Para sobrevivir y trabajar en condiciones más frías o más calientes, se debe proporcionar un clima cálido en la superficie de la piel por medio de ropa y calefacción o refrigeración artificial. Es necesario comprender los mecanismos de intercambio de calor a través de la ropa para diseñar los conjuntos de ropa más efectivos para trabajar a temperaturas extremas.

Mecanismos de transferencia de calor de ropa

La naturaleza del aislamiento de la ropa.

La transferencia de calor a través de la ropa, o por el contrario, el aislamiento de la ropa, depende en gran medida del aire que queda atrapado dentro y sobre la ropa. La ropa consiste, en una primera aproximación, en cualquier tipo de material que ofrezca un agarre a las capas de aire. Esta afirmación es aproximada porque algunas propiedades de los materiales siguen siendo relevantes. Estos se relacionan con la construcción mecánica de los tejidos (por ejemplo, la resistencia al viento y la capacidad de las fibras para soportar tejidos gruesos), y con las propiedades intrínsecas de las fibras (por ejemplo, absorción y reflexión de la radiación térmica, absorción de vapor de agua, absorción del sudor ). Para condiciones ambientales no demasiado extremas, los méritos de varios tipos de fibra a menudo se sobreestiman.

Capas de aire y movimiento de aire.

La noción de que es el aire, y en particular el aire en calma, el que proporciona aislamiento, sugiere que las capas gruesas de aire son beneficiosas para el aislamiento. Esto es cierto, pero el espesor de las capas de aire está físicamente limitado. Las capas de aire se forman por adhesión de moléculas de gas a cualquier superficie, por cohesión de una segunda capa de moléculas a la primera, y así sucesivamente. Sin embargo, las fuerzas de unión entre las capas subsiguientes son cada vez menores, con la consecuencia de que las moléculas exteriores se mueven incluso por pequeños movimientos externos de aire. En aire tranquilo, las capas de aire pueden tener un espesor de hasta 12 mm, pero con un movimiento de aire vigoroso, como en una tormenta, el espesor disminuye a menos de 1 mm. En general, existe una relación de raíz cuadrada entre el espesor y el movimiento del aire (ver “Fórmulas y Definiciones”). La función exacta depende del tamaño y la forma de la superficie.

Conducción de calor del aire quieto y en movimiento.

El aire quieto actúa como una capa aislante con una conductividad constante, independientemente de la forma del material. La perturbación de las capas de aire conduce a la pérdida de espesor efectivo; esto incluye perturbaciones no solo debidas al viento, sino también a los movimientos del usuario de la ropa: desplazamiento del cuerpo (un componente del viento) y movimientos de partes del cuerpo. La convección natural se suma a este efecto. Para ver un gráfico que muestra el efecto de la velocidad del aire sobre la capacidad aislante de una capa de aire, consulte la figura 1.

Figura 1. Efecto de la velocidad del aire sobre la capacidad aislante de una capa de aire.

Transferencia de calor por radiación

La radiación es otro mecanismo importante para la transferencia de calor. Cada superficie irradia calor y absorbe el calor que irradian otras superficies. El flujo de calor radiante es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos superficies de intercambio. Una capa de ropa entre las superficies interferirá con la transferencia de calor por radiación al interceptar el flujo de energía; la ropa alcanzará una temperatura que es aproximadamente el promedio de las temperaturas de las dos superficies, cortando la diferencia de temperatura entre ellas en dos, y por lo tanto el flujo radiante se reduce por un factor de dos. A medida que aumenta el número de capas de intercepción, disminuye la tasa de transferencia de calor.

Por lo tanto, las capas múltiples son efectivas para reducir la transferencia de calor radiante. En guatas y vellones de fibra, la radiación es interceptada por fibras distribuidas, en lugar de una capa de tejido. La densidad del material de fibra (o más bien la superficie total del material de fibra por volumen de tejido) es un parámetro crítico para la transferencia de radiación dentro de tales vellones de fibra. Las fibras finas proporcionan más superficie para un peso dado que las fibras gruesas.

Aislamiento de tela

Como resultado de las conductividades del aire encerrado y la transferencia de radiación, la conductividad de la tela es efectivamente una constante para telas de varios espesores y ligaduras. Por lo tanto, el aislamiento térmico es proporcional al espesor.

Resistencia al vapor del aire y los tejidos.

