■ 文/ 公安部第一研究所 唐劍蘭 何湘 尤曉東

清華大學(xué) 潘秋燊

關(guān)鍵字：水冷服 搜排爆 SDMS水冷服 Dittus-Boelter公式

1 概述

水冷服是高溫環(huán)境中，通過(guò)循環(huán)的冷水吸收人體熱量、降低人體熱應(yīng)激反應(yīng)、維持身體核心溫度相對(duì)平衡的人體防護(hù)裝備。水冷服一般由帶管道的服裝和微型制冷系統(tǒng)組成，主要冷卻原理為：以顯熱作為身體散熱方式，盡量減少汗液蒸發(fā)等潛熱散熱方式，水把皮膚散出的熱傳遞給熱沉，在管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，以達(dá)到冷卻目的。水冷服可以提高穿著者在高溫環(huán)境中的耐受性和工作效率，延長(zhǎng)工作時(shí)間。

第一套水冷服于1962年由英國(guó)Farnborough皇家空軍基地的研究人員發(fā)明用于為飛行員降溫，現(xiàn)在，美國(guó)和俄羅斯的航天服中都配備有水冷服。今天，除了航天領(lǐng)域?qū)λ浞男枨笸?，地面上的軍事及民用領(lǐng)域也已有了巨大的市場(chǎng)。

圖1 SDMS公司水冷服

美國(guó)Natick單兵中心、Aspen系統(tǒng)公司、Foster-Miller公司和PNNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等是專門研究單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，從20世紀(jì)90年代初期他們就開(kāi)始從事水冷服的相關(guān)研究工作。Natick單兵中心研發(fā)的MCG空中勇士微氣候冷卻服，它的主要特征是：

(1)基于美國(guó)陸軍Natick單兵中心層壓專利技術(shù)可以把冷水固定于兩層100%棉織物中間；

(2)服裝分為三種尺寸，能夠滿足90%的陸軍人員使用；

(3)MCG入口液體溫度為18.3℃，流量54.8L/h時(shí)，可以去除軀干產(chǎn)生的180W代謝熱；

(4)含有冷卻液的MCG重量約0.9kg；

(5)安裝有快速斷開(kāi)接頭，在緊急情況時(shí)不妨礙空中戰(zhàn)士的逃生。MCG冷卻服曾在伊拉克和科威特戰(zhàn)爭(zhēng)中由美軍悍馬裝甲軍車乘員穿著進(jìn)行了測(cè)試，獲得了良好的效果。

英國(guó)SDMS公司的水冷服，它與MCG水冷服的最大不同之處在于冷卻范圍更廣，甚至穿著者頭部都戴有冷卻頭套，適用于排爆服、化學(xué)防護(hù)服和許多其它需要除熱的場(chǎng)合。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)搜排爆服使用單位配備的水冷服均為這一款。其主要特征和參數(shù)如下：

(1)服裝部分主要材料為Nomex防火材料；

(2)冷卻工質(zhì)為冷水或冰水；

(3)整件服裝可移除熱量270W(熱置換)；

(4)在35℃條件下工作45分鐘；

(5)泵電壓12v；

(6)包括制冷泵的總重量為4.5kg， 另外電池重量為2kg左右。根據(jù)一線客戶使用后的反饋來(lái)看，SDMS水冷服主要存在下列問(wèn)題：第一，服裝連接頭對(duì)穿著者皮膚摩擦劇烈，即使在穿著時(shí)間很短的情況下，身體與管道連接處也會(huì)出現(xiàn)紅腫甚至破皮現(xiàn)象，感覺(jué)不舒適；第二，電池體積過(guò)大，重量也大，增加工作負(fù)荷；第三，產(chǎn)品價(jià)格較高。

國(guó)內(nèi)一些航天相關(guān)的企業(yè)如慶安公司、航宇公司也已開(kāi)發(fā)類似的水冷服作為飛行員駕駛飛機(jī)時(shí)的降溫設(shè)備?；陲w行員的工況，通常固定在座位上，因此，水冷服的微型制冷系統(tǒng)中的熱交換器、電源等可固定在駕駛艙里的駕駛員身邊，而不需要攜帶在身上。上述工況下，為維持較長(zhǎng)的工作時(shí)間和較好的制冷效果，制冷模塊和電池會(huì)做得大而重。這種水冷服配置不適合搜排爆或消防等需要人體隨時(shí)移動(dòng)的工種。

