相变冷却服装发展现状及传热理论模型概述

周 觅，钱晓明，黄顺伟

(天津工业大学 纺织学院，天津 300387)

相变冷却服装发展现状及传热理论模型概述

周 觅，钱晓明，黄顺伟

(天津工业大学 纺织学院，天津 300387)

介绍了冷却服和相变材料以及国内外相变冷却服的发展现状。提出了传统相变冷却服及新型相变冷却服传热理论模型，有利于人们对相变冷却服进一步的了解和认识。

冷却服；发展现状；相变材料；理论模型

在较热或炎热环境中工作的人要比普通环境中做类似工作的人所承受的压力更大，体力负荷伴随暴露在高温环境中，会增加工人安全和健康的风险[1]，热应力会导致如消防员、工厂工人、军事训练者、运动员的耐力和表现降低[2]。使用个人冷却设备等措施以改善人体周围的小气候，创造热舒适性，穿着冷却服是抵御高温侵害、提高工作效率的有效方法之一。

1962年Burton和Collier为英国皇家空军研制出世界上第一件液冷服[3-4]，从而拉开了冷却服研究的序幕。早期研制的冷却服主要领域为军事与航空航天[5-7]，20世纪70年代中后期，冷却服开始应用在医疗、消防、矿山和冶金等领域。目前，科学家们已经广泛地考察了在炎热的环境条件下，冷却服装在缓解人体所受到热应力的有效性[8-10]，冷却服已经被广泛应用于军事训练、消防医疗业务和体育等特殊领域。

1 冷却服

从2001年起，在个人冷却系统设计研究上主要集中采用风机、循环液体或相变材料(PCM)作为工作中的微气候[11-15]。冷却服根据冷却介质的不同，可分为液体冷却服、气体冷却服[16-17]、相变冷却服[18]和结合上述冷却技术的两个或两个以上的混合冷却服[19-20]。冷却服又可分为主动型冷却服和被动型冷却服，主动型冷却服包括气体冷却服和液体冷却服，被动型冷却服主要为相变冷却服。气体冷却服通常配备了一个鼓风机，迫使空气进入背心的微气候。该冷却系统相当便宜，但冷却能力有限，功耗高，在炎热和潮湿的天气时无效[21]。液冷服是衣服中含有细的导管，导管中含有冷的循环液体，有良好的散热能力，有效时间相对较长；缺点是较重，妨碍工人行动，从而降低了工作效率[22]。相变冷却服是在服装上封装相变材料包或者利用微胶囊技术将相变材料镶嵌在服装中，通过相变材料的相变改变吸收人体热量，实现对人体的降温。相变冷却服具有服装结构简单，穿脱方便，冷却效果好,不需要额外致冷装置等优点，但也存在有效工作时间较短的缺点[23]。

2 国内外相变冷却服发展概况

2.1 国外相变冷却服

Bennett等[24]于1995年在海军消防员服装的6个口袋中放入凝胶进行降温研究。Chuansi Gao等[25]以十水硫酸钠及其添加物为相变材料制作出供消防员使用的冷却服。Lennart等[26]使用丙烯酸树脂高吸水性聚合物作为相变材料制作出供消防员使用的冷却服。20世纪末美国的TRDC公司[27-28]将直径3～100 um的相变微胶囊密封入服装，研制具有调温功能的智能服装。美国Triangle公司[29]将直径15～40 um的微胶囊编织到纺织物中研制出调温服。Wenfang Song等[30]为办公室工作人员设计的上衣和裤子复合PCM包和空气通风风扇的混合式个人冷却服装。Tao Wang等[31]试验研究用相变材料微胶囊悬浮液代替传统冷却液作为新的工作流体的液冷服。

2.2 国内相变冷却服

秦长春[32]利用一种高分子水凝胶(蓝冰)，研制出供消防员使用的“蓝冰降温避火服”，该服装是在传统消防服中以蓝冰为内胆放置在服装夹层内改进而来，可以同时起到防火与高效降温的作用。天津工业大学功能纤维研究所以常规高分子聚合物为基材，采用熔融共混、熔融芯/鞘复合或溶液纺丝工艺研制的调温服，经中国人民解放军特种防护服装质量检测中心检测，在热环境下具有3 ℃的降温功效[33]。梁国志等[34-36]以聚乙烯醇为基本原料，以硼砂溶液为胶凝剂，添加冰点降温助剂等，配制成的凝胶状蓄冷剂制作了供矿工使用的降温服。朱颖心等[37-38]设计了供工厂和医疗机构使用的以氯化钠、氯化钾、氯化钙和水的混合物作为相变材料的降温服。王云仪等[39]以凝胶为蓄能降温材料研制了局部性相变冷却服，主要供钢铁工人使用。

3 相变材料

相变材料(PCM)是一种潜热储存材料，具有较高的熔解热，相比显热储存材料，具有高热能存储密度，在发生相变过程中，在恒定温度条件下吸收和释放热量。潜热热能存储设备的存储容量[40]为：

(1)

Q= m[CSP(Tm-Ti)+amΔhm+

Clp(Tf-Tm)]

(2)

