10.Przemiany termodynamiczne powietrza wilgotnego. Entalpia powietrza suchego, wilgotnego i zamglonego. Wykresy psychrometryczne.

Przemiany termodynamiczne powietrza wilgotnego

Entalpia powietrza suchego

- entalpia powietrza suchego równa

- ciepło właściwe powietrza suchego 1,006 J/(kgK)

Entalpia powietrza wilgotnego

Entalpia (1+x) kg powietrza wilgotnego równa jest sumie entalpii powietrza suchego oraz entalpii pary wodnej

[kj/(1+x)kg]

h-entalpia (1+x) kg powietrza wilgotnego J/kg

-entalpia właściwa powietrza suchego J/kg

-entalpia właściwa pary wodnej J/kg

poziom odniesienia h=0, od którego wylicza się dodatnie i ujemne wartości entalpii powietrza wilgotnego, można przyjmować dowolnie. Zwykle zakłada się, że entalpia powietrza suchego równa jest 0 w temp. 0⁰C. Entalpia wilgoci równa jest 0 w temp 0⁰C, gdy woda znajduje się w stanie ciekłym. W związku z tym (1+x)kg powietrza wilgotnego jest równa

kJ/(1+x)kg

- ciepło właściwe pow. suchego przy stałym ciśnieniu, kJ/(kgK)

- ciepło właściwe pary wodnej przy stałym ciśnieniu, kJ/(kgK)

- ciepło właściwe parowania wody w temp. 0⁰C

x- wilgotność właściwa (zawartość wilgoci); [kg pary wodnej/kg pow. such]

T- temp. Pow. Zmierzona termometrem suchym

Entalpia powietrza zamglonego

W przypadku mgły wodnej entalpia właściwa powietrza zamglonego o temperaturze to C wynosi :

kJ/kg ( 10 )

gdzie :

in -entalpia właściwa powietrza nasyconego,o temperaturze to C , kJ/kg

iw - entalpia właściwa wody o temperaturze to C , kJ/kg

xm - wilgotność właściwa powietrza zamglonego , kg/kg

xn - wilgotność właściwa powietrza nasyconego , kg/kg

4.19 - ciepło właściwe wody , kJ/kg

a w przypadku powietrza z mgłą śnieżną , entalpia wynosi :

kJ/kg (11)

gdzie :

il - entalpia właściwa lodu , kJ/kg

2.09 - ciepło właściwe lodu , kJ/kgK

335 - ciepło krzepnięcia wody , kJ/kg

Wykresy psychrometryczne

Wykres R.Molliera

Obliczenia związane z powietrzem wilgotnym, a także zachodzące w nim przemiany, mogą być dogodnie interpretowane dzięki wykresowi wykonanemu w układzie entalpia h, wilgotność właściwa x- czyli wykresowi psychrometrycznemu powietrza wilgotnego. Na wykresie entalpia określona jest dla mieszaniny 1 kg powietrza suchego oraz x kg pary wodnej według wzoru

kg/kg

t- temperatura

-wilgotność względna

x-wilgotność właściwa

h- entalpia

Dwa parametry trzeba wyznaczyć z wzorów, a dwa kolejne z wykresu Molliera bez jakichkolwiek przeliczeń dodatkowych. Ponadto dzięki wykresowi można przedstawić w sposób obrazowy każdą przemianę powietrza , związaną ze zmianami jego stanu, co niezmiernie ułatwia prawidłowe rozwiązania bardziej złożonych zagadnień

wykres W.H.Carriera

Wykres w układzie entalpia- temperatura powietrza wilgotnego, nosi nazwę karty psychrometrycznej. Tło wykresu stanowi siatka linii stałych entalpii. Na podstawie wyników pomiarów temperatury na termometrze suchym i wilgotnym nanosi się na wykres punkt odpowiadający danemu stanowi powietrza. Na skali znajdującej się na obwodzie rysunku można odczytać wielkość entalpii w danym stanie powietrza. Jest podobny do wykresu h-x Molliera

11.Ocena zagrożenia klimatycznego. Poziomy krytyczne. Stopień klimatyczny. Wskaźnik dyskomfortu.

Wstępna ocena zagrożenia klimatycznego

Stopień zagrożenia klimatycznego można określić korzystając z poziomów krytycznych lub wskaźnika klimatycznego. Dla określenia stopnia zagrożenia klimatycznego konieczna jest znajomość temperatury pierwotnej górotworu, w którym prowadzone będą wyrobiska górnicze.

W związku z tym wszystkie kopalnie czynne i projektowane powinny posiadać mapy izolini temperatur pierwotnych skał dla poziomów głębszych niż 700 m.

Poziomy krytyczne

Przeprowadzone badania wykazały, że w polskich kopalniach można wyróżnić trzy poziomy krytyczne z uwagi na temperaturę pierwotną skał.

I poziom krytyczny t_pg = 30°C

II poziom krytyczny t_pg = 35°C

III poziom krytyczny t_pg = 40°C

- stopień geotermiczny; = 33 m/°C w środkowej Europie

Na głębokości powyżej I poziomu krytycznego mogą występować trudne warunki klimatyczne w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych, przy czym poprawę tych warunków można uzyskać stosując dostatecznie intensywną wentylację główną, jak i odrębną.

Na głębokości między I a II poziomem krytycznym w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych należy się liczyć z trudnymi warunkami klimatycznymi, które można poprawić stosując dostatecznie intensywną wentylację główną, jak i odrębną, łącznie ze stosowaniem niektórych innych środków pasywnego zwalczania wysokich temperatur np.:

- izolacja,

- skracanie dróg przepływu powietrza,

- ujmowanie wody, itp..

Na głębokościach pomiędzy II a III-cim poziomem krytycznym występują bardzo trudne warunki klimatyczne, które można poprawić stosując w zasadzie intensywną wentylację łącznie ze wszystkimi innymi środkami pasywnego zwalczania wysokich temperatur.

W przypadku gdy roboty górnicze prowadzone są poniżej III poziomu krytycznego, wówczas należy nie tylko stosować intensywną wentylację główną łącznie ze wszystkimi środkami pasywnymi zwalczania wysokich temperatur powietrza ale i maszyny klimatyzacyjne.

