Теплообменники

Человеческое тело обменивается теплом с окружающей средой различными путями: теплопроводностью через соприкасающиеся с ним поверхности, конвекцией и испарением с окружающим воздухом и излучением с соседними поверхностями.

кондукция

Теплопроводность — это передача тепла между двумя соприкасающимися твердыми телами. Такие обмены наблюдаются между кожей и одеждой, обувью, точками давления (сиденье, ручки), инструментами и так далее. На практике при математическом расчете теплового баланса этот тепловой поток за счет теплопроводности косвенно аппроксимируется величиной, равной тепловому потоку за счет конвекции и излучения, который имел бы место, если бы эти поверхности не соприкасались с другими материалами.

Конвекция

Конвекция – это передача тепла между кожей и окружающим ее воздухом. Если температура кожи, t_sk, в градусах Цельсия (°C), выше, чем температура воздуха (t_a), воздух, соприкасающийся с кожей, нагревается и, следовательно, поднимается вверх. Таким образом, циркуляция воздуха, известная как естественная конвекция, устанавливается на поверхности тела. Этот обмен становится больше, если окружающий воздух проходит над кожей с определенной скоростью: конвекция становится вынужденной. Тепловой поток, обмениваемый конвекцией, C, в единицах ватт на квадратный метр (Вт/м²), можно оценить по:

C = h_c F_клС (t_sk - t_a)

в котором h_c - коэффициент конвекции (Вт/°C м²), которая является функцией разницы между t_sk и t_a в случае естественной конвекции и скорости воздуха V_a (в м/с) при принудительной конвекции; F_клС является фактором, благодаря которому одежда снижает конвекционный теплообмен.

излучение

Каждое тело излучает электромагнитное излучение, интенсивность которого зависит от четвертой степени его абсолютной температуры. T (в градусах Кельвина—К). Кожа, температура которой может быть между 30 и 35°С (303 и 308К), испускает такое излучение, которое находится в инфракрасной зоне. Более того, он принимает излучение, испускаемое соседними поверхностями. Тепловой поток, обмениваемый излучением, R (в Вт/м²), между телом и его окружением можно описать следующим выражением:

где:

s — универсальная постоянная излучения (5.67 × 10-8 Вт/м² K⁴)

е - коэффициент излучения кожи, который для инфракрасного излучения равен 0.97 и не зависит от длины волны, а для солнечного излучения составляет около 0.5 для кожи Белого человека и 0.85 для кожи Чернокожего человека.

A_R/A_D это доля поверхности тела, участвующая в обмене, которая составляет порядка 0.66, 0.70 или 0.77, в зависимости от того, приседает ли субъект, сидит или стоит

F_клР является фактором, благодаря которому одежда снижает радиационный теплообмен

T_sk (в K) - средняя температура кожи

T_r (в К) — средняя лучистая температура окружающей среды, т. е. равномерная температура черной матовой сферы большого диаметра, которая окружала бы предмет и обменивалась с ним таким же количеством тепла, как и реальная среда.

Это выражение можно заменить упрощенным уравнением того же типа, что и для обмена конвекцией:

Р = ч_r (A_R/A_D) Ф_клР (t_sk - T_r)

в котором h_r – коэффициент обмена излучением (Вт/°С·м²).

выпаривание

Каждая влажная поверхность имеет на себе слой воздуха, насыщенный водяным паром. Если сама атмосфера не насыщена, пар диффундирует из этого слоя в атмосферу. Затем слой имеет тенденцию регенерироваться за счет теплоты испарения (0.674 Вт-ч на грамм воды) на влажной поверхности, которая охлаждается. Если кожа полностью покрыта потом, испарение максимально (E_Макс) и зависит только от условий окружающей среды согласно следующему выражению:

E_Макс = ч_e F_ПКЛ (P_{ск, с} - П_a)

где:

h_e - коэффициент обмена испарением (Вт/м²кПа)

P_{ск, с} - давление насыщения водяного пара при температуре кожи (выраженное в кПа)

P_a парциальное давление водяного пара в окружающей среде (выраженное в кПа)

F_ПКЛ – коэффициент снижения обменов испарением за счет одежды.

Теплоизоляция одежды

При расчете теплового потока за счет конвекции, излучения и испарения действует поправочный коэффициент, учитывающий одежду. В случае с хлопчатобумажной одеждой два понижающих коэффициента F_клС и F_клР может определяться:

F_cl = 1/(1+(ч_c+h_r)I_cl)

где:

h_c - коэффициент обмена конвекцией

h_r - коэффициент обмена излучением

I_cl - эффективная тепловая изоляция (м²/W) одежды.

