Wärmeaustausch

Der menschliche Körper tauscht Wärme mit seiner Umgebung auf verschiedenen Wegen aus: Wärmeleitung über die mit ihm in Kontakt stehenden Oberflächen, Konvektion und Verdunstung mit der Umgebungsluft und Strahlung mit den benachbarten Oberflächen.

Konduktion:

Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme zwischen zwei sich berührenden Festkörpern. Solche Austausche werden zwischen Haut und Kleidung, Schuhen, Druckstellen (Sitz, Griffe), Werkzeugen usw. beobachtet. In der Praxis wird dieser Wärmestrom durch Wärmeleitung bei der mathematischen Berechnung des Wärmehaushalts indirekt als eine Größe angenähert, die gleich dem Wärmestrom durch Konvektion und Strahlung ist, der stattfinden würde, wenn diese Oberflächen nicht in Kontakt mit anderen Materialien wären.

Konvektion

Konvektion ist die Übertragung von Wärme zwischen der Haut und der sie umgebenden Luft. Wenn die Hauttemperatur, t_sk, in Grad Celsius (°C), ist höher als die Lufttemperatur (t_a), wird die mit der Haut in Berührung kommende Luft erwärmt und steigt folglich auf. An der Körperoberfläche entsteht so eine Luftzirkulation, die sogenannte natürliche Konvektion. Dieser Austausch wird größer, wenn die Umgebungsluft mit einer bestimmten Geschwindigkeit über die Haut streicht: Die Konvektion wird erzwungen. Der durch Konvektion ausgetauschte Wärmestrom, C, in Watt pro Quadratmeter (W/m²), kann geschätzt werden durch:

C = h_c F_clC (t_sk - t_a)

woher h_c ist der Konvektionskoeffizient (W/°C m²), was eine Funktion der Differenz zwischen ist t_sk und t_a bei natürlicher Konvektion und der Luftgeschwindigkeit V_a (in m/s) bei erzwungener Konvektion; F_clC ist der Faktor, um den die Kleidung den Wärmeaustausch durch Konvektion reduziert.

Strahlung

Jeder Körper sendet elektromagnetische Strahlung aus, deren Intensität eine Funktion der vierten Potenz seiner absoluten Temperatur ist T (in Grad Kelvin – K). Die Haut, deren Temperatur zwischen 30 und 35 °C (303 und 308 K) liegen kann, sendet solche Strahlung aus, die im Infrarotbereich liegt. Außerdem empfängt es die von benachbarten Oberflächen emittierte Strahlung. Der durch Strahlung ausgetauschte Wärmestrom, R (in W/m²) zwischen dem Körper und seiner Umgebung kann durch den folgenden Ausdruck beschrieben werden:

wo:

s ist die universelle Strahlungskonstante (5.67 × 10-8 W/m² K⁴)

e ist der Emissionsgrad der Haut, der für Infrarotstrahlung unabhängig von der Wellenlänge gleich 0.97 ist und für Sonnenstrahlung etwa 0.5 für die Haut einer weißen Person und 0.85 für die Haut einer schwarzen Person beträgt

A_R/A_D ist der Anteil der Körperoberfläche, der an den Austauschvorgängen teilnimmt, der in der Größenordnung von 0.66, 0.70 oder 0.77 liegt, je nachdem, ob die Testperson hockt, sitzt oder steht

F_clR ist der Faktor, um den die Kleidung den Strahlungswärmeaustausch reduziert

T_sk (in K) ist die mittlere Hauttemperatur

T_r (in K) ist die mittlere Strahlungstemperatur der Umgebung – das heißt, die gleichmäßige Temperatur einer schwarzen matten Kugel mit großem Durchmesser, die das Objekt umgibt und mit ihm die gleiche Wärmemenge austauscht wie die reale Umgebung.

Dieser Ausdruck kann durch eine vereinfachte Gleichung des gleichen Typs wie für den Austausch durch Konvektion ersetzt werden:

R = h_r (A_R/A_D) F_clR (t_sk - T_r)

woher h_r ist der Austauschkoeffizient durch Strahlung (W/°C m²).