Las capas de aire también crean una resistencia a la difusión del sudor evaporado de la piel húmeda al medio ambiente. Esta resistencia es aproximadamente proporcional al grosor del conjunto de ropa. Para las telas, la resistencia al vapor depende del aire encerrado y de la densidad de la construcción. En los tejidos reales, la alta densidad y el gran grosor nunca van de la mano. Debido a esta limitación es posible estimar el equivalente en aire de tejidos que no contienen películas o recubrimientos (ver figura 8). Las telas recubiertas o las telas laminadas en películas pueden tener una resistencia al vapor impredecible, que debe determinarse mediante medición.

Figura 2. Relación entre espesor y resistencia al vapor (deq) para telas sin recubrimientos.

Desde capas de tela y aire hasta ropa

Múltiples capas de tela

Algunas conclusiones importantes de los mecanismos de transferencia de calor son que la ropa altamente aislante es necesariamente gruesa, que se puede obtener un alto aislamiento mediante conjuntos de ropa con múltiples capas delgadas, que un ajuste holgado proporciona más aislamiento que un ajuste ceñido y que el aislamiento tiene un límite inferior , fijado por la capa de aire que se adhiere a la piel.

En la ropa para climas fríos, a menudo es difícil obtener grosor usando solo telas delgadas. Una solución es crear telas gruesas montando dos telas delgadas en una guata. El propósito del bateo es crear la capa de aire y mantener el aire adentro lo más quieto posible. También hay un inconveniente con las telas gruesas: cuanto más se conectan las capas, más rígida se vuelve la ropa, lo que restringe el movimiento.

Variedad de ropa

El aislamiento de un conjunto de ropa depende en gran medida del diseño de la ropa. Los parámetros de diseño que afectan el aislamiento son el número de capas, las aberturas, el ajuste, la distribución del aislamiento sobre el cuerpo y la piel expuesta. Algunas propiedades de los materiales, como la permeabilidad al aire, la reflectividad y los recubrimientos, también son importantes. Además, el viento y la actividad modifican el aislamiento. ¿Es posible dar una descripción adecuada de la ropa con el fin de predecir la comodidad y la tolerancia del usuario? Se han realizado varios intentos, basados ​​en diferentes técnicas. La mayoría de las estimaciones del aislamiento del conjunto completo se han realizado para condiciones estáticas (sin movimiento, sin viento) en conjuntos interiores, porque los datos disponibles se obtuvieron de maniquíes térmicos (McCullough, Jones y Huck 1985). Las mediciones en sujetos humanos son laboriosas y los resultados varían ampliamente. Desde mediados de la década de 1980, se han desarrollado y utilizado maniquíes móviles confiables (Olesen et al. 1982; Nielsen, Olesen y Fanger 1985). Además, las técnicas de medición mejoradas permitieron experimentos humanos más precisos. Un problema que aún no se ha superado por completo es la correcta inclusión de la evaporación del sudor en la evaluación. Los maniquíes que sudan son raros, y ninguno de ellos tiene una distribución realista de la tasa de sudor en el cuerpo. Los humanos sudan de manera realista, pero inconsistente.

Definición de aislamiento de la ropa.

Aislamiento de ropa (I_cl en unidades de m²K/W) para condiciones de estado estacionario, sin fuentes de radiación o condensación en la ropa, se define en "Fórmulas y definiciones". A menudo I se expresa en la unidad clo (no es una unidad internacional estándar). Un clo equivale a 0.155 m²K/W. El uso de la unidad clo significa implícitamente que se relaciona con todo el cuerpo y, por lo tanto, incluye la transferencia de calor por las partes expuestas del cuerpo.

I se modifica por el movimiento y el viento, como se explicó anteriormente, y después de la corrección, el resultado se llama aislamiento resultante. Este es un término de uso frecuente pero no generalmente aceptado.

Distribución de la ropa sobre el cuerpo.

La transferencia total de calor del cuerpo incluye el calor que se transfiere a través de la piel expuesta (generalmente la cabeza y las manos) y el calor que pasa a través de la ropa. Aislamiento intrínseco (consulta: "Fórmulas y Definiciones") se calcula sobre el área total de la piel, no solo sobre la parte cubierta. La piel expuesta transfiere más calor que la piel cubierta y, por lo tanto, tiene una profunda influencia en el aislamiento intrínseco. Este efecto se potencia al aumentar la velocidad del viento. La Figura 3 muestra cómo el aislamiento intrínseco disminuye sucesivamente debido a la curvatura de las formas del cuerpo (las capas externas son menos efectivas que las internas), las partes del cuerpo expuestas (vía adicional para la transferencia de calor) y el aumento de la velocidad del viento (menos aislamiento, en particular para la piel expuesta) (Lotens 1989). Para conjuntos gruesos, la reducción del aislamiento es espectacular.

