人体降温服在矿井热环境中的应用综述* yd17824

盛伟,郑海坤    河南理工大学机械与动力工程学院,河北焦作454000

收稿日期: 2013-09-09

作者简介: 盛伟,博士,副教授。

* 基金项目: 河南省自然科学基金项目(2010B470007);河南省热能与动力工程特色专业项目(508057)

原载:中国安全生产科学技术2013/1295-101

 

【摘要】 降温服是一种应用于高温环境条件下的个体防护设备。根据深矿井热害治理需求,提出用人体降温服对人体直接降温的个体防护方法。结合降温服的降温原理和分类,对个体降温服国内外研究现状及其在矿井热害治理中的可能应用进行了综述和评价分析。为在深矿井热害治理中有针对性的研究、设计和应用矿用人体降温服提供参考。

【关键词】 降温服;矿井热害;涡流管;蓄冷;综述

中图分类号X936 文献标志码:A doi: 10.11731 /j.issn. 文章编号:1673-193x.2013-12-0095-07

 

0  引言

随着我国经济的迅速发展,煤炭作为我国能源支柱,其开采量大幅增加。国家能源局资料[1]显示:2010 年我国的原煤产量32. 4 亿吨,是2005 年的1. 4 倍。煤矿的深度开采成为必然趋势,但也带来了一些问题,其中矿井热害治理成为深矿井煤矿亟待解决的重要难题。矿井热害[2]是指矿井下的温度和湿度超过一定限度时,影响井下作业的正常进行和矿工身体健康的现象。人属于恒温体,体温的稳定是保证机体新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。矿井热害不仅影响生产劳动效率,甚至对人体健康构成严峻挑战[3-5]。在这种情况下就必须对人体进行热防护。

我国一些煤矿生产部门和科研机构,目前关于热害问题的研究主要集中在形成机理方面,同时也提出了一些解决方法。归纳起来主要有两个方面[6-8:一为非人工制冷措施,即矿井通风。一般在地温31-37℃时,热害较轻,一般用通风方法解决;二为人工制冷,也称为矿井空气调节,在地温达到37 以上时,单靠加强通风不能解决热害问题时,应采用人工制冷降温措施。

以上两种矿井热害治理方法,均需采用大型的机器设备,通过降低进入整体工作面空气的温度来实现。这两种治理方法均存在初投资大、运行费用高、在运行过程中有噪声污染和制冷效果不良,且随着工作面的改变,制冷设备移动、安装非常困难,以及安全隐患等问题[9-10]。

基于以上问题,提出了在深矿井热环境下对人体直接降温的个体防护方法。其主要思想:矿工穿上降温功能服装,在人体周围构造微气候区,与周围的高温环境相隔绝,通过对微气候区的热量调节,达到人体热平衡和热舒适调节的目的。该方法避免了上述两种矿井热害治理的系列问题,具有很强的应用优势。本文结合目前降温服发展现状,对降温服在矿井热环境下的可能应用进行了分析,希望为矿井热害治理提供参考。

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1 人体微气候区示意图

1  人体降温服工作原理

如图1 所示,在人体的皮肤层和着装之间存在狭小的空间,即人体微气候区。

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2 人体微气候区热舒适性范围

人体微气候[11-12]是人体微气候区的温度、湿度、气流速度的总称。人体微气候与人体的舒适性密切相关,原田隆司博士[13]根据相关文献绘制了人体衣服内微气候区的温湿度与人体热舒适感的关系曲线(2所示),得到了人体微气候区的热舒适范围:温度32℃±1℃、相对湿度50%±10%。在高温环境中,降温服通过制冷降温装置,对微气候区进行降温,带走热量,保持稳定在人体的微气候区热舒适范围内,维持人体热量平衡。

2  人体降温服的分类

2. 1  气体降温服

气体降温服是利用气源供给空气,经通风管道在身体与服装间流动,在人体表面构建微气候区进行降温。按照散热方式的不同,气体降温服[16]分为蒸发型气冷温服和对流型气冷服。蒸发型气冷服对通风温度没有要求,主要利用水汽压梯度促进汗液蒸发散热。对流型气冷服主要通过通风气流带走热量,要求通风气体温度低于平均皮肤温度,需要对通风进行预冷。

2. 2  液体降温服

液体降温服[17-18]通过微气候区的循环降温液带走人体的代谢热,调节人体与环境的热交换,维持人体热平衡。液冷服由基础服装和预冷装置组成,通过热交换装置在冷源处降温散热,低温降温液再返回人体完成循环。

