相变蓄冷材料包间隙对冷却服热湿传递特性的影响

姬长发，许 多，李美晨，杨晨雨

（西安科技大学，能源学院，陕西 西安710054）

高温是日常生活和许多行业中不可避免的环境因素，它会引起人员缺氧、抗荷耐力降低、注意力分散、记忆力减弱、反应灵活性下降等一系列生理心理问题，严重影响人员的心理情绪和身体健康，降低生活质量和工作效率[1]。理论上主要有2 种解决途径：一是增加人体的散热；二是减少输入人体的热量[2]。人体的散热机制主要是靠汗液的分泌、蒸发、辐射、对流等途径来散发热量，但人体长时间处于高温环境，人体的散热机制会大大降低，这时候需要借助外部的降温措施。常用办法是降低周围环境的温度，采用空调制冷[3]。但是在一些特殊情况下，如穿着密闭性防护服，直升飞机的驾驶室，工业炉窑检修炼钢地坑清渣，烈日下的交通岗等，利用空调制冷来降低人体温度代价太昂贵或很难实现，这时候就需要对个体进行降温[4]。个体冷却系统按冷却方式的不同一般分为气体冷却服、液冷服及相变冷却服等。目前，各个行业对冷却服的需求越来越多，许多学者致力于研究调节方便、便于携带、结构简单的冷却服[5-8]。韦帆汝等[9]研制了一种基于相变材料和微型通风风扇的新型便携式个体混合冷却服，采用出汗暖体假人，深入研究了冷却服在温热环境条件下的冷却性能。朱方龙[10]根据多层热防护服装的传热特性，构建了含相变材料层的热防护服装系统模型，讨论了相变材料的融点对服装热防护性能的影响程度。针对人体冷却服的研究主要集中在服装的冷却性能、人体舒适度实验[11-13]等。为此，选取研制的相变蓄冷材料（Phase Change Cold Storage Material 简称PCCSM）填充冷却服，运用数值模拟方法研究不同的PCCSM 分布间隙对冷却服热防护和湿扩散的影响，找出最优化的PCCSM 分布间隙，同时满足人体湿散发及热防护的要求。

1 相变冷却服的式样及其填充的相变蓄冷材料

1.1 相变冷却服的式样

设计的高温防护服以身高175 cm，体重为65 kg 的25 周岁成年男子为标准，男子身体尺寸见表1。高温防护服款式如图1。

表1 男子身体尺寸Table 1 Man’s body dimensions

图1 高温防护服款式Fig.1 High temperature protective clothing style

高温防护服采用立领结构，袖子采用插肩袖结合插角连接，侧缝处采用4 条松紧调节方式，袖口为双层结构，内袖采用松紧罗纹袖口，外袖采用松紧式结合魔术贴设计，侧缝、腋下部分采用单层多孔纤维织物设计。其他不同身高规格的可以在此基础上对舒适层、隔热层等进行稍许修改即可。

1.2 相变蓄冷材料

相变蓄冷材料以7%的聚乙烯醇溶液、10%的戊二醛溶液、2%的柠檬酸（催化剂）作为相变蓄冷剂的基液，三者质量配比为：20∶1.1∶1，在基液中加入质量分数为5%的氯化钠溶液（降温剂）及5%的四硼酸钠溶液（成核剂），制成成蓄冷剂水凝胶，其相变温度为-6.5 ℃[14]。蓄冷剂样品如图2。

图2 蓄冷剂样品Fig.2 Samples of coolant

2 PCCSM的填充形式及尺寸

2.1 PCCSM 填充形式及规格

高温防护服PCCSM 分布如图3。由图3 可知，防护服衣领、袖子、侧缝处均不添加PCCSM，只在1～6 区域添加PCCSM，防护服各区域尺寸见表2。

图3 高温防护服PCCSM 分布Fig.3 PCCSM distribution of high temperature protective clothing

表2 防护服各区域尺寸Table 2 Size of each area of protective clothing

从表2 可看出，防护服1～6 区域最小尺寸为17 cm，最大尺寸为44 cm。根据规格尺寸确定PCCSM包的规格为8 cm×2 cm，防护服各区域温包的排布及数量见表3。

表3 防护服各区域温包的排布及数量Table 3 Distribution and number of thermal packs in various areas of protective clothing

根据防护服躯干部位的6 个区域面积及PCCSM 包纵横尺寸，确定PCCSM 包排布个数为258 个，根据相变材料的用量、密度及有无沉降现象，确定PCCSM 包的厚度为12 mm；间隙量的确定需要根据人体热防护及散湿性能进行数值模拟，确定出最优的间隙量。

