Para sobreviver e trabalhar em condições mais frias ou quentes, um clima quente na superfície da pele deve ser fornecido por meio de roupas, bem como aquecimento ou resfriamento artificial. Uma compreensão dos mecanismos de troca de calor através da roupa é necessária para projetar os conjuntos de roupas mais eficazes para trabalhar em temperaturas extremas.

Mecanismos de transferência de calor para roupas

A natureza do isolamento de roupas

A transferência de calor através da roupa, ou inversamente o isolamento da roupa, depende em grande parte do ar que está preso dentro e sobre a roupa. A roupa consiste, em primeira aproximação, de qualquer tipo de material que ofereça aderência às camadas de ar. Esta afirmação é aproximada porque algumas propriedades do material ainda são relevantes. Estes dizem respeito à construção mecânica dos tecidos (por exemplo, resistência ao vento e capacidade das fibras para suportar tecidos grossos) e às propriedades intrínsecas das fibras (por exemplo, absorção e reflexão da radiação de calor, absorção do vapor de água, absorção do suor ). Para condições ambientais não muito extremas, os méritos de vários tipos de fibra são frequentemente superestimados.

Camadas de ar e movimento do ar

A noção de que é o ar, e em particular o ar parado, que fornece isolamento, sugere que camadas espessas de ar são benéficas para o isolamento. Isso é verdade, mas a espessura das camadas de ar é fisicamente limitada. As camadas de ar são formadas pela adesão de moléculas de gás a qualquer superfície, pela coesão de uma segunda camada de moléculas à primeira, e assim por diante. No entanto, as forças de ligação entre as camadas subseqüentes são cada vez menores, com a consequência de que as moléculas externas são movidas por pequenos movimentos externos de ar. No ar calmo, as camadas de ar podem ter uma espessura de até 12 mm, mas com movimento de ar vigoroso, como em uma tempestade, a espessura diminui para menos de 1 mm. Em geral, existe uma relação de raiz quadrada entre a espessura e o movimento do ar (consulte “Fórmulas e Definições”). A função exata depende do tamanho e forma da superfície.

Condução de calor do ar parado e em movimento

O ar parado atua como uma camada isolante com condutividade constante, independentemente da forma do material. A perturbação das camadas de ar leva à perda de espessura efetiva; isso inclui distúrbios devidos não apenas ao vento, mas também devido aos movimentos do usuário da roupa - deslocamento do corpo (um componente do vento) e movimentos de partes do corpo. A convecção natural aumenta esse efeito. Para um gráfico mostrando o efeito da velocidade do ar na capacidade de isolamento de uma camada de ar, veja a figura 1.

Figura 1. Efeito da velocidade do ar na capacidade isolante de uma camada de ar.

Transferência de calor por radiação

A radiação é outro mecanismo importante para a transferência de calor. Cada superfície irradia calor e absorve o calor que é irradiado de outras superfícies. O fluxo de calor radiante é aproximadamente proporcional à diferença de temperatura entre as duas superfícies de troca. Uma camada de roupa entre as superfícies irá interferir na transferência de calor por radiação ao interceptar o fluxo de energia; a roupa atingirá uma temperatura que é aproximadamente a média das temperaturas das duas superfícies, reduzindo a diferença de temperatura entre elas em dois e, portanto, o fluxo radiante é reduzido por um fator de dois. À medida que o número de camadas interceptadoras aumenta, a taxa de transferência de calor diminui.

Múltiplas camadas são, portanto, eficazes na redução da transferência de calor radiante. Em mantas e lãs de fibra, a radiação é interceptada por fibras distribuídas, em vez de uma camada de tecido. A densidade do material de fibra (ou melhor, a superfície total do material de fibra por volume de tecido) é um parâmetro crítico para a transferência de radiação dentro de tais lãs de fibra. Fibras finas fornecem mais superfície para um determinado peso do que fibras grossas.

Isolamento de tecido

Como resultado das condutividades do ar fechado e da transferência de radiação, a condutividade do tecido é efetivamente uma constante para tecidos de várias espessuras e encadernações. O isolamento térmico é, portanto, proporcional à espessura.

