PRZEDMIOT: ERGONOMIA
LABORATORIUM
KOMFORT CIEPLNY W NA STANOWISKACH PRACY
OPERATORÓW MASZYN I URZĄDZEŃ
Thermal comfort on position of work of operators of
machines and devices
Instytut Konstrukcji maszyn
Komfort cieplny
dla człowieka określa się jako
stan zadowolenia z warunków otoczenia, w którym on
przebywa.
Potrzeba wytworzenia komfortu cieplnego na stanowisku pracy
(np.. w kabinie operatora maszyny) ma dodatkowe uzasadnienie w tym, że
człowiek osiąga swoje maksymalne manualne i intelektualne zdolności
wówczas, gdy znajduje się w warunkach komfortu.
Wytworzenie warunków, w których człowiek odczuwałby stan komfortu
cieplnego stanowi zatem główny cel instalowania urządzeń grzewczych
oraz klimatyzacyjnych i rzutuje na konstrukcję różnego rodzaju pomieszczeń
zamkniętych oraz dobór materiałów na ich budowę.
Komputerowe wspomaganie badań komfortu cieplnego kabin
Czynniki wpływające na komfort cieplny:
a) związane bezpośrednio z człowiekiem - takie jak poziomu aktywności (gdyż ilość
ciepła wytwarzanego w organizmie ludzkim zależy od rodzaju wykonywanej pracy)
i izolacyjności cieplnej odzieży, a także osobniczo zależne jak wiek, płeć, wydolność
fizyczna i stan psychiczny, aklimatyzacja, stopień nawodnienia, sprawność reakcji
termoregulacyjnych, choroby przewlekłe
b) środowiskowych: temperatury,
wilgotności
i
prędkości ruchu powietrza
w pomieszczeniu (np. kabinie operatora dźwignicy).
Ludzie przebywają w pomieszczeniach około 90% swojego życia, dlatego też zagadnienia komfortu termicznego pomieszczeń są istotnym problemem przy projektowaniu klimatyzacji komfortu.
Optymalne warunki mikroklimatu, w którym przebywa człowiek
(zamieszczone w normiePN-78/B-03421 Wentylacja i klimatyzacja
. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi)ustalone są dla określonej aktywności
fizycznej człowieka
:Komfort cieplny
Komfort cieplny
wg
wg
. zaleceń literaturowych i wymagań normowych
. zaleceń literaturowych i wymagań normowych
¾ przy małym tempie metabolizmu
(szycie, księgowanie, pisanie na maszynie): temperatura powietrza w pomieszczeniach (zimą) wynosi: 20-22ºC, latem: 23-26ºC,wilgotność względna zimą (niezależnie od aktywności): 40-60%, latem: 40-55%a prędkość ruchu powietrza zimą - maksymalnie 0,2m/s, latem - 0,3m/s¾ przy średnim tempie metabolizmu
(wbijanie gwoździ, tynkowanie) temperatura powietrza w pomieszczeniach (zimą) wynosi 18-20ºC, latem – 20-23ºC, wilgotność względna latem 40-60%a prędkość ruchu powietrza zimą - maksymalnie 0,2m/s, latem - 0,4m/s¾ przy dużym tempie metabolizmu
(praca z siekierą, przenoszenie ciężkich materiałów) temperatura powietrza w pomieszczeniach (zimą) - 15-18ºC, latem – 18-21ºC, wilgotność względna latem 40-60%a prędkość ruchu powietrza zimą - maksymalnie 0,3m/s, latem - 0,6m/s
Równowaga termiczna
warunkiem komfortu cieplnego
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
Bilans cieplny organizmu
Pomiędzy człowiekiem a środowiskiem zewnętrznym
zachodzi nieustająca wymiana ciepła na drodze
przejmowania, przewodzenia oraz promieniowania,
opisana równaniem bilansu cieplnego:
ciepło zakumulowane w organizmie
= ciepło metaboliczne
-
praca
–
straty ciepła
S = M - W - R - C - E - Res
S - akumulacja ciepła
M - ciepło wytworzone w trakcie przemian metabolicznych W - praca zewnętrzna
R - straty ciepła na drodze promieniowania C - straty ciepła na drodze konwekcji E - straty ciepła na drodze odparowania potu Res - straty ciepła w wyniku oddychania
M - W › R - C - E – Res
- następuje wzrost temperatura ciała;
człowiek odczuwa ciepło
M - W ‹ R - C - E – Res
- następuje spadek temperatura ciała;
człowiek odczuwa chłód
Mianem metabolizmu określa się wszystkie przemiany zachodzące w ciele człowieka, których rezultatem jest wytworzenie energii niezbędnej do funkcjonowania organizmu. Jednostkami opisującymi ilość ciepła metabolicznego jest
W/m²oraz met(1met równe jest ilości ciepła wytwarzanego w czasie odpoczynku, równe 58.2 W/m²).
