1

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 pomieszczeńzamkniętych 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 powietrzaw 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 normie PN-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 wgwg. zaleceń literaturowych i wymagań normowych. zaleceń literaturowych i wymagań normowych

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/s 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/sprzy 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

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

2

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 ciepłoM - 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/m² oraz 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 obliczeniowePowierzchnia 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)

0,280,043sweter

0,260,039spodnie

0,060,009szorty

0,090,029bluzka z krótkimi rękawami

0,090,014podkoszulek

Clom²K/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:

)143,33696,0()05,0()34( 6223,0 +⋅⋅⋅−⋅−= ua TvvtPD

Bilans cieplny organizmu - wskaźniki PMV, PPD oraz DRskaźniki 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]

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

3

Metody pomiaru wskaźników PMV, PPD oraz DRMetody 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 PMVb) wskaźnik Przewidywanego Odsetka Niezadowolonych PPDc) Wskaźnik Ryzyka Przeciągu DR

Powyższe wskaźniki są wielkościami precyzyjnie zdefiniowanymi przez zespół prof. Fangera i obliczanymi z zależności podanych poniżej:PMV = (0,303 e-0,036M + 0,028) * (M - W) - 3,05 * 10-3 * [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 wielkościZależność 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 kabiny2. właściwie dobrana izolacja cieplna wnętrza kabiny3. stosowanie urządzeń grzewczo-wentylacyjnych

i klimatyzacyjnychMateriały 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 maMetody kształtowania komfortu cieplnego w kabinach operatorów maszynszyn

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.).

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

4

Metodyka pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła Metodyka pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła λλmmoraz zastępczego współczynnika strat cieplnych oraz zastępczego współczynnika strat cieplnych kkśrśr

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 (tzg, tzp)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:

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

5

Czujniki do pomiaru temperatury: A) termoelektryczne B) termorezystancyjne C) termistorowe

Czujniki termoelektryczne- połączenie dwóch przewodów z różnych

metali lub ich stopów1 – 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 (ν1 − ν2).

Stąd STE = kT(ν1 − ν2), gdzie podstawowymparametrem termoelementu jest tzw, współczynnik termoelektryczny kT[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: kT=42,7[µV/0C] dla 5000C-> elektroda dodatnia –> chromel (90%-Ni, 10%-Cr) -> elektroda ujemna – alumel (94%-Ni, 3%-Mn, 2%-Al, 1%- Si),

Termoelement typu J > żelazo/miedź-nikiel, kT=55,9[µV/0C] dla 5000C-> elektroda dodatnia: z czystego żelaza, ->elektroda ujemna – stop o zawartości 45%-60% miedzi Termoelement typu T > miedź/miedź+nikiel; kT=38,7[µV/0C] dla 4000C-> elektroda dodatnia: z czystej miedzi, ->elektroda ujemna – stop o zawartości 45%-60% miedzi Termoelement typu S > platyna-rod/platyna, kT=10,0[µV/0C] dla 5000C-> 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 = a0 + a1U + a2U2 + …… anUn

gdzie: U – napięcie z termoelementu [mV], ν - temperatura w [oC],a1 … an – współczynniki charakterystyczne dla określonego typu termoelementu podawane w postaci tabelarycznej

Termorezystory 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 0-6000C opisana jest funkcją:

Rν=RO(1+αν+βν2) 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 R0w 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)

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

6

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 termistoroweTermistory 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:TT

T TTT eRR

00

0

⋅∆⋅⋅= αT – 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 = cEgdzie: 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=cEgdzie: c - [(W/m2)/mV] stała czujnika podawana przez producenta

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

7

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 sięw jednostce objętości powietrza nie może przekroczyć pewnej wielkości maksymalnej, która jest zależna od temperatury.Powietrze niedosycone jest to powietrze, które może jeszcze w danej temperaturze wchłonąć pewną ilość pary wodnej, natomiast powietrze nasycone parą 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 ppow oraz ciśnienia pary wodnej pp: pb = ppow + ppW powietrzu niedosyconym ciśnienie cząstkowe pary wodnej pp jest 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 ρ jest to ilość gramów pary wodnej zawartej w l m3 powietrza wilgotnego.Wilgotność względna Φ = 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 Φ jest ułamkiem bezwymiarowym lub wyraża się w procentach. Wilgotność względna powietrza Φ może być również wyrażona jako stosunek wilgotności bezwzględnej Φ do 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 λp

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 ściankępłaską strumienia ciepła wyrażone jest zależnością

lub to

gdzie: Q – strumień ciepła, A – pole powierzchni przez którąprzewodzone jest ciepło,λ c – efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, δ - grubość warstwyMając przykładowe dane:q = 27,710 [W/m2] - śr. wartość z zakresuδ = 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 λm – przykładowe wyniki

Przykładowa (badana) próbka jest częściąwykładziny 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.

242,

5 7

0 .5

pianka poliuretanowa

skaj z otworami o średnicy 1mm

pianka poliuretanowa

guma

)tt(AQ zpgpc −

δλ

= )tt(AQq zpgp

c −δ

λ==

)( zpgpc tt

q−⋅

=δλ

04461,0119,21

034,0710,27c =

⋅=λ

Zależność pomiędzy wartością współczynnika λ, a temperaturą średnią tśr dla materiału termoizolacyjnego wielowarstwowego wykonanego na bazie polichlorku winylu.

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

8

Sonda pomiarowa; 1- czujnik; 2- osłona rurkowa, 3-ochraniacz, 4-rękojeść, 5- punkt orientujący

Sposób wyznaczania wskaźnika ryzyka przeciągu PD (System HSASposób 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.

)143,33696,0()05,0()34( 6223,0 +⋅⋅⋅−⋅−= ua TvvtPD

Badania własności termoizolacyjnych kabiny ciągnika TD-25D

Celem doświadczalnego wyznaczenia średnich współczynników przenikania ciepła dla wybranej ściany kabiny km zaadoptowano 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 pomocąelektrycznego źródła ciepła o znanej mocy.Współczynniki przenikania ciepła km w ustalonych punktach kabiny mierzono posługując się metodą przewodnościową. Metoda ta sprowadza się do pomiaru gęstości strumienia ciepła qm przepływającego w wybranym obszarze pomiarowym (przepływ ciepła przez ściankę płaską przy użyciu czujnika o

działaniu opartym na zastosowaniu dodatkowego oporu cieplnego).Wartość współczynnika km określono na podstawie zależności:gdzie:qm [W/m2] – gęstość strumienia ciepłatwk [°C] – temperatura wewnątrz kabiny w otoczeniu punktupomiarowego strumienia ciepła (ok. 15 mm od powierzchni czujnika strumienia).tzk [°C] – temperatura na zewnątrz kabiny w strefie punktupomiarowego strumienia ciepła (około 20mm od powierzchniczujnika 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°Cb) gęstości strumienia ciepła typu 111 prod. AMR Ahlborn o zakresie pomiarowym od 50 do 100 W/m2, przy czułości progowej wynoszącej 1 W/m2

c) wilgotności powietrza – typu FG80Hd) 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).

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

9

Schemat stanowiska pomiarowego:

1

23

715mm

dach

8

9

50

4

6

T H E R M 5 5 0 0 IB M P C 3 8 6P 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 wizualizacjęprzebiegu 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/m2⋅°C]=−

=3407,1723837,37

05349,90km

Przed 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 normowePN-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

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….