Verdampfung

Auf jeder nassen Oberfläche liegt eine mit Wasserdampf gesättigte Luftschicht. Wenn die Atmosphäre selbst nicht gesättigt ist, diffundiert der Dampf aus dieser Schicht in Richtung Atmosphäre. Die Schicht regeneriert sich dann tendenziell durch Entnahme der Verdunstungswärme (0.674 Wattstunden pro Gramm Wasser) an der nassen Oberfläche, die abkühlt. Wenn die Haut vollständig mit Schweiß bedeckt ist, ist die Verdunstung maximal (E_max) und hängt nur von den Umgebungsbedingungen ab, gemäß folgendem Ausdruck:

E_max =h_e F_PCL (P_sk,s - P_a)

wo:

h_e ist der Austauschkoeffizient durch Verdunstung (W/m²kPa)

P_sk,s ist der Sättigungsdruck von Wasserdampf bei Hauttemperatur (ausgedrückt in kPa)

P_a ist der Umgebungspartialdruck von Wasserdampf (ausgedrückt in kPa)

F_PCL ist der Faktor der Verringerung des Austauschs durch Verdunstung aufgrund von Kleidung.

Wärmeisolierung von Kleidung

Bei der Berechnung des Wärmeflusses durch Konvektion, Strahlung und Verdunstung wirkt ein Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Kleidung. Bei Baumwollbekleidung die beiden Reduktionsfaktoren F_clC und F_clR kann bestimmt werden durch:

F_cl = 1/(1+(h_c+h_r)I_cl)

wo:

h_c ist der Austauschkoeffizient durch Konvektion

h_r ist der Austauschkoeffizient durch Strahlung

I_cl ist die wirksame Wärmedämmung (m²/W) von Kleidung.

Bezüglich der Verringerung der Wärmeübertragung durch Verdunstung der Korrekturfaktor F_PCL ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:

F_PCL = 1 / (1+2.22h_c I_cl)

Die Wärmeisolierung der Kleidung I_cl wird in m ausgedrückt²/W oder in clo. Eine Isolierung von 1 clo entspricht 0.155 m²/W und wird beispielsweise durch die normale Stadtkleidung (Hemd, Krawatte, Hose, Sakko usw.) bereitgestellt.

Die ISO-Norm 9920 (1994) gibt die Wärmeisolierung an, die verschiedene Kombinationen von Kleidung bieten. Bei spezieller Schutzkleidung, die bei Hitzeeinwirkung Hitze reflektiert oder die Dampfdurchlässigkeit begrenzt bzw. bei Kältebelastung absorbiert und isoliert, müssen individuelle Korrekturfaktoren verwendet werden. Bis heute ist das Problem jedoch kaum verstanden und die mathematischen Vorhersagen bleiben sehr ungefähr.

Bewertung der Grundparameter der Arbeitssituation

Wie oben gesehen, ist der Wärmeaustausch durch Konvektion, Strahlung und Verdunstung eine Funktion von vier klimatischen Parametern – der Lufttemperatur t_a in °C, die Feuchtigkeit der Luft, ausgedrückt durch ihren Dampfpartialdruck P_a in kPa, die mittlere Strahlungstemperatur t_r in °C und die Luftgeschwindigkeit V_a in m/s. Die Geräte und Verfahren zur Messung dieser physikalischen Umgebungsparameter sind Gegenstand der ISO-Norm 7726 (1985), die die verschiedenen zu verwendenden Sensortypen beschreibt, ihren Messbereich und ihre Genauigkeit spezifiziert und bestimmte Messverfahren empfiehlt. Dieser Abschnitt fasst einen Teil der Daten dieser Norm zusammen, mit besonderem Bezug auf die Einsatzbedingungen der gebräuchlichsten Geräte und Apparate.

Lufttemperatur

Die Lufttemperatur (t_a) muss unabhängig von jeglicher Wärmestrahlung gemessen werden; Die Genauigkeit der Messung sollte innerhalb des Bereichs von 0.2 bis 10 °C ±30 °C und außerhalb dieses Bereichs ±0.5 °C betragen.

Es gibt zahlreiche Arten von Thermometern auf dem Markt. Am gebräuchlichsten sind Quecksilberthermometer. Ihr Vorteil ist die Genauigkeit, sofern sie ursprünglich korrekt kalibriert wurden. Ihre Hauptnachteile sind ihre lange Reaktionszeit und das Fehlen einer automatischen Aufnahmefähigkeit. Elektronische Thermometer hingegen haben im Allgemeinen eine sehr kurze Ansprechzeit (5 s bis 1 min), können jedoch Kalibrierungsprobleme haben.