Wskaźnik klimatyczny dla oceny stopnia zagrożenia temperaturowego na poszczególnych poziomach eksploatacyjnych określony jest wzorem:

gdzie:

t_pg - temperatura pierwotna górotworu na danym poziomie,

t_d - dopuszczalna temperatura powietrza w miejscu pracy załogi bez stosowania

skróconego czasu pracy, t_d = 28°C

t_p - temperatura powietrza na podszybiu danego poziomu wydobywczego.

Kryteria stopnia zagrożenia temperaturowego oparte na wskaźniku klimatycznym K zdefiniowane są następująco:

K < 0 - nie ma zagrożenia temperaturowego,

0 < K 0.8 - istnieje niewielkie zagrożenie temperaturowe, któremu można zapobiec przestrzegając głównych zasad racjonalnej wentylacji,

0.8 < K 1.5 - istnieje zagrożenie temperaturowe, któremu można zapobiec przez takie zaprojektowanie udostępnienia i rozcięcia pokładów oraz ich eksploatację, aby powietrze świeże dopływające do wyrobisk eksploatacyjnych ulegało możliwie najmniejszemu nagrzewaniu,

K > 1.5 - istnieje znaczne zagrożenie temperaturowe, któremu można zapobiec przez stosowanie innych środków techniczno-organizacyjnych mających na celu zmniejszenie zagrożenia /np. stosowanie skróconego czasu pracy lub urządzeń chłodniczych /.

Dla wyznaczenia wskaźnika K konieczna jest znajomość temperatury powietrza na podszybiu danego poziomu. W kopalniach istniejących wartość tej temperatury otrzymuje się z bezpośrednich pomiarów. Natomiast dla kopalń projektowanych konieczne jest wykonanie obliczeń prognostycznych temperatury powietrza w oparciu o projekt wentylacji kopalni.

WSKAŹNIK DYSKOMFORTU

Wskaźnikiem dyskomfortu cieplnego jest stosunek współrzędnych wektorów warunków klimatycznych i dyskomfortu cieplnego.

(3.3)

Jak wynika z definicji wskaźnika dyskomfortu cieplnego (3.3), wskaźnik może przybierać wartości dodatnie, ujemne oraz być równy zeru. Wskaźnik dyskomfortu wyznacza się dzieki nomogramowi . Gdy
> 0 punkt A leży na prawo od krzywej komfortu cieplnego. Stan ten odpowiada środowiskom ciepłym. Gdy
= 0. w środowisku występuje komfort cieplny. Punkt A pokrywa się z punktem B. Gdy
< 0, punkt A leży na lewo od krzywej komfortu. Mamy wtedy do czynienia ze środowiskiem chłodnym. Jeżeli punkt A leży na granicznej izolinii dyskomfortu cieplnego, czyli pokrywa się z punktem C, wskaźnik dyskomfortu cieplnego jest równy jedności. Oznacza to granicę bezpiecznej pracy w środowiskach ciepłych.

Analizę warunków klimatycznych w środowiskach pracy ze względu na wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego można przeprowadzić następująco:

< 0 środowisko chłodne,

= 0 komfort cieplny,

> 0 środowisko ciepłe,

0 <
< 1 dyskomfort cieplny bezpieczny dla zdrowia,

≥ 1 dyskomfort cieplny niebezpieczny dla zdrowia - praca w takich środowiskach powinna być zabroniona.

Przedział wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego (0÷1), charakteryzujący warunki bezpieczne dla zdrowia, został podzielony na mniejsze części, aby precyzyjniej ocenić środowiska ciepłe, w których praca jest dozwolona. Wprowadzono więc następujący podział:

0 <
< 0,2 - korzystne warunki klimatyczne,

0,2 ≤
< 0,5 - zadowalające warunki klimatyczne,

0,5 ≤
< 0,8 - trudne warunki klimatyczne,

0,8 ≤
< 1 - bardzo trudne warunki klimatyczne.

Człowiek powinien pracować w warunkach komfortu cieplnego. Jeżeli tego stanu nie da się zapewnić, dążyć należy do tego, aby warunki klimatyczne były co najmniej zadowalające. Z tego też powodu w środowiskach, w których występują trudne i bardzo trudne warunki klimatyczne, czyli wskaźnik dyskomfortu cieplnego jest większy od 0,5, należy stosować środki poprawy warunków klimatycznych.

Wskaźnik dyskomfortu cieplnego zależy w dużym stopniu od wydatku energetycznego pracownika, czyli od rodzaju i intensywności pracy. Warunki klimatyczne w przodku o stałym mikroklimacie dla ludzi wykonujących różnego rodzaju prace będą inne, gdyż inna będzie wartość wskaźnika dyskomfortu cieplnego. Znajomość średniego wydatku energetycznego ludzi pracujących w przodku jest bardzo ważnym parametrem dla prawidłowej oceny warunków klimatycznych i bezpieczeństwa termicznego człowieka.

12.Możliwości poprawy warunków klimatycznych w kopalniach istniejących i projektowanych.

W istniejącej kopalni poprawę uzyskuje się przez:

- zwiększenia strumienia objętości powietrza,

- zwiększenie prędkości w wyrobiskach eksploatacyjnych do 2 m/s,

- zmniejszenie wilgotności () we wszystkich drogach powietrza świeżego,

- skrócenie dróg powietrza świeżego,

- wyeliminowanie dodatkowych źródeł ciepła,

- wyeliminowanie szeregowego przewietrzania wyrobisk.

W kopalniach projektowanych i modernizowanych należy stosować następujące środki i sposoby mające na celu zabezpieczenie warunków klimatycznych:

a) projektować duże powierzchnie przekrojów dla szybów wdechowych i głównych przekopów udostępniających.

b) dla nowych szybów przeanalizować ich lokalizację pod kątem najkrótszych dróg powietrza świeżego do przyszłych pól eksploatacyjnych.

c) zmniejszyć do minimum liczbę wyrobisk doprowadzających powietrze świeże do przodków, żeby prędkość powietrza była bliska lub równa prędkości dopuszczalnej.

d) wykonywać hydroizolację szybów wdechowych i wyrobisk z grupowymi prądami powietrza świeżego, w których występować może duży wypływ wody.

e) projektować ujęcie wody wypływającej z górotworu oraz wody technologicznej.