Что касается снижения теплопередачи за счет испарения, то поправочный коэффициент F_ПКЛ задается следующим выражением:

F_ПКЛ = 1 / (1+2.22h_c I_cl)

Утепление одежды I_cl выражается в м²/W или в кло. Изоляция 1 кло соответствует 0.155 м²/W и обеспечивается, например, обычной городской одеждой (рубашкой, галстуком, брюками, пиджаком и т. д.).

Стандарт ISO 9920 (1994) определяет теплоизоляцию, обеспечиваемую различными комбинациями одежды. В случае специальной защитной одежды, отражающей тепло или ограничивающей паропроницаемость в условиях теплового воздействия, или поглощающей и изолирующей в условиях холодового стресса, необходимо применять индивидуальные поправочные коэффициенты. Однако на сегодняшний день проблема остается малоизученной, а математические предсказания остаются весьма приблизительными.

Оценка основных параметров рабочей ситуации

Как видно выше, теплообмен посредством конвекции, излучения и испарения является функцией четырех климатических параметров — температуры воздуха t_a в °C, влажность воздуха, выраженная его парциальным давлением пара P_a в кПа, средняя лучистая температура t_r в °C, а скорость воздуха V_a в м/с. Приборы и методы измерения этих физических параметров окружающей среды являются предметом стандарта ISO 7726 (1985), в котором описываются различные типы используемых датчиков, указывается их диапазон измерения и их точность, а также рекомендуются определенные процедуры измерения. В этом разделе обобщается часть данных этого стандарта с особой ссылкой на условия использования наиболее распространенных приборов и аппаратов.

Температура воздуха

Температура воздуха (t_a) должны измеряться независимо от теплового излучения; точность измерения должна составлять ±0.2°С в диапазоне от 10 до 30°С и ±0.5°С вне этого диапазона.

На рынке представлено множество типов термометров. Наиболее распространены ртутные термометры. Их преимуществом является точность при условии, что они были правильно откалиброваны изначально. Их основными недостатками являются длительное время отклика и отсутствие возможности автоматической записи. С другой стороны, электронные термометры обычно имеют очень короткое время отклика (от 5 с до 1 мин), но могут иметь проблемы с калибровкой.

Независимо от типа термометра датчик должен быть защищен от излучения. Обычно это обеспечивается полым цилиндром из блестящего алюминия, окружающим датчик. Такую защиту обеспечивает психрометр, о котором будет сказано в следующем разделе.

Парциальное давление водяного пара

Влажность воздуха можно охарактеризовать четырьмя различными способами:

1. температура точки росы: температура, до которой необходимо охладить воздух, чтобы он стал насыщенным влагой (t_d, °С)

2. парциальное давление водяного пара: доля атмосферного давления за счет водяного пара (P_a, кПа)

3. относительная влажность (RH),, что определяется выражением:

RH = 100·П_a/P_{С, та}

где П_{С, та} давление насыщенного пара, связанное с температурой воздуха

4. температура влажной лампы (t_w), что является самой низкой температурой, достигаемой мокрым рукавом, защищенным от радиации и вентилируемым окружающим воздухом со скоростью более 2 м/с.

Все эти величины связаны математически.

Давление насыщенного водяного пара P_С,т при любой температуре t дан кем-то:

а парциальное давление водяного пара связано с температурой соотношением:

P_a = P_{С, тв} - (т_a - T_w)/15

в котором P_{С, тв} - давление насыщенного пара при температуре смоченного термометра.

Психрометрическая диаграмма (рис. 1) позволяет совместить все эти значения. Он включает в себя:

Рисунок 1. Психрометрическая диаграмма.

• в y ось, шкала парциального давления водяного пара P_a, выраженное в кПа

• в x ось, шкала температуры воздуха

• кривые постоянной относительной влажности

• наклонные прямые линии постоянной температуры смоченного термометра.

• Наиболее часто используемые на практике параметры влажности:

• относительная влажность, измеренная с помощью гигрометров или более специализированных электронных приборов

• температура смоченного термометра, измеренная с помощью психрометра; отсюда выводится парциальное давление водяного пара, которое является параметром, наиболее часто используемым при анализе теплового баланса.