Unabhängig von der Art des Thermometers muss der Sensor vor Strahlung geschützt werden. Dafür sorgt in der Regel ein den Sensor umgebender Hohlzylinder aus glänzendem Aluminium. Dieser Schutz wird durch das Psychrometer gewährleistet, das im nächsten Abschnitt erwähnt wird.

Partialdruck von Wasserdampf

Die Luftfeuchtigkeit kann auf vier verschiedene Arten charakterisiert werden:

1. die Taupunkttemperatur: die Temperatur, auf die die Luft abgekühlt werden muss, um mit Feuchtigkeit gesättigt zu werden (t_d, °C)

2. die Partialdruck des Wasserdampfes: der Anteil des atmosphärischen Drucks aufgrund von Wasserdampf (P_a, kPa)

3. die relative Luftfeuchtigkeit (rechts), die durch den Ausdruck gegeben ist:

RH = 100· P._a/P_S,ta

wo P_S,ta ist der mit der Lufttemperatur verbundene Sättigungsdampfdruck

4. die Feuchtkugeltemperatur (t_w), das ist die niedrigste Temperatur, die von einer strahlungsgeschützten Nassmanschette erreicht wird, die mit mehr als 2 m/s von der Umgebungsluft belüftet wird.

All diese Werte sind mathematisch miteinander verbunden.

Der gesättigte Wasserdampfdruck P_S,t bei jeder Temperatur t ist gegeben durch:

während der Partialdruck von Wasserdampf mit der Temperatur verbunden ist durch:

P_a = P_{S, zw} - (T_a - T_w)/15

woher P_{S, zw} ist der Sättigungsdampfdruck bei der Feuchtkugeltemperatur.

Das psychrometrische Diagramm (Abbildung 1) ermöglicht die Kombination all dieser Werte. Es umfaßt:

Abbildung 1. Psychrometrisches Diagramm.

• der y Achse, die Skala des Partialdrucks von Wasserdampf P_a, ausgedrückt in kPa

• der x Achse, die Skala der Lufttemperatur

• die Kurven konstanter relativer Luftfeuchtigkeit

• die schrägen geraden Linien konstanter Feuchtkugeltemperatur.

• Die in der Praxis am häufigsten verwendeten Parameter der Feuchtigkeit sind:

• die relative Luftfeuchtigkeit, gemessen mit Hygrometern oder spezialisierteren elektronischen Geräten

• die Feuchtkugeltemperatur, gemessen mit dem Psychrometer; daraus wird der Wasserdampfpartialdruck abgeleitet, der am häufigsten verwendete Parameter zur Analyse des Wärmehaushalts

Der Messbereich und die empfohlene Genauigkeit sind 0.5 bis 6 kPa und ±0.15 kPa. Bei der Messung der Feuchtkugeltemperatur erstreckt sich der Bereich von 0 bis 36 °C, mit einer Genauigkeit, die mit der der Lufttemperatur identisch ist. Bei Hygrometern zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit reicht der Bereich von 0 bis 100 % mit einer Genauigkeit von ±5 %.

Mittlere Strahlungstemperatur

Die mittlere Strahlungstemperatur (t_r) wurde zuvor definiert; Sie kann auf drei verschiedene Arten bestimmt werden:

1. aus der vom schwarzen Kugelthermometer gemessenen Temperatur

2. aus der Ebene gemessene Strahlungstemperaturen entlang dreier senkrechter Achsen

3. rechnerisch unter Integration der Wirkungen der verschiedenen Strahlungsquellen.

Hier wird nur die erste Technik besprochen.

Das schwarze Kugelthermometer besteht aus einer thermischen Sonde, deren empfindliches Element in der Mitte einer vollständig geschlossenen Kugel aus einem gut wärmeleitenden Metall (Kupfer) und mattschwarz lackiert ist, um einen Koeffizienten zu haben der Absorption im Infrarotbereich nahe 1.0. Die Kugel wird am Arbeitsplatz aufgestellt und einem Austausch durch Konvektion und Strahlung ausgesetzt. Die Erdtemperatur (t_g) hängt dann von der mittleren Strahlungstemperatur, der Lufttemperatur und der Luftgeschwindigkeit ab.

Für eine schwarze Standardkugel mit 15 cm Durchmesser kann die mittlere Strahlungstemperatur aus der Temperatur der Kugel nach folgendem Ausdruck berechnet werden:

In der Praxis muss die Notwendigkeit betont werden, den Emissionsgrad der Kugel nahe 1.0 zu halten, indem sie sorgfältig mattschwarz neu gestrichen wird.