Przykładowe wartości tempa metabolizmu: • 0.8met - odpoczynek w pozycji półleżącej; • 1.0met – odpoczynek; • 1.2met - odpoczynek w pozycji stojącej; • 1.6met - umiarkowana aktywność w pozycji stojącej (przemysł lekki); • 2.0met - średnia aktywność w pozycji stojącej (prace domowe); • 3.0met - spacer z prędkością 5km/h; • 3.4met - ciężka praca w pozycji stojącej
• 9.5met - bieg z prędkością 15 km/h
jeżeli:
Bilans cieplny organizmu – wskaźniki i wielkości obliczeniowe
Powierzchnia ciała człowieka obliczana jest na podstawie równania zaproponowanego przez DuBois:
gdzie: m – waga, kg; l – wzrost, m Izolacja termiczna określa ilość ciepła przepływającego w jednostce czasu przez 1m² powierzchni materiału, przy różnicy temperatur po obu stronach odzieży wynoszącej 1K.
Odzież o odpowiedniej izolacji termicznej zapobiega nadmiernym stratom ciepła do otoczenia. Izolacja termiczna materiałów wyrażana jest w m²K/W. W odniesieniu jedynie do odzieży obowiązującą również inne jednostki:
clo – 1 clo 1 clo określa izolację termiczną odzieży niezbędną do
utrzymania równowagi termicznej pomiędzy organizmem człowieka, przebywającym w pozycji siedzącej, a otoczeniem o następujących parametrach: prędkość powietrza – 0.1m/s, temperatura powietrza i ścian - 21ºC oraz wilgotność względna mniejsza niż 50%. Dla tych warunków 1 clo zestawu odzieży jest równy 0.155 m²K/W
tog – wprowadzony w celu łatwego opisu izolacyjności cieplnej odzieży
- 1 tog równy jest 0.1 m²K/W (1 clo = 1.55 togs)
0,28 0,043 sweter 0,26 0,039 spodnie 0,06 0,009 szorty 0,09 0,029 bluzka z krótkimi rękawami 0,09 0,014 podkoszulek Clo m²K/W Wartości izolacyjności cieplnej Rodzaj odzieży
Przykładowe wartości izolacyjności cieplnej odzieży
Tu (Turbulence) - intensywność turbulencji - jest to wskaźnik fluktuacji prędkości powietrza (wyrażony w procentach, jako stosunek odchylenia standardowego prędkości powietrza do jej wartości średniej), i jest określany za pomocą wzoru:
DR (Draught Rating) - odsetek osób niezadowolonych z przeciągu, przeciąg odczuwany jest jako lokalne ochłodzenie ciała spowodowane przepływem powietrza o prędkości Va w temperaturze Ta. Wskaźnik przeciągu DR jest określony wzorem:
)
143
,
3
3696
,
0
(
)
05
,
0
(
)
34
(
−
⋅
−
0,6223⋅
⋅
⋅
+
=
t
av
v
T
uPD
Bilans cieplny organizmu - wskaźniki PMV, PPD oraz DR
skaźniki PMV, PPD oraz DR
PMV
(Predicted Mean Vote) - wskaźnik stosowany w opisie
komfortu cieplnego
w pomieszczeniach
zamkniętych. Opisuje wrażenia cieplne człowieka, wyrażone w 7-stopniowej skali wrażeń cieplnych,
jako:
gorące (+3); ciepłe (+2); lekko ciepłe (+1)
neutralne ( 0 );
lekko chłodne ( -1 );
chłodne ( -2 ); zimne ( -3 )
Zaleca się (dla warunków komfortu), aby wskaźnik PMV mieścił się w zakresie: -0,5 < PMV < +0,5
PPD
– tzw. wskaźnik ilościowy osób niezadowolonych z klimatu wewnętrznego
(opisuje
wrażenia cieplne człowieka, wyrażone w %
jako odsetek osób niezadowolonych z panujących warunków
cieplnych);
Zaleca się, aby PPD < 10% co odpowiada -0,5 < PMV < +0,5
(co należy interpretować, że odsetek osób niezadowolonych będzie wynosił maksymalnie 10%).Wskaźnik PMV
oparty jest na równowadze cieplnej ciała ludzkiego. Człowiek znajduje się w równowadze cieplnej, gdy wewnętrzne wytwarzanie ciepła w jego ciele równe jest utracie ciepła do otoczenia.PMV
jest funkcją: PMV = f (M, W, λclo, fclo, t, tmr, v, pa, hc, tclo), gdzie: M - matabolizm [met] (1 met = 58W/m2),W - praca zewnętrzna [W/m2],
λclo - oporność cieplna odzieży [clo] (1 clo = 0,155 m2•°C/W), fclo - stosunek powierzchni ciała zakrytego do odkrytego [-], t - temperatura powietrza [°C],
tmr - średnia temperatura promieniowania [°C], v - względna prędkość powietrza [m/s], pa - ciśnienie cząstkowe pary wodnej [Pa],
hc - współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję [W/m2•°C], tclo - temperatura powierzchni odzieży [°C].