2. 3  相变降温服

相变降温服[19]利用相变储能材料在环境温度变化时,通过相变吸收周围环境的热量而进行降温。通常在服装表面缝制若干降温口袋,将预冷相变材料放置在口袋中,相变吸热降温。相变降温服又称为被动降温服,其降温过程一般在2-4 小时,相变过程发生一定时间后需重新进行蓄冷。常用的蓄冷介质[20]主要有冰、干冰、相变材料、凝胶、相变材料大胶囊等。

以上是按照降温介质的不同,对降温服进行的分类[14-15]。按照降温动力来源,可分为主动式降温服及被动式降温服;按照制冷方式的不同,又可分为蓄冷型降温服、蒸汽压缩式降温服、涡流管式降温服、热电制冷式降温服,这里不再一一详述。

3  人体降温服国内外研究现状

3. 1  国外研究现状

国外人体降温服起步较早,1962 年英国皇家空军Burton21]研制了第一件液冷服。美国ILC Dover公司与NASA 合作[22],基于液冷服系统开发了阿波罗宇航服,并将其应用于阿波罗登月计划。阿波罗液冷服奠定了现代降温服发展的基础。

随后ILC Dover 公司采用宇航服中液体降温技术研究了医用降温背心,对病人进行降温,取得较好的效果。美军Natick 士兵中心[23]研制出了单兵降温系统PICS,该系统将冰块放在瓶子里,再利用水泵传输冰水进行热量的传递,该系统可持续工作4小时左右。随后,美军又开发了高级轻型微气候降温系统ALMCS,工作时间更持久,服装温度控制在18. 3-21. 1℃之间。

以上液冷降温服系统将冷却液放在背包或固定容器中,随身携带,增加了人体负荷,尤其对于重度劳动者;其容器的蓄冷能力有限;液冷服用泵系统作为液冷服的动力装置,长期负荷条件下泵等微系统易损坏;能源供应由蓄电池提供,其在深矿井环境中并不适用。

南非作为世界上采矿发达国家之一,一直致力于矿山热防护的研究。二十世纪七十年代,德国马堡大学劳动生理及康复研究所[24]根据其试验结果推荐以下几种南非降温服:西德德来格尔公司的冰水降温背心;加尔特里特公司的干冰降温服。1979年西德埃森矿山研究院针对上述几种降温服进行了实验,验证了其降温效果,但其降温持续时间有限:阿波罗背心和冰水降温服1h、干冰降温服2h 后其降温效果急剧下降。干冰降温服降温能力较强,但其相变温度过低,易对人体形成冷冲击,干冰成本较高。

针对以上被动式液冷降温服存在的不足,人们开始致力于主动式降温服的研究。美国Aspen 公司[25]生产的全球最小最轻的旋转压缩机,将其应用于便携式制冷系统研制出的个人降温系统,被美国军方采用。其适用的环境温度可达-30℃-60℃,制冷系统重约2. 7kg 。该降温服蒸汽压缩制冷系统微型化,降温能力大大增强、降温时间持久。但该产品系统复杂,携带不便,尤其在矿井下加重矿工负担;成本较高;动力源由蓄电池提供,在矿井下需要防爆处理。

美国太平洋国家实验室(PNNL)26]开发出了基于溴化锂吸收式制冷的微型制冷系统,该降温系统由热泵、热交换器、电池组成,利用身体余热,通过分布在人体表面的管道进行吸放热实现其工作过程。吸收式制冷存在安全隐患、价格昂贵、实际降温能力有限且使用不便。

日本服装设计师[27]设计的降温服,通过布置在上衣中的小风扇,在衣服里制造空气流动,通过汗液蒸发对人体降温。Mengmeng Zhao28]针对风扇强制鼓风型降温服,在风扇的不同布置情况下进行了降温性能实验,结果表明风扇布置在脊柱和后腰具有较好的效果。该类降温服属蒸发型气冷服。过度出汗会导致人体不适,其实际降温能力有限,其主要用于对航天飞行员降温。

