansys mesh 下劃分網(wǎng)格，傳熱模型與傳濕模型均采用Automatic Method 法劃分網(wǎng)格，Defaults 面板下選擇Fluent 解算，Relevance 為100，Size 面板下Max Face Size 與Max Size 均為0.001 m，不設(shè)置膨脹層，熱傳遞模型網(wǎng)格劃分如圖7，濕傳遞模型網(wǎng)格劃分如圖8，2 種模型網(wǎng)格劃分的正交質(zhì)量如圖9。

圖7 熱傳遞模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Grid division of heat transfer model

圖8 濕傳遞模型網(wǎng)格劃分Fig.8 Grid division of wet transfer model

圖9 2 種模型網(wǎng)格劃分的正交質(zhì)量Fig.9 Orthogonal mass of grid division of two models

從圖9 可看出，2 種網(wǎng)格質(zhì)量劃分正交質(zhì)量均達(dá)到0.78 以上，因此網(wǎng)格質(zhì)量良好，可以進(jìn)行解算。

定義相變材料及織物的屬性，相變材料相變潛熱為20 250 J/kg，相變溫度為-5 ℃，黏度為20 000 kg/（m·s），織物的密度為50 kg/m3，比熱容2 500 J/（kg·K），熱導(dǎo)率0.084 J/（m·K）。

Heat-in 邊界定義為恒溫壁面Wall，溫度恒定為313 K，織物與罩內(nèi)空氣的接觸面（Heat-out）、織物與相變材料的接觸面（Heat-out1）、相變材料與空氣的接觸面（Heat-out2） 為耦合傳熱邊界，定義為Wall，Thermal 面板下設(shè)為Couple，其余邊界定義為絕熱邊界。

定義相變材料和織物初始溫度為298 K，空氣溫度為306.5 K，非穩(wěn)態(tài)時間步數(shù)為7 200 s，時間步長為1 s，150 s 記錄1 次數(shù)據(jù)。

Cell Zone Conditions 下定義織物區(qū)域為多孔區(qū)域，黏滯阻力系數(shù)（Viscous Resistance）x 方向設(shè)為20 000，y 方向設(shè)為2 000，即讓水蒸氣沿著縱向傳遞，多孔系數(shù)（Porosity）為1×10-5；其余區(qū)域定義為各自的材質(zhì)，保持默認(rèn)。

Press_in 為壓力入口（pressure-inlet），人體出汗時皮膚表面的水蒸氣分壓力，以37 ℃飽和水蒸氣壓力計算為6 275.37 Pa，Press_out 為壓力出口（Pressoutlet），夏季空氣以40 ℃時相對濕度為60%的不飽和空氣計算為3 765.2 Pa，多孔織物壓力入口側(cè)（zhiwu_inside）及壓力出口側(cè)（zhiwu_outside）為多孔跳躍邊界（porous-jump），其中多孔介質(zhì)厚度為5 mm，壓降系數(shù)為502 000，其余邊界條件為壁面（Wall），各參數(shù)保持默認(rèn)。

4 模擬數(shù)據(jù)處理

4.1 溫度模擬

不同間隙量下間隙處與PCCSM 包處溫差如圖10。不同間隙量下間隙的傳熱量如圖11。

圖10 不同間隙量下間隙處與PCCSM 包處溫差Fig.10 Temperature difference between gap and PCCSM package under different gap amount

圖11 不同間隙的傳熱量Fig.11 Heat transfer between different gaps

由圖10 可以看出，隨著時間的延長，間隙處與溫包處的溫差先增大后減小。其中2 mm 間隙量下的溫差曲線最為平緩，8 mm 與10 mm 溫差曲線比較接近，但2 mm 間隙與4 mm 間隙下的溫差曲線差別較大，說明2 mm 間隙的防護(hù)效果與4 mm 間隙的防護(hù)效果相比，差異很大，并且這種差異并不是呈線性的降低?？傻贸觯? mm 間隙的熱防護(hù)效果最優(yōu)，4 mm 間隙的熱防護(hù)效果次之，但同2 mm 間隙相比有很大的衰減，8 mm 間隙與10 mm 間隙的熱防護(hù)效果接近，同6 mm 間隙量相比，衰減程度減小。

