一種新型半導體空調服的設計與測試

楊伊琳，李愛琴，張志松，李富強，耿新飛

(北京石油化工學院，北京 102617)

為了提高交通警察、邊關戰(zhàn)士、油田礦業(yè)等室外工作人員寒暑季節(jié)工作的舒適度，研制一款輕便且易于穿著的空調服勢在必行。目前應用的空調服有液體冷卻[1]、氣體冷卻[2]和相變冷卻3種型式[3-4]。液體冷卻空調服整體質量過大，穿著人員長期穿戴易疲勞；氣體冷卻空調服輸送冷氣的氣流量大、運輸通道多，穿著人員行動不便；相變冷卻空調服每隔一段時間必須及時更換新相變材料，且時常出現(xiàn)相變材料泄漏的現(xiàn)象。半導體制冷制熱技術具有環(huán)保、安全性能高、使用便捷的特點[5-6]。因此，筆者將半導體制冷技術與流體流動降溫巧妙地結合起來，設計了一款新型半導體升降溫空調服，并利用風速儀、紅外測溫儀以及熱電偶測溫計對其進行性能測試，用Fluent軟件對空調服內部流場進行數(shù)值模擬，最終確定最佳的空調運行參數(shù)。

1 空調服的設計與測試

1.1 空調服的設計

影響空調服制冷效果的主要因素有氣流溫度、氣流速度和人體表面的有效換熱面積等。理論上，入口的氣流溫度越低，氣流速度越大，制冷效果越好。但事實上，如果入口的氣流溫度過低、速度過大，則會使人體表面組織發(fā)生顫抖，產生不舒適的感覺。因此，空調服的設計重點是結合人體熱舒適度的理論分析對空調服內部的布置進行合理安排。

1.1.1 簡化控制方程

首先，從生物傳熱學的角度出發(fā)，根據(jù)Pennes方程建立人體上軀干的傳熱學模型[7]。人體上軀干的數(shù)學模型中，各個參數(shù)的取值為[8-10]：骨骼：密度ρbn為1 220 kg/m3，導熱率Kbn為0.75 W/(m·K)，比熱容cbn為2 100 J/(kg·K)，溫度為Tbn。肌肉：密度ρms為1 120 kg/m3，導熱率Kms為0.5 W/(m·K)，比熱容cbn為4 200 J/(kg·K)，溫度為Tbn。與其他組織不同的是，肌肉是發(fā)生大量新陳代謝的主要場所，需要供給大量血液，在模型的計算中，需要考慮新陳代謝率和血液灌注率：新陳代謝率Qm為420 W/m3，血液灌注率ωb為0.000 5 mL/(s·mL)。脂肪：密度ρfa為790 kg/m3，導熱率Kfa為0.2 W/(m·K)，比熱容cfa為4 200 J/(kg·K)，溫度為Tfa。皮膚：密度ρs為1 000 kg/m3，導熱率Ks為0.3 W/(m·K)，比熱容cs為4 200 J/(kg·K)，溫度為Ts。

在研究實際問題過程中，為了簡便計算，可以簡化方程，選取人體的中心為坐標原點，從中心出發(fā)到人體表面的方向為X軸方向，簡化為骨骼到肌肉、到脂肪，最后到上層皮膚。簡化后方程的一般形式為：

(1)

式中：x為一維直角坐標系，其中x∈[0，1]；k(x)為沿x軸方向的熱導率。

1.1.2 確定邊界條件并進行計算

首先，在自然對流的情況下求解其穩(wěn)態(tài)解，此時，人體的上軀干表面(即x=l處)無制冷源，只有自然對流換熱的過程，即-kdT0(x)/dx=h0Tf-T0(x)，假設人體中心處的溫度為定值，即x=0時，T0(x)=Tc。

根據(jù)上述邊界條件，得出求解的方程組：

(2)

式中：T(x，0)=T0(x)為穩(wěn)態(tài)溫度場；Tc為軀干中心溫度(K)，一般工況下為常數(shù)C；h0為對流換熱系數(shù)(W/(m2·K))；Tf為周圍環(huán)境溫度(K)。

最終，將規(guī)定的邊界調節(jié)代入解得通解，并得出常系數(shù)C1、C2，得最終方程組為：

(3)

