toplotno zracenje

Toplotno zračenje i toplotni komfor

Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićOptiOptiččko zrako zraččenjeenje

Spektar optičkog zračenja je podeljen na tri područja:

Infracrveno (toplotno) zračenjeVidljivo zračenje (svetlost) Ultravioletno zračenje

povećanje frekvencije

povećanje talasne dužine

povećanje talasne dužine u nm

vidljiva svetlost


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićInfracrveno zračenje

Infracrveno zračenje ili infracrvena svetlost obuhvata elektromagnetno zračenje čije su talasne dužine veće od talasnih dužina crvene svetlosti a manje od talasnih dužina električnih talasa.

povećanje frekvencije

povećanje talasne dužine

povećanje talasne dužine u nm

vidljiva svetlost

Infracrveno zračenje pokriva opseg talasnih dužina od 750nm do 1mm.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićInfracrveno zraInfracrveno zraččenje enje

Sva tela i objekti u zavisnosti od temperature zrače infracrveni EM spektar.

Direktna sunčeva svetlost ima svetlosnu efikasnost od 93lm/W i obuhvata 47% infracrvenog zračenja, 46% vidljive svetlosti i 7% ultravioletnog zračenja.

Ljudsko telo na normalnoj temperaturi zrači uglavnom na talasnoj dužini od 10μm.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićInfracrveno zraInfracrveno zraččenje enje

Međunarodna komisija za osvetljenje preporučuje podelu IRzračenja na tri uža područja:

IR-A zračenje: 780-1400nmIR-B zračenje: 1.4-3μmIR-C zračenje: 3-1000μm

Infracrveno zračenje je za ljudsko oko nevidljivo, a koža ga oseća kao toplotu. Zbog toga se često naziva i toplotno zračenje.

Ovo zračenje se prostore kroz vakuum ili čist vazduh bez ikakvih gubitaka.

Kada zračenje pogodni neki predmet ili objekat energija zračenja biva apsorbovana i pri tome pretvorena u toplotu.

IR-A zračenje ima najveće toplotno dejstvo i iz tih razloga se primenjuje kod termičkih izvora.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićInfracrveno zraInfracrveno zraččenje (+)enje (+)

Infracrveno zračenje se koristi za daljinsko merenje temperature objekta. Postupak se zove termografija.U slučaju IR-A područja (veom topli objekti) postupak se naziva pirometrija.Infracrvene (termografske) kamere se koriste u vojne i industrijske svrhe i one detektuju EM zračenje u opsegu od 0.9 do 14μm formirajući termalnu sliku.Sva tela emituju infracrveno zračenje u zavisnosti od temperature. Što je veća temperatura povećava se količina zračenja.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićZakoni zraZakoni zraččenja crnog telaenja crnog tela

U fizici crno telo predstavlja objekat koji apsorbuje svu energiju EM zračenja koje pada na njega. Ni jedan deo energije se ne reflektuje niti prolazi kroz njega.Idealno crno telo ne postoji. Može se aproksimirati crnom šupljom kuglom sa otvorom u kojoj nastaje višestruka refleksija i apsorpcija EM zračenja, ali energija ne izlazi iz kugle.Crno telo apsorbuje svu energiju koja padne na njega i može samo zračiti energiju koja zavisi samo od njegovih karakteristika i ne zavisi od incidentnog zračenja.Intenzitet zračenja crnog tela zavisi samo od temperature crnog tela.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićZakoni zraZakoni zraččenja crnog tela enja crnog tela

Kada se crno telo nalazi u okruženju iste temperature TT kao što je temperatura crnog tela, crno telo će emitovati na isti način talasnu dužinu i intenzitet kao što bi je i absorbovao.Na sobnoj temperaturi crno telo emituje infracrveno zračenje a sa porastom temperature telo počinje da emituje vidljivu svetlost, od crvene do ljubičaste.

talasna dužina

inte

nzite

t


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićZakoni zračenja crnog tela (+)

Prve zakone toplotnog zračenja postavio je Kirhof. Kirhofov zakon daje relaciju između emisije i apsorpcije energije nekog tela izjednačavajući ove dve energije za slučaj termičke ravnoteže.

Ako je telo veće temperature u kontaktu sa telom niže temeperature preneće mu određenu količnu toplote, tako da će oba tela imati istu temperaturu, koja će ostati konstanta ako nema drugih gubitaka. Tela su tada u termičkoj ravnoteži.



