Trocas Térmicas

O corpo humano troca calor com o ambiente por várias vias: condução através das superfícies em contato com ele, convecção e evaporação com o ar ambiente e radiação com as superfícies vizinhas.

Condução

A condução é a transmissão de calor entre dois sólidos em contato. Tais trocas são observadas entre a pele e roupas, calçados, pontos de pressão (assento, alças), ferramentas e assim por diante. Na prática, no cálculo matemático do balanço térmico, este fluxo de calor por condução é aproximado indiretamente como uma quantidade igual ao fluxo de calor por convecção e radiação que ocorreria se essas superfícies não estivessem em contato com outros materiais.

Convecção

A convecção é a transferência de calor entre a pele e o ar que a rodeia. Se a temperatura da pele, t_sk, em unidades de graus Celsius (°C), é maior que a temperatura do ar (t_a), o ar em contato com a pele é aquecido e consequentemente sobe. A circulação de ar, conhecida como convecção natural, é assim estabelecida na superfície do corpo. Essa troca torna-se maior se o ar ambiente passar sobre a pele a uma certa velocidade: a convecção torna-se forçada. O fluxo de calor trocado por convecção, C, em unidades de watts por metro quadrado (W/m²), pode ser estimado por:

C = h_c F_clC (t_sk - t_a)

onde h_c é o coeficiente de convecção (W/°C m²), que é uma função da diferença entre t_sk e t_a no caso da convecção natural, e da velocidade do ar V_a (em m/s) em convecção forçada; F_clC é o fator pelo qual a roupa reduz a troca de calor por convecção.

Radiação

Todo corpo emite radiação eletromagnética, cuja intensidade é função da quarta potência de sua temperatura absoluta T (em graus Kelvin—K). A pele, cuja temperatura pode estar entre 30 e 35°C (303 e 308K), emite essa radiação, que está na zona infravermelha. Além disso, recebe a radiação emitida pelas superfícies vizinhas. O fluxo térmico trocado por radiação, R (em W/m²), entre o corpo e seu entorno pode ser descrito pela seguinte expressão:

em que:

s é a constante universal de radiação (5.67 × 10-8 W/m² K⁴)

e é a emissividade da pele, que para a radiação infravermelha é igual a 0.97 e independente do comprimento de onda, e para a radiação solar é cerca de 0.5 para a pele de um sujeito branco e 0.85 para a pele de um sujeito negro

A_R/A_D é a fração da superfície corporal que participa das trocas, que é da ordem de 0.66, 0.70 ou 0.77, dependendo se o sujeito está agachado, sentado ou em pé

F_clR é o fator pelo qual a roupa reduz a troca de calor por radiação

T_sk (em K) é a temperatura média da pele

T_r (em K) é a temperatura radiante média do ambiente — ou seja, a temperatura uniforme de uma esfera preta de grande diâmetro que envolveria o sujeito e trocaria com ele a mesma quantidade de calor que o ambiente real.

Esta expressão pode ser substituída por uma equação simplificada do mesmo tipo das trocas por convecção:

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

onde h_r é o coeficiente de troca por radiação (W/°C m²).

evaporação

Cada superfície molhada tem sobre ela uma camada de ar saturado com vapor de água. Se a própria atmosfera não estiver saturada, o vapor se difunde desta camada para a atmosfera. A camada então tende a ser regenerada pelo calor da evaporação (0.674 Watt hora por grama de água) na superfície molhada, que esfria. Se a pele estiver totalmente coberta de suor, a evaporação é máxima (E_max) e depende apenas das condições ambientais, conforme a seguinte expressão:

E_max =h_e F_PCL (P_sk,s - P_a)

em que:

h_e é o coeficiente de troca por evaporação (W/m²kPa)

P_sk,s é a pressão saturada de vapor d'água na temperatura da pele (expressa em kPa)

P_a é a pressão parcial ambiente de vapor de água (expressa em kPa)

F_PCL é o fator de redução das trocas por evaporação devido ao vestuário.

Isolamento térmico de roupas

Um fator de correção atua no cálculo do fluxo de calor por convecção, radiação e evaporação de forma a levar em conta a vestimenta. No caso de roupas de algodão, os dois fatores de redução F_clC e F_clR pode ser determinado por:

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

em que:

h_c é o coeficiente de troca por convecção

h_r é o coeficiente de troca por radiação

I_cl é o isolamento térmico efetivo (m²/W) de roupas.