Zaleca się stosowanie wskaźnika PMV tylko wtedy, gdy wartości sześciu głównych parametrów są zawarte w następujących przedziałach: M= 1 ÷ 4[met]; λclo = 0 ÷ 2[clo] t = 10 ÷ 30[°C] tmr= 10 ÷ 40[°C] v= 0 ÷ 1[m/s]
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
Metody pomiaru wskaźników PMV, PPD oraz DR
Metody pomiaru wskaźników PMV, PPD oraz DR
Zgodnie z normą ISO 7730 i jej polskim odpowiednikiem PN-N/08013, do
oceny komfortu cieplnego stosuje się równoważnie:
a) wskaźnik
Przewidywanej Średniej Oceny PMV
b) wskaźnik
Przewidywanego Odsetka Niezadowolonych PPD
c) Wskaźnik
Ryzyka Przeciągu DR
Powyższe wskaźniki są wielkościami precyzyjnie zdefiniowanymi przez zespół prof. Fangera i obliczanymi z zależności podanych poniżej:
PMV = (0,303 e0,036M + 0,028) * {(M W) 3,05 * 103 * [5733 6,99 * (M -W) - pa] - 0,42 * [(M - -W) - 58,15] - 1,7 * 10-5 * M * (5867 - pa - 0,0014 * M * (34 - ta) - 3,96 * 10-8 * fcl * [(tcl + 273)4 - (tr + 273)4] -fcl * hc * (tcl-ta)} gdzie: tcl = 35,7- 0,028 * (M - W) - Icl * {3,96 * 10-8 * fcl * [(tcl + 273)4 - (tr + 273)4] + fcl * hc * (tcl –ta)}
PPD = 100 - 95 * e
-(0,03353 * PMV4 + 0,2179 * PMV2)DR = (34 - ta) * (var - 0,05)
(0,62)* (0,37 * var * Tu + 3,14)
Skomplikowane na pozór formuły służące do obliczania powyższych wskaźników czynią te wskaźniki wyjątkowo precyzyjnie „mierzalnymi".
gdzie: M — metabolizm użytkownika [W/m2]; W - praca zewnętrzna [W/m2]; Icl - oporność cieplna odzieży
[(m2 0C)/W]; fcl - stosunek pola powierzchni ciała okrytego odzieżą do powierzchni ciała odkrytego,
ta - temperatura powietrza [°C]- zakres normy: 10 do 30°C, tr - średnia temperatura promieniowania [°C] - zakres
normy: 10 do 30°C, var - prędkość przepływu powietrza [m/s] — zakres normy: 0,0 do 1,0 m/s, pa - ciśnienie
cząstkowe pary wodnej [Pa] – zamiast używanego do tej pory parametru „wilgotność względna powietrza", hc - współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję [W/(m2 °C)], Tu - intensywność turbulencji;
Rys. 1
Zależność komfortu w funkcji wybranych wielkości
Zależność komfortu w funkcji wybranych wielkości
Rys. 2 Rys. 4
Na wykresie 1 przedstawiono zależność komfortu od temperatury i wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu. Ze względu na wypromieniowanie ciepła z organizmu ludzkiego duże znaczenie dla warunków komfortu cieplnego ma temperatura powierzchni przegród tworzących to pomieszczenie (wykres 2). Szczególne znaczenie ma temperatura podłogi, ponieważ straty cieplne z organizmu ludzkiego są tu dodatkowo powiększane przez przewodzenie ciepła (wykres 3). Kolejnym parametrem mającym wpływ na komfort cieplny wnętrza jest ruch powietrza (prędkość ruchu powietrza). Nadmierna prędkość powietrza może wywoływać nieprzyjemne, miejscowe schłodzenie powierzchni ciała (wykres 4).
Rys. 3
Krzywa duszności wg Lancastera-Cartensa-Ruge
Współzależność PMW i PPD
Zapewnienie komfortu cieplnego operatorowi:
1.
specjalne rozwiązania konstrukcyjne kabiny
2.
właściwie dobrana izolacja cieplna wnętrza kabiny
3.
stosowanie urządzeń grzewczo-wentylacyjnych
i klimatyzacyjnych
Materiały termoizolacyjne stosowane na poszycia kabin:
głównie pianki poliuretanowe (budowa anizotropowa, niejednorodna, wielowarstwowa
(materiał porowaty lub włóknisty)
(od właściwie dobranych materiałów termoizolacyjnych na ścianki konstrukcyjne kabin,
zależy w głównej mierze uzyskanie komfortu cieplnego przy możliwie minimalnym
zapotrzebowaniu dodatkowej energii cieplnej na klimatyzację (dogrzewanie lub
oziębianie). Przez właściwie dobrane materiały konstrukcyjne na poszycia termoizolacyjne
ścian należy rozumieć takie materiały, które spełniają odpowiednie wymagania co do
przewodności cieplnej oraz zastępczego współczynnika strat cieplnych)
Metody kształtowania komfortu cieplnego w kabinach operatorów ma
Metody kształtowania komfortu cieplnego w kabinach operatorów ma
szyn
szyn
Konstrukcja kabiny operatora
winna gwarantować uzyskanie mikroklimatu odpowiedniego dla oczekiwań operatora, niezależnie od zmiennych zewnętrznych warunków eksploatacji.Zewnętrzne warunki eksploatacji:
zróżnicowane warunki termoklimatyczne i eksploatacyjne, w tym również praca w przestrzeniach otwartych lub zamkniętych, w skrajnych warunkach zimowych, w warunkach silnych upałów lub strefach specjalnych procesów technologicznych (np. huty, COS, odlewnie, walcownie, itp.).……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
Metodyka pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła
Metodyka pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła
λ
λ
m
m
oraz zastępczego współczynnika strat cieplnych
oraz zastępczego współczynnika strat cieplnych
k
k
śr
śr
Istnieje szereg metod i sposobów pomiaru efektywnego współczynnika przewodzenia
cieplnego oraz zastępczego współczynnika strat cieplnych dla materiałów
termoizolacyjnych, bazujących na pomiarach prowadzonych w ustalonym lub
nieustalonym polu temperatur.