Figura 3. Aislamiento intrínseco, ya que está influenciado por la curvatura del cuerpo, la piel desnuda y la velocidad del viento.

Espesor y cobertura típicos del conjunto

Aparentemente, tanto el grosor del aislamiento como la cobertura de la piel son determinantes importantes de la pérdida de calor. En la vida real, los dos están correlacionados en el sentido de que la ropa de invierno no solo es más gruesa, sino que también cubre una mayor proporción del cuerpo que la ropa de verano. La Figura 4 demuestra cómo estos efectos juntos dan como resultado una relación casi lineal entre el grosor de la ropa (expresado como volumen de material aislante por unidad de área de la ropa) y el aislamiento (Lotens 1989). El límite inferior lo establece el aislamiento del aire adyacente y el límite superior la facilidad de uso de la ropa. La distribución uniforme puede proporcionar el mejor aislamiento en el frío, pero no es práctico tener mucho peso y volumen en las extremidades. Por lo tanto, a menudo se hace hincapié en el tronco y la sensibilidad de la piel local al frío se adapta a esta práctica. Las extremidades juegan un papel importante en el control del balance de calor humano, y el alto aislamiento de las extremidades limita la efectividad de esta regulación.

Figura 4. Aislamiento total resultante del espesor de la ropa y distribución sobre el cuerpo.

Ventilación de la ropa

Las capas de aire atrapadas en el conjunto de ropa están sujetas al movimiento y al viento, pero en un grado diferente al de la capa de aire adyacente. El viento crea ventilación en la ropa, tanto cuando el aire penetra en la tela como al pasar a través de las aberturas, mientras que el movimiento aumenta la circulación interna. Havenith, Heus y Lotens (1990) encontraron que dentro de la ropa, el movimiento es un factor más fuerte que en la capa de aire adyacente. Sin embargo, esta conclusión depende de la permeabilidad al aire de la tela. Para tejidos altamente permeables al aire, la ventilación por el viento es considerable. Lotens (1993) demostró que la ventilación puede expresarse en función de la velocidad efectiva del viento y la permeabilidad del aire.

Estimaciones del aislamiento de la ropa y la resistencia al vapor

Estimaciones físicas del aislamiento de la ropa

El grosor de un conjunto de ropa proporciona una primera estimación del aislamiento. La conductividad típica de un conjunto es de 0.08 W/mK. Con un grosor medio de 20 mm, eso da como resultado una I_cl de 0.25m²K/W, o 1.6 clo. Sin embargo, las partes holgadas, como los pantalones o las mangas, tienen una conductividad mucho más alta, más del orden de 0.15, mientras que las prendas apretadas tienen una conductividad de 0.04, el famoso 4 clo por pulgada informado por Burton y Edholm (1955). ).

Estimaciones de tablas

Otros métodos utilizan valores de tabla para prendas de vestir. Estos elementos se han medido previamente en un maniquí. Un conjunto bajo investigación debe separarse en sus componentes, y estos deben buscarse en la tabla. Hacer una elección incorrecta de la prenda de vestir tabulada más similar puede causar errores. Para obtener el aislamiento intrínseco del conjunto, los valores de aislamiento individuales se deben poner en una ecuación de suma (McCullough, Jones y Huck 1985).

Factor de superficie de la ropa

Para calcular el aislamiento total, f_cl tiene que ser estimado (ver "Fórmulas y definiciones"). Una estimación experimental práctica es medir el área de la superficie de la ropa, hacer correcciones para las partes superpuestas y dividir por el área total de la piel (DuBois y DuBois 1916). Otras estimaciones de varios estudios muestran que f_cl aumenta linealmente con el aislamiento intrínseco.

Estimación de la resistencia al vapor

Para un conjunto de ropa, la resistencia al vapor es la suma de la resistencia de las capas de aire y las capas de ropa. Por lo general, la cantidad de capas varía según el cuerpo y la mejor estimación es el promedio ponderado por área, incluida la piel expuesta.