其中Q是存储容量，Cp是比热，Ti、Tm和Tf是初始、熔化和凝固温度，Δh是焓。

3.1 分类

PCM主要分为有机相变材料、无机相变材料和混合(共晶)相变材料，Abhat[41]的相变材料的综合分类如图1所示。

图1 相变材料的分类

有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物，有机材料具有无相分离的一致熔融的能力。这些化合物在很宽的熔点范围内可使用[42]。石蜡在500 ℃下是安全、可靠的，可预测、廉价、无腐蚀性、化学惰性和稳定，但具有极低的热导率(0.1～0.3W/mK)，不适用于塑料容器封装。无机材料通常是水合盐和金属，并大量应用在太阳能上[43-44]。作为相变材料，大量循环使用后依然能够维持高的熔融热(350MJ/m3)，相对较高的热导率(0.5W/m℃)，但是熔融不一致。混合(共晶)相变材料是两种或两种以上成分的组合物，如有机-有机、有机-无机、无机-无机，每成分改变相态达到一致和结晶过程中形成晶体组成的混合物[45]。混合相变材料的组成物熔化和结晶是一致的，组分不会发生分离[46]。

3.2 基本性质

众多行业的研究人员了解到PCM储存和释放大量潜热的特性，都在积极寻找适合具体应用的相变材料。PCM作为储热系统应具备相关热、物理、化学、经济特性[47-49]。热性能包括：合适的相变温度，制热或冷却的运行温度应该与用于热能储存的PCM相变温度相匹配；高比热提供了额外的显热储存；高潜热可以满足将大量的能量储存在小体积的PCM中，即让热能储存器的物理尺寸最小化；相变转换时有较高的导热性，导热系数应该高于降低熔化和凝固相变所需的温度梯度。物理性能包括：高密度，高密度材料需要的储存容器可以相对较小；凝固时不会或几乎不会产生过冷，小的过冷却避免PCM的凝固或熔化温度成为一个范围值，给出一个单一的相变温度值，即成核率高；低蒸气压和小体积变化，PCM低蒸气压和小体积的变化有助于减少容器的几何形状的复杂性。化学性能包括：长期的化学稳定性、兼容胶囊材料、无毒，不易燃，不易爆；连续的凝固和熔化循环可能会影响PCM的化学组成，因此，这种材料在很长一段时间内保持化学稳定性是非常需要的。PCM是被封装，不能与任何一种封装材料有不良反应。从安全的角度来看，它应该是无毒、不易燃、不爆炸。经济特性包括：大量容易获得的、廉价的，廉价和容易获得是材料非常理想的特性。

3.3 调温原理

PCM是利用相变材料在温度高于相变点时吸收热量而发生相变(融化蓄势过程)，当温度下降，低于相变点时，发生逆向相变(凝固放热过程)进行工作的。其原理如图2、3所示。

4 相变冷却服传热理论模型

冷却服根据相变储冷材料和储冷方式的不同可以分为2大类：传统相变冷却服和新型相变冷却服。传统相变冷却服是指将PCM包封装在冷却服的口袋里；新型相变冷却服则利用微胶囊技术将相变材料制作成微型胶囊，并将微胶囊内嵌到服装面料中。

文章公式中用到的参数，其代表含义为：

A-织物面积(m2)；g-重力加速度(m/s2)；w-湿度比(kgw/kgair)；P-蒸气压(kPa)；m-质量(kg)；α-熔化的PCM分数；C-织物电容(J/kg·K)；ma-浮力作用引发的质量流率；β-体积热膨胀(℃-1)；e-织物厚度(m)；ρ-密度(kg/m3)；v-空气运动粘度(m2/s)；hc-对流传热(W/m2·K)；r-半径；air-PCM和环境间的大气候；hfg-蒸发热(J/kg)；Rd-内织物干热阻(m2·K/W)；aj-PCM和皮肤间的微气候；had-织物的吸附热(J/kg)；Re-织物蒸发阻力(m2·kPa/W)；env-环境；hm-织物的传质系数(kg/m2·kPa·s)；R-织物回潮率；of-外层织物；hf-织物的传热系数(kg/m2·kPa·s)；T-温度(℃)；if-内层织物。

注：ρif-内层织物密度(kg/m3)，n是分布在冷却背心PCM包的数量。

图2 相变材料吸热原理

图3 相变材料放热原理

4.1 传统相变冷却服传热理论模型(冷却背心)

HaneenHamdan等[50]在研究PCM冷却背心改善热环境的热舒适性中，提出织物-PCM传热模型(将人体上半身看成圆筒形)。冷却背心由低蒸发阻力织物组成，以促进水分传递到环境中，并带有口袋用来封装PCM包。图4描述了织物-PCM系统示意图。

注：(a)皮肤、服装、PCM和空气层侧视图，(b)不同层半径的冷却背心的俯视图，(c)冷却背心中的PCM包放在圆筒躯干的上段和下段的正视图图4 织物—PCM圆筒模型图

底层服装层与皮肤和小气候空气层进行热、水汽输送。每个PCM片和内衣层之间微气候区域层是被看作单独一块区域。然而，每一个区域都有它自己的环境，取决于PCM熔化温度及其所在的位置。另一方面，在衣下空气层基本上是在一个集中的空气温度。

