搜排爆用水冷服性能研究

■ 文/ 公安部第一研究所 唐剑兰 何湘 尤晓东

清华大学 潘秋燊

关键字：水冷服 搜排爆 SDMS水冷服 Dittus-Boelter公式

1 概述

水冷服是高温环境中，通过循环的冷水吸收人体热量、降低人体热应激反应、维持身体核心温度相对平衡的人体防护装备。水冷服一般由带管道的服装和微型制冷系统组成，主要冷却原理为：以显热作为身体散热方式，尽量减少汗液蒸发等潜热散热方式，水把皮肤散出的热传递给热沉，在管道内循环流动，以达到冷却目的。水冷服可以提高穿着者在高温环境中的耐受性和工作效率，延长工作时间。

第一套水冷服于1962年由英国Farnborough皇家空军基地的研究人员发明用于为飞行员降温，现在，美国和俄罗斯的航天服中都配备有水冷服。今天，除了航天领域对水冷服的需求外，地面上的军事及民用领域也已有了巨大的市场。

图1 SDMS公司水冷服

美国Natick单兵中心、Aspen系统公司、Foster-Miller公司和PNNL国家实验室等是专门研究单兵作战系统的机构，从20世纪90年代初期他们就开始从事水冷服的相关研究工作。Natick单兵中心研发的MCG空中勇士微气候冷却服，它的主要特征是：

(1)基于美国陆军Natick单兵中心层压专利技术可以把冷水固定于两层100%棉织物中间；

(2)服装分为三种尺寸，能够满足90%的陆军人员使用；

(3)MCG入口液体温度为18.3℃，流量54.8L/h时，可以去除躯干产生的180W代谢热；

(4)含有冷却液的MCG重量约0.9kg；

(5)安装有快速断开接头，在紧急情况时不妨碍空中战士的逃生。MCG冷却服曾在伊拉克和科威特战争中由美军悍马装甲军车乘员穿着进行了测试，获得了良好的效果。

英国SDMS公司的水冷服，它与MCG水冷服的最大不同之处在于冷却范围更广，甚至穿着者头部都戴有冷却头套，适用于排爆服、化学防护服和许多其它需要除热的场合。目前，国内大多数搜排爆服使用单位配备的水冷服均为这一款。其主要特征和参数如下：

(1)服装部分主要材料为Nomex防火材料；

(2)冷却工质为冷水或冰水；

(3)整件服装可移除热量270W(热置换)；

(4)在35℃条件下工作45分钟；

(5)泵电压12v；

(6)包括制冷泵的总重量为4.5kg， 另外电池重量为2kg左右。根据一线客户使用后的反馈来看，SDMS水冷服主要存在下列问题：第一，服装连接头对穿着者皮肤摩擦剧烈，即使在穿着时间很短的情况下，身体与管道连接处也会出现红肿甚至破皮现象，感觉不舒适；第二，电池体积过大，重量也大，增加工作负荷；第三，产品价格较高。

国内一些航天相关的企业如庆安公司、航宇公司也已开发类似的水冷服作为飞行员驾驶飞机时的降温设备。基于飞行员的工况，通常固定在座位上，因此，水冷服的微型制冷系统中的热交换器、电源等可固定在驾驶舱里的驾驶员身边，而不需要携带在身上。上述工况下，为维持较长的工作时间和较好的制冷效果，制冷模块和电池会做得大而重。这种水冷服配置不适合搜排爆或消防等需要人体随时移动的工种。

总的说来，国内外对水冷服的研究开发多集中在航天领域及军队系统，根据用户的不同需求有不同方案，但通常都要求水冷服制冷时间长，从而导致电池重量太大，便携性较差。而对于搜排爆领域使用的水冷服，使用时间相对短一些，一般1h以内，因此，在设计时可以考虑通过对某些部件减重的方式来提高便携性。本文的主要工作是，通过理论计算和实验验证的方式对水冷服样品的相关性能参数进行分析研究，确定设计水冷服系统的部分关键参数，用于指导今后相似产品在设计方面可能涉及的优化工作。

2 水冷服样品的物理参数

以英国SDMS公司的水冷服作为研究样品，对其进行基本物理参数测试如下：

(1)基本组成：连体服装、制冷控制系统(含电机、冷却介质、水瓶等)和管道；

(2)在电机充电电池状态正常的情况下，接入水瓶，出口端可输出流量大约范围为0-13mL/s，电机处于最小档位时无法泵出水流；

(3)水瓶容量2L左右；

(4)管道分为粗管和细管，与服装外部与水瓶连接的管道均为粗管，服装内铺设的是细管，细管为主要换热管路。它们的参数分别如下：

粗管：外直径Φ粗外=7.92×10-3m；内直径Φ粗内=5.12×10-3m；总体积V粗=0.15L。

细管：外直径Φ细外=4.42×10-3m；内直径Φ细内=3.20×10-3m；总水容量 V细=0.25L；换热长度L细=31m。

将整套衣服接入时，末端断开回路，最大的出口处流速v=1m/s。

3 理论计算和实验验证

3.1 理论计算

计算之前的几点假设：

(1)外部环境温度设定为35℃（弱对流）；

(2)计算起始，水瓶中有1.25L水冻成的冰块和0.75L常温纯净水；

(3)忽略接头处的速度影响；

(4)假设服装上管道之间相互没有影响；

(6)忽略服装的隔热作用；

(7)忽略水瓶及其它附件与外界的换热；

(8)忽略断开回路对整体回路的速度影响。

建模做简化处理，将实际的服装模型简化为空间中的长直管，管内有水流通过。在35℃条件下，从冰水混合物开始的升温过程。采用Dittus-Boelter经验公式进行计算。水瓶的容量为升 ，细管的内直径 为，管壁的厚度为 ，全管路的长度为 ，水流的速度为在湍流条件下进行计算。