總的說(shuō)來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)水冷服的研究開(kāi)發(fā)多集中在航天領(lǐng)域及軍隊(duì)系統(tǒng)，根據(jù)用戶的不同需求有不同方案，但通常都要求水冷服制冷時(shí)間長(zhǎng)，從而導(dǎo)致電池重量太大，便攜性較差。而對(duì)于搜排爆領(lǐng)域使用的水冷服，使用時(shí)間相對(duì)短一些，一般1h以內(nèi)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮通過(guò)對(duì)某些部件減重的方式來(lái)提高便攜性。本文的主要工作是，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式對(duì)水冷服樣品的相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行分析研究，確定設(shè)計(jì)水冷服系統(tǒng)的部分關(guān)鍵參數(shù)，用于指導(dǎo)今后相似產(chǎn)品在設(shè)計(jì)方面可能涉及的優(yōu)化工作。

2 水冷服樣品的物理參數(shù)

以英國(guó)SDMS公司的水冷服作為研究樣品，對(duì)其進(jìn)行基本物理參數(shù)測(cè)試如下：

(1)基本組成：連體服裝、制冷控制系統(tǒng)(含電機(jī)、冷卻介質(zhì)、水瓶等)和管道；

(2)在電機(jī)充電電池狀態(tài)正常的情況下，接入水瓶，出口端可輸出流量大約范圍為0-13mL/s，電機(jī)處于最小檔位時(shí)無(wú)法泵出水流；

(3)水瓶容量2L左右；

(4)管道分為粗管和細(xì)管，與服裝外部與水瓶連接的管道均為粗管，服裝內(nèi)鋪設(shè)的是細(xì)管，細(xì)管為主要換熱管路。它們的參數(shù)分別如下：

粗管：外直徑Φ粗外=7.92×10-3m；內(nèi)直徑Φ粗內(nèi)=5.12×10-3m；總體積V粗=0.15L。

細(xì)管：外直徑Φ細(xì)外=4.42×10-3m；內(nèi)直徑Φ細(xì)內(nèi)=3.20×10-3m；總水容量 V細(xì)=0.25L；換熱長(zhǎng)度L細(xì)=31m。

將整套衣服接入時(shí)，末端斷開(kāi)回路，最大的出口處流速v=1m/s。

3 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 理論計(jì)算

計(jì)算之前的幾點(diǎn)假設(shè)：

(1)外部環(huán)境溫度設(shè)定為35℃（弱對(duì)流）；

(2)計(jì)算起始，水瓶中有1.25L水凍成的冰塊和0.75L常溫純凈水；

(3)忽略接頭處的速度影響；

(4)假設(shè)服裝上管道之間相互沒(méi)有影響；

(6)忽略服裝的隔熱作用；

(7)忽略水瓶及其它附件與外界的換熱；

(8)忽略斷開(kāi)回路對(duì)整體回路的速度影響。

建模做簡(jiǎn)化處理，將實(shí)際的服裝模型簡(jiǎn)化為空間中的長(zhǎng)直管，管內(nèi)有水流通過(guò)。在35℃條件下，從冰水混合物開(kāi)始的升溫過(guò)程。采用Dittus-Boelter經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。水瓶的容量為升 ，細(xì)管的內(nèi)直徑 為，管壁的厚度為 ，全管路的長(zhǎng)度為 ，水流的速度為在湍流條件下進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)Dittus-Boelter經(jīng)驗(yàn)公式，得到努塞爾數(shù)，

空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)2取h0=10。

根據(jù)上述假設(shè)，推論有熱流為：

其它參數(shù)分別為：

帶入上式：

計(jì)算獲得：

作圖如下：

從圖2中可以看出，隨著時(shí)間的增加，35℃條件下水瓶中冷卻介質(zhì)水的溫度呈指數(shù)增長(zhǎng)，保持30℃及以下溫度的持續(xù)時(shí)間大約為1h。

圖2 水瓶中冷卻介質(zhì)水溫與時(shí)間的關(guān)系曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 驗(yàn)證水瓶?jī)?nèi)溫度變化

將水冷服置于35℃恒溫箱中，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，從0時(shí)刻開(kāi)始每隔5min測(cè)定一次水瓶?jī)?nèi)水的溫度，獲得水瓶中水的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。

從圖4中可以看出，該曲線與理論計(jì)算獲得的曲線形狀基本一致。特別是系統(tǒng)運(yùn)行1h左右，水瓶里的溫度也為30℃左右，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。

3.2.2 測(cè)試服裝內(nèi)表面溫度變化

同時(shí)，對(duì)服裝內(nèi)表面管道的平均溫度也進(jìn)行了測(cè)量。具體做法是：在30℃的環(huán)境溫度下，連接好整個(gè)系統(tǒng)，在2L容量的水瓶中加入由1.25L水凍成的冰塊和0.75L常溫純凈水組成的冷卻液體，打開(kāi)控制系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)和水泵調(diào)節(jié)鈕，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在服裝6個(gè)部位(服裝的前胸、后背、左右胳膊、左右腿部)的硅膠管道表面分別粘上熱電偶，并使熱電偶連接到溫度顯示設(shè)備上，進(jìn)行溫度測(cè)量，每隔一定時(shí)間取6個(gè)部位測(cè)量值的平均值，繪出圖5的曲線。

