液冷服的散热性能研究

液冷服的散热性能研究

在护送劳工的外部活动中，舱外天衣是保障孕妇安全最重要的个人救援设备，其中通风罐服是舱外天衣的重要组成部分。20世纪60年代,美国航空航天局(NASA)在“双子座计划”(Geminiprogram)中证实通风冷却不能充分移除航天员的代谢产热,并开始了液冷服的研制与应用。液冷服由服装基体、换热管网等部分组成,其主要功能是带走人体代谢产热,保证人体在舱外服内穿着的热舒适性,使航天员能够高效工作。一直以来,国内外学者对液冷服的研究主要集中在液冷服各部位的局部冷却效率、冷却液的分配及流动形式等问题。潜热型功能热流体是由传统的单相传热流体和微/纳米级别的相变颗粒混合而成的一类两相传热工质,包括相变材料微乳液、相变材料微胶囊悬浮液等等。由于相变颗粒在相变过程中释放/吸收较大的相变潜热,使得此类流体具有较高的储热与对流换热能力。研究结果表明,潜热型功能热流体的对流换热Nu数是单相流体的1.5～3倍,无量纲壁面温度减小至单相流体的50%。对于液冷服性能来说,以潜热型功能热流体替代传统的单相冷却液具有的潜在优势如下:1)较高的对流换热性能可以提高液冷服的散热效果,满足更大代谢产热的需要;2)较小的流量就能达到足够的散热需求,降低了泵的功耗;3)避免冷却液入口温度过低或出口温度过高,在相变过程中温度基本保持恒定的特性可以使人体皮肤温度分布更加均匀,提高航天员的热舒适性;4)较高的相变潜热可以适应大范围的散热负荷,减少航天员对调节开关的反复操作,影响系统热平衡。钱晓明等对微胶囊相变乳状液的流动及传热特性进行了分析,指出了将其作为液冷服的冷却液的构想。本研究基于Pennes生物热方程建立人体躯干部位与液冷服间的传热模型,比较了潜热型功能热流体作为液冷服冷却介质的人体散热量、所需流量和功耗,冷却效率以及航天员的热舒适性,旨在为航天液冷服散热能力及人体热舒适性方面的研究提供参考。1材料的材料及计算主要针对人体躯干穿着通风液冷服的情况分析计算,将其抽象成圆柱体,从内到外分为核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层,具体尺寸划分参见Smith模型。外部液冷服是由内衣层、液冷管路和通风气体组成,如图1所示。本文对于人体各组织的传热采用经典的Pennes热模型,该模型在导热方程的基础上考虑了组织的代谢产热、血液与组织间的灌注换热等因素。在数学模型的建立中做了如下假设:1)由于人体自身的热调节机制使人体内部温度几乎保持恒定的37℃附近,因此假设核心层温度为37℃;2)假设环境温度与服装温度差别不大,忽略通过内衣的辐射换热;3)对于基本代谢产热状态,假设人体表面无显式出汗。Pennes稳态热模型如下式所示ki(d2Tdr2+1rdTdr)+hmi+hbi=0(1)ki(d2Τdr2+1rdΤdr)+hmi+hbi=0(1)其中hm和hb分别为新陈代谢产热和血液灌注产热,i=m,f,s分别表示肌肉层,脂肪层和皮肤层。hb=vρbCb(1-κ)(Ta-T)(2)v为组织的血液灌注率,ρb为血液密度,Cb为血液比热。κ为表示血液与组织之间不完全换热的常数,其值在0到1之间。从图1中可以看出,人体通过皮肤的热量主要通过内衣层被通风气体和冷却液带走,其数学模型为: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为对内衣层的液冷管路面积系数,ks,1和ks,v分别为皮肤-冷却液的传热系数和皮肤-通风气体的传热系数,可以通过热阻法进行计算,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)中右边三项分别为基础服装导热热阻、管壁导热热阻以及冷却液对流的传热热阻。冷却液通过管壁吸收来自人体和通风气体的热量,其方程为: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为液冷管路的内衣层面积系数,kv,l为皮肤-通风气体的传热系数。仿真计算中采用的代谢量、血液灌注率、各项人体组织物性等参数均来自于文献,液冷服管路为Apollo飞行采用的内径3mm、外径5mm、间距20mm的管路布置。本文根据液冷服常用的温度区间,选择了十六烷(C16H34)和十七烷(C17H36)两种相变材料进行了分析计算,其相变参数见表1。根据连续相(水)和离散相(相变颗粒)各自的物性参数以及相变颗粒质量浓度φ,可以计算不同浓度下潜热型功能热流体的密度和导热系数,具体公式见文献。将相变热效应等效为随温度变化的流体的比热容特性是潜热型功能热流体分析计算的常用方法,本文采用了与实验测试曲线最为接近的正弦型有效比热特性,在相变温度区间内(T1≤T≤T2),计算公式如下: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。图2显示了含有20%十七烷的潜热型功能热流体和水的有效比热曲线。流体在圆管内输送时克服延程阻力的功率N计算公式如下:N=qv△P=128μLq2vπd4(7)Ν=qv△Ρ=128μLqv2πd4(7)qv为体积流量,L和d分别为管道长度和直径,μ为流体动力粘度系数。