No que diz respeito à redução da transferência de calor por evaporação, o fator de correção F_PCL é dada pela seguinte expressão:

F_PCL = 1 / (1+2.22h_c I_cl)

O isolamento térmico da roupa I_cl é expresso em m²/W ou em clo. Um isolamento de 1 clo corresponde a 0.155 m²/W e é fornecido, por exemplo, pelo traje normal da cidade (camisa, gravata, calça, paletó, etc.).

A norma ISO 9920 (1994) dá o isolamento térmico fornecido por diferentes combinações de roupas. No caso de roupas de proteção especiais que reflitam o calor ou limitem a permeabilidade ao vapor sob condições de exposição ao calor, ou absorvam e isolem sob condições de estresse pelo frio, devem ser usados ​​fatores de correção individuais. Até o momento, no entanto, o problema permanece pouco compreendido e as previsões matemáticas permanecem muito aproximadas.

Avaliação dos Parâmetros Básicos da Situação de Trabalho

Como visto acima, as trocas térmicas por convecção, radiação e evaporação são uma função de quatro parâmetros climáticos - a temperatura do ar t_a em °C, a umidade do ar expressa por sua pressão parcial de vapor P_a em kPa, a temperatura radiante média t_r em °C, e a velocidade do ar V_a em m/s. Os aparelhos e métodos para medir esses parâmetros físicos do ambiente são objeto da norma ISO 7726 (1985), que descreve os diferentes tipos de sensores a serem usados, especifica sua faixa de medição e sua precisão e recomenda alguns procedimentos de medição. Esta secção sintetiza parte dos dados dessa norma, com especial referência às condições de utilização dos aparelhos e aparelhos mais comuns.

Temperatura do ar

A temperatura do ar (t_a) deve ser medido independente de qualquer radiação térmica; a precisão da medição deve ser de ±0.2ºC dentro da faixa de 10 a 30ºC e ±0.5ºC fora dessa faixa.

Existem vários tipos de termômetros no mercado. Os termômetros de mercúrio são os mais comuns. Sua vantagem é a precisão, desde que tenham sido originalmente calibrados corretamente. Suas principais desvantagens são o longo tempo de resposta e a falta de capacidade de gravação automática. Os termômetros eletrônicos, por outro lado, geralmente têm um tempo de resposta muito curto (5 s a 1 min), mas podem apresentar problemas de calibração.

Qualquer que seja o tipo de termômetro, o sensor deve ser protegido contra radiação. Isso geralmente é garantido por um cilindro oco de alumínio brilhante ao redor do sensor. Tal proteção é assegurada pelo psicrômetro, que será mencionado na próxima seção.

Pressão parcial de vapor de água

A umidade do ar pode ser caracterizada de quatro maneiras diferentes:

1. o temperatura do ponto de orvalho: a temperatura à qual o ar deve ser resfriado para ficar saturado com umidade (t_d,°C)

2. o pressão parcial de vapor de água: a fração da pressão atmosférica devido ao vapor de água (P_a, kPa)

3. a umidade relativa (RH), que é dada pela expressão:

RH = 100·P_a/P_{S, ta}

onde P_{S, ta} é a pressão de vapor saturado associada à temperatura do ar

4. o termômetro de umidade (t_w), que é a menor temperatura atingida por uma manga úmida protegida contra radiação e ventilada a mais de 2 m/s pelo ar ambiente.

Todos esses valores estão conectados matematicamente.

A pressão de vapor de água saturado P_{S, t} em qualquer temperatura t É dado por:

enquanto a pressão parcial do vapor de água está ligada à temperatura por:

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

onde P_{S, tw} é a pressão de vapor saturado na temperatura de bulbo úmido.

O diagrama psicrométrico (figura 1) permite combinar todos esses valores. Ele compreende:

Figura 1. Diagrama psicrométrico.

• no y eixo, a escala de pressão parcial de vapor de água P_a, expresso em kPa

• no x eixo, a escala de temperatura do ar

• as curvas de umidade relativa constante

• as linhas retas oblíquas da temperatura de bulbo úmido constante.

• Os parâmetros de umidade mais usados ​​na prática são:

• a umidade relativa, medida por meio de higrômetros ou aparelhos eletrônicos mais especializados

• a temperatura de bulbo úmido, medida por meio do psicrômetro; daí deriva a pressão parcial de vapor de água, que é o parâmetro mais utilizado na análise do balanço térmico

A faixa de medição e a precisão recomendadas são de 0.5 a 6 kPa e ±0.15 kPa. Para a medição da temperatura de bulbo úmido, a faixa se estende de 0 a 36ºC, com precisão idêntica à da temperatura do ar. No caso dos higrômetros para medição de umidade relativa, a faixa vai de 0 a 100%, com precisão de ±5%.