Resistência ao vapor de ar e tecidos

As camadas de ar também criam uma resistência à difusão do suor evaporado da pele úmida para o ambiente. Essa resistência é aproximadamente proporcional à espessura do conjunto de roupas. Para tecidos, a resistência ao vapor depende do ar fechado e da densidade da construção. Em tecidos reais, alta densidade e grande espessura nunca andam juntas. Devido a esta limitação é possível estimar o ar equivalente de tecidos que não contenham películas ou revestimentos (ver figura 8). Tecidos revestidos ou tecidos laminados em filmes podem ter resistência imprevisível ao vapor, que deve ser determinada por medição.

Figura 2. Relação entre espessura e resistência ao vapor (deq) para tecidos sem revestimentos.

De tecidos e camadas de ar a roupas

Várias camadas de tecido

Algumas conclusões importantes dos mecanismos de transferência de calor são que roupas altamente isolantes são necessariamente grossas, que alto isolamento pode ser obtido por conjuntos de roupas com múltiplas camadas finas, que um ajuste solto fornece mais isolamento do que um ajuste apertado e que o isolamento tem um limite inferior , definido pela camada de ar que adere à pele.

Em roupas de clima frio, muitas vezes é difícil obter espessura usando apenas tecidos finos. Uma solução é criar tecidos grossos, montando dois tecidos de casca fina em uma manta. O objetivo do rebatedor é criar a camada de ar e manter o ar interno o mais imóvel possível. Há também uma desvantagem nos tecidos grossos: quanto mais as camadas são conectadas, mais rígida a roupa se torna, restringindo assim o movimento.

variedade de roupas

O isolamento de um conjunto de roupas depende em grande parte do design da roupa. Os parâmetros de projeto que afetam o isolamento são o número de camadas, aberturas, ajuste, distribuição do isolamento sobre o corpo e a pele exposta. Algumas propriedades do material, como permeabilidade ao ar, refletividade e revestimentos, também são importantes. Além disso, o vento e a atividade alteram o isolamento. É possível dar uma descrição adequada da vestimenta para fins de previsão de conforto e tolerância do usuário? Várias tentativas foram feitas, com base em diferentes técnicas. A maioria das estimativas de isolamento completo do conjunto foi feita para condições estáticas (sem movimento, sem vento) em conjuntos internos, porque os dados disponíveis foram obtidos de manequins térmicos (McCullough, Jones e Huck 1985). Medições em seres humanos são trabalhosas e os resultados variam muito. Desde meados da década de 1980, manequins móveis confiáveis ​​foram desenvolvidos e usados ​​(Olesen et al. 1982; Nielsen, Olesen e Fanger 1985). Além disso, técnicas de medição aprimoradas permitiram experimentos humanos mais precisos. Um problema que ainda não foi totalmente superado é a inclusão adequada da evaporação do suor na avaliação. Manequins suados são raros e nenhum deles tem uma distribuição realista da taxa de suor pelo corpo. Os seres humanos suam de forma realista, mas inconsistente.

Definição de isolamento de roupas

Isolamento de roupas (I_cl em unidades de m²K/W) para condições de estado estacionário, sem fontes de radiação ou condensação na roupa, é definido em "Fórmulas e Definições." Frequentemente I é expresso na unidade clo (não é uma unidade internacional padrão). Um clo equivale a 0.155 m²K/W. O uso da unidade clo significa implicitamente que ela se relaciona com todo o corpo e, portanto, inclui a transferência de calor pelas partes expostas do corpo.

I é modificado pelo movimento e pelo vento, conforme explicado anteriormente, e após a correção o resultado é chamado isolamento resultante. Este é um termo frequentemente usado, mas geralmente não aceito.

Distribuição da roupa pelo corpo

A transferência total de calor do corpo inclui o calor transferido pela pele exposta (geralmente cabeça e mãos) e o calor que passa pela roupa. Isolamento intrínseco (Vejo "Fórmulas e Definições") é calculado sobre a área total da pele, não apenas a parte coberta. A pele exposta transfere mais calor do que a pele coberta e, portanto, tem uma influência profunda no isolamento intrínseco. Este efeito é potencializado pelo aumento da velocidade do vento. A Figura 3 mostra como o isolamento intrínseco diminui sucessivamente devido à curvatura das formas do corpo (camadas externas menos eficazes que as internas), partes do corpo expostas (caminho adicional para transferência de calor) e aumento da velocidade do vento (menos isolamento, em particular para pele exposta) (Lotens 1989). Para conjuntos espessos, a redução no isolamento é dramática.