Wykorzystywane są tu różnorodne aparaty i czujniki pomiarowe (np. aparaty
Poensgena, aparaty rurowe, czujniki Nichollsa, ciepłomierze, czujniki Gardona, itp.).
Zalecane w polskich normach metody oznaczania przewodności cieplnej bazują przede
wszystkim na zasadzie porównania dwu oporów cieplnych: oporu cieplnego próbki
badanego materiału z oporem cieplnym próbki materiału o znanym współczynniku .
Dla materiałów termoizolacyjnych o budowie niejednorodnej (porowatej lub
włóknistej) przy anizotropowej ich strukturze, koniecznym jest określenie zależności
współczynnika nie tylko od wartości temperatury średniej, lecz również od wartości
różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią oziębianą a powierzchnią ogrzewaną
(gdzie temperatura średnia rozumiana jest jako wartość średnia z temperatury
powierzchni badanej próbki po stronie ogrzewanej i chłodzonej).
Wobec powyższego koniecznym jest wytypowanie metody pomiaru, która
umożliwiałaby dokładne określenie własności izolacyjnych tych materiałów w sposób
technicznie uzasadniony. Z przeprowadzonych analiz wynika, że wymagania te spełnia
metoda przewodnościowa
sprowadzająca się do pomiaru gęstości strumienia ciepła w
stanach ustalonych dla przypadku przepływu ciepła przez ściankę płaską, przy
zastosowaniu czujników o działaniu opartym na metodzie znanego oporu cieplnego:
próbka badana - ścianka pomocnicza.
Metoda przewodnościowa
sprowadzająca się do
pomiaru gęstości strumienia ciepła
w stanach
ustalonych dla przypadku przepływu ciepła przez ściankę płaską, przy zastosowaniu czujników
o działaniu opartym na metodzie znanego oporu cieplnego: próbka badana - ścianka pomocnicza.
Metodyka pomiaru
Zalecana
metoda przewodnościowa
-
pomiar gęstości
strumienia ciepła w stanach ustalonych dla przypadku przepływu ciepła przez
ściankę płaską
Mierzone parametry (wg. równania Fouriera):
ilość ciepła przewodzonego przez badaną próbkę (jako gęstość strumienia cieplnego q)
temperatura na zewnętrznych powierzchniach próbki (t
zg, t
zp)
parametry geometryczne próbki
kontrolowana wilgotność względna otaczającego powietrza (w strefie czujnika gęstości
strumienia q)
Pomiar współczynnika dla materiałów termoizolacyjnych
Układ pomiarowy ścianki (badany materiał termoizolacyjny): a) bez oporu dodatkowego
b) z oporem dodatkowym (czujnik gęstości strumienia ciepła)
tak dobierany czujnik, aby uzyskać:
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
Czujniki do pomiaru temperatury:
A) termoelektryczne
B) termorezystancyjne
C) termistorowe
Czujniki termoelektryczne
- połączenie dwóch przewodów z różnych
metali lub ich stopów
1 – spoina pomiarowa w temperaturze kontrolowanej,
2 – termoelektrody,
3 - wolne końce w temperaturze ustalonej
Między wolnymi końcami pojawia się siła
termoelektryczne STE w [mV], będąca funkcją
różnicą temperatury (
ν
1− ν
2).
Stąd
STE = k
T(
ν
1− ν
2),
gdzie podstawowym
parametrem termoelementu jest tzw,
współczynnik termoelektryczny k
T[
µV/
0C],
który decyduje o jego czułości, gdyż stanowi
nachylenie jego charakterystyki.
Współczynnik ten zmienia się w funkcji
temperatury.
Na termoelementy wybiera się materiały, które
zapewniają jak największe siły
termoelektryczne.
