Echanges thermiques

Le corps humain échange de la chaleur avec son environnement par différentes voies : conduction à travers les surfaces en contact avec lui, convection et évaporation avec l'air ambiant, rayonnement avec les surfaces voisines.

Conduction

La conduction est la transmission de chaleur entre deux solides en contact. De tels échanges s'observent entre la peau et les vêtements, les chaussures, les points de pression (siège, poignées), les outils, etc. En pratique, dans le calcul mathématique du bilan thermique, ce flux de chaleur par conduction est approximé indirectement comme une quantité égale au flux de chaleur par convection et rayonnement qui aurait lieu si ces surfaces n'étaient pas en contact avec d'autres matériaux.

Convection

La convection est le transfert de chaleur entre la peau et l'air qui l'entoure. Si la température de la peau, t_sk, en degrés Celsius (°C), est supérieure à la température de l'air (t_a), l'air en contact avec la peau s'échauffe et par conséquent s'élève. Une circulation d'air, appelée convection naturelle, s'établit ainsi à la surface du corps. Cet échange devient plus important si l'air ambiant passe sur la peau à une certaine vitesse : la convection devient forcée. Le flux de chaleur échangé par convection, C, en unités de watts par mètre carré (W/m²), peut être estimée par :

C = h_c F_CLC (t_sk - t_a)

De h_c est le coefficient de convection (W/°C m²), qui est fonction de la différence entre t_sk ainsi que t_a dans le cas de la convection naturelle, et de la vitesse de l'air V_a (en m/s) en convection forcée ; F_CLC est le facteur par lequel les vêtements réduisent l'échange de chaleur par convection.

Radiation

Tout corps émet un rayonnement électromagnétique dont l'intensité est fonction de la quatrième puissance de sa température absolue T (en degrés Kelvin—K). La peau, dont la température peut être comprise entre 30 et 35°C (303 et 308K), émet un tel rayonnement, qui se situe dans la zone infrarouge. De plus, il reçoit le rayonnement émis par les surfaces voisines. Le flux thermique échangé par rayonnement, R (en W/m²), entre le corps et son environnement peut être décrit par l'expression suivante :

où:

s est la constante universelle de rayonnement (5.67 × 10-8 W/m² K⁴)

e est l'émissivité de la peau, qui, pour le rayonnement infrarouge, est égale à 0.97 et indépendante de la longueur d'onde, et pour le rayonnement solaire est d'environ 0.5 pour la peau d'un sujet Blanc et 0.85 pour la peau d'un sujet Noir

A_R/A_D est la fraction de la surface corporelle prenant part aux échanges, qui est de l'ordre de 0.66, 0.70 ou 0.77 selon que le sujet est accroupi, assis ou debout

F_CLR est le facteur par lequel les vêtements réduisent l'échange de chaleur par rayonnement

T_sk (en K) est la température moyenne de la peau

T_r (en K) est la température radiante moyenne du milieu, c'est-à-dire la température uniforme d'une sphère noire mate de grand diamètre qui entourerait le sujet et échangerait avec lui la même quantité de chaleur que le milieu réel.

Cette expression peut être remplacée par une équation simplifiée du même type que celle des échanges par convection :

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

De h_r est le coefficient d'échange par rayonnement (W/°C m²).

Évaporation

Toute surface mouillée porte une couche d'air saturée de vapeur d'eau. Si l'atmosphère elle-même n'est pas saturée, la vapeur diffuse de cette couche vers l'atmosphère. La couche tend alors à se régénérer en puisant la chaleur d'évaporation (0.674 Watt heure par gramme d'eau) à la surface humide, qui se refroidit. Si la peau est entièrement recouverte de sueur, l'évaporation est maximale (E_max) et ne dépend que des conditions ambiantes, selon l'expression suivante :

E_max =h_e F_PCL (P_{sk, s} - P_a)

où:

h_e est le coefficient d'échange par évaporation (W/m²kPa)

P_{sk, s} est la pression saturante de vapeur d'eau à la température de la peau (exprimée en kPa)

P_a est la pression partielle ambiante de vapeur d'eau (exprimée en kPa)

F_PCL est le facteur de réduction des échanges par évaporation due aux vêtements.

Isolation thermique des vêtements

Un facteur de correction intervient dans le calcul des flux de chaleur par convection, rayonnement et évaporation pour tenir compte des vêtements. Dans le cas des vêtements en coton, les deux facteurs de réduction F_CLC ainsi que F_CLR peut être déterminé par :

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

où:

h_c est le coefficient d'échange par convection

h_r est le coefficient d'échange par rayonnement

I_cl est l'isolation thermique effective (m²/W) de vêtements.