2.2 防护服分层结构

防护服由内到外的分布层次为：外层、PCM 层、内层（舒适层）、人体皮肤。舒适层和外层织物结构为多孔纤维，相变材料在服装内能降低人体皮肤温度，但同时也会阻碍人体热湿通过织物空隙散发至外界空气，因此高温防护服PCCSM 包的分布设计对于人体热舒适性尤为重要。人体热湿通道示意图如图4。

图4 人体热湿通道示意图Fig.4 A schematic diagram of the hot and wet passage of the human body

在PCCSM 覆盖区，人体皮肤汗液蒸发形成的水蒸气通过舒适层后，由于PCCSM 层的阻挡不易排出。PCCSM 包之间需要保留一定距离，提供人体汗液蒸发水蒸气的孔隙通道。由此得出PCCSM 间隙量的大小直接影响到人体余湿的散发，间隙量越大，人体余湿散发越容易。另一方面，PCCSM 包间隙分布过大，与PCCSM 包接触的舒适层与间隙处的舒适层温度分布不均匀，间隙过大会导致间隙处被热辐射击穿，服装的热舒适性变差，因此需要PCCSM 包之间的间隙越小越好。因此需要找出最优化的PCCSM分布间隙，同时满足人体湿散发及热防护的要求。

3 PCCSM 包间隙优化模拟

3.1 热防护性能及湿传递性能模型

热防护性能模型如图5，防护服湿传递模型如图6。

图5 热防护性能模型Fig.5 Thermal protection performance model

图6 防护服湿传递模型Fig.6 Wet transfer model of protective clothing

织物层为370 mm×5 mm 的矩形，密封罩的尺寸为370 mm×50 mm，PCCSM 包大小为80 mm×15 mm，分别以2、4、6、8、10 mm 建立5 种间隙量模型。模拟初始时刻，PCCSM 包与织物温度为25 ℃，人体微环境温度为33.5 ℃，外界空气温度为40 ℃。湿传递计算中，将密封罩分为370 mm×50 mm 等体积的两部分，上侧为37 ℃的饱和水蒸气，模拟人体出汗时汗液蒸发，下侧为40 ℃时的不饱和水蒸气，相对湿度为60%，模拟夏季水蒸气的含量，①点测量水蒸气透过的速率，界面①测量水蒸气的质量流量。

3.2 网格划分及边界条件

在Ansys mesh 下划分网格，传热模型与传湿模型均采用Automatic Method 法划分网格，Defaults 面板下选择Fluent 解算，Relevance 为100，Size 面板下Max Face Size 与Max Size 均为0.001 m，不设置膨胀层，热传递模型网格划分如图7，湿传递模型网格划分如图8，2 种模型网格划分的正交质量如图9。

图7 热传递模型网格划分Fig.7 Grid division of heat transfer model

图8 湿传递模型网格划分Fig.8 Grid division of wet transfer model

图9 2 种模型网格划分的正交质量Fig.9 Orthogonal mass of grid division of two models

从图9 可看出，2 种网格质量划分正交质量均达到0.78 以上，因此网格质量良好，可以进行解算。

定义相变材料及织物的属性，相变材料相变潜热为20 250 J/kg，相变温度为-5 ℃，黏度为20 000 kg/（m·s），织物的密度为50 kg/m3，比热容2 500 J/（kg·K），热导率0.084 J/（m·K）。

Heat-in 边界定义为恒温壁面Wall，温度恒定为313 K，织物与罩内空气的接触面（Heat-out）、织物与相变材料的接触面（Heat-out1）、相变材料与空气的接触面（Heat-out2） 为耦合传热边界，定义为Wall，Thermal 面板下设为Couple，其余边界定义为绝热边界。

定义相变材料和织物初始温度为298 K，空气温度为306.5 K，非稳态时间步数为7 200 s，时间步长为1 s，150 s 记录1 次数据。

Cell Zone Conditions 下定义织物区域为多孔区域，黏滞阻力系数（Viscous Resistance）x 方向设为20 000，y 方向设为2 000，即让水蒸气沿着纵向传递，多孔系数（Porosity）为1×10-5；其余区域定义为各自的材质，保持默认。

Press_in 为压力入口（pressure-inlet），人体出汗时皮肤表面的水蒸气分压力，以37 ℃饱和水蒸气压力计算为6 275.37 Pa，Press_out 为压力出口（Pressoutlet），夏季空气以40 ℃时相对湿度为60%的不饱和空气计算为3 765.2 Pa，多孔织物压力入口侧（zhiwu_inside）及压力出口侧（zhiwu_outside）为多孔跳跃边界（porous-jump），其中多孔介质厚度为5 mm，压降系数为502 000，其余边界条件为壁面（Wall），各参数保持默认。