Pomiar temperatury
- czujniki termoelektryczne
Termoelement typu K
> nikiel+chrom+aluminium: k
T=42,7[
µV/
0C] dla 500
0C
-> elektroda dodatnia –>
chromel
(90%-Ni, 10%-Cr)
-> elektroda ujemna –
alumel
(94%-Ni, 3%-Mn, 2%-Al, 1%- Si),
Termoelement typu J > żelazo/miedź-nikiel,
k
T=55,9[
µV/
0C] dla 500
0C
-> elektroda dodatnia: z czystego żelaza, ->elektroda ujemna – stop o zawartości 45%-60% miedzi
Termoelement typu T > miedź/miedź+nikiel; k
T=38,7[
µV/0C] dla 400
0C
-> elektroda dodatnia: z czystej miedzi, ->elektroda ujemna – stop o zawartości 45%-60% miedzi
Termoelement typu S > platyna-rod/platyna, k
T=10,0[
µV/0C] dla 500
0C
-> elektroda dodatnia: z czystej platyny, -> elektroda ujemna – stop 90% Pt – 10% Rh
Przebieg napięcia wyjściowego odbiega od liniowości, stąd wprowadza się na etapie obróbki cyfrowej sygnału, algorytm przekształceń (funkcję przejścia) – algorytm korygujący w postaci wielomianu:
ν
= a
0+ a
1U + a
2U
2+ …… a
nU
ngdzie: U –
napięcie z termoelementu [mV],
ν -
temperatura w [oC],a
1… a
n–
współczynniki charakterystyczne dla określonego typu termoelementu podawane w postaci tabelarycznejTermorezystory
RTD
(ang. Resistance Temperature Detector)– wykorzystują zjawisko zależności
rezystywności metali od temperatury.
Budowane są jako: metalowe uzwojenie lub umieszczona na kształtce z materiału izolacyjnego
warstwa rezystancyjna. Rezystancja znamionowa takiego termorezystora wynosi najczęściej 100Ω.
Najpowszechniej stosowanym materiałem w budowie termorezystorów – platyna.
Zależność dla platyny w funkcji temperatury w zakresie 0-600
0C opisana jest funkcją:
R
ν
=R
O
(1+
α
ν
+
β
ν
2
)
gdzie:α, β – temperaturowe współczynniki zmiany rezystancji
czujnika, dla platyny
α = 3,91*10
-3[1/
0C],
β = -5,8*10
-7[1/
0C],
Pomiar temperatury -
czujniki termorezystancyjne
Stosunek rezystancji termorezystora Rν do jego rezystancji R0
w temperaturze 00C w funkcji temperatury ν , dla Pt, Ni i Cu
Termorezystory pałeczkowe Pt, gdzie: a) uzwojenie na rdzeniu kwarcowym, b) uzwojenie wewnątrz ceramicznej rurki, 1 – wyjście, 2 – uzwojenie, 3 – pręt, 4 – warstwa ochronna, 5 – rurka, 6 - izolacja
a)
b)
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
Pomiar temperatury
- czujniki termorezystancyjne
Sposoby kompensacji wpływu zmian rezystancji przewodów łączeniowych: układy mostków zrównoważonych: a) dwuprzewodowych, trójprzewodowych c) czteroprzewodowych
Rezystancja czujnika Pt100 w wybranych wartościach temperatury.
Uwaga: dwuprzewodowy układ stosuje się wówczas, gdy rezystancja przewodów łączeniowych jest stała (warunki dla przewodów quaziustalone), jeżeli zmienia się pod wpływem otoczenia, stosowane są wówczas układy trójprzewodowe i czteroprzewodowe.
Pomiar temperatury
- czujniki termistorowe
Termistory są to rezystory o dużym temperaturowym współczynniku zmian rezystancji.
Przeznaczone są one do pomiarów w dość wąskim zakresie zmian temperatury.
W pomiarach wykorzystuje się termistory o ujemnym temperaturowym współczynniku
zmian rezystancji
NTC
(ang. Negative Temperature Coefficient).
Ich rezystancja zmienia się z zależnością:
T T T
T
T
T
R
e
R
0 0 0⋅
∆
⋅
⋅
=
α
T – temperatura w [K],RT– rezystancja termistora w temperaturze T
RT0– rezystancja w temperaturze odniesienia T0(np.. 293K)
αΤ0– temperaturowy współczynnik zmian rezystancji termistora w temperaturze odniesienia T0
∆T – różnica temperatur T – T0
Charakterystyka zmian rezystancji w funkcji temperatury dla typowego termistora
Typowe konstrukcje termistorów:
a-b) perełkowy, c-d) pręcikowe, e) płytkowy, f) bagietkowy
Zalety:wyższa czułość, znaczna rezystancja przez co praktycznie eliminuje się wpływ przewodów, małe wymiary
Wady:mniejszy zakres pomiarowy oraz niższe wartości dopuszczalne temperatury max. 2500C, nieliniowa charakterystyka,
trudności w normalizacji charakterystyki. mniejsza stabilność
Pomiar strumienia ciepła -
czujniki gęstości strumienia ciepła
Idea działania czujnika gęstości strumienia ciepła wynika z faktu, że gęstość
strumienia ciepła
q
jest proporcjonalna do spadku temperatury
∆
T
(zależność
Fouriera), więc można ja określić z zależności:
q = cE
gdzie: c [W/m2)/mV]jest stałą podawana przez producenta miernika,
E [mV]siła termoelektryczną mierzona na zaciskach miernika.