En ce qui concerne la réduction du transfert de chaleur par évaporation, le facteur de correction F_PCL est donné par l'expression suivante :

F_PCL = 1 / (1+2.22h_c I_cl)

L'isolation thermique des vêtements I_cl est exprimé en m²/W ou en clo. Une isolation de 1 clo correspond à 0.155 m²/W et est assuré, par exemple, par une tenue de ville normale (chemise, cravate, pantalon, veste, etc.).

La norme ISO 9920 (1994) donne l'isolation thermique apportée par différentes combinaisons de vêtements. Dans le cas de vêtements de protection spéciaux qui réfléchissent la chaleur ou limitent la perméabilité à la vapeur dans des conditions d'exposition à la chaleur, ou qui absorbent et isolent dans des conditions de stress dû au froid, des facteurs de correction individuels doivent être utilisés. A ce jour, cependant, le problème reste mal compris et les prédictions mathématiques restent très approximatives.

Évaluation des paramètres de base de la situation de travail

Comme on l'a vu plus haut, les échanges thermiques par convection, rayonnement et évaporation sont fonction de quatre paramètres climatiques : la température de l'air t_a en °C, l'humidité de l'air exprimée par sa pression partielle de vapeur P_a en kPa, la température radiante moyenne t_r en °C, et la vitesse de l'air V_a en m/s. Les appareils et méthodes de mesure de ces paramètres physiques de l'environnement font l'objet de la norme ISO 7726 (1985) qui décrit les différents types de capteurs à utiliser, précise leur domaine de mesure et leur précision, et recommande certaines procédures de mesure. Cette section résume une partie des données de cette norme, avec une référence particulière aux conditions d'utilisation des appareils et appareils les plus courants.

Température de l'air

La température de l'air (t_a) doit être mesuré indépendamment de tout rayonnement thermique ; la précision de la mesure doit être de ± 0.2 °C dans la plage de 10 à 30 °C et de ± 0.5 °C en dehors de cette plage.

Il existe de nombreux types de thermomètres sur le marché. Les thermomètres à mercure sont les plus courants. Leur avantage est la précision, à condition qu'ils aient été correctement calibrés à l'origine. Leurs principaux inconvénients sont leur long temps de réponse et le manque de capacité d'enregistrement automatique. Les thermomètres électroniques, en revanche, ont généralement un temps de réponse très court (5 s à 1 min) mais peuvent avoir des problèmes d'étalonnage.

Quel que soit le type de thermomètre, le capteur doit être protégé contre les radiations. Ceci est généralement assuré par un cylindre creux en aluminium brillant entourant le capteur. Cette protection est assurée par le psychromètre, dont il sera question dans la section suivante.

Pression partielle de vapeur d'eau

L'humidité de l'air peut être caractérisée de quatre manières différentes :

1. le température du point de rosée : la température à laquelle l'air doit être refroidi pour se saturer en humidité (t_d, °C)

2. le pression partielle de vapeur d'eau : la fraction de la pression atmosphérique due à la vapeur d'eau (P_a,kPa)

3. l'humidité relative (DR), qui est donné par l'expression :

RH = 100·P_a/P_{S, ta}

où P_{S, ta} est la pression de vapeur saturante associée à la température de l'air

4. le température humide (t_w), qui est la température la plus basse atteinte par un manchon humide protégé contre les rayonnements et ventilé à plus de 2 m/s par l'air ambiant.

Toutes ces valeurs sont liées mathématiquement.

La pression de vapeur d'eau saturante P_St à n'importe quelle température t est donné par:

tandis que la pression partielle de vapeur d'eau est reliée à la température par :

P_a = P_{S, deux} - (t_a - T_w)/15

De P_{S, deux} est la pression de vapeur saturante à la température de bulbe humide.

Le diagramme psychrométrique (figure 1) permet de combiner toutes ces valeurs. Il comporte:

Figure 1. Diagramme psychrométrique.

• dans l' y axe, l'échelle de pression partielle de vapeur d'eau P_a, exprimé en kPa

• dans l' x l'axe, l'échelle de la température de l'air

• les courbes d'humidité relative constante

• les lignes droites obliques de température de bulbe humide constante.

• Les paramètres d'humidité les plus utilisés en pratique sont :

• l'humidité relative, mesurée au moyen d'hygromètres ou d'appareils électroniques plus spécialisés

• la température de bulbe humide, mesurée au moyen du psychromètre; on en déduit la pression partielle de vapeur d'eau, qui est le paramètre le plus utilisé dans l'analyse du bilan thermique

La plage de mesure et la précision recommandées sont de 0.5 à 6 kPa et ±0.15 kPa. Pour la mesure de la température de bulbe humide, la plage s'étend de 0 à 36°C, avec une précision identique à celle de la température de l'air. En ce qui concerne les hygromètres pour mesurer l'humidité relative, la gamme s'étend de 0 à 100 %, avec une précision de ± 5 %.

