Intercambios Térmicos

El cuerpo humano intercambia calor con su entorno por varias vías: conducción a través de las superficies en contacto con él, convección y evaporación con el aire ambiente y radiación con las superficies vecinas.

Conducción

La conducción es la transmisión de calor entre dos sólidos en contacto. Dichos intercambios se observan entre la piel y la ropa, calzado, puntos de presión (asiento, asas), herramientas, etc. En la práctica, en el cálculo matemático del balance térmico, este flujo de calor por conducción se aproxima indirectamente como una cantidad igual al flujo de calor por convección y radiación que se produciría si estas superficies no estuvieran en contacto con otros materiales.

Convección

La convección es la transferencia de calor entre la piel y el aire que la rodea. Si la temperatura de la piel, t_sk, en unidades de grados Celsius (°C), es mayor que la temperatura del aire (t_a), el aire en contacto con la piel se calienta y por lo tanto asciende. La circulación del aire, conocida como convección natural, se establece así en la superficie del cuerpo. Este intercambio se hace mayor si el aire ambiente pasa sobre la piel a cierta velocidad: la convección se vuelve forzada. El flujo de calor intercambiado por convección, C, en unidades de vatios por metro cuadrado (W/m²), puede ser estimado por:

C = h_c F_CLC (t_sk - t_a)

donde h_c es el coeficiente de convección (W/°C m²), que es una función de la diferencia entre t_sk y t_a en el caso de convección natural, y de la velocidad del aire V_a (en m/s) en convección forzada; F_CLC es el factor por el cual la ropa reduce el intercambio de calor por convección.

La radiación

Todo cuerpo emite radiación electromagnética, cuya intensidad es función de la cuarta potencia de su temperatura absoluta T (en grados Kelvin—K). La piel, cuya temperatura puede estar entre 30 y 35°C (303 y 308K), emite dicha radiación, que se encuentra en la zona infrarroja. Además, recibe la radiación emitida por las superficies vecinas. El flujo térmico intercambiado por radiación, R (en W/m²), entre el cuerpo y su entorno puede describirse mediante la siguiente expresión:

dónde:

s es la constante universal de radiación (5.67 × 10-8 W/m² K⁴)

e es la emisividad de la piel, que para la radiación infrarroja es igual a 0.97 e independiente de la longitud de onda, y para la radiación solar es del orden de 0.5 para la piel de un sujeto Blanco y de 0.85 para la piel de un sujeto Negro

A_R/A_D es la fracción de la superficie corporal que participa en los intercambios, que es del orden de 0.66, 0.70 o 0.77, dependiendo de si el sujeto está agachado, sentado o de pie

F_CLR es el factor por el cual la ropa reduce el intercambio de calor por radiación

T_sk (en K) es la temperatura media de la piel

T_r (en K) es la temperatura radiante media del ambiente, es decir, la temperatura uniforme de una esfera negra mate de gran diámetro que rodearía al sujeto e intercambiaría con él la misma cantidad de calor que el ambiente real.

Esta expresión puede sustituirse por una ecuación simplificada del mismo tipo que la de los intercambios por convección:

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

donde h_r es el coeficiente de intercambio por radiación (W/°C m²).

Evaporación

Toda superficie mojada tiene sobre ella una capa de aire saturado de vapor de agua. Si la atmósfera misma no está saturada, el vapor se difunde desde esta capa hacia la atmósfera. Luego, la capa tiende a regenerarse aprovechando el calor de la evaporación (0.674 vatios hora por gramo de agua) en la superficie húmeda, que se enfría. Si la piel está totalmente cubierta de sudor, la evaporación es máxima (E_max) y depende únicamente de las condiciones ambientales, según la siguiente expresión:

E_max =h_e F_PCL (P_sk - P_a)

dónde:

h_e es el coeficiente de intercambio por evaporación (W/m²kPa)

P_sk es la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de la piel (expresada en kPa)

P_a es la presión parcial ambiental del vapor de agua (expresada en kPa)

F_PCL es el factor de reducción de intercambios por evaporación debido a la ropa.

Aislamiento térmico de la ropa.

Un factor de corrección opera en el cálculo del flujo de calor por convección, radiación y evaporación para tener en cuenta la ropa. En el caso de la ropa de algodón, los dos factores de reducción F_CLC y F_CLR puede ser determinada por:

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

dónde:

h_c es el coeficiente de intercambio por convección

h_r es el coeficiente de intercambio por radiación

I_cl es el aislamiento térmico efectivo (m²/W) de ropa.