通过Dittus-Boelter经验公式，得到努塞尔数，

空气的自然对流换热系数2取h0=10。

根据上述假设，推论有热流为：

其它参数分别为：

带入上式：

计算获得：

作图如下：

从图2中可以看出，随着时间的增加，35℃条件下水瓶中冷却介质水的温度呈指数增长，保持30℃及以下温度的持续时间大约为1h。

图2 水瓶中冷却介质水温与时间的关系曲线

3.2 实验验证

3.2.1 验证水瓶内温度变化

将水冷服置于35℃恒温箱中，使整个系统运行，从0时刻开始每隔5min测定一次水瓶内水的温度，获得水瓶中水的温度与时间的关系曲线。

从图4中可以看出，该曲线与理论计算获得的曲线形状基本一致。特别是系统运行1h左右，水瓶里的温度也为30℃左右，验证了理论计算的正确性。

3.2.2 测试服装内表面温度变化

同时，对服装内表面管道的平均温度也进行了测量。具体做法是：在30℃的环境温度下，连接好整个系统，在2L容量的水瓶中加入由1.25L水冻成的冰块和0.75L常温纯净水组成的冷却液体，打开控制系统电源开关和水泵调节钮，使整个系统进入运转状态，在服装6个部位(服装的前胸、后背、左右胳膊、左右腿部)的硅胶管道表面分别粘上热电偶，并使热电偶连接到温度显示设备上，进行温度测量，每隔一定时间取6个部位测量值的平均值，绘出图5的曲线。

图3 恒温箱模拟实验

图4 恒温箱模拟实验中，水瓶中水的温度与时间的关系曲线

图5 服装内表面温度与时间的关系曲线

从图中可以看出，服装内表面温度变化与水瓶中温度变化曲线，在第一个30min内差别较大，服装内表面温度随时间的增加出现明显的先降低再升高的现象。我们认为，这与我们测量的对象——水瓶中的冰水混合物和服装内表面管道之间存在差别有关。由于水瓶中在第一个30min内主要是冰水混合物，水瓶中温度可以维持在10°C-15°C；而服装内表面管道，从计时开始时，处于的是35°C的环境温度，因此它们的起始温度接近于环境温度，随着冰水往服装管道内泵入，管道的温度不断向冰水的温度靠近，此时的温度曲线是下降的。在第二个30min内，水瓶中的冰基本融化，服装管道内的温度与水瓶中温度的均持续上升，变化趋势一致。

3.2.3 真人试穿

由志愿者进行了真人试穿实验。实验条件为在35℃左右的室温，水瓶中冰与水的起始体积比例为1：1，总体积2L。我们发现，从开始实验到冰块全部融化，大约需要35-40min左右的时间。冰块未大量融化前，水瓶内水的温度由测温枪表明为15℃，如果插入温度计并适当搅拌后，测量值显示大约为5℃-8℃左右，该状态可恒定保持较长时间(超过30min)，而仅有小范围波动；与此同时，志愿者感觉身体舒适凉爽。当冰块全部融化后，水瓶内水温迅速上升，大约再过20min以后，舒适感的强烈程度明显降低，此后再过10min，凉爽的舒适感基本消失。

图6 真人试穿实验

真人试穿的结果，与我们单独测试服装内表面温度变化曲线呈对应关系。水瓶中的冰未大量融化前，瓶中温度的变化是由冰块面积与水接触部分的大小来决定的。刚开始冰块是一个面与水接触，然后冰块变化为球体或者其它不规则形状，从而使得冰水接触面更大，因此会检测到服装内表面温度降低的过程；最后大冰块大量融化，变成小冰块，表面积缩小，从而使得瓶中温度开始上升；直至冰块全部融化，瓶中温度最终接近环境温度。

4 结论

通过上面理论计算和实验验证的结果，我们可以确定设计水冷服系统的部分关键参数：当服装管道的水容量为0.25L左右，若提供2L体积的水瓶，水瓶中起始冰块的体积至少为1L及以上，水流速约为1m/s时，整套系统可使人体保持舒适凉爽的感觉约1h。增加冰块的含量(不超过1.75L)或减小水流速度，均可延长系统的制冷时间。

对于搜排爆领域使用的水冷服，如果是全身服装(带头部冷却)，水瓶的体积应设计为最小1.25L左右；但在某些不需要全身降温的场合，可以不穿戴全身的水冷服而以局部水冷服替代，如去除帽子和四肢部分，只保留躯干部分，此时水瓶的体积还可适当减小，减小的量可根据服装中铺设管道的总水容量的比例计算，从而减轻重量，提升便携性和舒适性。

最后，在进行相似产品设计时，可对服装的形状、尺寸、覆盖面积、管道的铺设方式、服装材料的选择等进行调整，甚至采用具有更高比热的其它物质进行储热或通过调节冷却介质的流速，控制制冷系统的制冷量、制冷时间等，适应不同场合需求。

注：本项工作由国家重点研发计划项目（编号：2016YFC0802805）基金支持。