Scambi termici

Il corpo umano scambia calore con l'ambiente attraverso varie vie: conduzione attraverso le superfici a contatto con esso, convezione ed evaporazione con l'aria ambiente, irraggiamento con le superfici vicine.

Conduzione

La conduzione è la trasmissione del calore tra due corpi solidi a contatto. Tali scambi si osservano tra pelle e abbigliamento, calzature, punti di pressione (sedile, maniglie), strumenti e così via. In pratica, nel calcolo matematico del bilancio termico, questo flusso termico per conduzione viene approssimato indirettamente come una quantità pari al flusso termico per convezione e irraggiamento che si verificherebbe se queste superfici non fossero a contatto con altri materiali.

Convezione

La convezione è il trasferimento di calore tra la pelle e l'aria che la circonda. Se la temperatura della pelle, t_sk, in unità di gradi Celsius (°C), è superiore alla temperatura dell'aria (t_a), l'aria a contatto con la pelle si riscalda e di conseguenza sale. La circolazione dell'aria, nota come convezione naturale, si stabilisce così sulla superficie del corpo. Questo scambio diventa maggiore se l'aria ambiente passa sopra la pelle ad una certa velocità: la convezione diventa forzata. Il flusso di calore scambiato per convezione, C, in unità di watt per metro quadrato (W/m²), può essere stimato da:

C = h_c F_clC (t_sk - t_a)

where h_c è il coefficiente di convezione (W/°C m²), che è una funzione della differenza tra t_sk ed t_a nel caso della convezione naturale, e della velocità dell'aria V_a (in m/s) in convezione forzata; F_clC è il fattore grazie al quale l'abbigliamento riduce lo scambio termico per convezione.

Radiazione

Ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche la cui intensità è funzione della quarta potenza della sua temperatura assoluta T (in gradi Kelvin—K). La pelle, la cui temperatura può essere compresa tra 30 e 35°C (303 e 308K), emette tale radiazione, che si trova nella zona dell'infrarosso. Inoltre, riceve la radiazione emessa dalle superfici vicine. Il flusso termico scambiato per irraggiamento, R (in W/m²), tra il corpo e ciò che lo circonda può essere descritto dalla seguente espressione:

dove:

s è la costante universale della radiazione (5.67 × 10-8 W/m² K⁴)

e è l'emissività della pelle, che per la radiazione infrarossa è pari a 0.97 e indipendente dalla lunghezza d'onda, e per la radiazione solare è circa 0.5 per la pelle di un soggetto Bianco e 0.85 per la pelle di un soggetto Nero

A_R/A_D è la frazione della superficie corporea che partecipa agli scambi, che è dell'ordine di 0.66, 0.70 o 0.77, a seconda che il soggetto sia accovacciato, seduto o in piedi

F_clR è il fattore grazie al quale l'abbigliamento riduce lo scambio di calore per irraggiamento

T_sk (in K) è la temperatura media della pelle

T_r (in K) è la temperatura media radiante dell'ambiente, cioè la temperatura uniforme di una sfera opaca nera di grande diametro che circonderebbe il soggetto e scambierebbe con esso la stessa quantità di calore dell'ambiente reale.

Questa espressione può essere sostituita da un'equazione semplificata dello stesso tipo di quella per gli scambi per convezione:

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

where h_r è il coefficiente di scambio per irraggiamento (W/°C m²).

Evaporazione

Ogni superficie bagnata ha su di sé uno strato d'aria satura di vapore acqueo. Se l'atmosfera stessa non è satura, il vapore si diffonde da questo strato verso l'atmosfera. Lo strato tende poi a rigenerarsi attingendo al calore di evaporazione (0.674 Wattora per grammo di acqua) dalla superficie bagnata, che si raffredda. Se la pelle è interamente ricoperta di sudore, l'evaporazione è massima (E_max) e dipende solo dalle condizioni ambientali, secondo la seguente espressione:

E_max =h_e F_pz (P_{sc, s} - P_a)

dove:

h_e è il coefficiente di scambio per evaporazione (W/m²kPa)

P_{sc, s} è la pressione satura del vapore acqueo alla temperatura della pelle (espressa in kPa)

P_a è la pressione parziale ambiente del vapore acqueo (espressa in kPa)

F_pz è il fattore di riduzione degli scambi per evaporazione dovuta all'abbigliamento.

Isolamento termico degli indumenti

Nel calcolo del flusso termico per convezione, irraggiamento ed evaporazione interviene un fattore di correzione per tener conto dell'abbigliamento. Nel caso di abbigliamento in cotone, i due fattori di riduzione F_clC ed F_clR può essere determinato da:

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

dove:

h_c è il coefficiente di scambio per convezione

h_r è il coefficiente di scambio per irraggiamento

I_cl è l'effettivo isolamento termico (m²/W) di abbigliamento.