Resistencia relativa al vapor

La resistencia evaporativa se usa con menos frecuencia que I, porque pocas medidas de C_cl (o P_cl) están disponibles. Woodcock (1962) evitó este problema al definir el índice de permeabilidad al vapor de agua i_m como la proporción de I y R, relacionada con la misma relación para una sola capa de aire (esta última relación es casi una constante y se conoce como la constante psicrométrica S, 0.0165 K/Pa, 2.34 Km³/g o 2.2 K/torr); i_m= I/(R·S). Valores típicos para i_m para la ropa no revestida, determinados en maniquíes, son de 0.3 a 0.4 (McCullough, Jones y Tamura 1989). Valores para i_m para compuestos de tela y su aire adyacente se puede medir de manera relativamente simple en un aparato de placa caliente húmeda, pero el valor depende en realidad del flujo de aire sobre el aparato y la reflectividad del gabinete en el que está montado. Extrapolación de la relación de R y I para personas vestidas desde medidas en telas hasta conjuntos de ropa (DIN 7943-2 1992) a veces se intenta. Este es un asunto técnicamente complicado. Una razón es que R es proporcional sólo a la parte convectiva de I, por lo que se deben hacer correcciones cuidadosas para la transferencia de calor por radiación. Otra razón es que el aire atrapado entre los compuestos de tela y los conjuntos de ropa puede ser diferente. De hecho, la difusión de vapor y la transferencia de calor pueden tratarse mejor por separado.

Estimaciones por modelos articulados

Hay modelos más sofisticados disponibles para calcular el aislamiento y la resistencia al vapor de agua que los métodos explicados anteriormente. Estos modelos calculan el aislamiento local sobre la base de leyes físicas para varias partes del cuerpo y las integran al aislamiento intrínseco de la forma humana completa. Para ello, la forma humana se aproxima mediante cilindros (figura ). El modelo de McCullough, Jones y Tamura (1989) requiere datos de vestimenta para todas las capas del conjunto, especificados por segmento corporal. El modelo CLOMAN de Lotens y Havenith (1991) requiere menos valores de entrada. Estos modelos tienen una precisión similar, que es mejor que cualquiera de los otros métodos mencionados, con la excepción de la determinación experimental. Desafortunadamente e inevitablemente, los modelos son más complejos de lo que sería deseable en un estándar ampliamente aceptado.

Figura 5. Articulación de forma humana en cilindros.

Efecto de la actividad y el viento

Lotens y Havenith (1991) también proporcionan modificaciones, basadas en datos de la literatura, del aislamiento y la resistencia al vapor debido a la actividad y el viento. El aislamiento es menor mientras está sentado que de pie, y este efecto es mayor para la ropa altamente aislante. Sin embargo, el movimiento disminuye el aislamiento más que la postura, dependiendo de la fuerza de los movimientos. Durante la marcha se mueven tanto los brazos como las piernas, y la reducción es mayor que durante el ciclismo, cuando sólo se mueven las piernas. También en este caso, la reducción es mayor para conjuntos de ropa gruesa. El viento disminuye más el aislamiento para la ropa ligera y menos para la ropa pesada. Este efecto podría estar relacionado con la permeabilidad al aire de la tela de la cubierta, que suele ser menor para el equipo de clima frío.

La figura 8 muestra algunos efectos típicos del viento y el movimiento sobre la resistencia al vapor de la ropa impermeable. No existe un acuerdo definitivo en la literatura sobre la magnitud del movimiento o los efectos del viento. La importancia de este tema se destaca por el hecho de que algunas normas, como la ISO 7730 (1994), requieren el aislamiento resultante como entrada cuando se aplica a personas activas o personas expuestas a un movimiento de aire significativo. Este requisito a menudo se pasa por alto.

Figura 6. Disminución de la resistencia al vapor con el viento y al caminar para varias prendas impermeables.

Control de la humedad

Efectos de la absorción de humedad

Cuando los tejidos pueden absorber el vapor de agua, como hacen la mayoría de las fibras naturales, la ropa funciona como un amortiguador del vapor. Esto cambia la transferencia de calor durante los transitorios de un entorno a otro. A medida que una persona con ropa no absorbente pasa de un ambiente seco a uno húmedo, la evaporación del sudor disminuye abruptamente. En la ropa higroscópica, la tela absorbe vapor y el cambio en la evaporación es gradual. Al mismo tiempo el proceso de absorción libera calor en el tejido aumentando su temperatura. Esto reduce la transferencia de calor seco de la piel. En primera aproximación, ambos efectos se anulan entre sí, dejando sin cambios la transferencia total de calor. La diferencia con la ropa no higroscópica es el cambio más gradual en la evaporación de la piel, con menor riesgo de acumulación de sudor.