Ukupna izračena energija zagrejanog tela u vidu EMEM(toplotnih) talasa W jednaka je proizvodu emisone moći tela, EE, površine tela, SS i vremena, tt:

[ ]JEStQ =

Emisona moć nekog zagrejanog tela određena je količikom izračene energije u jedinice vremena (snaga zračenja PP) i površine tela koje zrači na nekoj temperaturi.

[ ]2W/mSP

StQE zr==



Toplotna energija koju emituje neko telo i pada na neko drugo telo koje se nalazi u polju EMEM (toplotnih) talasa prvog tela, prema zakonu o održanju energije, biće jednaka zbiru apsorbovane, reflektovane i propuštene energije od strane drugog tela.

τα EEEE r ++=

Vrednosti energija zavise od odgovarajućih koeficijenata čiji je zbir jednak jedinici.

1=++ τα r



Ako je koeficijent apsorpcije jednak jedinici, telo ima osobinu da apsorbuje svu toplotnu energiju koja na njega padne. Takvo telo se naziva apsolutno crno telo.

Ako je koeficijent refleksije jednak jedinici, telo ima osobinu da odbije svu toplotnu energiju koja na njega padne. Takvo telo se naziva apsolutno belo telo.Ako je koeficijent propuštanja jednak jedinici, telo ima osobinu da propusti svu toplotnu energiju koja na njega padne. Takvo telo se naziva apsolutno termopropustljivo telo.U prirodi tela imaju vrednosti koeficijenata manje od jedinice i nazivaju se siva tela, tako da apsorbuju manje energije nego što na njih padne.



KirhofKirhof je proučavajući odnose apsorpcione i emisone moći tela došao do zaključaka koji su objedinjeni u Kirhofovom zakonu:Odnos emisionih moOdnos emisionih moćći ma kojih dveju povri ma kojih dveju površšina na datoj ina na datoj temperaturi jednak je odnosu njihovih koeficijenata temperaturi jednak je odnosu njihovih koeficijenata apsorpcije.apsorpcije.

2

1

2

1

αα

=EE

Odnos apsorbovane i emisione moći nekog tela ne zavisi od njegove prirode. Telo koje bolje apsorbuje energiju bolje i zrači tu istu energiju.



Slovenački fizičar BolcmanBolcman dokazao je da je energija koju izrači crno telo u jedinici vremena kroz jediničnu površinu, odnosno emisiona moć crnog tela, proporcionalna četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature.Njegov učenik, Štefan, je postavio matematičku formulaciju ŠŠtefantefan--Bolcmanovog zakonaBolcmanovog zakona:

4000 TE σ=

gde je σσ00 - Štefan-Bolcmanova konstanta.

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅= −

428

0 KmW10672.5σ

E



I za tela koja nisu apsolutno crna, za takozvana siva tela koja ne apsorbuju i ne emituju celokupnu energiju, važi da je emisiona moć proporcionalma četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature:

400TE εσ=

ali sa novom konstantom proporcionalnosti ε koja definiše emisivnost sivog tela.Emisivnost se definiše kao odnos emisone moći nekog tela i emisione moći crnog tela na istoj temperaturi. 0E

E=ε

Emisivnost definiše sposobnost nekog tela da emituje toplotnu energiju. Ima vrednost od 0 do 1.Crno telo ima emisivnost jednaku jedinici.



Pošto je prema Kirhofovom zakonu:

može se i na ovaj način definisati Kirhofov zakon koji važi za sva tela:

Emisivnost je jednaka koeficijentu apsorpcije.Emisivnost je jednaka koeficijentu apsorpcije.

10

α=

EE

αε =

2

1

2

1

αα

=EE


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan Cvetković

spek

tral

na g

ustin

a en

ergi

je [k

J/nm

]

Zakoni zračenja crnog tela (+)Kada temperatura crnog tela raste povećava se i ukupna izračena energija. Takođe, maksimumi zračenja se pomeraju ka kraćim talasnim dužinama približavajući se vidljivom delu optičkog spektra.



Ako maksimalnim vrednostima emisione moći odgvoara talasna dužina λmax, tada je prema Vinovom zakonuVinovom zakonuproizvod te talasne dužine i temperature crnog tela u kelvinima, T, konstantan:

bT =maxλ gde je bb - Vinova konstanta.

[ ]Km10898.2 3−⋅=b

Gornji izraz je namenjen za određivanje temperature bilo kojeg tela koje zrači i ima temperaturu koja se značajno razlikuje od temperature okruženja. Vinov zakon može da se formuliše i na sledeći način: Talasna dužina koja odgovara maksimalnoj emitovanoj energiji obrnuto je proporcionalna odgovarajućoj apsolutnoj temperaturi.