在相同的情況下，當邊界條件為自然對流，且人體上軀干有制冷源，人體上軀干的傳熱模型方程組為：

(4)

式中：q0為人體上軀干邊界條件上的熱流密度，通常設定為一個常數(shù)。

同樣，根據(jù)上述邊界條件，得出求解的方程組：

(5)

1.2 制冷系統(tǒng)各部件的型號選擇1.2.1 半導體制冷片的選擇

計算人體降溫所需的制冷量來進一步確認制冷片的相關性能參數(shù)，選取國人男性標準身高為175 cm，其上半身軀干長度約為45 cm。為方便計算，將軀干部分近似看作為圓柱體，制冷氣體充滿空調服外層與內層時的平均間隔為Δx=2.8 cm，制冷氣體體積約為V0=8 000 cm3，計算人體間隙空間體積，要考慮體積系數(shù)，體積系數(shù)選取δ=1.1，修正后人體間隙空間體積V=V0·δ=8 800 cm3。夏季26 ℃時令人感到舒適，外界溫度選取為39 ℃，空氣的密度ρa=1.295 kg/m3，制冷空氣質量為ma=ρa·V=1.15×10-2kg，空氣的比熱容ca=1.006×103J/(kg·℃)，空氣由39 ℃下降到26 ℃所需的制冷量Q0=ca·ma·Δt=150 J。根據(jù)上述計算，對型號為TEM1-12708、TEM1-12710和TEM1-12712共3種方形的半導體制冷片以及型號為TES1-04903的圓形半導體制冷片進行制冷效果以及相應散熱風扇的測試。最終確定使用型號為TEM1-12710的超導鋁半導體制冷片，制冷片的主要參數(shù)如表1所示。

表1 制冷片TEM1-12710的參數(shù)

1.2.2 電源的選擇

電源是為空調服提供電力來源的重要組件。鑒于空調服的易攜帶及輕便性，根據(jù)各個設備的用電量計算，選擇適合匹配輸出電壓的電池，最后選用3種小型且高效的可充電電池為設備供能，其型號及參數(shù)如表2所示。

表2 電源的型號及參數(shù)

1.2.3 散熱風扇的選擇

散熱風扇的選擇關系到散熱片的散熱效果，在選擇散熱風扇時，需要考慮電壓、電流、外型尺寸、風量大小以及風扇本身的質量。

散熱風扇所需的電源電壓為12 V，由《電子設備結構設計標準手冊》可知，散熱風扇的外型尺寸由半導體制冷片的大小決定，已知選取的制冷片規(guī)格為40 mm×40 mm×5 mm，所匹配的太陽花形散熱片規(guī)格為φ61 mm×20 mm，因此選用的散熱風扇的外型尺寸為60 mm×60 mm×25 mm。散熱風扇的參數(shù)如表3所示。

表3 AFB0612EH-ABFOO散熱風扇的參數(shù)

1.2.4 排氣風扇的選擇

選用的排氣風扇共有4個檔位，如圖1所示，經(jīng)熱線風速儀測定：1檔時風速為3.2 m/s；2檔時風速為4 m/s；3檔時風速為4.4 m/s；4檔時風速為4.8 m/s。經(jīng)測試此風扇符合本實驗的要求。

圖1 排氣風扇實物圖

1.2.5 散熱片型號的選擇

根據(jù)半導體制冷片的外形尺寸，選擇40 mm×40 mm×11 mm的散熱片作為排氣風扇處的散熱片，方形散熱片的結構和尺寸如圖2所示。根據(jù)散熱風扇的尺寸，選用了61 mm×36.5 mm×20 mm的實心太陽花散熱片，太陽花形散熱片的結構及尺寸如圖3所示。

圖2 方形散熱片的CAD側視圖

圖3 太陽花形散熱片的CAD側視圖

制冷系統(tǒng)內部結構如圖4所示。待背后的制冷箱搭建完成，可以添加背帶，使其固定在背后，并將一定重力分配給兩肩，使穿著效果達到最舒適的狀態(tài)。穿著這款空調服后的照片如圖5所示。