En cuanto a la reducción de la transferencia de calor por evaporación, el factor de corrección F_PCL viene dada por la siguiente expresión:

F_PCL = 1 / (1+2.22h_c I_cl)

El aislamiento térmico de la ropa. I_cl se expresa en m²/W o en clo. Un aislamiento de 1 clo corresponde a 0.155 m²/W y se proporciona, por ejemplo, con la ropa normal de ciudad (camisa, corbata, pantalón, chaqueta, etc.).

La norma ISO 9920 (1994) da el aislamiento térmico proporcionado por diferentes combinaciones de ropa. En el caso de ropa de protección especial que refleje el calor o limite la permeabilidad al vapor en condiciones de exposición al calor, o que absorba y aísle en condiciones de estrés por frío, se deben utilizar factores de corrección individuales. Sin embargo, hasta la fecha, el problema sigue siendo poco conocido y las predicciones matemáticas siguen siendo muy aproximadas.

Evaluación de los Parámetros Básicos de la Situación Laboral

Como se vio anteriormente, los intercambios térmicos por convección, radiación y evaporación son una función de cuatro parámetros climáticos: la temperatura del aire t_a en °C, la humedad del aire expresada por su presión de vapor parcial P_a en kPa, la temperatura radiante media t_r en °C, y la velocidad del aire V_a en m/s. Los aparatos y métodos para medir estos parámetros físicos del medio ambiente están sujetos a la norma ISO 7726 (1985), que describe los diferentes tipos de sensores a usar, especifica su rango de medición y su precisión, y recomienda ciertos procedimientos de medición. En este apartado se resumen parte de los datos de dicha norma, con especial referencia a las condiciones de uso de los aparatos y aparatos más comunes.

Temperatura del aire

La temperatura del aire (t_a) debe medirse independientemente de cualquier radiación térmica; la precisión de la medición debe ser de ±0.2 ºC dentro del rango de 10 a 30 ºC y de ±0.5 °C fuera de ese rango.

Existen numerosos tipos de termómetros en el mercado. Los termómetros de mercurio son los más comunes. Su ventaja es la precisión, siempre que hayan sido correctamente calibrados originalmente. Sus principales desventajas son su largo tiempo de respuesta y la falta de capacidad de grabación automática. Los termómetros electrónicos, por otro lado, generalmente tienen un tiempo de respuesta muy corto (5 s a 1 min) pero pueden tener problemas de calibración.

Cualquiera que sea el tipo de termómetro, el sensor debe estar protegido contra la radiación. Esto generalmente está garantizado por un cilindro hueco de aluminio brillante que rodea el sensor. Dicha protección está asegurada por el psicrómetro, que se mencionará en la siguiente sección.

Presión parcial de vapor de agua

La humedad del aire se puede caracterizar de cuatro maneras diferentes:

1. el temperatura de derretimiento: la temperatura a la que debe enfriarse el aire para que se sature de humedad (t_d,°C)

2. el presión parcial de vapor de agua: la fracción de la presión atmosférica debida al vapor de agua (P_a, kPa)

3. la humedad relativa (HORA), que viene dada por la expresión:

RH = 100·PAG_a/P_{S, ta}

donde P_{S, ta} es la presión de vapor saturado asociada con la temperatura del aire

4. el temperatura del bulbo húmedo (t_w), que es la temperatura más baja alcanzada por una manga húmeda protegida contra la radiación y ventilada a más de 2 m/s por el aire ambiente.

Todos estos valores están conectados matemáticamente.

La presión de vapor de agua saturada P_{S t} a cualquier temperatura t es dado por:

mientras que la presión parcial del vapor de agua está relacionada con la temperatura por:

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

donde P_{S, tw} es la presión de vapor saturado a la temperatura de bulbo húmedo.

El diagrama psicrométrico (figura 1) permite combinar todos estos valores. Comprende:

Figura 1. Diagrama psicrométrico.

• existentes y eje, la escala de presión parcial de vapor de agua P_a, expresado en kPa

• existentes x eje, la escala de la temperatura del aire

• las curvas de humedad relativa constante

• las líneas rectas oblicuas de temperatura de bulbo húmedo constante.

• Los parámetros de humedad más utilizados en la práctica son:

• la humedad relativa, medida por medio de higrómetros o aparatos electrónicos más especializados

• la temperatura de bulbo húmedo, medida por medio del psicrómetro; de aquí se deriva la presión parcial de vapor de agua, que es el parámetro más utilizado en el análisis del balance térmico

El rango de medición y la precisión recomendados son de 0.5 a 6 kPa y ±0.15 kPa. Para la medición de la temperatura de bulbo húmedo, el rango se extiende de 0 a 36ºC, con una precisión idéntica a la de la temperatura del aire. En cuanto a los higrómetros para medir la humedad relativa, el rango se extiende de 0 a 100%, con una precisión de ±5%.