Capacidad de absorción de vapor

La capacidad de absorción del tejido depende del tipo de fibra y de la masa del tejido. La masa absorbida es aproximadamente proporcional a la humedad relativa, pero es superior al 90 %. La capacidad de absorción (llamada recuperar) se expresa como la cantidad de vapor de agua que se absorbe en 100 g de fibra seca a una humedad relativa del 65%. Los tejidos se pueden clasificar de la siguiente manera:

• baja absorción—acrílico, poliéster (1 a 2 g por 100 g)
• absorción intermedia—nylon, algodón, acetato (6 a 9 g por 100 g)
• alta absorción—seda, lino, cáñamo, rayón, yute, lana (11 a 15 g por 100 g).

Absorción de agua

La retención de agua en los tejidos, a menudo confundida con la absorción de vapor, obedece a reglas diferentes. El agua libre se une débilmente a la tela y se esparce bien hacia los lados a lo largo de los capilares. Esto se conoce como mecha. La transferencia de líquido de una capa a otra se realiza solo para telas húmedas y bajo presión. La ropa puede humedecerse con el sudor no evaporado (superfluo) que se absorbe de la piel. El contenido líquido del tejido puede ser elevado y su evaporación en un momento posterior puede suponer una amenaza para el equilibrio térmico. Esto suele ocurrir durante el descanso después de un trabajo duro y se conoce como después del enfriamiento. La capacidad de los tejidos para retener líquidos está más relacionada con la construcción del tejido que con la capacidad de absorción de las fibras y, a efectos prácticos, suele ser suficiente para absorber todo el sudor superfluo.

Condensación

La ropa puede mojarse por la condensación del sudor evaporado en una capa en particular. La condensación ocurre si la humedad es más alta de lo que permite la temperatura local. En climas fríos, ese será a menudo el caso en el interior de la tela exterior, en frío extremo incluso en capas más profundas. Donde tiene lugar la condensación, la humedad se acumula, pero la temperatura aumenta, como lo hace durante la absorción. Sin embargo, la diferencia entre la condensación y la absorción es que la absorción es un proceso temporal, mientras que la condensación puede continuar durante períodos prolongados. La transferencia de calor latente durante la condensación puede contribuir de manera muy significativa a la pérdida de calor, lo que puede ser deseable o no. La acumulación de humedad es principalmente un inconveniente, debido a la incomodidad y el riesgo de enfriamiento posterior. En caso de condensación profusa, el líquido puede ser transportado de regreso a la piel para evaporarse nuevamente. Este ciclo funciona como un tubo de calor y puede reducir considerablemente el aislamiento de la ropa interior.

Simulación dinámica

Desde principios del siglo XX se han desarrollado muchos estándares e índices para clasificar la ropa y los climas. Casi sin excepción, estos se han ocupado de estados estacionarios, condiciones en las que el clima y el trabajo se mantuvieron el tiempo suficiente para que una persona desarrollara una temperatura corporal constante. Este tipo de trabajo se ha vuelto raro, debido a la mejora de la salud ocupacional y las condiciones de trabajo. El énfasis se ha trasladado a la exposición de corta duración a circunstancias difíciles, a menudo relacionadas con el manejo de calamidades en ropa protectora.

Por lo tanto, existe la necesidad de simulaciones dinámicas que involucren la transferencia de calor de la ropa y la tensión térmica del usuario (Gagge, Fobelets y Berglund 1986). Tales simulaciones pueden llevarse a cabo mediante modelos informáticos dinámicos que se ejecutan en un escenario específico. Entre los modelos más sofisticados hasta la fecha con respecto a la ropa está THDYN (Lotens 1993), que permite una amplia gama de especificaciones de ropa y se ha actualizado para incluir características individuales de la persona simulada (figura 9). Se pueden esperar más modelos. Sin embargo, existe la necesidad de una evaluación experimental más extensa, y la ejecución de tales modelos es el trabajo de expertos, en lugar de una persona inteligente. Los modelos dinámicos basados ​​en la física de la transferencia de calor y masa incluyen todos los mecanismos de transferencia de calor y sus interacciones (absorción de vapor, calor de fuentes radiantes, condensación, ventilación, acumulación de humedad, etc.) para una amplia gama de conjuntos de ropa, incluidos civiles, ropa de trabajo y protección.

Figura 7. Descripción general de un modelo térmico dinámico.

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