Tb

=maxλ



Tb

=maxλ



1.1.1. Infracrveno zraInfracrveno zraInfracrveno zračččenje.enje.enje.2.2.2. Crno telo.Crno telo.Crno telo.3.3.3. Kirhofov zakon.Kirhofov zakon.Kirhofov zakon.4.4.4. ŠŠŠtefantefantefan---Bolcmanov zakon.Bolcmanov zakon.Bolcmanov zakon.5.5.5. Vinov zakon.Vinov zakon.Vinov zakon.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićPrenošenje toplote

Toplotno zračenje prekriva spektar infracrvene svetlosti i jedan je od vidova prenošenja toplotne energije sa tela na telo, gde nije potreban fizički kontakt između tela koje emituje i objekta koji prima toplotu.Toplotno zračenje je prelaz toplotne energije koji se ostvaruje kroz emisiju i apsorpciju EM talasa.Prenos toplotne energije se odvija sa tela koje ima višu temperaturu na telo koje ima manju temperaturu.Prenosom toplotne energije menja se unutrašnja energija oba sistema u skladu sa I zakonom termodinamike.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićPrenošenje toplote (+)

Energija se ne može ni stvoriti ni uništiti.Energija može da pređe iz jednog oblika energije u drugi ali ukupna energija ostaje ista (konstantna).

I zak

on te

rmod

inam

ike



Toplota nije energija!Toplota je proces prelaska toplotne energije, odnosno promena

unutrašenje energije tela se vrši na račun dovedenog (odvedenog) rada i dovedene (odvedene) toplotne energije.

Prenošenje toplote (+)Promena unutrašnje energije sistema jednaka je razlici količini toplotne energije koja se dodaje sistemu i rada koji izvrši sistem.

I zakon termodinamike WQU −=Δpromenaunutrašnjeenergije

količinatop. energije dovedenasistemu

rad kojiizvršisitem

a) Toplota je oblik energije koja prelazi sa toplijeg na hladnije telo.

b) Toplota je proces prelaska toplotne energije sa toplijeg na hladnije telo.



Kada se toplotna energija dovodi termodinamičkom sistemu, njegova unutrašnja energija se povećava, a kada mu se toplotna energija odvodi unutrašnja energija se smanjuje.

Često se toplotna energija definiše kao sinonim za toplotu.To nije isto: Objekat ne može posedovati toplotu već samo energiju.Toplotna energija sa jednog na drugo telo se može prenositi na sledeće načine:

kondukcijom

konvekcijomtoplotnim zračenjem

Prenos toplotne energije može se izvršiti na jedan od navednih načina, istovremeno na dva ili sva tri načina.



Kondukcija je proces prenošenja toplotne energije od područja više temperature na područje niže temperature istog tela u cilju izjednačavanja temperaturnih razlika.

Kondukcija se obavlja podsticanjem molekula na kretanje dok je telo u mirovanju.

Takođe se može opisati i kao proces prenošenja toplotne energije sa jednog na drugo telo kad su tela međusobno spojena.



Ako se jedan kraj metalne šipke zagreva toplotna energija se prenosi na drugi nezagrejani kraj.

Sudaraju se sa molekulima koji se kreću manjim brzinama, i u tom procesu prenose kinetičku energiju na njih, nakon čega i oni počinju da se kreću brže.

Molekuli pod dejstvom toplotne energije počinju da se kreću većom brzinom, čime se povećava njihova kinetička energija.



Prenos toplotne energije kondukcijom može se iskoristiti za modelovanje gubitaka pri prenosu toplotne energije kroz zid.Količina energije Q koja se prenese u jedinici vremena kroz zid (dve paralelne ravni) jednaka je:

dTTS

tQ CH )( −=

ΔΔ κ

gde je κ - termička provodnost [W/mK],S – površina zida,d – debljina zida,TH – apsolutna temperatura tople straneTC - apsolutna temperatura hladne strane

Za različite materijale postoje tablica termičke provodljivosti.



Konvekcija je način prenošenja toplotne energije putem kretanja (strujanja) nekog fluida, kretanjem mase odnosno molekula fluida.Zagrevanjem fluida, molekuli fluida se kreću sa jednog mesta na drugo, u pravcu kretanja fluida, sudarajući se sa ostalim molekulima pri čemu im predaju deo energije, čime se prenosi toplotna energija.Konvekcija je zavisna od kretanja mase i može se javiti samo u gasovima i tečnostima.Konvekcija može biti:

prirodna – posledica razlike u gustini fluida, odnosno temperaturi fluidaveštačka ili prinudna izazvana nekim uređajem.



