基于氣凝膠、石墨烯和毛細(xì)水冷管的人體熱管理系統(tǒng)性能研究

大鍵詞：入體熱官埋；氣凝膠膜；石陸烯膜；毛細(xì)水令官

中圖分類號(hào)：TQ427.26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào):1003-5168(2025)12-0075-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.12.014

Performance Study of Human Thermal Management System Based on Aerogel， Graphene and Capillary Water Cooling Tube

JIA ZijuanSU PankeMENG Yubo ZHOU Wenkang LI JunjunWEN Bo (School of Smart Energy Environment，Zhongyuan Institute of Technology， Zhengzhou 45oo07，China)

Abstract: [Purposes] In order to effctively reduce energy consumption and improve human thermal comfort in high-temperature environments，this paper proposes a lightweight and efficient thermal management strategy that can directly regulate the temperature of the human body's surrounding environment.[Methods] Firstly，a human thermal management system based on aerogel film，capillary water cooling tube and graphene film is designed.Secondly，relevant experiments are conducted to investigate the aerogel/graphene film thickness，the water flow of capillary water cooling tube，and the effect of water temperature on the average temperature diference between the system’s hot and cold surfaces.[Fingdings]The water flow rate increased from2O mL/minto4O mL/min，the temperaturedifference between the hot and cold surfaces increased from 5.5°C to 8.1 ，and the heat dissipation efficiency of the system increased. The water temperature of the capillary tube rose from 12°C to 18 ^°C ，the temperature difference decreased from 5.5°C to 4.3°C ，and the heat dissipation efficiency of the system decreased. The thickness of the aerogel film increased from 1.0mm to 3.0mm ，and the temperature difference rose from approximately 3.5^°C to 8.2^°C ，improving its heat insulation performance. The thickness of the graphene film increased from 0.10mm to 0.20mm ，the temperature difference decreased from 11.6 °C to 8.2 ℃， and its heat transfer effect was improved.[Conclusions] The research results contribute to understandingthe performance characteristics of human thermal management system，and can provide reference for the design and development of lightweight and comfortable new liquid cooling clothing. Keywords: human thermal management; aerogel film; graphene film; capillary water cooling pipe

0 引言

全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣頻繁出現(xiàn)，尤其是高溫環(huán)境會(huì)使人們工作效率降低，甚至引發(fā)熱病等健康風(fēng)險(xiǎn)[1]。傳統(tǒng)的制冷方式往往難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制冷，且成本較高，而人體熱管理技術(shù)不僅具有節(jié)約能源，適用于全天候熱管理的優(yōu)勢，還能適用于各種復(fù)雜場景[3]。因此，開發(fā)出能夠調(diào)節(jié)人體熱舒適的熱管理服裝具有重要意義[4]

在人體與環(huán)境熱交換中，服裝起著至關(guān)重要的作用，是個(gè)人熱管理的重要手段[5]。傳統(tǒng)液冷服的設(shè)計(jì)通常采用水冷系統(tǒng)，Zhang等設(shè)計(jì)了一款管式液體冷卻服，通過制冷劑循環(huán)吸收人體多余的熱量，降低人體周圍溫度。近年來，氣凝膠、石墨烯等材料分別在隔熱和散熱方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，成為人體熱管理的理想材料。Su等7制備出一種Aerogel@Kevlar氣凝膠，能夠吸收人體產(chǎn)生的熱量以調(diào)節(jié)皮膚溫度。石墨烯具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性，且能夠?qū)崿F(xiàn)均勻散熱，將其與傳統(tǒng)織物結(jié)合后可制備出導(dǎo)熱性能高的服裝[8]。Guo等[9]設(shè)計(jì)了一種柔性、可折疊且超薄的石墨烯紙，可用于人體熱管理。因此，各種材料和技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)人體熱管理向多樣化、智能化方向發(fā)展。

本研究設(shè)計(jì)了一種集成氣凝膠薄膜、石墨烯薄膜和毛細(xì)水冷管的人體熱管理系統(tǒng)，通過整合各自的優(yōu)異性能來控制人體微氣候區(qū)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)人體的熱舒適。氣凝膠薄膜能夠有效抑制環(huán)境熱量向身體的傳遞，石墨烯薄膜有助于快速傳熱，毛細(xì)水冷管能夠高效地收集并輸送人體產(chǎn)生的熱量及來自周圍環(huán)境的熱量。本研究通過測量熱管理系統(tǒng)冷熱表面平均溫差，分析氣凝膠厚度、石墨烯厚度、水溫和水流量對(duì)系統(tǒng)熱管理性能的影響。