Zheng xiang Pu29]提出了管道式气体降温服,首先由空气压缩机将空气压缩并经涡流管预冷,再通过分布在全身的管道系统排入服装内部,以对流和蒸发形式对人体降温。与Zheng xiang Pu 不同的是,Schutte P C30]在着装的前胸和后背各设置一个气囊,在气囊接触皮肤的一面设有均匀分布的小孔,冷却气流从小孔吹向皮肤,乏气最后由领口、袖口排出。该类降温服属对流型气冷服,降温效果较好,其循环介质为高压气体,适用于有高压气源场所。加拿大的Yifan Yang 等[31]基于真空干燥冷却(VDC)技术提出了一种新型的降温服,其降温能力达到了373. 1W/m2。真人实验表明VDC 降温服能够明显缓解热应力。但该降温服尚在实验阶段,并未实际应用。

Gunatilake32]基于热电制冷原理提出了一种降温服,该降温服由热电制冷模块和制冷剂储罐组成。性能测试表明该降温服具有良好的调温能力。但该降温服需要携带制冷剂储罐,在矿井下使用加重了人体的负担,使用不便;热电制冷效率低;蓄电池需要防爆处理。

3. 2  国内研究现状

我国航天医学工程研究所最早开始研究人体降温系统,1982 年开始研制的便携式局部液冷服(YL-IA ),利用泵组件将制冷装置中预冷的冰水混合物输送到人体液冷服,通过对流、传导带走人体的热量。高温舱人体医学实验表明该液冷服具有较好的制冷效果[33]。2007 年深圳德升研制的新型单兵液冷降温系统[34],其制冷系统主要有电池、泵组件和冷源等。该类降温服与国外被动式液冷服系统类似,持续降温时间较短,需要不定时添加冰水,在矿井热环境下应用有限。

北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室研制的便携式空调系统,将空调制冷系统微型化,研制了微型螺旋式压缩机。该制冷系统可提供300W 以上的冷量,也属于液冷服系统,通过制冷系统对液冷服中循环水降温。先后推出的“工大微冷-Ⅰ型”、“工大微冷-Ⅱ型”,该微型制冷系统重量约2. 85kg35]。但该制冷装置的能效较低,其主要应用于军事领域。

我国学者对蒸发型气冷服进行了研究。韩兴旺[36]等人研制的换气式降温服,该换气降温服以锂电池带动风扇,暖体假人Walter 降温性能实验测定该降温服的降温量在100 170W 之间。中国科学院理化研究所刘静等[37]提出的基于微型风扇阵列的降温服。曾颜彰等[38]人对该降温服作用下的人体散热模型采用Monte-Carlo 算法进行体表温度模拟计算,并对其进行了实验验证。当环境温度较高甚至高于体表温度时,基于风扇的降温服仅通过汗液潜热蒸发散热,吹入体表的热空气反而对人体进行对流加热,所以该类降温服在矿井高温场合中并不适用。

中国矿业大学刘源[39]等人针对矿井热害设计了对流型气冷服。该降温服的进口空气温度可调,可始终保持在人体的舒适范围,降温能力较强。与传统煤矿降温方式相比,该类降温服初投资小,安全经济可靠,但需要高压气源,现有研究仅停留在是否穿着降温服上,关于其降温效果需更一步深入研究。

清华大学张彦平[40]等人采用TH-27 复合蓄热相变材料,对医用降温服进行了热舒适实验评价,证明了该降温服具有良好的热舒适性;天津工业大学张兴祥教授[41-43]团队研制成功的相变材料胶囊恒温服,以直径只有1-100 微米的相变材料微胶囊(MicroPCMs)为芯材,制取了储热调温纤维,生产了系列具有智能调温功能的恒温服装,该恒温服可保持人体舒适温度2-3h。相变降温服系统简单,使用方便,无防爆要求,但其降温时间有限,在深矿井下使用需建立蓄冷中转装置。

河南理工大学盛伟[44]等人提出了一种无电自压缩式降温服,依靠人体走路时双脚产生的压力为动力源。与其它降温服相比,该降温服无需动力装置,不受空间和时间限制,尤其满足矿井等特殊场合的使用。

4  矿井热环境下的应用分析

随着社会的发展和人们热舒适意识的提高,降温服的使用范围将会越来越广。资料显示[45],矿井热环境下个体降温方式其初期投资只有传统降温方式的1 /25,运行维护费用是原来的1 /16;矿用降温服使用灵活方便,不受工作地点的限制,可随开采工作面的变化而移动。可以预见的是:在矿井热环境下,降温服应用前景广阔。