Konvekcija iznad vruće površine se javlja jer se povećanjem temperatura vazduha povećava zapremina vazduha (gasni zakon). Povećanjem zapremine vazduha smanjuje mu se gustina što uslovljava da se vazduh podiže - postaje "plivajući".

Povećanjem zapremine smanjuje se gustina

Ako se temperatura date mase vazduha povećava mora za isti faktor da se poveća i zapremina.

Topao vazduh se podiže

Hladan vazduh pada i zamenjuje topao vazduh

Gasni zakon

Pri konvekciji fluid veće temperature se podiže a fluid niže temperature pada.



Konvekcija može dovesti i do cirkulacije u tečnostima kao na primeru zagrevanja vode u šerpi iznad plamena. Zagrejana voda se širi i podiže na gore. Hladnija voda pri vrhu, veće gustine, pada na dno i dolazi do cirkulacije vode čime se prenosi toplotna energija sa izvora na tečnost.

Topla voda se podiže

Hladna voda pada na dno



Količina energije Q koja se dovodi telu ili se odvodi od tela u jedinici vremena proporcionalna je razlici temperature tela i njegovog okruženja:

)( 0 envTThStQ

−=ΔΔ

gde je: h - koeficijent prenosa toplotne energije [W/m2K],S – površina tela kojem se dovodi ili sa koga se odvodi energija,TO – apsolutna temperatura telaTsur - apsolutna temperatura okruženja

Koeficijent prenosa toplotne energije je:

tTSQhΔΔ

Δ= gde je ΔT razlika apsolutnih

temperatura tela i okruženja



Toplotno zračenje je način prenošenja toplotne energije posredstvom EM talasa, odnosno talasno-kvantnim kretanjem.Telo koje se zagreva emituje EM talase koji su nosioci toplotne energije kroz sredinu.Toplotna energija se od toplotnog izvora prvo transformiše u kvante EM talasa (fotone) i bezinom svetlosti se prostiru do drugog tela u kome se ona apsorbuje.Energija EM talasa ponovo prelazi u toplotnu energiju.Kod ovog tipa prenosa toplotne energije nije neophodan fizički kontakt dva tela. Nije potrebna ni elastična sredina jer se EM talasi prostiru i kroz bezvazdušni prostor.



Najznačajniji izvor toplotne energije za planetu Zemlju je Sunce koje svu energiju koju Zemlja dobija od njega prenosi putem EM talasa - toplotnim zračenjem.Toplotna energija koja do Zemlje stiže EM zračenjem deluje na tela povećavajući im na taj način temperaturu, odnosno njihovu unutrašnju energiju.



Količina energije Q koju izrači telo temperature T u jedinici vremena u okruženje temperature Tenv odgovara snazi zračenja tela i jednaka je:

[ ]WTTStQP envzr )( 44

00 −=ΔΔ

= εσ

gde je σ0 - Štefan-Bolcmanova konstanta, ε - emisivnost, S – površina izvora toplotnog zračenja, T0 – apsolutna temperatura izvora zračenja, Tenv - apsolutna temperatura okruženjaKod toplotnog zračenja koristi se i veličina -intenzitet toplotnog zračenja, koja predstavlja onu količinu energije toplotnog zračenja koja u jedinici vremena padne na jedinicu površine:

SPI zr

zr =



Intenzitet zračenja je dimenziono jednak emisionoj moći.

[ ]2W/mSPI zr

zr = [ ]2W/mSP

StQE zr==

Razlika između ove dve veličine je u stanju energije toplotnog zračenja. Kod emisione moći opisije se energija koja odlazi (emitovana je) sa neke površine, dok intenzitet opisuje energiju koja pada na jedinicu površine u jedinici vremena. Intenzitet zračenja se koristi kod merenja, analize i ocenjivanja štetnog dejstva toplotnog zračenja na čoveka.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićEfekti, merenje i ocena

Štetna dejstva toplotnog zračenja najizraženija su u radnoj okoilini, odnono na radnim mestima gde se mogu sresti različiti izvori toplotnog zračenja:

zagrejane površineotvorene ložišta i vatrevreli gasovi i parezagrejani materijali u tečnom stanju