Schemat pomiaru gęstości strumienia ciepła – czujnik typu
ścianka pomocnicza:
gdzie: a) element pomiarowy strumienia ciepła, b) elementy składowe układu pomiarowego,1- przewody, 2- miernik, 3,4- warstwa specjalnych past przewodzących wspomagających prawidłowy kontakt miernika z badanym obiektem, 5-badany obiekt, uchwyt pomocniczy
Budowa czujnika gęstości strumienia ciepła:
n termoelementów różnicowych (połączone różnicowo) i
spięte szeregowo (termostos);
A, B - termoelementy, pł - miedziane przewody łączeniowe,
To - temperatura otoczenia,
E – siła termoelektryczna proporcjonalna do mierzonej
różnicy temp.
stąd q=cE
gdzie: c - [(W/m
2)/mV] stała czujnika podawana przez
producenta
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
Czujniki wilgotności powietrza
Wprowadzenie:powietrze atmosferyczne jest mieszaniną gazową zawierającą zawsze pewną ilość pary wodnej. Zawartość pary wodnej w powietrzu atmosferycznym zmienia się zależnie od okoliczności, a zachowanie się jej jest odmienne od pozostałych gazów (możliwość zmiany stanu skupienia) — do celów praktycznych można więc traktować powietrze atmosferyczne jako mieszaninę powietrza suchego (składającego się wyłącznie z gazów) oraz pary wodnej. Ilość pary wodnej znajdującej się w jednostce objętości powietrza nie może przekroczyć pewnej wielkości maksymalnej, która jest zależna od temperatury.
Powietrze niedosyconejest to powietrze, które może jeszcze w danej temperaturze wchłonąć pewną ilość pary wodnej, natomiast
powietrze nasyconeparą wodną zawiera już w sobie ilość pary wodnej maksymalną w danej temperaturze.
Ciśnienie powietrza wilgotnego(ciśnienie barometryczne) wg prawa Daltona jest sumą ciśnienia powietrza suchego ppoworaz
ciśnienia pary wodnej pp: pb= ppow+ pp
W powietrzu niedosyconym ciśnienie cząstkowe pary wodnej ppjest mniejsze od ciśnienia nasycenia pary wodnej w danej
temperaturze. W powietrzu nasyconym parą ciśnienie cząstkowe pary wodnej jest równe ciśnieniu nasycenia w danej temperaturze —
stan ten nazywa się również punktem rosy,gdyż najmniejsze obniżenie temperatury spowoduje wykroplenie się pewnej ilości pary w postaci mgły lub rosy.
Wilgotność bezwzględna objętościowa powietrza ρjest to ilość gramów pary wodnej zawartej w l m3powietrza wilgotnego.
Wilgotność względnaΦ= pp/ pn; gdzie:pp— ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, pn— ciśnienie cząstkowe pary
wodnej w powietrzu nasyconym parą wodną w tej samej temperaturze. Wielkość Φjest ułamkiem bezwymiarowym lub wyraża się w procentach. Wilgotność względna powietrza Φmoże być również wyrażona jako stosunek wilgotności bezwzględnej Φdo wilgotności bezwzględnej w stanie nasycenia ρn.
Przyrządy do pomiarów wilgotności powietrza, w zależności od ich budowy i zasady działania, można podzielić na następujące rodzaje: 1) higrometry absorpcyjne, czyli grawimetryczne, 2) higrometry kondensacyjne, czyli tzw. higrometry punktu rosy, 3) higrometry oparte na zjawiskach higroskopowych, 4) higrometry elektryczne, 5) psychrometry.
Rodzaje higrometrów elektrycznych: a) rezystancyjne; b) pojemnościowe; c) z ogrzewanymi czujnikami
Higrometry pojemnościowe
(w badaniach laboratoryjnych wykorzystany zostanie miernik typu AZ 8703) Czujnik tych higrometrów stanowi kondensator, w którym między dwiema elektrodami (okładkami kondensatora) znajduje się warstwa higroskopijna. Pojemność takiego kondensatora zmienia się wraz ze zmianą wilgotności otaczającego powietrza.Schemat stanowiska badawczego –
pomiar współczynnika
λ
p
1- próbka badanego materiału, 2- naczynie termostatyczne, 3- poczerniona płytka ekranująca źródło ciepła,
4- źródło ciepła,
5- termoelementy foliowe NiCr-Ni, 6a- czujnik gęstości strumienia ciepła,
6b- osłony boczne czujnika, 7- czujnik wilgotności względnej powietrza,
8-pierścienie uszczelniające, 9- komora termoklimatyczna, 10- system rejestracji, akwizycji i wizualizacji danych pomiarowych
Przykładowe wyniki dla przypadku przewodzenia przez ściankę płaską strumienia ciepła wyrażone jest zależnością
lub to
gdzie: Q – strumień ciepła, A – pole powierzchni przez którą przewodzone jest ciepło,λ c – efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, δ - grubość warstwy
Mając przykładowe dane:
q = 27,710 [W/m2] - śr. wartość z zakresu δ = 0.034 [m] - grubość próbki (t gp - t zp) = 21,119 [°C] - różnica średniej temp. z czujników 3 i 4 oraz czujnika 1
[W/m⋅°C]
Materiały termoizolacyjne współczynnik przewodzenie ciepła
λ
m– przykładowe wyniki
Przykładowa (badana)
próbka jest częścią
wykładziny obiciowej firmy Dresser, składa się ona
z dwóch warstw miękkich, które stanowi spienione
PCV o porach otwartych, oraz z przekładki
gumowej która stanowi warstwę
twardą.