Die Haupteinschränkung dieses Globustyps ist seine lange Reaktionszeit (in der Größenordnung von 20 bis 30 Minuten, abhängig vom verwendeten Globustyp und den Umgebungsbedingungen). Die Messung ist nur gültig, wenn die Strahlungsbedingungen während dieses Zeitraums konstant sind, was in einer industriellen Umgebung nicht immer der Fall ist; die Messung ist dann ungenau. Diese Reaktionszeiten gelten für Kugeln mit einem Durchmesser von 15 cm bei Verwendung von gewöhnlichen Quecksilberthermometern. Sie sind kürzer, wenn Sensoren mit geringerer Wärmekapazität verwendet werden oder wenn der Globusdurchmesser reduziert wird. Die obige Gleichung muss daher modifiziert werden, um diesen Durchmesserunterschied zu berücksichtigen.

Der WBGT-Index nutzt direkt die Temperatur der schwarzen Kugel. Es ist dann unbedingt eine Kugel mit 15 cm Durchmesser zu verwenden. Andererseits verwenden andere Indizes die mittlere Strahlungstemperatur. Dann kann eine kleinere Kugel gewählt werden, um die Reaktionszeit zu verkürzen, vorausgesetzt, dass die obige Gleichung modifiziert wird, um dies zu berücksichtigen. Die ISO-Norm 7726 (1985) erlaubt eine Genauigkeit von ±2 °C bei der Messung von t_r zwischen 10 und 40 ºC und ±5 ºC außerhalb dieses Bereichs.

Luftgeschwindigkeit

Die Luftgeschwindigkeit muss unabhängig von der Richtung des Luftstroms gemessen werden. Andernfalls muss die Messung in drei senkrecht zueinander stehenden Achsen erfolgen (x, y und z) und der durch vektorielle Summierung berechneten globalen Geschwindigkeit:

Der von der ISO-Norm 7726 empfohlene Messbereich reicht von 0.05 bis 2 m/s. Die geforderte Genauigkeit beträgt 5 %. Er sollte als 1- oder 3-Minuten-Durchschnittswert gemessen werden.

Es gibt zwei Kategorien von Geräten zur Messung der Luftgeschwindigkeit: Anemometer mit Flügeln und thermische Anemometer.

Flügelradanemometer

Die Messung wird durchgeführt, indem die Anzahl der Umdrehungen gezählt wird, die von den Flügeln während einer bestimmten Zeitspanne gemacht werden. Auf diese Weise wird die mittlere Geschwindigkeit während dieser Zeitspanne diskontinuierlich erhalten. Diese Anemometer haben zwei Hauptnachteile:

1. Sie sind sehr gerichtet und müssen streng in Richtung des Luftstroms ausgerichtet werden. Wenn diese vage oder unbekannt ist, müssen Messungen in drei rechtwinkligen Richtungen durchgeführt werden.
2. Der Messbereich erstreckt sich von ca. 0.3 m/s bis 10 m/s. Diese Beschränkung auf niedrige Geschwindigkeiten ist wichtig, wenn es beispielsweise darum geht, eine thermische Behaglichkeitssituation zu analysieren, bei der allgemein empfohlen wird, eine Geschwindigkeit von 0.25 m/s nicht zu überschreiten. Obwohl der Messbereich über 10 m/s hinausgehen kann, unterschreitet er kaum 0.3 oder gar 0.5 m/s, was die Einsatzmöglichkeiten in komfortnahen Umgebungen stark einschränkt, wo die maximal zulässigen Geschwindigkeiten 0.5 oder sogar 0.25 m/s betragen. s.

Hitzdrahtanemometer

Diese Geräte sind in der Tat komplementär zu Flügelrad-Anemometern in dem Sinne, dass sich ihr dynamischer Bereich im Wesentlichen von 0 bis 1 m/s erstreckt. Sie sind Geräte, die eine augenblickliche Schätzung der Geschwindigkeit an einem Punkt des Raums liefern: Es ist daher notwendig, zeitliche und räumliche Mittelwerte zu verwenden. Diese Geräte sind auch oft sehr gerichtet, und die obigen Bemerkungen gelten ebenfalls. Schließlich ist die Messung erst ab dem Moment korrekt, wenn die Temperatur des Gerätes die der zu bewertenden Umgebung erreicht hat.

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