Per quanto riguarda la riduzione del trasferimento di calore per evaporazione, il fattore di correzione F_pz è data dalla seguente espressione:

F_pz = 1 / (1+2.22h_c I_cl)

L'isolamento termico dell'abbigliamento I_cl si esprime in m²/W o in clo. Un isolamento di 1 clo corrisponde a 0.155 m²/W ed è fornito, ad esempio, dal normale abbigliamento da città (camicia, cravatta, pantaloni, giacca, ecc.).

Lo standard ISO 9920 (1994) fornisce l'isolamento termico fornito da diverse combinazioni di indumenti. Nel caso di indumenti protettivi speciali che riflettono il calore o limitano la permeabilità al vapore in condizioni di esposizione al calore, o assorbono e isolano in condizioni di stress da freddo, devono essere utilizzati fattori di correzione individuali. Ad oggi, tuttavia, il problema rimane poco compreso e le previsioni matematiche rimangono molto approssimative.

Valutazione dei parametri fondamentali della situazione lavorativa

Come visto in precedenza, gli scambi termici per convezione, irraggiamento ed evaporazione sono funzione di quattro parametri climatici: la temperatura dell'aria t_a in °C, l'umidità dell'aria espressa dalla sua tensione di vapore parziale P_a in kPa, la temperatura media radiante t_r in °C e la velocità dell'aria V_a in m/sec. Gli apparecchi ei metodi per misurare questi parametri fisici dell'ambiente sono oggetto della norma ISO 7726 (1985), che descrive i diversi tipi di sensori da utilizzare, specifica il loro campo di misura e la loro accuratezza e raccomanda alcune procedure di misurazione. Questa sezione riassume parte dei dati di tale norma, con particolare riferimento alle condizioni di utilizzo degli apparecchi e apparecchi più comuni.

Temperatura dell'aria

La temperatura dell'aria (t_a) deve essere misurato indipendentemente da qualsiasi radiazione termica; la precisione della misurazione deve essere ±0.2ºC nell'intervallo da 10 a 30ºC e ±0.5 °C al di fuori di tale intervallo.

In commercio esistono numerosi tipi di termometri. I termometri a mercurio sono i più comuni. Il loro vantaggio è la precisione, a condizione che siano stati calibrati correttamente in origine. I loro principali svantaggi sono i lunghi tempi di risposta e la mancanza di capacità di registrazione automatica. I termometri elettronici, invece, generalmente hanno un tempo di risposta molto breve (da 5 s a 1 min) ma possono avere problemi di calibrazione.

Qualunque sia il tipo di termometro, il sensore deve essere protetto dalle radiazioni. Ciò è generalmente garantito da un cilindro cavo di alluminio lucido che circonda il sensore. Tale protezione è assicurata dallo psicrometro, di cui si parlerà nella prossima sezione.

Pressione parziale del vapore acqueo

L'umidità dell'aria può essere caratterizzata in quattro modi diversi:

1. il temperatura di rugiada: la temperatura alla quale l'aria deve essere raffreddata per saturarsi di umidità (t_d,°C)

2. il pressione parziale del vapore acqueo: la frazione della pressione atmosferica dovuta al vapore acqueo (P_a,kPa)

3. l'umidità relativa (destra), che è data dall'espressione:

RH = 100·P_a/P_S,ta

dove P_S,ta è la pressione di vapore saturo associata alla temperatura dell'aria

4. il temperatura del bulbo umido (t_w), che è la temperatura più bassa raggiunta da un manicotto umido protetto dalle radiazioni e ventilato a più di 2 m/s dall'aria ambiente.

Tutti questi valori sono collegati matematicamente.

La pressione del vapore acqueo saturo P_{S, t} a qualsiasi temperatura t è dato da:

mentre la pressione parziale del vapore acqueo è collegata alla temperatura da:

P_a = P_{S, tw} - (T_a - t_w)/15

where P_{S, tw} è la pressione di vapore saturo alla temperatura di bulbo umido.

Il diagramma psicrometrico (figura 1) permette di combinare tutti questi valori. Comprende:

Figura 1. Diagramma psicrometrico.

• nel y asse, la scala della pressione parziale del vapore acqueo P_a, espresso in kPa

• nel x asse, la scala della temperatura dell'aria

• le curve di umidità relativa costante

• le linee rette oblique della temperatura costante del bulbo umido.

• I parametri di umidità più spesso utilizzati nella pratica sono:

• l'umidità relativa, misurata mediante igrometri o apparecchi elettronici più specializzati

• la temperatura di bulbo umido, misurata mediante lo psicrometro; da ciò si ricava la pressione parziale del vapore acqueo, che è il parametro più utilizzato nell'analisi del bilancio termico

L'intervallo di misurazione e la precisione raccomandati sono da 0.5 a 6 kPa e ±0.15 kPa. Per la misurazione della temperatura a bulbo umido, l'intervallo va da 0 a 36ºC, con una precisione identica a quella della temperatura dell'aria. Per quanto riguarda gli igrometri per la misura dell'umidità relativa, il range va dallo 0 al 100%, con una precisione del ±5%.