Température radiante moyenne

La température radiante moyenne (t_r) a été défini précédemment ; il peut être déterminé de trois manières différentes :

1. à partir de la température mesurée par le thermomètre à sphère noire

2. à partir des températures radiantes planes mesurées selon trois axes perpendiculaires

3. par calcul, en intégrant les effets des différentes sources de rayonnement.

Seule la première technique sera passée en revue ici.

Le thermomètre à sphère noire est constitué d'une sonde thermique dont l'élément sensible est placé au centre d'une sphère complètement fermée, réalisée en un métal bon conducteur de la chaleur (cuivre) et peinte en noir mat de manière à avoir un coefficient d'absorption dans la zone infrarouge proche de 1.0. La sphère est positionnée dans le poste de travail et soumise à des échanges par convection et rayonnement. La température du globe (t_g) dépend alors de la température radiante moyenne, de la température de l'air et de la vitesse de l'air.

Pour un globe noir standard de 15 cm de diamètre, la température moyenne de rayonnement peut être calculée à partir de la température du globe sur la base de l'expression suivante :

En pratique, il faut insister sur la nécessité de maintenir l'émissivité du globe proche de 1.0 en le repeignant soigneusement en noir mat.

La principale limitation de ce type de globe est son long temps de réponse (de l'ordre de 20 à 30 min, selon le type de globe utilisé et les conditions ambiantes). La mesure n'est valable que si les conditions de rayonnement sont constantes pendant cette période de temps, ce qui n'est pas toujours le cas en milieu industriel ; la mesure est alors imprécise. Ces temps de réponse s'appliquent à des globes de 15 cm de diamètre, utilisant des thermomètres à mercure ordinaires. Ils sont plus courts si l'on utilise des capteurs de moindre capacité thermique ou si le diamètre du globe est réduit. L'équation ci-dessus doit donc être modifiée pour tenir compte de cette différence de diamètre.

L'indice WBGT utilise directement la température du globe noir. Il est alors indispensable d'utiliser un globe de 15 cm de diamètre. Par contre, d'autres indices utilisent la température radiante moyenne. Un globe plus petit peut alors être sélectionné pour réduire le temps de réponse, à condition de modifier l'équation ci-dessus pour en tenir compte. La norme ISO 7726 (1985) permet une précision de ±2ºC dans la mesure de t_r entre 10 et 40 ºC et ± 5 ºC en dehors de cette plage.

Vitesse de l'air

La vitesse de l'air doit être mesurée sans tenir compte de la direction du flux d'air. Sinon, la mesure doit être effectuée selon trois axes perpendiculaires (x, y ainsi que z) et la vitesse globale calculée par sommation vectorielle :

La gamme de mesures préconisée par la norme ISO 7726 s'étend de 0.05 à 2 m/s La précision requise est de 5 %. Il doit être mesuré en tant que valeur moyenne sur 1 ou 3 minutes.

Il existe deux catégories d'appareils de mesure de la vitesse de l'air : les anémomètres à palettes et les anémomètres thermiques.

Anémomètres à palette

La mesure s'effectue en comptant le nombre de tours effectués par les aubes pendant un certain laps de temps. De cette manière, la vitesse moyenne pendant cette période de temps est obtenue de manière discontinue. Ces anémomètres présentent deux inconvénients principaux :

1. Ils sont très directionnels et doivent être orientés strictement dans le sens du flux d'air. Lorsque celle-ci est vague ou inconnue, les mesures doivent être prises dans trois directions à angle droit.
2. La plage de mesure s'étend d'environ 0.3 m/s à 10 m/s. Cette limitation aux faibles vitesses est importante lorsqu'il s'agit par exemple d'analyser une situation de confort thermique où il est généralement recommandé de ne pas dépasser une vitesse de 0.25 m/s. Bien que la plage de mesure puisse s'étendre au-delà de 10 m/s, elle ne descend guère en dessous de 0.3 voire 0.5 m/s, ce qui limite fortement les possibilités d'utilisation dans des environnements proches du confort, où les vitesses maximales autorisées sont de 0.5 voire 0.25 m/ s.

Anémomètres à fil chaud

Ces appareils sont en effet complémentaires des anémomètres à palettes en ce sens que leur plage dynamique s'étend essentiellement de 0 à 1 m/s. Ce sont des appareils donnant une estimation instantanée de la vitesse en un point de l'espace : il faut donc utiliser des valeurs moyennes dans le temps et dans l'espace. Ces appareils sont aussi souvent très directionnels, et les remarques ci-dessus s'appliquent également. Enfin, la mesure n'est correcte qu'à partir du moment où la température de l'appareil a atteint celle de l'environnement à évaluer.

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