4 模拟数据处理

4.1 温度模拟

不同间隙量下间隙处与PCCSM 包处温差如图10。不同间隙量下间隙的传热量如图11。

图10 不同间隙量下间隙处与PCCSM 包处温差Fig.10 Temperature difference between gap and PCCSM package under different gap amount

图11 不同间隙的传热量Fig.11 Heat transfer between different gaps

由图10 可以看出，随着时间的延长，间隙处与温包处的温差先增大后减小。其中2 mm 间隙量下的温差曲线最为平缓，8 mm 与10 mm 温差曲线比较接近，但2 mm 间隙与4 mm 间隙下的温差曲线差别较大，说明2 mm 间隙的防护效果与4 mm 间隙的防护效果相比，差异很大，并且这种差异并不是呈线性的降低。可得出：2 mm 间隙的热防护效果最优，4 mm 间隙的热防护效果次之，但同2 mm 间隙相比有很大的衰减，8 mm 间隙与10 mm 间隙的热防护效果接近，同6 mm 间隙量相比，衰减程度减小。

从图11 可以看出，2 mm 间隙的传热量最小，说明2 mm 间隙对热流的阻挡效果最好；其次为4 mm；随着间隙量的增大，间隙处的传热量逐渐增大，4 mm 间隙较之于2 mm 间隙，6 mm 间隙较之于4 mm 间隙处的传热量均有较大的增幅，但在6 mm 间隙量之后，传热量的增幅不大，趋于平缓。

综上所述：2 mm 间隙量下有较好的防护效果，随着间隙量的增大，防护效果越来越差，但8 mm 间隙与10 mm 间隙的防护效果相当，可以假设，当间隙量增至一定程度，就相当于将相变材料暴露于热环境中，热防护效果会趋于定值。从热防护性考虑，2 mm 间隙的降温效果是最优的，但间隙量过小会增加人体湿阻，因此还需要从传湿方面考虑间隙量的大小。

4.2 湿度模拟分析

不同间隙的湿传递速度曲线及速度变化曲线如图12。

图12 不同间隙的湿传递速度曲线及速度变化曲线Fig.12 Wet transfer velocity curves in different gaps

由图12（a）～图12（e）可看出，各图像呈左右对称结构两端处速率最大，中间的3 处峰值为间隙处的速率；分析得出出现该现象的原因是：虽然模拟时每组实验的间隙量是相等的，但中间3 处间隙与边界处的2 个间隙的动压值是不同的。并且可看出10 mm 间隙量下间隙处的速率最大，说明该间隙下的湿传递效果最好，其次为8 mm 的间隙量，2 mm间隙量下的湿传递效果最差。

从图12（f）看出，2 mm 间隙与4 mm 间隙速度差距最大，为0.043 59 m/s；且速度速度增长较快，4 mm 间隙之后，间隙处速率的增长量逐渐变小，8～10 mm 间隙的增长率为8%以内。这就表明，随着间隙量的增大，水蒸气透过织物的速率增长趋势逐渐减缓，可以假设，当间隙量足够大时，水蒸气的渗透率逐渐趋于定值，该定值为无温包阻挡时的水蒸气透过速率。

5 结 语

通过对2、4、6、8、10 mm 5 种间隙PCCSM 包的间隙量防护服的热、湿传递的模拟及分析，得出PCCSM 包的间隙量大小对防护服的热防护性有很大的影响，间隙量小时，防护服的热防护能力增强，同时也会削若服装的湿散发能力；间隙量增大，服装的湿阻减小，但防护服的热防护能力减弱。

当间隙量为2 mm 时，使得织物的散湿性能变差；4 mm 的间隙量较2 mm 间隙量下的散湿性能有较大的改变，水蒸气的渗透速率有很大的提高；但从6～8 mm 的间隙量下，水蒸气的渗透速率的提高很有局限。可以推断，2 mm 的间隙量不能满足人体的散湿需求，4～10 mm 间隙的散湿效果都有较大的改良。

对比传热性能，4、6、8 mm 间隙均能满足热防护性需求，10 mm 间隙量由于间隙量大，会被外界高温所击穿，因此不宜采用，在4～8 mm 的间隙量中，4 mm 间隙的热防护效果最好，而且传湿性能又比较优良，综合分析传热及传湿，得出4 mm 间隙为最优化的PCCSM 包分布间隙，既能兼顾防护服的热防护性，同时对湿传递也具有很好的效果。