Woda ujęta w miejscach wypływu winna być odprowadzona ściekami krytymi lub

rurociągami.

f) stosować chłodzenie powietrza sprężonego na powierzchni, a w miarę możliwości

projektować instalacje rurociągów powietrza sprężonego w szybach wydechowych

i wyrobiskach z prądami powietrza zużytego.

g) wyeliminować odstawę urobku z wyrobisk, którymi doprowadzone jest powietrze świeże do wyrobisk eksploatacyjnych

h) rozwiązywać zraszanie na wysypach i przesypach taśmociągów przy możliwie najmniejszym zużyciu wody

i) unikać odprowadzenia powietrza zużytego z wyrobisk ślepych i innych wyrobisk z dodatkowymi źródłami ciepła do wyrobisk z opływowym prądem powietrza świeżego płynącymi do miejsc pracy.

j) projektując przewietrzanie, jak również opracowując prognozę temperatury powietrza dla drążonego wyrobiska korytarzowego, należy przestrzegać następujących zaleceń:

- wyrobiska ślepe należy przewietrzać przy stosowaniu wentylacji tłoczącej lub tłocząco-ssącej,

- należy stosować wszystkie środki dla uzyskania możliwie niewysokich temperatur powierza w prądzie opływowym, z którego powietrze pobierane jest do wyrobiska ślepego,

- celowe jest stosowanie lutni o możliwie dużych średnicach,

k) w czasie drążenia wyrobisk korytarzowych dochodzi się w określonych przypadkach do warunków, w których uprzednio środki nie zapewniają prawidłowych warunków klimatycznych w tych wyrobiskach. Dlatego też konieczne jest wykonanie obliczeń prognostycznych można dopiero dać odpowiedź na pytanie, jakie należy przedsięwziąć środki, aby w danym wyrobisku zapewnione były warunki klimatyczne dopuszczone obowiązującymi przepisami.

- należy dążyć do lokalizacji urządzeń elektromechanicznych np. pomp do urządzeń hydraulicznych na wylotach ze ścian zamiast na ich wlotach. Szczególnie ma to duże znaczenie dla ścian zmechanizowanych,

- likwidować nadmierne nawilżanie prądów powietrza świeżego

- dla nie dopuszczenia do nagrzania i nawilżania powietrza świeżego należy unikać szeregowego przewietrzania ścian.

7. Wpływ trudnych warunków klimatycznych na organizm ludzki. Możliwości odprowadzenia ciepła z organizmu ze szczególnym uwzględnieniem trudnych warunków klimatycznych.

Trudne warunki klimatyczne mogą być przyczyną przekroczenia fizjologicznych granic tolerancji ustroju ludzkiego, co prowadzi do stanów, które określa się jako: udar cieplny, wyczerpanie cieplne i drgawki cieplne.

Udar cieplny - występuje dość nagle na skutek znacznego podniesienia się ciepłoty ciała. Dochodzi do załamania się i porażenia mechanizmu pocenia, co prowadzi w skutkach do całkowitego ustania pocenia. Przy udarze cieplnym odwodnienie i utrata soli nie odgrywają większej roli . Stan ten objawia się uczuciem gorąca, zaburzeniami psychicznymi, chwiejnym chodem, bólem głowy, zamroczeniem i w końcu utratą przytomności. Przypadki udaru cieplnego wymagają natychmiastowej interwencji lekarza.

Wyczerpanie cieplne - rozwija się wolniej niż udar cieplny i dotyczy załamania się układu krążenia. Najczęściej przyczyną wystąpienia tego stanu jest nadmierne obciążenie organizmu pracą fizyczną wykonywaną w środowisku gorącym. Stan ten charakteryzuje się poblednięciem, kołataniem serca, spadkiem ciśnienia tętniczego krwi, mdłościami i wymiotami, bólami głowy, i w końcu omdleniem. Te zaburzenia czynności nie prowadzą do ciężkich skutków, jeżeli człowiek zostanie w odpowiednim czasie wyprowadzony z trudnych warunków środowiska gorącego do warunków normalnych.

Drgawki cieplne - charakteryzują się bolesnymi skurczami mięśni kończyn, spowodowanymi zaburzeniami w gospodarce wodno - mineralnej, a zwłaszcza znaczną utratę soli w organizmie, na skutek nadmiernego pocenia. Objawy drgawek usuwa uzupełnienie płynów i soli mineralnych w organizmie.

Podstawowe sposoby wymiany ciepła między człowiekiem a otoczeniem

Przewodzenie ciepła przez odzież

Przewodzenie ciepła u człowieka występuje pomiędzy ciałem ludzkim a przylegającą do niego odzieżą. Jest więc transportem ciepła wewnętrznego przez odzież do jej powierzchni, z której następnie jest ono oddawane do powietrza lub otoczenia. Odzież posiadająca właściwości izolacyjne zmniejsza prędkość oddawania ciepła od człowieka do otoczenia w środowiskach chłodnych. W środowiskach gorących, gdy robotnicy pracują bez odzieży, przewodzenie ciepła nie występuje.

Przenikanie ciepła ze skóry do zewnętrznej powierzchni odzieży okrywającej ciało można wyrazić następującym wzorem:

[kcal/h]

[W]

gdzie:

A_Du - powierzchnia ciała ludzkiego, przyjmowana 1.8 [m²],

t_sk - temperatura powierzchni skóry [°C],

t_cl - temperatura powierzchni odzieży [°C],

l_cl - opór cieplny odzieży [clo], wielkość tę określającą opór przepływu ciepła przez warstwy

odzieży pomiędzy powierzchnią ciała ludzkiego a zewnętrzną powierzchnią odzieży podaje się w

jednostkach clo, przy czym 1 clo = 0.155 [m²K/W]

W tablicy 2 podano opory cieplne niektórych zestawów odzieży wg Fangera.

