المبادلات الحرارية
يتبادل جسم الإنسان الحرارة مع بيئته من خلال مسارات مختلفة: التوصيل عبر الأسطح الملامسة له ، والحمل الحراري والتبخر مع الهواء المحيط ، والإشعاع مع الأسطح المجاورة.
التوصيل
التوصيل هو انتقال الحرارة بين جسيمتين متصلبتين. يتم ملاحظة هذه التبادلات بين الجلد والملابس والأحذية ونقاط الضغط (المقعد والمقابض) والأدوات وما إلى ذلك. في الممارسة العملية ، في الحساب الرياضي للتوازن الحراري ، يتم تقريب هذا التدفق الحراري عن طريق التوصيل بشكل غير مباشر ككمية مساوية لتدفق الحرارة بالحمل الحراري والإشعاع الذي سيحدث إذا لم تكن هذه الأسطح على اتصال بمواد أخرى.
الحمل الحراري
الحمل الحراري هو انتقال الحرارة بين الجلد والهواء المحيط به. إذا كانت درجة حرارة الجلد ، tsk، بوحدات درجة مئوية (درجة مئوية) ، أعلى من درجة حرارة الهواء (ta) ، يتم تسخين الهواء الملامس للجلد وبالتالي يرتفع. وهكذا يتم إنشاء دوران الهواء ، المعروف باسم الحمل الحراري الطبيعي ، على سطح الجسم. يصبح هذا التبادل أكبر إذا مر الهواء المحيط فوق الجلد بسرعة معينة: يصبح الحمل الحراري قسريًا. تدفق الحرارة المتبادل بالحمل الحراري ، C, بوحدات واط لكل متر مربع (W / m2) ، يمكن تقديرها من خلال:
C = hc FClC (tsk - ta)
أين hc هو معامل الحمل الحراري (W / ° C · m2) ، وهي دالة على الفرق بين tsk و ta في حالة الحمل الحراري الطبيعي وسرعة الهواء Va (م / ث) في الحمل الحراري القسري ؛ FClC هو العامل الذي تقلل به الملابس من التبادل الحراري بالحمل الحراري.
إشعاع
يُصدر كل جسم إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ، تكون شدته دالة للقوة الرابعة من درجة حرارته المطلقة T (بالدرجات كلفن- K). يُصدر الجلد ، الذي قد تتراوح درجة حرارته بين 30 و 35 درجة مئوية (303 و 308 كلفن) ، مثل هذا الإشعاع الموجود في منطقة الأشعة تحت الحمراء. علاوة على ذلك ، يتلقى الإشعاع المنبعث من الأسطح المجاورة. التدفق الحراري المتبادل بالإشعاع ، R (في W / م2) بين الجسد ومحيطه يمكن وصفه بالتعبير التالي:
حيث:
s هو الثابت العالمي للإشعاع (5.67 × 10-8 واط / م2 K4)
e هي انبعاث الجلد ، بالنسبة للأشعة تحت الحمراء ، يساوي 0.97 ومستقل عن الطول الموجي ، وللإشعاع الشمسي حوالي 0.5 لجلد موضوع أبيض و 0.85 لجلد موضوع أسود
AR/AD هو جزء من سطح الجسم يشارك في التغييرات السابقة ، والتي تكون بترتيب 0.66 أو 0.70 أو 0.77 ، اعتمادًا على ما إذا كان الموضوع جاثمًا أو جالسًا أو واقفًا
FCLR هو العامل الذي تقلل به الملابس من التبادل الحراري للإشعاع
Tsk (في K) هو متوسط درجة حرارة الجلد
Tr (في K) هو متوسط درجة الحرارة المشعة للبيئة - أي درجة الحرارة المنتظمة للكرة السوداء ذات القطر الكبير التي ستحيط بالموضوع وستتبادل معها نفس كمية الحرارة مثل البيئة الحقيقية.
يمكن استبدال هذا التعبير بمعادلة مبسطة من نفس النوع مثل تلك الخاصة بالمبادلات بالحمل الحراري:
ص = حr (AR/AD) FCLR (tsk - رr)
أين hr هو معامل التبادل بالإشعاع (W / ° C · m2).