Temperatura radiante media

La temperatura radiante media (t_r) ha sido definido previamente; se puede determinar de tres maneras diferentes:

1. de la temperatura medida por el termómetro de esfera negra

2. desde el plano temperaturas radiantes medidas a lo largo de tres ejes perpendiculares

3. por cálculo, integrando los efectos de las distintas fuentes de radiación.

Aquí sólo se revisará la primera técnica.

El termómetro de esfera negra consta de una sonda térmica, cuyo elemento sensible se coloca en el centro de una esfera completamente cerrada, fabricada en un metal buen conductor del calor (cobre) y pintada de negro mate para tener un coeficiente de absorción en la zona infrarroja cercana a 1.0. La esfera se coloca en el lugar de trabajo y se somete a intercambios por convección y radiación. La temperatura del globo (t_g) depende entonces de la temperatura radiante media, la temperatura del aire y la velocidad del aire.

Para un globo negro estándar de 15 cm de diámetro, la temperatura media de radiación se puede calcular a partir de la temperatura del globo sobre la base de la siguiente expresión:

En la práctica, se debe enfatizar la necesidad de mantener la emisividad del globo cercana a 1.0 repintándolo cuidadosamente de negro mate.

La principal limitación de este tipo de globo es su largo tiempo de respuesta (del orden de 20 a 30 min, según el tipo de globo utilizado y las condiciones ambientales). La medida es válida solo si las condiciones de radiación son constantes durante este período de tiempo, y esto no siempre es así en un entorno industrial; la medida es entonces inexacta. Estos tiempos de respuesta se aplican a globos de 15 cm de diámetro, utilizando termómetros de mercurio ordinarios. Son más cortos si se utilizan sensores de menor capacidad térmica o si se reduce el diámetro del globo. Por lo tanto, la ecuación anterior debe modificarse para tener en cuenta esta diferencia de diámetro.

El índice WBGT hace uso directo de la temperatura del globo negro. Entonces es imprescindible utilizar un globo de 15 cm de diámetro. Por otro lado, otros índices hacen uso de la temperatura radiante media. Luego se puede seleccionar un globo más pequeño para reducir el tiempo de respuesta, siempre que la ecuación anterior se modifique para tenerlo en cuenta. La norma ISO 7726 (1985) permite una precisión de ±2ºC en la medida de t_r entre 10 y 40ºC, y ±5ºC fuera de ese rango.

Velocidad del aire

La velocidad del aire debe medirse sin tener en cuenta la dirección del flujo de aire. De lo contrario, la medición debe realizarse en tres ejes perpendiculares (x, y y z) y la velocidad global calculada por suma vectorial:

El rango de medidas recomendado por la norma ISO 7726 se extiende desde 0.05 hasta 2 m/s. La precisión requerida es del 5%. Debe medirse como un valor promedio de 1 o 3 minutos.

Hay dos categorías de aparatos para medir la velocidad del aire: anemómetros con paletas y anemómetros térmicos.

Anemómetros de paletas

La medida se realiza contando el número de vueltas que dan las paletas durante un determinado periodo de tiempo. De esta forma se obtiene de forma discontinua la velocidad media durante ese periodo de tiempo. Estos anemómetros tienen dos desventajas principales:

1. Son muy direccionales y deben orientarse estrictamente en la dirección del flujo de aire. Cuando esto es vago o desconocido, las mediciones deben tomarse en tres direcciones en ángulo recto.
2. El rango de medición se extiende desde aproximadamente 0.3 m/s hasta 10 m/s. Esta limitación a velocidades bajas es importante cuando, por ejemplo, se trata de analizar una situación de confort térmico en la que generalmente se recomienda no superar una velocidad de 0.25 m/s. Aunque el rango de medida puede extenderse más allá de los 10 m/s, difícilmente baja de 0.3 o incluso 0.5 m/s, lo que limita mucho las posibilidades de uso en entornos próximos al confort, donde las velocidades máximas permitidas son de 0.5 o incluso 0.25 m/s. s.

Anemómetros de hilo caliente

De hecho, estos aparatos son complementarios a los anemómetros de molinete en el sentido de que su rango dinámico se extiende esencialmente de 0 a 1 m/s. Son aparatos que dan una estimación instantánea de la velocidad en un punto del espacio, por lo que es necesario utilizar valores medios en el tiempo y en el espacio. Estos aparatos también suelen ser muy direccionales, y las observaciones anteriores también se aplican. Finalmente, la medición es correcta sólo a partir del momento en que la temperatura del aparato ha alcanzado la del ambiente a evaluar.

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