Figura 3. Isolamento intrínseco, pois é influenciado pela curvatura do corpo, pela pele nua e pela velocidade do vento.

Espessura e cobertura típicas do conjunto

Aparentemente, tanto a espessura do isolamento quanto a cobertura da pele são importantes determinantes da perda de calor. Na vida real, os dois estão correlacionados no sentido de que as roupas de inverno não são apenas mais grossas, mas também cobrem uma proporção maior do corpo do que as roupas de verão. A Figura 4 demonstra como esses efeitos juntos resultam em uma relação quase linear entre a espessura da vestimenta (expressa como volume de material isolante por unidade de área da vestimenta) e o isolamento (Lotens 1989). O limite inferior é definido pelo isolamento do ar adjacente e o limite superior pela usabilidade do vestuário. A distribuição uniforme pode fornecer o melhor isolamento no frio, mas é impraticável ter muito peso e volume nos membros. Portanto, a ênfase é muitas vezes no tronco, e a sensibilidade da pele local ao frio é adaptada a esta prática. Os membros desempenham um papel importante no controle do equilíbrio térmico humano, e o alto isolamento dos membros limita a eficácia dessa regulação.

Figura 4. Isolamento total resultante da espessura e distribuição da roupa pelo corpo.

Ventilação da roupa

Camadas de ar presas no conjunto de roupas estão sujeitas a movimento e vento, mas em um grau diferente da camada de ar adjacente. O vento cria ventilação na roupa, tanto na forma de ar que penetra no tecido quanto na passagem por aberturas, enquanto o movimento aumenta a circulação interna. Havenith, Heus e Lotens (1990) descobriram que dentro da roupa, o movimento é um fator mais forte do que na camada de ar adjacente. No entanto, esta conclusão depende da permeabilidade ao ar do tecido. Para tecidos altamente permeáveis ​​ao ar, a ventilação pelo vento é considerável. Lotens (1993) mostrou que a ventilação pode ser expressa em função da velocidade efetiva do vento e da permeabilidade ao ar.

Estimativas de isolamento de roupas e resistência ao vapor

Estimativas físicas de isolamento de roupas

A espessura de um conjunto de roupas fornece uma primeira estimativa de isolamento. A condutividade típica de um conjunto é de 0.08 W/mK. Com uma espessura média de 20 mm, isso resulta em uma I_cl de 0.25 m²K/W, ou 1.6 clo. No entanto, peças folgadas, como calças ou mangas, têm uma condutividade muito maior, mais da ordem de 0.15, enquanto as camadas de roupas apertadas têm uma condutividade de 0.04, o famoso 4 clo por polegada relatado por Burton e Edholm (1955). ).

Estimativas de tabelas

Outros métodos usam valores de tabela para itens de vestuário. Esses itens foram medidos anteriormente em um manequim. Um ensemble sob investigação deve ser separado em seus componentes, e estes devem ser consultados na tabela. Fazer uma escolha incorreta do item de vestuário tabulado mais semelhante pode causar erros. Para obter o isolamento intrínseco do conjunto, os valores individuais do isolamento devem ser colocados em uma equação de soma (McCullough, Jones e Huck 1985).

Fator de área de superfície da roupa

Para calcular o isolamento total, f_cl deve ser estimado (veja "Fórmulas e Definições"). Uma estimativa experimental prática é medir a área da superfície da roupa, fazer correções para partes sobrepostas e dividir pela área total da pele (DuBois e DuBois 1916). Outras estimativas de vários estudos mostram que f_cl aumenta linearmente com o isolamento intrínseco.

Estimativa da resistência ao vapor

Para um conjunto de roupas, a resistência ao vapor é a soma da resistência das camadas de ar e das camadas de roupas. Normalmente, o número de camadas varia ao longo do corpo, e a melhor estimativa é a média ponderada por área, incluindo a pele exposta.