圖3 恒溫箱模擬實(shí)驗(yàn)

圖4 恒溫箱模擬實(shí)驗(yàn)中，水瓶中水的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖5 服裝內(nèi)表面溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線

從圖中可以看出，服裝內(nèi)表面溫度變化與水瓶中溫度變化曲線，在第一個(gè)30min內(nèi)差別較大，服裝內(nèi)表面溫度隨時(shí)間的增加出現(xiàn)明顯的先降低再升高的現(xiàn)象。我們認(rèn)為，這與我們測(cè)量的對(duì)象——水瓶中的冰水混合物和服裝內(nèi)表面管道之間存在差別有關(guān)。由于水瓶中在第一個(gè)30min內(nèi)主要是冰水混合物，水瓶中溫度可以維持在10°C-15°C；而服裝內(nèi)表面管道，從計(jì)時(shí)開(kāi)始時(shí)，處于的是35°C的環(huán)境溫度，因此它們的起始溫度接近于環(huán)境溫度，隨著冰水往服裝管道內(nèi)泵入，管道的溫度不斷向冰水的溫度靠近，此時(shí)的溫度曲線是下降的。在第二個(gè)30min內(nèi)，水瓶中的冰基本融化，服裝管道內(nèi)的溫度與水瓶中溫度的均持續(xù)上升，變化趨勢(shì)一致。

3.2.3 真人試穿

由志愿者進(jìn)行了真人試穿實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為在35℃左右的室溫，水瓶中冰與水的起始體積比例為1：1，總體積2L。我們發(fā)現(xiàn)，從開(kāi)始實(shí)驗(yàn)到冰塊全部融化，大約需要35-40min左右的時(shí)間。冰塊未大量融化前，水瓶?jī)?nèi)水的溫度由測(cè)溫槍表明為15℃，如果插入溫度計(jì)并適當(dāng)攪拌后，測(cè)量值顯示大約為5℃-8℃左右，該狀態(tài)可恒定保持較長(zhǎng)時(shí)間(超過(guò)30min)，而僅有小范圍波動(dòng)；與此同時(shí)，志愿者感覺(jué)身體舒適涼爽。當(dāng)冰塊全部融化后，水瓶?jī)?nèi)水溫迅速上升，大約再過(guò)20min以后，舒適感的強(qiáng)烈程度明顯降低，此后再過(guò)10min，涼爽的舒適感基本消失。

圖6 真人試穿實(shí)驗(yàn)

真人試穿的結(jié)果，與我們單獨(dú)測(cè)試服裝內(nèi)表面溫度變化曲線呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。水瓶中的冰未大量融化前，瓶中溫度的變化是由冰塊面積與水接觸部分的大小來(lái)決定的。剛開(kāi)始冰塊是一個(gè)面與水接觸，然后冰塊變化為球體或者其它不規(guī)則形狀，從而使得冰水接觸面更大，因此會(huì)檢測(cè)到服裝內(nèi)表面溫度降低的過(guò)程；最后大冰塊大量融化，變成小冰塊，表面積縮小，從而使得瓶中溫度開(kāi)始上升；直至冰塊全部融化，瓶中溫度最終接近環(huán)境溫度。

4 結(jié)論

通過(guò)上面理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，我們可以確定設(shè)計(jì)水冷服系統(tǒng)的部分關(guān)鍵參數(shù)：當(dāng)服裝管道的水容量為0.25L左右，若提供2L體積的水瓶，水瓶中起始冰塊的體積至少為1L及以上，水流速約為1m/s時(shí)，整套系統(tǒng)可使人體保持舒適涼爽的感覺(jué)約1h。增加冰塊的含量(不超過(guò)1.75L)或減小水流速度，均可延長(zhǎng)系統(tǒng)的制冷時(shí)間。

對(duì)于搜排爆領(lǐng)域使用的水冷服，如果是全身服裝(帶頭部冷卻)，水瓶的體積應(yīng)設(shè)計(jì)為最小1.25L左右；但在某些不需要全身降溫的場(chǎng)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，只保留軀干部分，此時(shí)水瓶的體積還可適當(dāng)減小，減小的量可根據(jù)服裝中鋪設(shè)管道的總水容量的比例計(jì)算，從而減輕重量，提升便攜性和舒適性。

最后，在進(jìn)行相似產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可對(duì)服裝的形狀、尺寸、覆蓋面積、管道的鋪設(shè)方式、服裝材料的選擇等進(jìn)行調(diào)整，甚至采用具有更高比熱的其它物質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)熱或通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流速，控制制冷系統(tǒng)的制冷量、制冷時(shí)間等，適應(yīng)不同場(chǎng)合需求。

注：本項(xiàng)工作由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2016YFC0802805）基金支持。