1材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究中氣凝膠薄膜和石墨烯薄膜由蘇州康邁新材料有限公司制作。氣凝膠薄膜和石墨烯薄膜的具體參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)測試系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由水泵、恒溫水箱、毛細(xì)水冷管、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、模擬太陽燈、氣凝膠薄膜、石墨烯薄膜、K型熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)前對(duì)所有儀器進(jìn)行了校準(zhǔn)，試驗(yàn)測試平臺(tái)示意如圖1所示。模擬太陽燈提供試驗(yàn)系統(tǒng)所需的穩(wěn)定輻射加熱功率，輻射加熱功率為 275～550W 。用18個(gè)K型熱電偶記錄檢測點(diǎn)的溫度變化，測量精度為0.75% 。所有檢測點(diǎn)的測量溫度由Agilent34972A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在 60min 內(nèi)以30s的頻率采集，檢測點(diǎn)位置如圖2(a)所示，冷表面與熱表面均設(shè)置9個(gè)測點(diǎn)且一一對(duì)應(yīng)。該試驗(yàn)所選毛細(xì)水冷管的外徑為 2mm ，內(nèi)徑為 1mm 。氣凝膠薄膜和石墨烯薄膜的長度和寬度分別為 200mm 和 100mm 。熱管理系統(tǒng)由氣凝膠薄膜、石墨烯薄膜和毛細(xì)水冷管組成，如圖2(b)所示。由圖2(b)可以看出，熱管理系統(tǒng)的上部為氣凝膠薄膜，下部為石墨烯薄膜，中間為蛇形毛細(xì)水冷管。

2 不確定性分析

對(duì)試驗(yàn)測試系統(tǒng)在溫升和液體流量方面進(jìn)行誤差分析。整個(gè)試驗(yàn)測試過程中溫度變化的主要誤差來自K型熱電偶和數(shù)據(jù)采集。K型熱電偶的最大誤差 σ_r 為 0.75% ，數(shù)據(jù)收集設(shè)備收集到的測試誤差 σ_D 為 0.1% 。因此，根據(jù)式(1)可以得出總誤差σ 為 0.76%^[10]

實(shí)際液體流量的測量誤差可由體積流量和當(dāng)量直徑得到[]，為 1.41% 。

式(1和(2)中： σ 為總誤差； σ_r 為熱電偶的誤差； σ_D 為測試誤差； Δu 為液體流量測量的絕對(duì)誤差；

u 為液體流量的實(shí)際值； ΔV 為體積流量的測量誤差；V為體積流量的實(shí)際值； ΔD 為當(dāng)量直徑的測量誤差； D 為當(dāng)量直徑的實(shí)際值。

3結(jié)果與討論

3.1水流量對(duì)冷熱表面平均溫差的影響

不同水流量下冷熱面溫差隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。由圖3可知，水流量從 20mL/min 增加到 40mL/min 時(shí)，溫差從 5.5^°C 增加到 8.1°C 。這是因?yàn)殡S著流體流速的增加，流散熱效果更加顯著，從而有效降低冷表面溫度，進(jìn)而使冷熱表面溫差增大。因此，改變水流量可以改善熱管理系統(tǒng)的散熱性能，進(jìn)而調(diào)節(jié)人體微氣候區(qū)溫度。

不同水溫下冷熱面溫差的時(shí)間變化情況如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)毛細(xì)水冷管中的水溫從 12^°C 升高到 18^°C 時(shí)，冷熱表面溫差從 5.5^°C 減小到 4.3^°C 。這表明，較低的水溫能夠產(chǎn)生較大的溫差。這種現(xiàn)象說明水溫降低可以提高其冷卻效率。因此，在人體熱管理系統(tǒng)中，水溫是決定冷表面溫度的關(guān)鍵因素。

3.3 氣凝膠薄膜厚度對(duì)冷熱表面平均溫差的影響

不同氣凝膠膜厚度下冷熱表面溫差隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)氣凝膠膜厚度從1.0mm 增加到 3.0mm 時(shí)，冷熱表面溫差從約 3.5°C 上升到 8.2^°C 。這是因?yàn)樵黾託饽z膜的厚度，可以增強(qiáng)隔熱效果，從而減少熱量向冷表面的傳遞。這種現(xiàn)象導(dǎo)致冷熱表面產(chǎn)生較大的溫差。因此，可以通過控制氣凝膠薄膜的厚度來優(yōu)化其隔熱效果。

不同石墨烯薄膜厚度下冷熱表面溫差隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)石墨烯薄膜的厚度從 0.10mm 增加到 0.20mm 時(shí)，受熱面和冷表面之間的平均溫差從 11.6^°C 逐漸減小到8.2^°C 。這是因?yàn)樵黾邮┑暮穸龋嵘讼到y(tǒng)的導(dǎo)熱效率，從而減小冷熱表面之間的溫差。因此，通過調(diào)整石墨烯薄膜的厚度，可以優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的散熱性能，改善人體的熱舒適性。

4結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了基于氣凝膠薄膜、毛細(xì)水冷管和石墨烯薄膜集成的人體熱管理系統(tǒng)，并試驗(yàn)測試了氣凝膠和石墨烯薄膜厚度、毛細(xì)水冷管中的水流量及水溫等對(duì)該系統(tǒng)的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)水流量從 20mL/min 增加到 40mL/min 時(shí)，冷熱表面溫差從 5.5^°C 增加到 8.1°C ；當(dāng)毛細(xì)水冷管的水溫從12^°C 升高到 18^°C 時(shí)，冷熱表面溫差從 5.5^°C 減小到4.3^°C ；當(dāng)氣凝膠膜厚度從 1.0mm 增加到 3.0mm 時(shí)，冷熱表面溫差從約 3.5^°C 上升到 8.2^°C ；當(dāng)石墨烯薄膜的厚度從 0.10mm 增加到 0.20mm 時(shí)，冷熱表面之間的平均溫差從 11.6^°C 逐漸減小到 8.2^°C 。

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