中图分类号：R852.81文献标识码：A文章编号：1002-0837(2000)05-0350-05

A Heat Transfer Model for Liquid Cooling Garment (LCG) and Its Analysis

ZHANG Wan-xin,CHEN Jing-shan,LI Tan-qiu

(Space Medicine & Medical Engineering)

Abstract: Objective To establish the heat transfer model for liquid cooling gannent(LCG) and,basing on this model,to find the relations between the design parameters and heat removing,as well as that between the design parameters and heat transfer efficiency. Method Heat transfer process of the LCG was analyzed according to engineering facts.Result The relations between the design parameters and heat removing,and also that between the design parameters and heat transfer efficiency were interelative and the optimal values of the parameters were essential to the design of LCG. Conclusion The results might be useful in the design of LCG in extra vehicular activity(EVA) space suit.

Key words:liquid cooling garments;heat loss;efficiency;design parameter;mathematical models

在实际的工程应用中,根据使用的需要,液冷服分为液冷头盔、液冷背心和全身式液冷服。全身式液冷服又分为片式液冷服、单管路回转式液冷服和多管路直通式液冷服^［1～4］。多管路直通式液冷服因其流阻低，透气性好，可靠性高等优点，广泛应用于舱外航天服的散热系统。

液冷服就其功能来说相当于热交换器，通常与冷源配用，组成一个完整的制冷系统，散失机体代谢热，维持体热的动态平衡。因此液冷服的散热能力是设计和评价液冷服的关键指标。本文根据传热学理论，通过对液冷服与人体间的热交换过程进行生物物理的系统分析，推导出液冷服基本的散热方程。并以该模型和国外液冷服研究的实践经验对散热方程中各参数间的关系进行分析和讨论，从而提出液冷服设计的基本原则。

液冷服的散热模型

液冷服的核心部分是换热管路网，冷却液在管路里流动过程中与人体皮肤进行热交换。为了

避免换热管路与人体皮肤间温度差对皮肤的刺激，换热管路网与皮肤不宜直接接触，其间是一层棉质内衣层。因此人体与液冷服的换热路线是皮肤-内衣层-换热管路网。

液冷服的换热分析 人体和液冷服与通风服间的空气层到液冷服管壁要产生以下热流(图1)：人体到内衣的导热热流q_S；内衣到管壁的导热产生的热流q_T；传质热流q_M；人体辐射热流q_U；管子外表面的对流传热热流q_K；来自航天服壳体的辐射热流q_O。可见液冷服的实际散热过程相当复杂。

图1液冷服热流图

Fig.1Heat flow in LCG

散热模型的建立为了满足工程实际应用而又尽可能地简化模型，特作如下假设：

a.由于液冷服的管路半径比人体及内衣各节段的的曲率半径小得多,因此假设人体及内衣层为平面；

b.假设传热过程为稳态;

c.假定液冷服为紧身服形式，忽略人体与服装内侧间的空气夹层，其间以导热传热为主;

d.辐射不是传热的主要方式,辐射热流忽略不计;

e.通风气体主要在管道上面的空间流动，假设通风气体与管路间的传热形式为对流传热;

f.在此只考虑人体显热的散失。

在上述假定条件下,液冷服与人体的换热则变为冷却液以对流、导热传热形式与皮肤和空气层进行热量交换,传热路径如图2。

在LCG管上取微元dl,温度变化为dT，则微元内冷却液带走的热量为：

dQ=RρC_pdT(1)

根据传热学原理^［5］微元dl与人体的热交换量为：

dQ₁=F₁K₁(T_skin-T)(2)

微元dl与空气层的热交换量为：

dQ₂=F₂K₂(T_en-T)(3)

根据热力学第一定律得

dQ=dQ₁+dQ₂(4)

即：

RρC_pdT=F₁K₁(T_skin-T)+F₂K₂(T_en-T)

=πD(μK₁(T_skin-T)

+(1-μ)K₂(T_en-T))dl(5)

式中:R—冷却液的流率（kg/h）;ρ—冷却液的密度(kg/m³);C_p—冷却液的比热(kJ/kg*℃);D—管路外径(m);μ—管路覆盖皮肤有效面积比；T_skin—皮肤平均温度(℃);T_en—空气层温度(℃);T—冷却液的温度(℃);K₁—液冷服与人体的传热系数（W/m²℃）；K₂—液冷服与空气层的传热系数（W/m²℃）；F₁—管路与人体的接触面积(m²);F₂—管路与空气层的接触面积(m²)。

解微分方程并代入初始条件:l=0时T=T_in,得到液体温度随管长的变化关系：

(6)

(7)

由此可得液冷服与人体的热交换量为:

图2液冷服传热路径图

Fig.2Heat transfer process in LCG

(8)

同理液冷服与空气层的热交换量为:

(9)

这样液冷服总的热交换量为：

(10)

因此液冷服的散热效率为：

(11) k1是液冷服与人体的传热系数。由于管内外的表面积不等，因此管内侧和管外侧的传热系数在数值上也不相同。由图2可知总热阻包括冷却液与管壁的对流热阻，管壁导热热阻，内认层导热阻和内衣与皮肤的接触热阻4部分，即：

(12)

^{K₂是液冷服与空气层的传热系数。同理总热阻包括冷却液与管壁的对流换热热阻、管壁导热热阻和空气层与管壁的对流热阻3部分，即：}

K₂=1/{1/α2+D/(α1d)+D/［2λ2ln(D/d)］}(13)

^{K₃是人体与内衣之间的换热系数，表达式为［3］：}

^{K₃=1/(0.155×I_cl)(14)}

^{式中:T_in—进口液温［W/(m2℃)］;L—管路长度(m);d—管子的内径(m);n—换热管路根数;α₁—冷却液与管壁对流换热系数（8700W/ m2℃）;α₂—空气层与管壁对流换热系数(11.17} W/m²℃）;δ₁—内衣层厚度(m);δ₂—管壁厚度(m);λ₁—内衣层导热系数（0.0622 W/m℃）;λ₂—管壁导热系数(0.124 W/m℃）;I_cl—内衣热阻（℃/W）。

由此可见液冷服的散热量和散热效率的大小与进口液温、管长、管径、液体流率及人体皮肤温度等都有着直接的关系。

分析与讨论