تبخر
يحتوي كل سطح مبلل على طبقة من الهواء مشبعة ببخار الماء. إذا لم يكن الغلاف الجوي نفسه مشبعًا ، ينتشر البخار من هذه الطبقة باتجاه الغلاف الجوي. تميل الطبقة بعد ذلك إلى التجدد عن طريق الرسم على حرارة التبخر (0.674 وات / ساعة لكل جرام من الماء) عند السطح الرطب الذي يبرد. إذا كان الجلد مغطى بالكامل بالعرق ، يكون التبخر في أقصى درجاته (Eماكس) وتعتمد فقط على الظروف المحيطة ، وفقًا للتعبير التالي:
Eماكس = حe Fpcl (Pسك ، ق - فa)
حيث:
he هو معامل التبادل عن طريق التبخر (W / m2كيلو باسكال)
Pسك ، ق هو الضغط المشبع لبخار الماء عند درجة حرارة الجلد (معبرًا عنه بالكيلو باسكال)
Pa هو الضغط الجزئي المحيط لبخار الماء (معبرًا عنه بالكيلوباسكال)
Fpcl هو عامل تقليل التبادلات عن طريق التبخر بسبب الملابس.
العزل الحراري للملابس
يعمل عامل التصحيح في حساب التدفق الحراري بالحمل الحراري والإشعاع والتبخر وذلك لمراعاة الملابس. في حالة الملابس القطنية ، عاملا التخفيض FClC و FCLR يمكن تحديده من خلال:
Fcl = 1/(1+ (حc+hr)Icl)
حيث:
hc هو معامل التبادل بالحمل الحراري
hr هو معامل التبادل بالإشعاع
Icl هو العزل الحراري الفعال (م2/ ث) الملابس.
أما بالنسبة لتقليل انتقال الحرارة عن طريق التبخر ، فإن عامل التصحيح Fpcl بالتعبير التالي:
Fpcl = 1 / (1+2.22hc Icl)
العزل الحراري للملابس Icl يتم التعبير عنها في م2/ W أو في clo. عزل 1 كلو يتوافق مع 0.155 م2/ W ويتم توفيره ، على سبيل المثال ، من خلال الملابس العادية للمدينة (قميص ، ربطة عنق ، بنطلون ، جاكيت ، إلخ).
يوفر معيار ISO 9920 (1994) العزل الحراري الذي توفره مجموعات مختلفة من الملابس. في حالة الملابس الواقية الخاصة التي تعكس الحرارة أو تحد من نفاذية البخار تحت ظروف التعرض للحرارة ، أو تمتص وتعزل تحت ظروف الإجهاد البارد ، يجب استخدام عوامل التصحيح الفردية. حتى الآن ، ومع ذلك ، لا تزال المشكلة غير مفهومة جيدًا ولا تزال التوقعات الرياضية تقريبية للغاية.
تقييم المعايير الأساسية لحالة العمل
كما رأينا أعلاه ، فإن التبادل الحراري بالحمل الحراري والإشعاع والتبخر هي دالة لأربعة معلمات مناخية - درجة حرارة الهواء ta في درجة مئوية ، يتم التعبير عن رطوبة الهواء بضغط البخار الجزئي Pa في كيلو باسكال ، متوسط درجة الحرارة المشعة tr في درجة مئوية ، وسرعة الهواء Va في م / ث. تخضع الأجهزة وطرق قياس هذه المعلمات الفيزيائية للبيئة لمعيار ISO 7726 (1985) ، الذي يصف الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار المستخدمة ، ويحدد نطاق قياسها ودقتها ، ويوصي بإجراءات قياس معينة. يلخص هذا القسم جزءًا من بيانات تلك المواصفة القياسية ، مع إشارة خاصة إلى شروط استخدام الأجهزة والأجهزة الأكثر شيوعًا.
درجة حرارة الهواء
درجة حرارة الهواء (ta) يجب قياسه بشكل مستقل عن أي إشعاع حراري ؛ يجب أن تكون دقة القياس ± 0.2 درجة مئوية في نطاق 10 إلى 30 درجة مئوية ، و ± 0.5 درجة مئوية خارج هذا النطاق.
هناك أنواع عديدة من موازين الحرارة في السوق. موازين الحرارة الزئبقية هي الأكثر شيوعًا. ميزتها هي الدقة ، بشرط أن تكون قد تم معايرتها بشكل صحيح في الأصل. عيوبها الرئيسية هي وقت الاستجابة الطويل ونقص القدرة على التسجيل التلقائي. من ناحية أخرى ، تتميز موازين الحرارة الإلكترونية عمومًا بوقت استجابة قصير جدًا (5 ثوان إلى دقيقة واحدة) ولكن قد تواجه مشاكل في المعايرة.
مهما كان نوع مقياس الحرارة ، يجب حماية المستشعر من الإشعاع. يتم ضمان ذلك عمومًا بواسطة أسطوانة مجوفة من الألومنيوم اللامع تحيط بالمستشعر. يتم ضمان هذه الحماية بواسطة مقياس الضغط النفسي ، والذي سيتم ذكره في القسم التالي.