Tablica 2

Oporność cieplna różnych zestawów odzieży wg Fangera

Lp	Różne zestawy odzieży	l­­cl [clo]	f­cl *
1	Bez odzieży	0.00	1.00
2	Szorty	0.10	1.00
3	Szorty, koszula z krótkimi rękawami, skarpetki	0.35	1.05
4	Lekkie ubranie letnie: długie spodnie, koszula z krótkimi rękawami	0.50	1.10
5	Lekka odzież robocza: szorty, bawełniana koszulka, spodnie robocze, koszula	0.60	1.10
6	Typowy ubiór roboczy	1.00	1.15
7	Typowy ubiór roboczy + płaszcz bawełniany	1.50	1.15
8	Ciężki tradycyjny europejski ubiór roboczy	1.50	1.15 - 1.20
9	Ubranie polarne	3 - 4	1.30 - 1.50

fcl * - stosunek pola pow. ciała okrytego odzieżą do pola powierzchni ciała odkrytego. Współczynnik ten nie ma zastosowania przy przewodzeniu ciepła, należy go uwzględnić przy konwekcji i promieniowaniu.

Konwekcja

Konwekcja albo unoszenie jest jednym z głównych sposobów wymiany ciepła pomiędzy człowiekiem a otoczeniem. Polega ona na przepływie ciepła z powierzchni ciała ludzkiego lub powierzchni odzieży do powietrza.

Rozróżniamy konwekcję naturalną oraz wymuszoną.

Konwekcja naturalna polega na tym, że ruch cząsteczek płynu (gazu) występuje pod wpływem sił grawitacyjnych oddzielających na poszczególne cząsteczki, które ulegając ogrzaniu lub ochłodzeniu zmieniają swoją gęstość.

Konwekcja wymuszona występuje wtedy, gdy cząsteczki płynu, pary lub gazu poruszają się pod wpływem pewnego źródła ruchu, na przykład pompy, wentylatora, strumienicy itp.

Wymiana ciepła przez konwekcję zachodzi wtedy, gdy istnieje różnica temperatur pomiędzy powierzchnią ciała ludzkiego a powietrzem.

Ogólny wzór na wymianę ciepła przez konwekcję pomiędzy dwoma ciałami fizycznymi, ciałem stałym i powietrzem ma postać:

[W]

gdzie:

Q_k - ilość energii cieplnej w jednostce czasu (moc cieplna) wymienianej przez konwekcję,

α_k - współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję, zależny od rodzaju i chropowatości powierzchni wymieniającej ciepło z powietrzem, a także od charakteru samej konwekcji (naturalna wymuszona),

A - powierzchnia ciała wymieniającego ciepło z powietrzem,

t₁-t₂ - różnica temperatur pomiędzy powierzchnią ciała stałego a powietrzem.

Fanger dla wymiany ciepła pomiędzy ciałem ludzkim a powietrzem podaje następujące zależności:

gdzie:

f_cl - stosunek pola pow. ciała okrytego odzieżą do pola pow. ciała odkrytego (patrz tablica 2),

t_sk - temp. pow. skóry lub odzieży (wartość średnia),

t_s - temperatura powietrza (termometr suchy),

α_k - współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję, [W/m²K]

- dla konwekcji swobodnej

- dla konwekcji wymuszonej

gdzie: w - prędkość powietrza [m/s].

Promieniowanie cieplne

Promieniowanie cieplne zwane podczerwonym jest to wymiana ciepła pomiędzy dwoma ciałami w postaci fal elektromagnetycznych. Fale energii cieplnej promieniowania podczerwonego mogą być emitowane, pochłaniane lub odbijane przez dane ciało. Zdolność do emisji, pochłaniania lub odbijania promieniowania cieplnego mają ciała stałe ciecze i gazy wieloatomowe, w tym również para wodna. Gazy dwuatomowe znajdujące się w powietrzu, jak tlen, azot i gazy szlachetne całkowicie przepuszczają promieniowanie cieplne.

Wymianę ciepła pomiędzy dwoma powierzchniami ciał drogą promieniowania określa równanie Stefana-Boltzmana:

[W] *)

gdzie:

ε - względna zdolność emisji promieniowania ciała ludzkiego okrytego odzieżą lub nie okrytego,

dla ciała ludzkiego i odzieży jest stosunkowo duża. Przyjmuje wartości 0.95÷1.00,

δ_o -emisja ciała doskonale czarnego (stała Stefana-Boltzmana) równa 5.67⋅10^-7 [W/m²K⁴],

T_pr = t_pr+273 - średnia temp. promieniowania otoczenia,

T_cl = t_cl+273 - temp. powierzchni odzieży lub ciała ludzkiego nie okrytego odzieżą,

A_ef - efektywne pole powierzchni ciała ludzkiego okrytego lub nie okrytego odzież.

gdzie:

f_el - współczynnik efektywnego pola pow. promieniowania, przyjmuje się 0.71,

f_cl - stosunek pola pow. ciała okrytego odzieżą do pola pow. ciała odkrytego (patrz tablica 2)

A_Du - pole powierzchni ciała nie okrytego odzieżą (powierzchnia Du Bois).

Podstawiając do równania *) otrzymamy:

[W]

Parowanie potu

Bardzo ważnym sposobem wydzielania nadmiaru ciepła z organizmu jest parowanie potu. Pocenie się człowieka, według poglądów wielu badaczy jest objawem dyskomfortu cieplnego. W warunkach komfortu człowiek nie powinien się pocić, czyli pot nie powinien być widoczny na skórze. Para wodna może wydzielać się z organizmu przez skórę jedynie dzięki tzw. zjawisku dyfuzji (rozdział 2.3.5).

Na podstawie badań empirycznych Fanger stwierdził, że ilość ciepła wydzielonego z organizmu człowieka przez parowanie potu w warunkach komfortu wynosi:

[W] **)

gdzie:

Q/A_Du - wydatek energetyczny pracującego człowieka,

A_Du - powierzchnia ciała ludzkiego.

Równanie **) jest jednym z warunków komfortu cieplnego.

Inne sposoby wydzielania ciepła z organizmu człowieka

Dodatkowymi oraz mniej istotnymi sposobami wydzielania ciepła z organizmu człowieka do otoczenia są:

- dyfuzja pary wodnej przez skórę,

- jawne ciepło oddychania,

- utajone ciepło oddychania.

Wielkość dyfuzji pary wodnej przez skórę nie podlega kontroli układu termoregulacji organizmu. Występuje ona, gdy istnieje różnica pomiędzy ciśnieniem nasyconej pary wodnej w temp. skóry i ciśnieniem cząstkowym pary wodnej w otaczającym powietrzu.