Dodatkowo wykładzina z jednej strony oklejona
jest skajem z otworami o średnicy 1mm.
24 2 ,5 7 0 .5 pianka poliuretanowa skaj z otworami o średnicy 1mm
pianka poliuretanowa guma
)
t
t
(
A
Q
=
λ
δ
c gp−
zpq
=
A
Q
=
λ
δ
c(
t
gp−
t
zp)
)(
gp zp ct
t
q
−
⋅
=
δ
λ
04461
,
0
119
,
21
034
,
0
710
,
27
c=
⋅
=
λ
Zależność pomiędzy wartością współczynnika λ, a temperaturą średnią tśrdla materiału termoizolacyjnego wielowarstwowego
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
Sonda pomiarowa; 1- czujnik; 2- osłona rurkowa, 3-ochraniacz, 4-rękojeść, 5- punkt orientujący
Sposób wyznaczania wskaźnika ryzyka przeciągu PD (System HSA
Sposób wyznaczania wskaźnika ryzyka przeciągu PD (System HSA
-
-
4)
4)
System HSA-4
: umożliwia pomiar prędkości ruchu powietrza wykonywany jest przy pomocy wielokierunkowego termoanemometru stałotemparaturowego z automatyczną kompensacją zmian temperatury otoczenia i pomiar temperatury przy pomocy termometru oporowego z czujnikiem niklowym. System mikroprocesorowy przyrządu wyznacza automatycznie: chwilową prędkość i temperaturę (wartości uśredniane w okresie czasu 2s), średnią prędkość i temperaturę, wartość skuteczną fluktuacji prędkości, intensywność fluktuacji prędkości, prędkości odpowiadające 5- i 95% dystrybuancie rozkładu wartości chwilowych, odsetek niezadowolonych PPD, które mogą być odczytane bezpośrednio ze wskaźnika cyfrowego, protokołu pomiarowego wydrukowanego na drukarce lub przesłane do zewnętrznego systemu akwizycji danych.)
143
,
3
3696
,
0
(
)
05
,
0
(
)
34
(
−
⋅
−
0,6223⋅
⋅
⋅
+
=
t
av
v
T
uPD
Badania własności termoizolacyjnych kabiny ciągnika TD-25D
Celem doświadczalnego wyznaczenia średnich współczynników przenikania
ciepła dla wybranej ściany kabiny k
mzaadoptowano metodę przewodnościową,
przy czym cykl pomiarowy realizowany był w warunkach quaziustalonego stanu
wymiany ciepła. Badania zostały przeprowadzone przy przebiegu strumienia
ciepła od wewnątrz na zewnątrz to znaczy ogrzewane było wnętrze kabiny. Proces
podgrzewania powietrza wewnątrz kabiny był zrealizowany za pomocą
elektrycznego źródła ciepła o znanej mocy.
Współczynniki przenikania ciepła k
mw ustalonych punktach kabiny mierzono
posługując się metodą przewodnościową. Metoda ta sprowadza się do pomiaru
gęstości strumienia ciepła q
mprzepływającego w wybranym obszarze
pomiarowym (przepływ ciepła przez ściankę płaską przy użyciu czujnika o
działaniu opartym na zastosowaniu dodatkowego oporu cieplnego).
Wartość współczynnika k
mokreślono na podstawie zależności:
gdzie:
q
m[W/m
2] – gęstość strumienia ciepła
t
wk[
°C] – temperatura wewnątrz kabiny w otoczeniu punktu
pomiarowego strumienia ciepła (ok. 15 mm od powierzchni czujnika strumienia).
t
zk[
°C] – temperatura na zewnątrz kabiny w strefie punktu
pomiarowego strumienia ciepła (około 20mm od powierzchni
czujnika strumienia)
Stanowisko pomiarowo badawcze
Stanowisko pomiarowe składa się kabiny ciągnika TD-25D, wyposażonej w czujniki
pomiaru temperatury, strumienia ciepła, wilgotności, przepływu powietrza oraz układ
do rejestracji i analizy danych pomiarowych. Wnętrze kabiny ogrzewane było
dmuchawą elektryczną umieszczoną w prawym dolnym rogu kabiny, przy czym
strumień ogrzanego powietrza skierowany był w płaszczyźnie poziomej w kierunku
środka kabiny. Zastosowane czujniki i aparatura diagnostyczna umożliwiły uzyskanie
pomiaru temperatury, wilgotności oraz gęstości strumienia ciepła. Przekaz sygnału
pomiarowego z poszczególnych czujników realizowany był za pośrednictwem
skompensowanych temperaturowo linii pomiarowych do aparatury
wzmacniająco-rejestrującej.
Do badań użyto następujące czujniki pomiarowe:
a)
termoelementy foliowe NiCr-Ni typu T686-2 produkcji AMR Ahlborn do pomiaru
temperatury o dokładności pomiaru 0,1
°C, zakres pomiarowy od -200°C do +320°C
b) gęstości strumienia ciepła typu 111 prod. AMR Ahlborn o zakresie pomiarowym od
50 do 100 W/m
2, przy czułości progowej wynoszącej 1 W/m
2c) wilgotności powietrza – typu FG80H
d)
zestaw do kontroli prędkości ruchu powietrza – termoanemometr (sonda
pomiarowa) stałotemperaturowy z automatyczną kompensacją zmian temperatury
otoczenia (pozwalający na pomiar chwilowej wartości prędkości ruchu powietrza oraz
intensywności jej fluktuacji).