Рекомендуемый диапазон измерений и точность составляют от 0.5 до 6 кПа и ±0.15 кПа. Для измерения температуры смоченного термометра диапазон простирается от 0 до 36ºC с точностью, идентичной точности измерения температуры воздуха. Что касается гигрометров для измерения относительной влажности, то диапазон простирается от 0 до 100% с точностью ±5%.

Средняя лучистая температура

Средняя лучистая температура (t_r) был определен ранее; его можно определить тремя различными способами:

1. по температуре, измеренной термометром с черной сферой

2. от плоскостных радиационных температур, измеренных по трем перпендикулярным осям

3. расчетным путем, интегрируя эффекты различных источников излучения.

Здесь будет рассмотрена только первая техника.

Термометр с черной сферой состоит из термозонда, чувствительный элемент которого расположен в центре полностью закрытой сферы, изготовленной из металла, хорошо проводящего тепло (медь), и окрашенного в черный матовый цвет, чтобы иметь коэффициент поглощения в инфракрасной зоне близко к 1.0. Сфера располагается на рабочем месте и подвергается обмену конвекцией и излучением. Температура земного шара (t_g) затем зависит от средней лучистой температуры, температуры воздуха и скорости воздуха.

Для стандартного черного шара диаметром 15 см среднюю температуру излучения можно рассчитать по температуре шара на основании следующего выражения:

На практике необходимо подчеркнуть необходимость поддерживать коэффициент излучения земного шара близким к 1.0, тщательно перекрашивая его в матовый черный цвет.

Основным ограничением этого типа глобуса является его большое время отклика (порядка 20-30 минут, в зависимости от типа используемого глобуса и условий окружающей среды). Измерение действительно только в том случае, если условия излучения постоянны в течение этого периода времени, что не всегда имеет место в промышленных условиях; тогда измерение будет неточным. Это время отклика применимо к шарам диаметром 15 см при использовании обычных ртутных термометров. Они короче, если используются датчики с меньшей теплоемкостью или если диаметр шара уменьшен. Следовательно, приведенное выше уравнение необходимо изменить, чтобы учесть эту разницу в диаметре.

Индекс WBGT напрямую использует температуру черного земного шара. Тогда необходимо использовать глобус диаметром 15 см. С другой стороны, другие индексы используют среднюю лучистую температуру. Затем можно выбрать шар меньшего размера, чтобы сократить время отклика, при условии, что приведенное выше уравнение будет изменено с учетом этого. Стандарт ISO 7726 (1985 г.) допускает точность ±2ºC при измерении t_r от 10 до 40ºC и ±5ºC за пределами этого диапазона.

Скорость воздуха

Скорость воздуха следует измерять независимо от направления потока воздуха. В противном случае измерение необходимо проводить по трем перпендикулярным осям (x, y и z) и глобальная скорость, рассчитанная векторным суммированием:

Диапазон измерений, рекомендуемый стандартом ISO 7726, простирается от 0.05 до 2 м/с. Требуемая точность составляет 5 %. Его следует измерять как среднее значение за 1 или 3 минуты.

Есть две категории приборов для измерения скорости воздуха: анемометры с лопастями и термоанемометры.

Крыльчатые анемометры

Измерение осуществляется путем подсчета количества оборотов, сделанных лопастями за определенный промежуток времени. Таким образом, средняя скорость за этот период времени получается прерывистым образом. Эти анемометры имеют два основных недостатка:

1. Они очень направленные и должны быть ориентированы строго по направлению воздушного потока. Когда это расплывчато или неизвестно, измерения необходимо проводить в трех направлениях под прямым углом.
2. Диапазон измерения простирается примерно от 0.3 м/с до 10 м/с. Это ограничение низкими скоростями важно, когда, например, речь идет об анализе ситуации теплового комфорта, когда обычно рекомендуется, чтобы скорость не превышала 0.25 м/с. Хотя диапазон измерения может выходить за пределы 10 м/с, он вряд ли опускается ниже 0.3 и даже 0.5 м/с, что сильно ограничивает возможности использования в средах, близких к комфортным, где максимально допустимые скорости составляют 0.5 и даже 0.25 м/с. с.

Термоанемометры

Эти приборы фактически дополняют крыльчатые анемометры в том смысле, что их динамический диапазон простирается в основном от 0 до 1 м/с. Это приборы, дающие мгновенную оценку скорости в одной точке пространства: поэтому необходимо использовать средние значения во времени и пространстве. Эти приборы также часто имеют очень направленное действие, и приведенные выше замечания также применимы. Наконец, измерение является правильным только с того момента, когда температура прибора достигает температуры окружающей среды, подлежащей оценке.

Назад