圖4 制冷系統(tǒng)的局部視圖

圖5 空調服穿上后的整體效果圖

1.3 測試儀器及測試過程

(1)熱線風速儀(Testo 425)：熱線風速儀是將流速信號轉變?yōu)殡娦盘柕囊环N測速儀器，也可測量流體溫度或密度。

(2)熱電偶測溫計(HI 98701)：熱電偶傳感器是目前接觸式測溫中應用最廣的熱電式傳感器，在工業(yè)用溫度傳感器中占有極其重要的地位。其結構簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準確度高、輸出信號便于遠傳。

(3)紅外測溫儀(Raytek ST 30)：紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。

實物制作完成后，熱線風速儀測量了進出口的流速，入口處的參數(shù)作為Fluent模擬中的初始條件，出口處的參數(shù)值用于與模擬結果進行比較分析。測試實驗圖如圖6所示。

圖6 測試實驗圖

2 數(shù)值模擬及工作參數(shù)的確定

2.1 幾何模型的建立

利用Solidworks 2013軟件建立人體與衣服之間空間的三維模型，此模型的內側為人體軀干的表面，外側為使用過程中空調服的表面，如圖7所示。

圖7 衣服空間的幾何模型

由圖7中可以看出，衣服背部的2個圓為氣體入口，2個袖子和領口為氣體出口，其他封閉部分都為壁面，實線與虛線之間的空間為氣體流動的區(qū)域。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進行數(shù)值模擬前，首先對計算域進行網(wǎng)格劃分，將計算域離散化[7]。對于像空調服不規(guī)則區(qū)域中的流動和傳熱分析，采用對計算域外形適應性較好的非結構性網(wǎng)格，經(jīng)劃分流體域被劃分為4 826 011個網(wǎng)格，833 855個節(jié)點，結果如圖8和圖9所示。

圖8 空調服整體的網(wǎng)格劃分圖

圖9 空調服局部的網(wǎng)格劃分圖

2.3 數(shù)值計算方法

利用商業(yè)軟件ANSYS Fluent 19.1建立數(shù)值模型并進行運行仿真。利用k-epsilon湍流模型對衣腔內流場進行數(shù)值模擬計算。k-?模型的細節(jié)見文獻[11]。使用SIMPLE算法建立速度與壓力的耦合關系，并采用二階迎風方案離散化動量、能量、湍動能和湍流耗散率方程式。當殘差值為10-6時，計算被認為是收斂的。

在計算中使用以下連續(xù)性、動量和能量控制方程式：

連續(xù)性方程：

(6)

動量方程：

(7)

能量方程：

(8)

keff=k+kt

(9)

其中：ρ為密度；ui為速度矢量；p為壓力；μ和μt分別為分子黏度和湍流黏度；keff為有效電導率；kt為湍流熱導率。

2.3.1 直吹柔和風速

在柔和風速中，在其他條件都相同的情況下(入口溫度為26 ℃，即299 K)，此處選取的3種不同風速分別為0.3、0.5、0.7 m/s。為了便于比較，給出了不同風速下的壓力、速度、溫度分布云圖，結果如圖10所示。

圖10 不同入口風速時的Velocity/Pressure/Temperature分布云圖

由圖10可以看出，在不同風速條件下，各參數(shù)分布略有不同，但總體差別不大。0.3、0.5、0.7 m/s 3種氣流速度下各采樣點的風速、壓力、溫度如表6、表7、表8所示。

表6 直吹柔和風速下的各部位風速

從表6中可以看出，隨著入口氣流速度的增大，出口氣流速度也會上升，且各部分上升的比例大致相同。由于入口面積大于出口面積，所以在氣體流量相同的情況下，通過領口與袖口處的氣流速度較快。同時，隨著風速的增大，出入口的風速差值也會變大。

不同風速下各部位的壓力如表7所示。

表7 直吹柔和風速下的各部位壓力

在設置基本參數(shù)時，設定出口壓力處為靜壓，所有的出口壓力等于0 Pa，從表7可以看出，入口處的氣流速度越大，壓力也越大。

不同風速下各部位的溫度如表8所示。

從表8中可以看出，直吹柔和風速情況下，入口處無論是溫度還是速度都是比較柔和的，直接吹到人體皮膚表面時，給人感覺涼爽舒適無刺激感。但是由于溫度較高，速度也較慢，所以需要等待較長的時間才能將人體皮膚表面的溫度降到舒適的范圍之內。

