相变冷却服热舒适性研究

作     者：陈家鹏 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何国庚

授予年度：2021年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082104[工学-服装设计与工程] 

主      题：相变冷却服 主观热评价 数值模拟 固液相变 吸热功率 

摘      要：随着全球变暖的不断发展,高温天气越来越频繁,长期处在高温环境中不仅危害人体健康,还会降低工作效率,进而影响经济发展。穿着相变冷却服是解决热应激的一种有效方法,比起安装空调,该方法对环境更友好,并且能够满足更多场景的需求。本文以提高相变冷却服舒适度、优化材料包重量为主要目的。首先分析了人体体温调节机制,得出人体在高温环境中的热平衡方程,以此确定石蜡的用量。设计制作了一款带内胆的相变冷却服,随后通过真人着装实验选定了合适的温度及其布置方式。最后利用FLUENT模拟得出石蜡包的吸热规律,确定了不同温度的封装方式。研究结论主要有以下几点:（1）根据人体热平衡方程并简化计算得到,在35℃高温环境中从事轻度体力劳动时,冷却服所需的功率至少为41W,降温时间取2h,则需要295.2k J的冷量。（2）在26℃至16℃的范围内,相变冷却服都能显著提高人体舒适度,并且相变温度越低,人体舒适度越高。针对人体躯干不同部位,胸部、背部、腰部适合放置相对较低的温度,其中在胸部布置效果更好,而腹部适合放置相对较高的温度。综合舒适度与出汗情况,躯干上部放置16℃下部放置26℃是最佳的选择。（3）在2h的设计时间内,对于16℃的石蜡,随着厚度的增加,融化的总量也在增加,通过该方法来延长制冷时间效率并不高。对于26℃的石蜡包,随着厚度的增加,融化质量几乎不变。16℃的石蜡,其吸热过程有三个阶段;26℃的石蜡,其吸热过程有两个阶段。在材料包中固相石蜡的高度降低之前,不同厚度石蜡的功率表现一致;当高度降低后,不同厚度石蜡的吸热功率出现明显差异。（4）通过改变石蜡包的厚度,可以使组合形式冷却服的平均功率分别提高7.2%和9.6%,或者使其总的重量减少15%。最终确定优化后的封装形式为16℃石蜡厚13mm,26℃石蜡厚7mm。本文对相变冷却服分别从舒适性和材料包两个方面进行了优化,可以概括为在一件冷却服内采取16℃和26℃两种温度的组合布置,并且温度较低的石蜡包质量更重。研究结论和方法为相变冷却服的发展提供了一定的指导意见。