Równanie opisujące straty ciepła wskutek dyfuzji pary wodnej przez skórę ma następującą postać:

[W]

gdzie:

Q_df - straty ciepła wskutek dyfuzji pary wodnej przez skórę [W],

r - ciepło parowania wody [J/kg],

β - współczynnik przenikania masy pary wodnej przez skórę [kg/(m²sN/m²)],

p_sk - ciśnienie nasyconej pary wodnej przy temp. skóry [Pa],

p_o - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w otaczającym powietrzu [Pa].

Jawne i utajone ciepło oddychania związane jest z konwekcją i odparowaniem wody w warstwie śluzowej pokrywającej drogi oddechowe.

Jawne ciepło oddychania wydzielane jest na skutek tego, że temp. powietrza wydychanego jest wyższa od temp. powietrza wdychanego.

Utajone ciepło oddychania związane jest wzrostem zawartości pary wodnej w powietrzu wydychanym w stosunku do powietrza wdychanego, który to wzrost nastąpił wskutek odebrania ciepła na drogach oddechowych organizmu.

Empiryczne równania określające wielkość jawnego i utajonego ciepła oddychania w warunkach komfortu cieplnego mają wartości:

[W]

[W]

gdzie:

Q_wj - jawne ciepło oddychania,

Q_ut - utajone ciepło oddychania,

Q_m - ciepło metaboliczne organizmu,

t_s - temp. powietrza,

p_o - prężność pary wodnej w powietrzu.

8 Wpływ rodzaju pracy na intensywność przemiany materii. Wydajność pracy w trudnych warunkach klimatycznych.

Intensywność przemiany materii

Intensywność, z jaką organizm wytwarza ciepło, jest nazywana intensywnością przemiany materii ". Wartość jej zmienia się znacznie od dolnej granicy 60 W, tj. podstawowej przemiany materii równej wydzielaniu mocy cieplnej przez człowieka śpiącego o normalnym zdrowiu, do wartości nawet dziesięć razy większej, gdy człowiek wykonuje przez dłuższy czas bardzo ciężką pracę..

Temperatura ciała ludzkiego jest względnie stała i wynosi ok. 36,9°C w przypadku tkanek w pobliżu powierzchni (temperatura mierzona w jamie ustnej) i około 37,2°C dla tkanek położonych głęboko (temperatura mierzona w odbytnicy). Zdarzają się pewne odchylenia od tych wartości. Stwierdzono, że rano temperatura ciała osoby pozostającej w łóżku jest o 0,5 K niższa od temperatury po południu. Temperatura zmienia się także z wiekiem, a wyraźnie zależy od stanu zdrowia. Nadmierne wytwarzanie ciepła w organizmie spowodowane chorobą albo zapobieganie stratom ciepła ciała sztucznie lub spowodowane złym działaniem systemu termoregulacji organizmu są przyczynami wzrostu temperatury ciała. Podwyższenie temperatury o kilka kelwinów jest sprawą poważną, a wzrost temperatury zaczyna być groźny, gdy sięga ona 40,5°C, tj. wartości, przy której z bliżej nie znanych przyczyn ustaje pocenie się, a dalszy wzrost temperatury jest przyspieszony. Wartość temperatury 43,5°C zwykle oznacza śmierć człowieka. Istnieje opinia, że w temperaturze wyższej od normalnej wzrasta intensywność przemiany materii z powodu pobudzenia, które wysoka temperatura wywołuje w reakcjach chemicznych organizmu człowieka.

Przeciwnie osoby poddane działaniu ekstremalnie zimnych warunków pogodowych miały temperaturę ciała obniżoną do 27oC lub niżej i powróciły do zdrowia. Pozostawanie dłużej w takiej temperaturze jest zwykle śmiertelne, chociaż rozwinęły się techniki chirurgiczne, w których wykorzystuje się chwilowe, sztuczne wywoływanie niskiej temperatury ciała, aż do10°C. Aby ograniczyć skutki spadku temperatury, organizm dąży wytwarzania większej ilości ciepła w wyniku naprężenia mięśni oraz w bardziej krańcowych przypadkach przez dreszcze.

Podsumowując: intensywność, z jaką ciepło wydzielane jest przez organizm, zależy od intensywności wykonywanej pracy; aby utrzymać temperaturę optymalną dla zdrowia i dobrego samopoczucia, organizm musi oddawać to ciepło do otoczenia.

Zależność wydajności pracy od warunków klimatycznych

Teoretyczne rozważania dotyczące energetycznej sprawności organizmu, jak rów­nież badania eksperymentalne wykazały, że w miarę obniżania się zdolności chło­dzącej powietrza w sposób wyraźny spada wydajność pracy i dla temperatur powietrza od 28 do 30°C obniża się o 30 do 40%.

Na rys. 9.8a przedstawiono graficznie zależność pomiędzy wydajnością pracy a temperaturą efektywną amerykańską, z której widać, że proste załamują się na granicy 18°C efektywnej temperatury amerykańskiej, a przy 30°C osiągają 40% takiej wydajności, którą osiąga się w temperaturze od 0 do 18°C.

Na rys.9.8b. przedstawiono natomiast zależność wydajności pracy od ilości katastopni wilgotnych.

9 Sposoby przenoszenia energii. Przewodzenie ciepła, prawo Fouriera, przewodność cieplna, przewodzenie ciepła przez przegrody płaskie,i cylindryczne. Przenikanie ciepła, współczynnik przenikania ciepła. Promieniowanie ciepła. Złożona wymiana ciepła. Krytyczna średnica izolacji.

Przewodzenie ciepła

Podczas przewodzenia ciepła natężenie strumienia cieplnego jest proporcjonalne do spadku temperatury, mierzonego w kierunku prze­pływu ciepła. Sformułowanie to stanowi prawo Fouriera, którego matematyczny zapis ma postać

(8.2)

gdzie: wielkość dT/dx, zwana gradientem temperatury, jest miarą spadku temperatury w kierunku przepływu ciepła,

- współczynnik proporcjonalności, zwany współczynnikiem przewodzenia ciepła albo krótko przewodnością cieplną.