潜热型功能热流体的粘度常用Vand模型计算μ=μf(1-φv-1.16φ2v)-2.5(8)μf和φv分别为基液粘度和颗粒相的体积浓度。2结果与讨论2.1流量对液冷服热能力的影响图3显示了液冷服入口温度为20℃时,采用不同浓度的十七烷功能热流体的液冷服散热量随着流体流量的变化。可以看出,散热量随着流量的增大而提高,但是当流量较大时曲线呈渐进形式,此时继续增大流量,散热能力并不能相应的持续增加。液冷服的散热能力随着流体中相变材料的浓度的升高而增大,在低流量(0～10.0kg/h)的情况下,浓度为5%,10%和20%潜热型功能热流体的散热量比水分别提高4.0%,7.4%和12.4%。另一方面,当人体散热量一定的情况下,如散热量为55W的情况下,浓度5%,10%和20%功能流体所需要的流量分别为水的70.7%,54.4%和39.8%,相应的功耗分别为水的58.2%,35.5%和35.9%。因此采用潜热型功能热流体可以大大减小所需的流体流量和泵功,从而缩小整个主动温控液冷系统的体积重量。2.2潜热型功能热流体的热特性改变液冷服的散热能力主要依靠调节进口液温来实现的,如Apollo飞行中液冷系统的进口液温是根据不同的工作负荷分档划定的。图4显示了流量为30kg/h时,液冷工质为水,20%的十七烷功能热流体,20%的十六烷功能热流体,以及同时含有10%十七烷和10%十六烷的功能热流体在入口温度5～25℃变化时的液冷服散热能力。可以看出,水的散热能力与入口温度呈线性关系,与文献中的结果相似;而潜热型功能热流体散热能力的变化趋势则受入口温度的影响较大:在冷却液入口温度略低于相变温度时,十六烷和十七烷功能流体表现出最高的相对冷却能力,其中十六烷功能热流体在15℃入口温度时与水在10℃入口温度的冷却能力相当,十七烷功能热流体在20℃入口温度时相当于水在16.5℃入口温度的冷却能力;还可以看出,虽然含有十七烷和十六烷各10%的功能热流体的相对冷却能力峰值较小,但是其有效工作的温度范围比较大。因此,对于热负荷较高的情况,利用潜热型功能热流体可以使用相对较高的入口温度,避免局部过冷引起的皮肤血管收缩,导热系数降低等问题,进而提高航天员的舒适性。平均皮肤温度是影响人体热舒适性的重要指标,皮肤温度的范围和温度梯度也是影响人体舒适性的重要因素。图5显示了十六烷功能热流体在15℃入口温度时与水在10℃入口温度时(流量为30kg/h,散热量相同),沿冷却液流动方向上的皮肤平均温度和冷却液的温度变化曲线。可以看出,经过冷却管路的潜热型功能热流体的温升远小于水,同时人体皮肤的温度变化较小也在一定程度上提高了舒适性。2.3比热随水/ts-tin液冷服的冷却效率(ε)定义为实际制冷能力(Qa)与潜在的最大制冷能力(Qmax)的比值。对于传统的单相传热介质来说,可以用进出口温度(Tin,Tout)与平均皮肤温度(Ts)之间的关系来表示ε=(Tout-Tin)/(Ts-Tin),而由于比热随温度变化的原因,此式对于潜热型功能热流体并不适用,适用的计算式为:ε=∫inoutCeff(T)dT/∫insCeff(T)dT(9)ε=∫inoutCeff(Τ)dΤ/∫insCeff(Τ)dΤ(9)图6显示了入口温度为20℃时,水和十七烷功能热流体的冷却效率随流量的变化。可以看出,液冷服的冷却效率(对应于左侧坐标轴),随着质量流量的增大而不断降低;在流量较低时(小于15.0kg/h),潜热型功能热流体的冷却效率较高,而在流量较大时则低于水的冷却效率。但从图6也可以看出,所有流量下的潜热型功能热流体的散热量(对应于右侧坐标轴)皆高于水,因此应用潜热型功能热流体的液冷服冷却效率并不能体现其冷却效果。2.4微胶囊的热舒适性基于Pennes瞬态热模型可以研究当人体代谢率变化时各点温度变化,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)当航天员进行高负荷出舱活动时伴随着高代谢率,图7显示了在流体入口的温度20℃和流量30kg/h的情况下,人体连续经过状态1,2,3的皮肤温度变化曲线。其中,状态1(0～10min):基本代谢热的平衡状态;状态2(10～30min):肌肉代谢率提高到200W;状态3(30min后):恢复到基本代谢率。可以看出,代谢热突然增大后,皮肤温度迅速升高,代谢量恢复到基本代谢产热后,皮肤温度又迅速恢复。对比结果发现,热载荷突然增大时,采用潜热型功能热流体的动态温升低于水,而热载荷恢复后皮肤温度又可以更快速恢复,说明采用潜热型功能热流体的液冷服对于代谢产热的波动具有较强的热缓冲能力,有利于改善航天员的热舒适性。工程实际应用的相变材料微胶囊,除了需要选择适合的相变温度之外,还需要选择合适的壁材以及颗粒粒径以避免泵循环中出现微胶囊破裂的问题。研究结果表明,壁材为蜜胺树脂的微胶囊具有较好的致密性和机械强度,颗粒越小越不易破裂,粒径5～10μm的微胶囊经7000余次循环后仍十分稳定。3潜热型功能热流体的优点基于Pennes生物热方程建立了人体躯干部穿着通风液冷服的传热模型,对潜热型功能热流体作为液冷服冷却液的传热性