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
……….……..
.……….……...
………..………….
……….…………..
……….……...
………..…….
………..….
………..….
Schemat stanowiska pomiarowego:
1 2 3 7 15mm dach 8 9 5 0 4 6 T H E R M 5 5 0 0 I B M P C 3 8 6 P L O T E R 0, 4, 5, 6, 9 – czujniki typu PT-100; 1, 2, 7 – termopary;3 – czujnik gęstości strumienia ciepła; 8 – czujnik wilgotności powietrza Do przetwarzania danych użyto przyrządu THERM 5500 firmy AHLBORN sterowanym przez komputer IBM PC386. Podczas badań czas taktowania wynosił 5 s na punkt pomiarowy a dane zapisywane były na dysku twardym. Podłączony komputer umożliwia bezpośrednią wizualizację (w formie wykresu) wartości odczytywanych z czujników pomiarowych i przekazywanych przez THERM 5500.
W kabinie dodatkowo umieszczony był manekin firmy „Kuczara Manekiny”. Manekin został usadowiony na standardowym fotelu operatora w celu podkreślenia wszystkich charakterystycznych składowych takich jak rozkład temperatur oraz prędkość i kierunek ruchu mas powietrza.
Sposób rejestracji danych -
przebieg ćwiczenia
Do rejestracji danych należy użyć przyrządu THERM 5500, który umożliwia odczyt wartości z poszczególnych czujników w postaci analogowej i przetworzenie na postać cyfrową. Przyrząd ten sterowany jest mikroprocesorem 5500-3 HD 6303Y, co umożliwia ustalenie minimalnego czasu rejestracji na poziomie 0,15s na punkt pomiarowy, a także cyfrową obróbkę sygnału wejściowego i przesyłanie go w tej formie do podłączonego komputera. Specjalny pakiet oprogramowania pozwala na bezpośrednie sterowanie a także programowanie przyrządu. Oprogramowanie umożliwia również automatyczne przeliczanie niektórych wartości (np. wartość gęstości strumienia ciepła odczytywana jest w mV, a wprowadzenie odpowiedniego przelicznika pozwala na odczytywanie wartości bezpośrednio w W/m2), a także bezpośrednią wizualizację przebiegu zmian wartości wyświetlaną na ekranie monitora w postaci wykresów. Dane zapisywane są na dysku twardym komputera w postaci tabeli danych, która może być użyta do dalszej obróbki przez takie programy jak EXEL czy GRAPHER.
Przykładowe wyniki pomiarów: qm= 90,05349 [W/m2]; twk= 37,23837 [°C]; tzk= 17,3407 [°C]
po podstawieniu powyższych wartości do równania
otrzymujemy: 4,52583 [W/m
=
2⋅°C]−
=
3407
,
17
23837
,
37
05349
,
90
k
mPrzed przystąpieniem do badań temperatura we wnętrzu kabiny powinna być taka sama jak temperatura otoczenia, a sama kabina powinna być szczelnie zamknięta po to by do minimum ograniczyć niekontrolowane straty ciepła. Po włączenia aparatury pomiarowej (po wcześniejszym zaprogramowaniu czasu rejestracji na punkt pomiarowy) sprawdzamy odczyty z poszczególnych czujników temperatury i w razie konieczności dokonujemy ich kalibracji, a następnie włączmy ogrzewanie.
Po ustaleniu temperatury wewnątrz kabiny (tzn. przestaje ona wzrastać) wyłączamy ogrzewanie i prowadzimy rejestrację do momentu w którym temperatura nie spadnie do wartości zbliżonej do temperatury otoczenia. Równocześnie z bezpośrednim pomiarem i zapisem wartości chwilowej temperatury, prowadzony jest pomiar wilgotności powietrza i gęstości przepływu strumienia ciepła. Oprócz tego jest prowadzony ręczny zapis wartości prędkości powietrza w określonych odstępach czasu.
Literatura - wymagania normowe
PN-EN ISO 7726:2002 Ergonomia środowiska termicznego - Przyrządy do pomiaru wielkości fizycznych PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia środowiska termicznego - Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu
termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego
PN-EN 27243:2005 Środowiska gorące - Wyznaczanie obciążenia termicznego działającego na człowieka podczas
pracy, oparte na wskaźniku WBGT
PN-EN ISO 7933:2005 Ergonomia środowiska termicznego - Analityczne wyznaczanie i interpretacja stresu cieplnego
z wykorzystaniem obliczeń przewidywanego obciążenia termicznego
PN-EN ISO 8996:2005 Ergonomia środowiska termicznego - Określanie tempa metabolizmu
EN ISO 11079 Ergonomia środowiska termicznego -- Wyznaczanie i interpretacja stresu termicznego wynikającego z
ekspozycji na środowisko zimne z uwzględnieniem wymaganej izolacyjności cieplnej odzieży (IREQ) oraz wpływu wychłodzenia miejscowego