Przewodność cieplna
charakteryzuje zdolność ciała do przewodze­nia ciepła. Im większa jest jej wartość, tym większa ilość ciepła jest przewodzona w jednostce czasu. Najmniejszą przewodność cieplną wykazują gazy, największą - metale. Spośród metali najlepszym przewodnikiem ciepła jest srebro.

Przewodność cieplna zależy ponadto od temperatury; dla gazów ze wzrostem temperatury rośnie; dla cieczy maleje, a dla metali jest w przybliżeniu stała.

W tablicy 8.1 podano wartości przewodności cieplnej dla wybranych gazów, cieczy i ciał stałych.

Tablica 8.1. Współczynnik przewodzenia ciepła różnych substancji

Substancja	Temperatura T, [K]	Współczynnik przewodzenia ciepła , [W/(m K)]
Metale
Aluminium	293	229
Cyna	293	66
Cynk	293	113
Miedź	293	384
Ołów	273	35,1
Srebro	293	418
Stal	293	45
Złoto	293	311
Żelazo	293	73
Substancje stałe nieorganiczne
Beton	293	0,8 ÷1,4
Cegła	293	0,38÷0,52
Grafit	293	12 ÷170
Lód	273	2,2
Szkło	293	0,75
Substancje stałe organiczne
Guma	293	0,13÷0,21
Papier	293	0,14÷0,21
Skóra	293	0,14÷0,16
Ciecze
Rtęć	293	9,3
Olej transformatorowy	300	0,124
Woda	300	0,612
	400	0,686
	500	0,640
Gazy przy p = 0,1 MPa
C02	300	0,0169
	400	0,0250
	500	0,0331
H2	300	0,186
	400	0,228
	500	0,269
Powietrze	300	0,0265
	400	0,0339
	500	0,0411
	900	0,0635

Przenikanie ciepła

Przenikanie ciepła to proces wy­miany ciepła między dwoma płynami oddzielonymi od siebie ścianką z cia­ła stałego (rys. 8.4). Zjawisko składa się z przejmowania ciepła przez ściankę od płynu 1, przewodzenia ciepła przez ściankę i przejmowania ciepła od ścianki przez płyn 2.

Rys. 8.4. Przenikanie ciepła

Natężenie strumienia cieplnego przenikającego między płynami jest określone wzorem

(8.13)

Występująca w tym wzorze wielkość

(8.14)

nazywa się współczynnikiem przenikania ciepła.

Promieniowanie ciepła

Nośnikiem energii promieniowania są fale elektromagnetyczne o różnej długości, rozchodzące się z prędkością światła, równą około 300000 km/s. Promieniowanie, które nazywa się cieplnym, jest przeno­szone przez fale o długości od 0,8 do 400
m (rys. 8.6).

W przypadku ciał stałych i cieczy przekazywanie ciepła przez promieniowanie zachodzi przy wszystkich długościach fal, przy czym promieniowanie cieplne ma największy udział. Natomiast promienio­wanie gazów jest selektywne, tzn. odbywa się tylko przy określonej dla każdego z nich długości fal.

Promieniowanie padające na pewne ciało może zostać przez nie pochłonięte, przepuszczone lub odbite, przy czym zjawiska te są opisane prawami ogólnymi, słusznymi dla wszystkich rodzajów fal elektromag­netycznych.

Oznaczając: Q - całkowitą energię promieniowania padającą na ciało, Q_A - część pochłoniętą, Q_R - część odbitą, a Q_P - część przepuszczoną, można określić następujące wielkości charakteryzujące dane ciało:

• zdolność pochłaniania lub absorpcyjność

(8.17)

• zdolność odbijania lub refleksyjność

(8.18)

• zdolność przepuszczania lub przepuszczalność

(8.19)

Ponieważ
, więc po dodaniu stronami do siebie wyrażeń (8.17-8.19), otrzymujemy

A+R+P = 1

Zależnie od wartości współczynników A, R i P rozróżnia się:

• ciała doskonale białe, odbijające całkowicie promieniowanie, tzn. A=0,R=1,P=0;

• ciała doskonale czarne, pochłaniające całkowicie padające promienio­wanie, czyli A = 1, R = 0, P = 0;

• ciała doskonale przepuszczalne, tzn. A = 0, R = 0, P = 1.

W przyrodzie nie ma ciał doskonale białych, czarnych czy przepusz­czalnych. Ciała występujące w przyrodzie noszą nazwę ciał szarych, a wartości współczynników A, R i P zależą od ich struktury, tem­peratury, długości fali promieniowania.

Większość ciał stałych i cieczy jest - w przybliżeniu - nieprzepusz­czalna dla promieniowania cieplnego, czyli można przyjąć, że P = 0. Natężenie strumienia cieplnego, emitowanego przez powierzchnię ciała o temperaturze T, oblicza się na podstawie prawa Stefana­-Boltzmana - wg wzoru o postaci

(8.20)

gdzie:
- emisyjność, tj. zdolność promieniowania lub stopień czarno­ści (dla ciał szarych słuszny jest związek
= A),

-stała promieniowania ciała doskonale czarnego lub stała Stefana-Boltzmana, wynosząca

= 5,67⋅10^-8 W/(m²K⁴)

Złożona wymiana ciepła

W praktyce często wymiana ciepła przez przejmowanie (q_k zachodzi jedno­cześnie z wymianą ciepła przez promienio­wanie (q_pr). Zjawisko to nazwano złożoną wymianą ciepła (rys. 8.9).

Rys. 8.9. Złożona wymiana ciepła

Natężenie stru­mienia cieplnego oblicza się wtedy wg wzoru

(8.24)

w którym:
- efektywny współczynnik przejmowania ciepła, uwzględniający działanie zarówno konwekcji, jak promieniowania, tzn.

(8.25)

gdzie:
- współczynnik przejmowania ciepła, określony wzorem (8.12),

- poprawka umożliwiająca uwzględnienie promieniowania.

Jeśli dwie powierzchnie o temperaturze T_l i T₂ oraz emisyjności
i
wymieniają między sobą ciepło przez promieniowanie, to natężenie strumienia cieplnego określa się wg wzoru

(8.21)

w którym:
- emisyjność efektywna układu dwu ciał.