الضغط الجزئي لبخار الماء
يمكن تمييز رطوبة الهواء بأربع طرق مختلفة:
1. ال مقياس معدل الرطوبة: درجة الحرارة التي يجب تبريد الهواء عندها حتى يتشبع بالرطوبة (td، درجة مئوية)
2. ال الضغط الجزئي لبخار الماء: جزء الضغط الجوي الناتج عن بخار الماء (Pa، كيلو باسكال)
3. الرطوبة النسبية (ر)والتي يتم التعبير عنها بالتعبير:
RH = 100· صa/PS ، تا
أين صS ، تا هو ضغط البخار المشبع المرتبط بدرجة حرارة الهواء
4. ال درجة حرارة الهواء الرطب (tw) ، وهي أدنى درجة حرارة يتم الوصول إليها بواسطة غلاف مبلل محمي من الإشعاع ويتم تهويته بأكثر من 2 م / ث بواسطة الهواء المحيط.
كل هذه القيم مرتبطة رياضيا.
ضغط بخار الماء المشبع Pشارع في أي درجة حرارة t اعطي من قبل:
بينما يرتبط الضغط الجزئي لبخار الماء بدرجة الحرارة عن طريق:
Pa = فS ، tw - (تa - رw)/15
أين PS ، tw هو ضغط البخار المشبع عند درجة حرارة المصباح الرطب.
يسمح الرسم البياني النفسي (الشكل 1) بدمج كل هذه القيم. إنه يتألف:
الشكل 1. الرسم التخطيطي السيكرومترية.
- في ال y المحور ، مقياس الضغط الجزئي لبخار الماء Pa، معبراً عنها بالكيلوباسكال
- في ال x المحور ، مقياس درجة حرارة الهواء
- منحنيات الرطوبة النسبية الثابتة
- الخطوط المستقيمة المائلة لدرجة حرارة ثابتة للمبة المبللة.
- معلمات الرطوبة الأكثر استخدامًا في الممارسة هي:
- الرطوبة النسبية ، مقاسة بواسطة أجهزة قياس الرطوبة أو أجهزة إلكترونية أكثر تخصصًا
- درجة حرارة البصيلة الرطبة ، مقاسة بواسطة مقياس رطوبة الجو ؛ من هذا يتم اشتقاق الضغط الجزئي لبخار الماء ، وهو العامل الأكثر استخدامًا في تحليل التوازن الحراري
يتراوح نطاق القياس والدقة الموصى بها من 0.5 إلى 6 كيلو باسكال و ± 0.15 كيلو باسكال. لقياس درجة حرارة البصيلة الرطبة ، يمتد النطاق من 0 إلى 36 درجة مئوية ، بدقة مماثلة لدرجة حرارة الهواء. فيما يتعلق بأجهزة قياس الرطوبة لقياس الرطوبة النسبية ، يمتد النطاق من 0 إلى 100٪ ، بدقة تبلغ ± 5٪.
يعني درجة حرارة مشعة
متوسط درجة الحرارة المشعة (tr) تم تعريفه مسبقًا ؛ يمكن تحديده بثلاث طرق مختلفة:
1. من درجة الحرارة المقاسة بواسطة ميزان الحرارة المجال الأسود
2. من المستوى المشع درجات الحرارة المقاسة على طول ثلاثة محاور متعامدة
3. عن طريق الحساب ، دمج تأثيرات مصادر الإشعاع المختلفة.
ستتم مراجعة التقنية الأولى فقط هنا.
يتكون مقياس الحرارة الكروي الأسود من مسبار حراري ، يتم وضع العنصر الحساس منه في وسط كرة مغلقة تمامًا ، مصنوع من معدن موصل جيد للحرارة (نحاسي) ومطلي باللون الأسود غير اللامع بحيث يكون له معامل من الامتصاص في منطقة الأشعة تحت الحمراء بالقرب من 1.0. يتم وضع الكرة في مكان العمل وتخضع للتبادلات بالحمل الحراري والإشعاع. درجة حرارة الكرة الأرضية (tg) ثم يعتمد على متوسط درجة الحرارة المشعة ودرجة حرارة الهواء وسرعة الهواء.
بالنسبة للكرة الأرضية السوداء القياسية التي يبلغ قطرها 15 سم ، يمكن حساب متوسط درجة حرارة الإشعاع من درجة حرارة الكرة الأرضية على أساس التعبير التالي:
في الممارسة العملية ، يجب التأكيد على الحاجة إلى الحفاظ على انبعاث الكرة الأرضية بالقرب من 1.0 عن طريق إعادة طلاءها بعناية باللون الأسود غير اللامع.