表8 直吹柔和風速下的各部位溫度

2.3.2 夾層強勁風速

對于上述直吹柔和風速時存在的不足，加大了排氣風扇的風速?？照{服在設計時將氣流入口放在后背腰部，這是由于人體背部含有大量神經(jīng)系統(tǒng)，脊椎腰部對風速十分敏感，根據(jù)《人體熱舒適性標準》，背部直吹風速不宜超過0.8 m/s[12]，否則容易引發(fā)背痛、腰痛等疾病。

為降低風速過大對人體造成的不適感，在貼近人體內側加入了一層舒適微滲風的布料。改進后的入口溫度為24 ℃(即297 K)。排氣風扇共有4個檔位，風速分別為3.2、4.0、4.4、4.8 m/s，隨著風速的增大，入口氣流的溫度逐漸降低。與計算模型身材相似的體驗者穿著此款改進后的空調服后，皮膚表面無刺激性反應，且制冷速度很快，2～5 min內，穿著本款空調服的人的體表溫度可達人體正常舒適的溫度。對改進后的空調服也做了Fluent模擬， 3.2、4.0、4.4、4.8 m/s風速下的壓力、速度、溫度分布云圖如圖11所示。

圖11 不同入口風速時的速度、壓力和溫度

從圖11中可以看出，夾層強勁風速與直吹柔和風速的云圖相比，出口處與衣服外層的溫度更低，說明這種情況下的制冷效果較好。夾層強勁風速下的各部位風速如表9所示。

表9 夾層強勁風速下的各部位風速

由表9中可以看出，隨著入口氣流速度的增大，出口氣流速度也會上升，且各部分上升的比例大致相同。由于入口面積大于出口面積，所以在氣體流量相同的情況下，通過領口與袖口處的氣流速度較大，同時，隨著入口風速的增大，出入口的風速差值也會變大。

夾層強勁風速下的各部位壓力如表10所示。

表10 夾層強勁風速下的各部位壓力 Pa

設定出口壓力為靜壓，所有的出口壓力為0 Pa，從表10中可以看出，入口處的風速越大，壓力也越大，并且上升的幅度接近線性比例。

不同風速下各部位的溫度如表11所示。

由表11可以看出，入口溫度為297 K時，當入口風速分別為3.2、4、4.4、4.8 m/s時，制冷效果都很好。在測量入口溫度時，同時測量了出口溫度(使用的測量儀器為Testo 425熱線風速儀)，測得的出口平均溫度為299 K，與模擬的結果幾乎一致，將模擬的12組出口溫度的數(shù)據(jù)與測量的結果進行對比，結果如表12、圖12所示。

表11 夾層強勁風速下的各部位溫度

表12 夾層強勁風速下的模擬值與測量值之差

圖12 Fluent模擬與儀器測量的出口溫差

由圖12中可以看出，數(shù)值模擬與儀器測量溫度的差值很小，最大為1.3 ℃，還有1組為0.8 ℃和1組為0.5 ℃，其他幾乎為零。將Fluent模擬結果與實驗結果對比表明，半導體空調服最佳的運行組合以及氣流流量等參數(shù)驗證了此款新型設計的空調服的合理性，這對后期制冷+制熱型空調服的結構設計與發(fā)展起到了很好的指導作用。

4 結論

(1)在設計與測試中，通過多種制冷片的實驗研究發(fā)現(xiàn)，型號為TEM1-12710的制冷片具有最佳的制冷參數(shù)。

(2)直吹柔和風速適合在環(huán)境溫度較高、人體表面出汗量較少時使用；夾層強勁風速適合在環(huán)境溫度高、人體表面出汗量較多時使用。風速柔和情況下，人體大約5～10 min達到舒適的溫度；風速強勁的情況下，人體大約2 min左右達到舒適的溫度。

(3)經(jīng)Fluent模擬結果與測試結果對比可知，模擬結果準確、誤差較小，該模擬方法可以用于空調服的數(shù)值模擬。經(jīng)試穿體驗，此款空調服穿著舒適、攜帶輕便且耗電量少，適合批量生產。