Wielkość
jest zależna od emisyjności
i
obu powierzchni oraz od ich wzajemnego usytuowania. W większości przypadków jej okreś­lenie wymaga złożonych obliczeń.

Wzór (8.21) jest słuszny tylko wtedy, gdy nie ma strat energii promieniowania, tzn. gdy cała ilość energii promieniowanej przez jedną powierzchnię pada na drugą.

Dla prostego przypadku dwu ścian równoległych (rys. 8.7)

(8.22)

Dla przypadku wymiany ciepła między powierzchniami, z których jedna zamyka w sobie drugą (rys. 8.8), wzór na
ma postać

(8.23)

gdzie: A₁ i A₂ - pola powierzchni ciał.

. Rodzaje wymiany ciepła

Wymiana ciepła jest zjawiskiem przepływu energii pod postacią ciepła z układu o temperaturze wyższej do układu o temperaturze niższej. Rozróżnia się trzy sposoby przenoszenia energii cieplnej:

• przewodzenie,

• konwekcję,

• promieniowanie.

Przewodzenie ciepła ma miejsce wtedy, gdy przepływ energii odbywa się jedynie wskutek ruchów cząsteczek w nieruchomym, jako całość, środowisku. W ciałach stałych przewodzenie ciepła polega przede wszystkim na przenoszeniu energii przez swobodne elektrony oraz drgania atomów w siatce krystalicznej. W gazach oraz cieczach przeno­szenie energii polega głównie na bezładnych zderzeniach cząsteczek.

Konwekcja albo unoszenie ciepła zachodzi wtedy, gdy cząsteczki substancji, w której przenosi się ciepło, zmieniają swe położenie. Zjawisko to występuje w cieczach i gazach, a przenoszenie energii cieplnej następuje w wyniku mieszania poruszającego się płynu. Gdy ruch płynu jest wywołany sztucznie, mamy do czynienia z konwekcją wymuszoną. Jeśli zaś przyczyną ruchu jest różnica gęstości płynu wywołana różnicą temperatury, to występuje konwekcja swobodna.

Promieniowanie ciepła polega na przenoszeniu energii przez fale elektromagnetyczne o określonej długości fali. Energia promieniowania przenosi się z prędkością równą prędkości światła.

W praktyce często spotyka się przykłady wymiany ciepła, będące pewnymi kombinacjami powyższych przypadków. Najważniejsze z nich to przejmowanie (patrz p. 8.4) oraz przenikanie ciepła (p. 8.5).

Wymiana ciepła jest ustalona, gdy temperatura układów wymienia­jących ciepło nie ulega zmianie w czasie oraz gdy stała jest ilość przenoszonego ciepła. Gdy wielkości te zmieniają się w czasie, mamy do czynienia z procesem nieustalonej wymiany ciepła.

W dalszym ciągu będą rozważane wyłącznie zagadnienia dotyczące ustalonej wymiany ciepła.

Ilość wymienionego ciepła określa się zwykle za pomocą tzw. natężenia strumienia cieplnego, czyli ilość ciepła przepływającego przez jednostkę powierzchni, w jednostce czasu. Wielkość tę, oznaczaną symbolem q, zgodnie z definicją określa wzór

(8.1)

gdzie:
- strumień ciepła (ilość ciepła w jednostce czasu - moc cieplna),

A - pole powierzchni wymiany ciepła.

Ustalone przenikanie ciepła przez przegrodę płaską i cylindryczną

Dana jest przegroda płaska, składająca się z n warstw o grubościach ,,...,, zbudowana z materiałów o współczynnikach przewodzenia ciepła , ,... (rys. 6.1). Przegroda ta jest omywana z jednej strony przez płyn o stałej temperaturze , z drugiej zaś przez płyn o stałej temperaturze < . Oznacza to, że ciepło będzie przekazywane od płynu o temperaturze poprzez przegrodę do płynu o temperaturze (przenikanie ciepła). Przyjmujemy ponadto, że znane są wartości współczynników przejmowania ciepła i , przekazywanie ciepła jest ustalone i przewodzenie ciepła przez przegrodę jest jednowymiarowe wyłącznie wzdłuż osi x. Należy wyznaczyć ilość ciepła przenikającego w jednostce czasu od jednego płynu do drugiego. Dla ustalonego przekazywania ciepła gęstość strumienia ciepła przewodzonego i przejmowanego ma stałą wartość:

q = idem

Rys. 6.1. Przenikanie ciepła przez wielowarstwową przegrodę płaską

Oznacza to, że strumień ciepła napływający na powierzchnię warstwy pierwszej (wzór (2.7))

jest równy strumieniowi przewodzenia przez każdą z warstw wielowarstwowej przegrody, określonemu równaniem ogólnym

oraz strumieniowi przejmowanemu do płynu o temperaturze

wyznaczamy z powyższych zależności różnice temperatur:

(6.1)

.........................

i po obustronnym zsumowaniu otrzymamy:

(6.2)

Gęstość strumienia ciepła przenikającego przez płaską przegrodę wielowarstwową

(6.3)

gdzie

(6.4)

nazywamy współczynnikiem przenikania ciepła. Z zależności (6.1) można łatwo wyznaczyć temperaturę w dowolnym punkcie przegrody.

Podobnie można rozwiązać zadanie przenikania ciepła przez wielowarstwową przegrodę cylindryczną.

Załóżmy, że dana jest wielowarstwowa przegroda cylindryczna (rys.6.2), omywana od wewnątrz przez płyn o stałej temperaturze , natomiast z zewnątrz przez płyn o stałej temperaturze < . Współczynniki przejmowania ciepła są równe odpowiednio i , zaś współczynniki przewodzenia ciepła wynoszą odpowiednio , ,.... Wymiary geometryczne przegrody podano na rys.6.2. Przyjmujemy ponadto, że przekazywanie ciepła jest ustalone, przewodzenie jednowymiarowe wyłącznie wzdłuż współrzędnej r, a współczynniki i są znane i stałe. Należy wyznaczyć strumień ciepła przenikającego przez przegrodę.