يتمثل القيد الرئيسي لهذا النوع من الكرة الأرضية في وقت الاستجابة الطويل (من 20 إلى 30 دقيقة ، اعتمادًا على نوع الكرة الأرضية المستخدمة والظروف المحيطة). القياس صالح فقط إذا كانت ظروف الإشعاع ثابتة خلال هذه الفترة الزمنية ، وهذا ليس هو الحال دائمًا في بيئة صناعية ؛ ثم يكون القياس غير دقيق. تنطبق أوقات الاستجابة هذه على كرات يبلغ قطرها 15 سم ، باستخدام موازين حرارة زئبقية عادية. تكون أقصر إذا تم استخدام مستشعرات ذات سعة حرارية أصغر أو إذا تم تقليل قطر الكرة الأرضية. لذلك يجب تعديل المعادلة أعلاه لمراعاة هذا الاختلاف في القطر.
يستخدم مؤشر WBGT بشكل مباشر درجة حرارة الكرة الأرضية السوداء. من الضروري بعد ذلك استخدام كرة قطرها 15 سم. من ناحية أخرى ، تستخدم المؤشرات الأخرى متوسط درجة الحرارة المشعة. يمكن بعد ذلك تحديد كرة أرضية أصغر لتقليل وقت الاستجابة ، بشرط أن يتم تعديل المعادلة أعلاه لمراعاة ذلك. يسمح معيار ISO 7726 (1985) بدقة تبلغ ± 2 درجة مئوية في قياس tr بين 10 و 40 درجة مئوية ، و ± 5 درجة مئوية خارج هذا النطاق.
سرعة الهواء
يجب قياس سرعة الهواء بغض النظر عن اتجاه تدفق الهواء. خلاف ذلك ، يجب إجراء القياس في ثلاثة محاور متعامدة (س ، ص و z) والسرعة العالمية محسوبة بجمع المتجهات:
يمتد نطاق القياسات الموصى به وفقًا لمعيار ISO 7726 من 0.05 إلى 2 م / ث والدقة المطلوبة 5٪. يجب قياسه على أنه متوسط قيمة من 1 إلى 3 دقائق.
هناك فئتان من الأجهزة المستخدمة لقياس سرعة الهواء في المدن: أجهزة قياس شدة الريح ذات الريش ، وأجهزة قياس شدة الريح الحرارية.
ريشة شدة الريح
يتم إجراء القياس عن طريق حساب عدد الدورات التي تقوم بها الدوارات خلال فترة زمنية معينة. بهذه الطريقة يتم الحصول على السرعة المتوسطة خلال تلك الفترة الزمنية بطريقة متقطعة. أجهزة قياس شدة الريح هذه لها عيبان رئيسيان:
- إنها اتجاهية للغاية ويجب أن تكون موجهة بدقة في اتجاه تدفق الهواء. عندما يكون هذا غامضًا أو غير معروف ، يجب إجراء القياسات في ثلاثة اتجاهات بزوايا قائمة.
- يمتد نطاق القياس من حوالي 0.3 م / ث إلى 10 م / ث. هذا القيد على السرعات المنخفضة مهم عندما يتعلق الأمر ، على سبيل المثال ، بتحليل حالة الراحة الحرارية حيث يوصى عمومًا بعدم تجاوز سرعة 0.25 م / ث. على الرغم من أن نطاق القياس يمكن أن يتجاوز 10 م / ث ، إلا أنه لا يكاد ينخفض إلى أقل من 0.3 أو حتى 0.5 م / ث ، مما يحد بشكل كبير من إمكانيات الاستخدام في البيئات القريبة من الراحة ، حيث تكون السرعات القصوى المسموح بها 0.5 أو حتى 0.25 م / ث. س.
أجهزة قياس شدة الريح بالأسلاك الساخنة
هذه الأجهزة في الواقع مكملة لأجهزة قياس شدة الريح ، بمعنى أن نطاقها الديناميكي يمتد بشكل أساسي من 0 إلى 1 م / ث. إنها أجهزة تعطي تقديرًا فوريًا للسرعة عند نقطة واحدة من الفضاء: لذلك من الضروري استخدام القيم المتوسطة في الزمان والمكان. غالبًا ما تكون هذه الأجهزة اتجاهية للغاية ، كما تنطبق الملاحظات المذكورة أعلاه أيضًا. أخيرًا ، يكون القياس صحيحًا فقط من اللحظة التي تصل فيها درجة حرارة الجهاز إلى درجة حرارة البيئة المراد تقييمها.