底层织物的质量和能量平衡由公式(3)、(4)分别给出：

(3)

(4)

当没有发生相变(TPCM≠PCM熔化温度)，PCM被看作为干的中间层，能量方程方程式(5)为：

APCMj(Tair-TPCM)

(5)

在相变过程中，TPCM是不变的，它等于PCM熔化温度。有了这个假设，热传导方程式(6)为：

(6)

外层织物的质量和能量平衡公式分别为式(7)、(8)为：

(7)

(8)

假设PCM包和底层服装层之间的间隙宽度很小，空气流服从泊肃叶流动，Bejan[51]代表的空气质量流动率方程为：

(9)

其中d-间隙宽度，w-PCM包的宽度。

微气候空气的质量和能量平衡公式分别为式(10)、(11)：

(10)

+maCair×(Tair-Taj)

(11)

大气候空气质量和能量平衡公式分别为式(12)、(13)：

(12)

+∑ma×Cair(Tair-Taj)

(13)

为了解决上述耦合方程，所有服装、空气层和PCM的初始条件是必要的。结合生物热模型测试PCM背心模型试验，皮肤温度假设是等温的[52]。织物的回潮率必须是已知的，它是通过织物回潮率与环境中的相对湿度的相关性进行了评估的。

4.2 新型冷却服传热理论模型

A.Safavi等[53]提出相变材料微胶囊(micro-PCM)冷却服纤维层传热的理论模型，如图5所示皮肤-织物-环境系统模型。选用的织物是结合PCM的多孔织物，在此，x表示在多孔织物层的坐标，x=0和x=L分别表示下表面层和上表面层的位置。

图5 皮肤-织物-环境系统

假设热传递是以x方向从皮肤通过织物到环境传递。根据能量守恒定理推导，作出如下假设：

(1)在相变的每个阶段，相变材料的热物理性质是持续不断的。

(2)微胶囊是处于被周围纤维包裹着的平衡状态(准稳态)。

(3)相变过程发生在一个温度范围(而不是单一熔点)。

(4)通过织物的热传递发生热(无蒸汽传输)。织物区内没有对流换热，表面的辐射换热可以忽略不计。

含有micro-PCM的织物所处外部环境温度在相变温度范围外时,micro-PCMs是不活跃的，在这种状态下，micro-PCM作为具有恒定热容量织物的一个组成部分；另一方面，织物没有表现出动态的热行为。因此，存储在系统中的能量平衡包括显能中的变化率，公式为：

(14)

即

ρt=γPf+(1-γ)ρmpcm

(15)

ρmpcm=αρcore+(1-α)ρshell

(16)

其中，K-热传递系数(W/m·K)；ct-s-织物在静态状态下的热容量(没有相变)(J/kg·K)；γ-织物中纤维的比例；1-γ-织物中micro-PCM比例；ρcore-石蜡密度(kg/m3)，ρshell-微胶囊壳的密度。

在相变过程中,micro-PCM的热容量根据温度变化而变化，可以通过micro-PCM的DSC曲线来预估热容变化函数。在这种情况下，当micro-PCM发生相变时，方程(14)中ct-s用ct-D代替，ct-D为织物在动态状态下的总容量(相变过程中)。

方程应用还需添加初始和边界条件，织物的皮肤接触面，即x=0，边界条件为：

(17)

织物的环境面，即x=L(相当于织物的厚度)，边界条件为：

(18)

其中，qcons-模拟皮肤产生的热通量；u∞-空气-织物对流传热系数(W/m2·K)；T∞-环境温度(K)。

5 结语

随着科学技术的发展，冷却服不断得到完善，在航空、航海、野战、生化、消防、交通、冶金、矿山、医疗和体育等领域得到广泛应用。相变冷却服降温效果、制冷时间等方面取得了可喜的成绩，但还存在有效工作时间短、需要按时更换降温袋、重量较重、透气性差及泄漏等问题。织物-PCM理论模型和分段生物模型相结合是非常有价值的工具，用来预测复合相变储热材料对人体不同躯干部位的影响，从而预测躯干非等皮肤温度；可以用来优化相变冷却服的性能，比如，冷却背心在不改变性能的情况下，减小重量。目前市场上常见的冷却服均存在一定的不足,技术还不够完善，因此在冷却服的开发研制上还需要付出更多的努力。

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Development Status of Phase Change Cooling Garments and Theoretical Model of Heat Transfer Through Fabric

ZHOU Mi, QIAN Xiao-ming, HUANG Shun-wei

(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The cooling garments, the phase change materialand and its development status were introduced. The theoretical model of heat transfer of both traditional phase change cooling garments and new phase change cooling garments were proposed.It is helpful to take further understand of the phase change cooling garments.

cooling garments; development status; phase-change material; theory model

2016-10-10

国家科技支撑项目(2014BAE09B00)

周 觅(1993-)，女，湖北仙桃人，在读硕士研究生，主要从事服装工效学的研究，E-mail：1257968932@qq.com。

TS941

A

1673-0356(2017)01-0001-07