Temperatura media radiante

La temperatura media radiante (t_r) è stato definito in precedenza; può essere determinato in tre modi diversi:

1. dalla temperatura misurata dal termometro a sfera nera

2. dal piano temperature radianti misurate lungo tre assi perpendicolari

3. mediante calcolo, integrando gli effetti delle diverse sorgenti di radiazione.

Solo la prima tecnica verrà esaminata qui.

Il termometro a sfera nera è costituito da una sonda termica, il cui elemento sensibile è posto al centro di una sfera completamente chiusa, realizzata in un metallo buon conduttore di calore (rame) e verniciata di nero opaco in modo da avere un coefficiente di assorbimento nella zona dell'infrarosso vicino a 1.0. La sfera viene posizionata sul posto di lavoro e sottoposta a scambi per convezione e irraggiamento. La temperatura del globo (t_g) dipende quindi dalla temperatura media radiante, dalla temperatura dell'aria e dalla velocità dell'aria.

Per un globo nero standard di 15 cm di diametro, la temperatura media di radiazione può essere calcolata dalla temperatura del globo sulla base della seguente espressione:

In pratica va sottolineata la necessità di mantenere l'emissività del globo prossima a 1.0 ridipingendolo accuratamente di nero opaco.

Il principale limite di questo tipo di globo è il suo lungo tempo di risposta (dell'ordine di 20-30 min, a seconda del tipo di globo utilizzato e delle condizioni ambientali). La misura è valida solo se le condizioni di irraggiamento sono costanti durante questo periodo di tempo, e questo non è sempre il caso in un ambiente industriale; la misurazione è quindi imprecisa. Questi tempi di risposta si applicano a globi di 15 cm di diametro, utilizzando normali termometri a mercurio. Sono più corti se si utilizzano sensori di minore capacità termica o se il diametro del globo è ridotto. L'equazione di cui sopra deve quindi essere modificata per tener conto di questa differenza di diametro.

L'indice WBGT utilizza direttamente la temperatura del globo nero. È quindi indispensabile utilizzare un globo di 15 cm di diametro. Altri indici, invece, fanno uso della temperatura media radiante. È quindi possibile selezionare un globo più piccolo per ridurre il tempo di risposta, a condizione che l'equazione di cui sopra venga modificata per tenerne conto. Lo standard ISO 7726 (1985) consente una precisione di ±2ºC nella misurazione di t_r tra 10 e 40ºC e ±5ºC al di fuori di tale intervallo.

Velocità aerea

La velocità dell'aria deve essere misurata indipendentemente dalla direzione del flusso d'aria. In caso contrario, la misurazione deve essere eseguita su tre assi perpendicolari (x, y ed z) e la velocità globale calcolata per somma vettoriale:

Il campo di misura raccomandato dalla norma ISO 7726 va da 0.05 a 2 m/s La precisione richiesta è del 5%. Dovrebbe essere misurato come valore medio di 1 o 3 minuti.

Esistono due categorie di apparecchi per la misurazione della velocità dell'aria: gli anemometri a palette e gli anemometri termici.

Anemometri a palette

La misurazione viene effettuata contando il numero di giri compiuti dalle palette durante un certo periodo di tempo. In questo modo si ottiene in modo discontinuo la velocità media in quel periodo di tempo. Questi anemometri presentano due svantaggi principali:

1. Sono molto direzionali e devono essere orientati rigorosamente nella direzione del flusso d'aria. Quando questo è vago o sconosciuto, le misurazioni devono essere prese in tre direzioni ad angolo retto.
2. Il campo di misura si estende da circa 0.3 m/s a 10 m/s. Questa limitazione alle basse velocità è importante quando, ad esempio, si tratta di analizzare una situazione di comfort termico in cui si consiglia generalmente di non superare una velocità di 0.25 m/s. Sebbene il campo di misura possa estendersi oltre i 10 m/s, difficilmente scende al di sotto di 0.3 o addirittura 0.5 m/s, il che limita notevolmente le possibilità di utilizzo in ambienti prossimi al comfort, dove le velocità massime consentite sono di 0.5 o addirittura 0.25 m/ S.

Anemometri a filo caldo

Questi apparecchi sono infatti complementari agli anemometri a palette nel senso che la loro gamma dinamica si estende essenzialmente da 0 a 1 m/s. Sono apparecchi che danno una stima istantanea della velocità in un punto dello spazio: è quindi necessario utilizzare valori medi nel tempo e nello spazio. Questi apparecchi sono spesso anche molto direzionali e si applicano anche le osservazioni di cui sopra. Infine, la misura è corretta solo dal momento in cui la temperatura dell'apparecchio ha raggiunto quella dell'ambiente da valutare.

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