Resistência relativa ao vapor

A resistência evaporativa é usada com menos frequência do que I, porque poucas medições de C_cl (ou P_cl) Estão disponíveis. Woodcock (1962) evitou esse problema definindo o índice de permeabilidade ao vapor de água i_m como a proporção de I e R, relacionado à mesma razão para uma única camada de ar (esta última razão é quase uma constante e conhecida como constante psicrométrica S, 0.0165 K/Pa, 2.34 Km³/g ou 2.2 K/torr); i_m= I/(R·S). Valores típicos para i_m para roupas sem revestimento, determinadas em manequins, são de 0.3 a 0.4 (McCullough, Jones e Tamura 1989). Valores para i_m para compósitos de tecido e seu ar adjacente pode ser medido de forma relativamente simples em um aparelho de placa quente úmida, mas o valor é realmente dependente do fluxo de ar sobre o aparelho e da refletividade do gabinete no qual está montado. Extrapolação da razão de R e I para humanos vestidos de medições em tecidos para conjuntos de roupas (DIN 7943-2 1992) às vezes é tentada. Este é um assunto tecnicamente complicado. Uma razão é que R é proporcional apenas à parte convectiva do I, de modo que correções cuidadosas devem ser feitas para a transferência de calor por radiação. Outra razão é que o ar preso entre compósitos de tecido e conjuntos de roupas pode ser diferente. Na verdade, a difusão de vapor e a transferência de calor podem ser melhor tratadas separadamente.

Estimativas por modelos articulados

Modelos mais sofisticados estão disponíveis para calcular o isolamento e a resistência ao vapor de água do que os métodos explicados acima. Esses modelos calculam o isolamento local com base em leis físicas para várias partes do corpo e os integram ao isolamento intrínseco para toda a forma humana. Para isso, a forma humana é aproximada por cilindros (figura ). O modelo de McCullough, Jones e Tamura (1989) requer dados de vestuário para todas as camadas do conjunto, especificados por segmento corporal. O modelo CLOMAN de Lotens e Havenith (1991) requer menos valores de entrada. Esses modelos têm precisão semelhante, o que é melhor do que qualquer um dos outros métodos mencionados, com exceção da determinação experimental. Infelizmente e inevitavelmente, os modelos são mais complexos do que seria desejável em um padrão amplamente aceito.

Figura 5. Articulação da forma humana em cilindros.

Efeito da atividade e do vento

Lotens e Havenith (1991) também fornecem modificações, com base em dados da literatura, do isolamento e resistência ao vapor devido à atividade e ao vento. O isolamento é menor sentado do que em pé, e esse efeito é maior para roupas altamente isolantes. No entanto, o movimento diminui o isolamento mais do que a postura, dependendo do vigor dos movimentos. Durante a caminhada, ambos os braços e pernas se movem, e a redução é maior do que durante o ciclismo, quando apenas as pernas se movem. Também neste caso, a redução é maior para conjuntos de roupas grossas. O vento diminui mais o isolamento para roupas leves e menos para roupas pesadas. Esse efeito pode estar relacionado à permeabilidade ao ar do tecido da carcaça, que geralmente é menor para equipamentos de clima frio.

A Figura 8 mostra alguns efeitos típicos do vento e do movimento na resistência ao vapor para impermeáveis. Não há acordo definitivo na literatura sobre a magnitude do movimento ou dos efeitos do vento. A importância deste assunto é enfatizada pelo fato de que algumas normas, como a ISO 7730 (1994), exigem o isolamento resultante como entrada quando aplicadas a pessoas ativas ou expostas a movimentos de ar significativos. Este requisito é frequentemente negligenciado.

Figura 6. Diminuição da resistência ao vapor com vento e caminhada para várias roupas de chuva.

Gerenciamento de umidade

Efeitos da absorção de umidade

Quando os tecidos podem absorver o vapor de água, como acontece com a maioria das fibras naturais, as roupas funcionam como um amortecedor para o vapor. Isso altera a transferência de calor durante os transientes de um ambiente para outro. À medida que uma pessoa com roupas não absorventes passa de um ambiente seco para um úmido, a evaporação do suor diminui abruptamente. Nas roupas higroscópicas, o tecido absorve o vapor e a mudança na evaporação é apenas gradual. Ao mesmo tempo, o processo de absorção libera calor no tecido, aumentando sua temperatura. Isso reduz a transferência de calor seco da pele. Na primeira aproximação, ambos os efeitos se anulam, deixando a transferência total de calor inalterada. A diferença com roupas não higroscópicas é a mudança mais gradual na evaporação da pele, com menor risco de acúmulo de suor.