從圖11 可以看出，2 mm 間隙的傳熱量最小，說明2 mm 間隙對熱流的阻擋效果最好；其次為4 mm；隨著間隙量的增大，間隙處的傳熱量逐漸增大，4 mm 間隙較之于2 mm 間隙，6 mm 間隙較之于4 mm 間隙處的傳熱量均有較大的增幅，但在6 mm 間隙量之后，傳熱量的增幅不大，趨于平緩。

綜上所述：2 mm 間隙量下有較好的防護(hù)效果，隨著間隙量的增大，防護(hù)效果越來越差，但8 mm 間隙與10 mm 間隙的防護(hù)效果相當(dāng)，可以假設(shè)，當(dāng)間隙量增至一定程度，就相當(dāng)于將相變材料暴露于熱環(huán)境中，熱防護(hù)效果會趨于定值。從熱防護(hù)性考慮，2 mm 間隙的降溫效果是最優(yōu)的，但間隙量過小會增加人體濕阻，因此還需要從傳濕方面考慮間隙量的大小。

4.2 濕度模擬分析

不同間隙的濕傳遞速度曲線及速度變化曲線如圖12。

圖12 不同間隙的濕傳遞速度曲線及速度變化曲線Fig.12 Wet transfer velocity curves in different gaps

由圖12（a）～圖12（e）可看出，各圖像呈左右對稱結(jié)構(gòu)兩端處速率最大，中間的3 處峰值為間隙處的速率；分析得出出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：雖然模擬時每組實驗的間隙量是相等的，但中間3 處間隙與邊界處的2 個間隙的動壓值是不同的。并且可看出10 mm 間隙量下間隙處的速率最大，說明該間隙下的濕傳遞效果最好，其次為8 mm 的間隙量，2 mm間隙量下的濕傳遞效果最差。

從圖12（f）看出，2 mm 間隙與4 mm 間隙速度差距最大，為0.043 59 m/s；且速度速度增長較快，4 mm 間隙之后，間隙處速率的增長量逐漸變小，8～10 mm 間隙的增長率為8%以內(nèi)。這就表明，隨著間隙量的增大，水蒸氣透過織物的速率增長趨勢逐漸減緩，可以假設(shè)，當(dāng)間隙量足夠大時，水蒸氣的滲透率逐漸趨于定值，該定值為無溫包阻擋時的水蒸氣透過速率。

5 結(jié) 語

通過對2、4、6、8、10 mm 5 種間隙PCCSM 包的間隙量防護(hù)服的熱、濕傳遞的模擬及分析，得出PCCSM 包的間隙量大小對防護(hù)服的熱防護(hù)性有很大的影響，間隙量小時，防護(hù)服的熱防護(hù)能力增強(qiáng)，同時也會削若服裝的濕散發(fā)能力；間隙量增大，服裝的濕阻減小，但防護(hù)服的熱防護(hù)能力減弱。

當(dāng)間隙量為2 mm 時，使得織物的散濕性能變差；4 mm 的間隙量較2 mm 間隙量下的散濕性能有較大的改變，水蒸氣的滲透速率有很大的提高；但從6～8 mm 的間隙量下，水蒸氣的滲透速率的提高很有局限?？梢酝茢?，2 mm 的間隙量不能滿足人體的散濕需求，4～10 mm 間隙的散濕效果都有較大的改良。

對比傳熱性能，4、6、8 mm 間隙均能滿足熱防護(hù)性需求，10 mm 間隙量由于間隙量大，會被外界高溫所擊穿，因此不宜采用，在4～8 mm 的間隙量中，4 mm 間隙的熱防護(hù)效果最好，而且傳濕性能又比較優(yōu)良，綜合分析傳熱及傳濕，得出4 mm 間隙為最優(yōu)化的PCCSM 包分布間隙，既能兼顧防護(hù)服的熱防護(hù)性，同時對濕傳遞也具有很好的效果。