Ponieważ przenikanie ciepła przez przegrodę jest z założenia ustalone, ilość ciepła przejmowanego przez powierzchnię wewnętrzną, przewodzonego przez poszczególne warstwy oraz przejmowanego z powierzchni zewnętrznej do otoczenia są sobie równe. Możemy napisać:

- strumień ciepła przejmowanego przez powierzchnię wewnętrzną

- strumień ciepła przewodzonego przez każdą z warstw przegrody

Rys. 6.2. Przenikanie ciepła przez wielowarstwową

przegrodę cylindryczną

- strumień ciepła przejmowanego z powierzchni zewnętrznej

Wyznaczając z powyższych zależności różnice temperatur i sumując obustronnie otrzymane równania można uzyskać wzór określający strumień ciepła przenikającego przez wielowarstwową przegrodę cylindryczną

(6.5)

lub

gdzie

(6.6)

nazywamy liniowym współczynnikiem przenikania ciepła. Jego sens fizyczny staje się widoczny po przyjęciu L = 1 i = 1. Otrzymamy wtedy:

co oznacza, że jest to ilość ciepła przenikającego przez 1 mb przegrody cylindrycznej w jednostce czasu przy założeniu, że różnica temperatur czynników po obu stronach przegrody równa jest 1 K.

Krytyczna średnica izolacji

Izolacją cieplną nazywamy takie pokrycie gorącej powierzchni, które powoduje zmniejszenie strat ciepła do otaczającego ośrodka. Jako izolacje cieplne stosuje się materiały o niskich współczynnikach przewodzenia ciepła, takie jak azbest, korek, wata szklana, wełna itp.

Rys.6.3. Przenikanie ciepła przez przegrodę cylindryczną

pokrytą jedną warstwą izolacji

Poniżej zostanie rozpatrzony warunek, przy którym materiał zastosowany do izolacji cieplnej powierzchni cylindrycznej będzie faktycznie zmniejszał straty ciepła do otoczenia. W ogólnym bowiem przypadku nałożenie warstwy izolacyjnej na powierzchnię cylindryczną powoduje zwiększenie powierzchni przejmowania ciepła do otoczenia.

Rozpatrzmy powierzchnię cylindryczną pokrytą jedną warstwą izolacji, jak na rys. 6.3.

Strumień ciepła przenikającego przez rozpatrywaną powierzchnię, zgodnie ze wzorem (6.5), jest proporcjonalny do liniowego współczynnika przenikania ciepła , wyrażonego równaniem (6.6), który dla omawianego przypadku jest równy:

(6.7)

gdzie jest wewnętrzną średnicą izolacji, a - średnicą zewnętrzną.

Mianownik prawej strony zależności, który stanowi odwrotność współczynnika przenikania ciepła, nazywa się oporem cieplnym i oznaczono go grecką literą P. Rozważmy jak będzie się zmieniał strumień przekazywanego do otoczenia ciepła ze zmianą grubości izolacji z zachowaniem stałych wartości współczynników , , i , średnic i oraz temperatur i .

Z zależności (6.7) wynika, że zwiększenie zewnętrznej średnicy izolacji zwiększa człon , określający opór warstwy izolacji, ale równocześnie zmniejsza człon , opisujący opór oddawania ciepła z zewnętrznej powierzchni izolacji.

Zatem opór przenikania ciepła ma ekstremum, które można wyznaczyć porównując pierwszą pochodną oporu cieplnego P względem do zera:

(6.8)

A zatem ekstremum przenikania ciepła występuje wtedy, gdy średnica izolacji

(6.9)

Czy to ekstremum oznacza maksimum czy minimum oporu cieplnego, określa druga pochodna

do której podstawiając , odpowiadające punktowi ekstremalnemu, otrzymamy ostatecznie:

Dodatnia druga pochodna wskazuje na minimum oporu cieplnego, a zatem maksimum strumienia ciepła przenikającego przez rozpatrywazną powierzchnię.

Zewnętrzną średnicę izolacji, spełniającą warunek (6.9), nazywamy krytyczną średnicą izolacji, a zatem

(6.10)

Jak widać z zależności (6.10), krytyczna średnica izolacji nie zależy od wielkości przewodu cylindrycznego. Jest tym mniejsza, im mniejszy jest współczynnik przewodzenia ciepła materiału izolacji i im większy współczynnik przejmowania ciepła od zewnętrznej powierzchni izolacji do otaczającego ośrodka.

Zależność strat cieplnych przewodu rurowego od zewnętrznej średnicy izolacji przedstawiono na rys.6.4, który wskazuje, że jeśli średnica zewnętrzna izolacji < , to z jej wzrostem straty ciepła rosną i są większe niż dla przewodu bez izolacji.

Rys.6.4. Zależność strumienia przenikającego ciepła

od zewnętrznej średnicy izolacji

Gdy = , straty ciepła do otaczającego ośrodka są maksymalne. Przy dalszym zwiększaniu zewnętrznej średnicy izolacji ponad wartość krytyczną > straty ciepła maleją i gdy = , stają się równe stratom dla przewodu nie izolowanego. Oznacza to, że efektywne zmniejszenie strat ciepła uzyskuje się, gdy zewnętrzna średnica izolacji jest większa niż . Aby więc izolacja spełniała swe zadanie, krytyczna średnica tej izolacji powinna być mniejsza niż zewnętrzna średnica gołej powierzchni przewodu, tj. < . Zatem, aby izolacja wywołała zmniejszenie strat ciepła cylindrycznej ścianki w porównaniu z gołym przewodem przy danej zewnętrznej średnicy ścianki i określonym współczynniku przejmowania ciepła , musi być spełniony warunek

( 6.11)

Widzimy, że dla określonych warunków przenikania ciepła, charakteryzujących się średnicą rury i współczynnikiem przejmowania ciepła do otoczenia , izolowanie przewodu izolacją o przypadkowo dobranym współczynniku przewodzenia ciepła może okazać się niecelowe lub nawet powodować, przy zbyt małej grubości izolacji, zwiększenie strat ciepła w stosunku do przewodu nieizolowanego.

Zwiększenie strat ciepła przez zastosowanie izolacji jest niekiedy wykorzystywane do zwiększenia chłodzenia, np. przewodów elektrycznych.

Strefa neutralna z ≈ 30m t_g ≅ 8°C

Strefa neutralna z = 30m t_{g ≅ 8°C}

---