Temperatura radiante média

A temperatura radiante média (t_r) foi definido anteriormente; pode ser determinado de três maneiras diferentes:

1. da temperatura medida pelo termômetro de esfera preta

2. das temperaturas radiantes planas medidas ao longo de três eixos perpendiculares

3. por cálculo, integrando os efeitos das diferentes fontes de radiação.

Apenas a primeira técnica será revisada aqui.

O termômetro de esfera negra é composto por uma sonda térmica, cujo elemento sensível é colocado no centro de uma esfera completamente fechada, feita de um metal bom condutor de calor (cobre) e pintada de preto fosco para ter um coeficiente de absorção na zona do infravermelho próxima a 1.0. A esfera é posicionada no local de trabalho e submetida a trocas por convecção e radiação. A temperatura do globo (t_g) então depende da temperatura radiante média, da temperatura do ar e da velocidade do ar.

Para um globo negro padrão de 15 cm de diâmetro, a temperatura média da radiação pode ser calculada a partir da temperatura do globo com base na seguinte expressão:

Na prática, deve-se ressaltar a necessidade de manter a emissividade do globo próxima a 1.0, repintando-o cuidadosamente de preto fosco.

A principal limitação deste tipo de globo é o seu longo tempo de resposta (na ordem dos 20 a 30 min, dependendo do tipo de globo utilizado e das condições ambientais). A medição só é válida se as condições de radiação forem constantes durante esse período de tempo, o que nem sempre ocorre em um ambiente industrial; a medição é então imprecisa. Esses tempos de resposta se aplicam a globos de 15 cm de diâmetro, usando termômetros de mercúrio comuns. Eles são mais curtos se forem usados ​​sensores de menor capacidade térmica ou se o diâmetro do globo for reduzido. A equação acima deve, portanto, ser modificada para levar em conta essa diferença de diâmetro.

O índice WBGT faz uso direto da temperatura do globo negro. É então essencial usar um globo de 15 cm de diâmetro. Por outro lado, outros índices utilizam a temperatura radiante média. Um globo menor pode então ser selecionado para reduzir o tempo de resposta, desde que a equação acima seja modificada para levar em conta isso. A norma ISO 7726 (1985) permite uma precisão de ±2ºC na medição de t_r entre 10 e 40ºC, e ±5ºC fora dessa faixa.

Velocidade do ar

A velocidade do ar deve ser medida independentemente da direção do fluxo de ar. Caso contrário, a medição deve ser realizada em três eixos perpendiculares (x, y e z) e a velocidade global calculada pela soma vetorial:

A faixa de medição recomendada pela norma ISO 7726 vai de 0.05 a 2 m/s. A precisão necessária é de 5%. Deve ser medido como um valor médio de 1 ou 3 minutos.

Existem duas categorias de aparelhos para medir a velocidade do ar: anemômetros com palhetas e anemômetros térmicos.

anemômetros de palhetas

A medição é realizada contando o número de voltas feitas pelas palhetas durante um determinado período de tempo. Desta forma, a velocidade média durante esse período de tempo é obtida de forma descontínua. Esses anemômetros têm duas desvantagens principais:

1. Eles são muito direcionais e devem ser orientados estritamente na direção do fluxo de ar. Quando isso é vago ou desconhecido, as medições devem ser feitas em três direções em ângulos retos.
2. A faixa de medição se estende de cerca de 0.3 m/s a 10 m/s. Esta limitação a baixas velocidades é importante quando, por exemplo, se trata de analisar uma situação de conforto térmico onde geralmente se recomenda que não se ultrapasse uma velocidade de 0.25 m/s. Embora a faixa de medição possa se estender além de 10 m/s, dificilmente cai abaixo de 0.3 ou mesmo 0.5 m/s, o que limita muito as possibilidades de uso em ambientes próximos ao conforto, onde as velocidades máximas permitidas são 0.5 ou mesmo 0.25 m/ s.

Anemômetros de fio quente

Esses aparelhos são de fato complementares aos anemômetros de palhetas no sentido de que sua faixa dinâmica se estende essencialmente de 0 a 1 m/s. São aparelhos que fornecem uma estimativa instantânea da velocidade em um ponto do espaço: portanto, é necessário usar valores médios no tempo e no espaço. Esses aparelhos também costumam ser muito direcionais, e as observações acima também se aplicam. Finalmente, a medição é correta somente a partir do momento em que a temperatura do aparelho atinge a do ambiente a ser avaliado.

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