Capacidade de absorção de vapor

A capacidade de absorção do tecido depende do tipo de fibra e da massa do tecido. A massa absorvida é aproximadamente proporcional à umidade relativa, mas é maior acima de 90%. A capacidade de absorção (chamada recuperar) é expressa como a quantidade de vapor de água que é absorvida em 100 g de fibra seca na umidade relativa de 65%. Os tecidos podem ser classificados da seguinte forma:

• baixa absorção—acrílico, poliéster (1 a 2 g por 100 g)
• absorção intermediária—nylon, algodão, acetato (6 a 9 g por 100 g)
• alta absorção—seda, linho, cânhamo, raiom, juta, lã (11 a 15 g por 100 g).

Absorção de água

A retenção de água nos tecidos, muitas vezes confundida com a absorção de vapor, obedece a regras diferentes. A água livre está frouxamente ligada ao tecido e se espalha bem lateralmente ao longo dos capilares. Isso é conhecido como absorção. A transferência de líquido de uma camada para outra ocorre apenas para tecidos úmidos e sob pressão. A roupa pode ser molhada por suor não evaporado (supérfluo) que é retirado da pele. O teor de líquido do tecido pode ser alto e sua evaporação em um momento posterior uma ameaça ao equilíbrio térmico. Isso geralmente acontece durante o descanso após o trabalho duro e é conhecido como pós-frio. A capacidade dos tecidos de reter líquidos está mais relacionada à construção do tecido do que à capacidade de absorção da fibra e, para fins práticos, costuma ser suficiente para absorver todo o suor supérfluo.

Condensação

A roupa pode ficar molhada pela condensação do suor evaporado em uma determinada camada. A condensação ocorre se a umidade for maior do que a temperatura local permite. Em clima frio, isso geralmente ocorre no interior do tecido externo, em frio extremo, mesmo em camadas mais profundas. Onde ocorre a condensação, a umidade se acumula, mas a temperatura aumenta, como ocorre durante a absorção. A diferença entre condensação e absorção, no entanto, é que a absorção é um processo temporário, enquanto a condensação pode continuar por longos períodos. A transferência de calor latente durante a condensação pode contribuir significativamente para a perda de calor, que pode ou não ser desejável. O acúmulo de umidade é principalmente uma desvantagem, devido ao desconforto e ao risco de resfriamento posterior. Para condensação abundante, o líquido pode ser transportado de volta para a pele, para evaporar novamente. Este ciclo funciona como um tubo de calor e pode reduzir fortemente o isolamento da roupa interior.

Simulação Dinâmica

Desde o início dos anos 1900, muitos padrões e índices foram desenvolvidos para classificar roupas e climas. Quase sem exceção, eles lidaram com estados estacionários - condições nas quais o clima e o trabalho foram mantidos por tempo suficiente para que uma pessoa desenvolvesse uma temperatura corporal constante. Esse tipo de trabalho tornou-se raro, devido à melhoria da saúde ocupacional e das condições de trabalho. A ênfase mudou para a exposição de curta duração a circunstâncias adversas, geralmente relacionadas ao gerenciamento de calamidades em roupas de proteção.

Há, portanto, uma necessidade de simulações dinâmicas envolvendo a transferência de calor da roupa e a tensão térmica do usuário (Gagge, Fobelets e Berglund 1986). Tais simulações podem ser realizadas por meio de modelos computacionais dinâmicos executados em um cenário especificado. Entre os modelos mais sofisticados até hoje em relação ao vestuário está o THDYN (Lotens 1993), que permite uma ampla gama de especificações de vestuário e foi atualizado para incluir características individuais da pessoa simulada (figura 9). Mais modelos podem ser esperados. Há uma necessidade, no entanto, de avaliação experimental estendida, e a execução de tais modelos é trabalho de especialistas, e não de leigos inteligentes. Os modelos dinâmicos baseados na física da transferência de calor e massa incluem todos os mecanismos de transferência de calor e suas interações - absorção de vapor, calor de fontes radiantes, condensação, ventilação, acúmulo de umidade e assim por diante - para uma ampla gama de conjuntos de roupas, incluindo civil, roupas de trabalho e de proteção.

Figura 7. Descrição geral de um modelo térmico dinâmico.

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