国外降温服装的研究起步较早,并且已有相对成熟化的产品应用,我国的降温服发展较慢,亟待推广。目前降温服主要应用在航天军事领域,在煤矿热环境条件下的应用鲜有提及,且其技术发展也存在一定的问题,制约着矿用降温服的发展。结合以上文献综述以及煤矿安全生产要求,按照降温介质的不同分类,对个体降温服在煤矿热环境下的可能应用作如下分析:

(1)液体降温服。液冷降温服起源最早,大部分的研究焦点也在液冷服。其换热量大,制冷效果明显,在航空航天及军事领域得到了大量的应用[46]。但其需要微型制冷系统提供辅助制冷装置,现有的微型制冷系统主要有蒸汽压缩式、热电制冷、热管制冷等。热管制冷成本较高,仅在航天中有使用;蒸汽压缩制冷和热电制冷需要携带电源。液冷服其系统复杂;冷却液容易泄漏,在降温初期存在过冷现象,对人体形成冷冲击;成本较高,在矿井下需要防爆处理,很难推广普及。

(2)相变材料降温服。相变材料降温服系统简单、使用方便,没有电源,无防爆要求。但其降温能力有限、持续时间较短,一般降温时间在2- 4h,若在煤矿井下建立蓄冷中转站,可以考虑使用。

(3)气体降温服。蒸发型气冷服主要由微型风扇提供动力,使用方便。其适用于对降温能力要求不太高的场合,且主要依靠汗液的蒸发而散热,在深矿井下,由于劳动强度较大,过量的排汗会导致身体的不适。而对流型气冷服,需要预冷装置。现有的低温冷源通风主要有蒸汽压缩冷源通风、空气循环冷源通风等[47]。由前面分析可知微型蒸汽压缩制冷技术一般应用在液冷服上,气体降温服应用较少。空气循环冷源通风主要应用在气压源的场合,主要通过涡轮膨胀或者涡流管产生低温气流,引入降温服降温。其中的涡流管降温服技术,具有以下优点:①涡流管部件少、使用方便、且制冷效果可调。②涡流管降温服属于本安型,满足防爆要求,价格相对便宜。③在深矿井中压缩空气气源分布广泛[48],接入简便。涡流管降温服发展前景广阔,建议使用。图3  为其应用原理图。

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3 深矿井涡流降温服应用示意图

所设计降温服系统主要有气源中转站、供气管接头、管线、涡流管、基础服装等组成,方便拆装。气源中转站处设置多排气管接头,气源站接头和涡流管接头均为气体快速接头,与管线连接,涡流管制冷器束与腰间。工作过程:从气源中转站流出高压气体由管线流入涡流管制冷器,经涡流管分离产生低温气体吹入人体微气候区,对人体进行降温,产生乏气经人体衣服领口袖口排出体外。涡流降温技术其应用较为成熟,但是存在着局部温差大,整体温湿度以及气体流速分布不均匀等问题,研究尚待深入。

5  结论与展望

矿用降温服的主要研究方向可归纳为以下几点:

(1)气冷式降温服发展前景广阔。深矿井下气源丰富,涡流管降温服安全可靠,降温效果良好。但现有研究仅停留在初步实验阶段,关于涡流管型降温服的流场分布的模拟及仿真进而优化现有设计显得十分必要。

(2)具有较强持续降温能力相变降温服。相变降温服的降温能力成为相其在深矿井热环境下应用的瓶颈。近几年来,伴随着微胶囊技术的发展,相变材料的微胶囊(MicroPCMs) 因其良好的调温性能,得到了人们的重视,但现有的微胶囊相变材料其冷却持续时间并没有取得长足进步。寻求一种持续时间较长、调温性能良好的相变材料成为该类降温服发展的关键。

(3)无电降温服。动力来源一直是制约蒸汽压缩式降温服发展的瓶颈。现有降温服动力源仍依赖于电源或蓄电池,不能满足矿井的防爆要求,在深矿井热环境下,开展无电降温服的研究具有重要的意义。

一直以来,降温服的安全性、经济性是其难以在深矿井热环境下应用推广的重要原因之一,如何降低生产成本、提高降温服安全性将是矿用降温服发展的关键。矿用降温服是一个融合多种学科的产物,涉及到制冷技术、生物热力学、生物传热学、人体工效学、服装卫生学和矿井通风安全等多个学科。矿井学、服装材料学和制冷技术相结合,从多学科角度统筹考虑,设计出的矿用降温服将会更加满足需求,并对其进行成果转化进而大规模的普及应用将成为广大研究者的研究热点。

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