Industrijski pogoni gde se najčešće sreće problem toplotnog zračenja su:

livnicevaljaonicetopionice

kalionicesušarekotlarnice


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićEfekti, merenje i ocena (+)

Toplotno zračenje može preko poremećaja mehanizma termoregulacije da dovede do velikih zdravstvenih poremećaja i telesnih oštećenja osoba koje su njemu izložene. Toplotno zračenja izaziva različite efekte koji zavise od:

karakteristika izvora zračenja (intenzitet zračenja i talasna dužina spektra)načina izlaganja zračenju (ekspozicija izvoru zračenja)

elektromagnetnih i bioloških karakteristika tkivaPovršina čovečijeg tela ima izrazito svojstvo da apsorbuje toplotne zrake. Čovek ove zrake registruje kao subjektivni osećaj toplote, a objektivno, oni izazivaju lokalno povećanje temperature.



Najveća opasnost od toplotnog zračenja je poremećaj mehanizma termoregulacije kod osoba koje su izložene dejstvu toplotnog izvora. Stabilnost mehanizma termoregulacije održava konstantnu temperaturu čovekovog organizma. Poremećaj mehanizma termoregulacije može da dovede do:

oštećenja srcaoštećenja krvnih sudovaanomalije krvnog pritiskaporemećaja rada endokrilnih žlezdiporemećaja rada bubregaoštećenja vida



Veliki intenzitet zračenja može da dovede i do termičkih efekata koji po svojim manifestacijama mogu biti opšteg i lokalnog karaktera. Lokalni efekti ograničavaju se na površinu ljudskog organizma i ispoljavaju se prvenstveno na koži i na organu vida. Opšti efekti nastaju kao posledica dejstva infracrvenog zračenja iz Sunčevog dela spektra na moždane opne i ispoljavaju se u obliku sunčanice . Toplotno zračenje može da dovede do toplotnog udara koji može da bude i smrtonosan.



Za merenje topotnog zračenja, pored ostalih metoda, koriste se metoda globus-termometra i metoda termovizijske kamere. Metoda globus termometra, iako jedna od najstarijih metoda, još uvek se koristi kao najjednostavnija i vrlo tačna metoda za merenje toplotnog zračenja. Globus-termometar se sastoji od šuplje bakarne lopte poluprečnika 10cm u koju je uvučen termometar. Spoljašnja površina kugle je obojena crnom bojom bez sjaja, tako da predstavlja telo sa približnim osobinama crnog tela - apsorbuje svu energiju koja padne na kuglu.



Postupak merenja: globus-termometar se unosi u sredinu gde se meri toplotno zračenjeglobus-termometar se ostavi da stoji 20 minočita se temperatura u globus-termometru tg i izmeri temperatura u blizini globus termometra toizmeri se brzina strujanja vazduha v u blizini globus-termometra

Toplotno zračenje se indirektno određuje preko srednje temperature okoline. Ova temperatura je temperatura na kojoj zagrejano crno telo na istom mestu, zrači jednakim intenzitetom kao i okolina.



Srednja temperatura zračenja se izračunava iz jednačine:

)(44oggzr ttvkTT −+=

k - konstanta globus-termometra

Na osnovu srednje temperature zračenja sa dijagrama se očita intenzitet toplotnog zračenja.

Tg - apsolutna temperatura u globus termometruT0 - apsolutna temperatura u okolini globus termometra

[ ]KtT gg += 273

[ ]KtT oo += 273



Termovizijska kamera ili infracrvena kamera je uređaj koji formira sliku objekta na osnovu infracrvenog zračenja, na sličan način kao i obične kamere koje formiraju sliku na osnovu vidljive svetlosti. Termovizijska kamera radi u opsegu talasnih dužina od 750nm do 14000nm.

Zmija oko ruke



U našoj zemlji nisu propisane deklarisane vrednosti za ekspoziciju toplotnom zračenju.Koriste se ICNIRP međunarodne preporuke.Npr. za termička oštećenja mrežnjače i mogućih zakasnelih efekata koji potiču od sočiva (kontaktna i beskontaktna) definisane su sledeće vrednosti za infracrveno zračenju u opsegu od 770nm do 3000nm:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡≤

−

243

mkW18tI zr

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= 2mW100zrI

t≤1000s

t>1000s

t - vreme ekspozicije u sekundama


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićMere zaštite

Medicinske, obrazovno-organizacione mere zaštite:uvođenje kratkotrajnih odmoraskraćenje radnog vremenaobrazovanje radnika iz oblasti štetnog delovanja toplotnog zračenja i pravilne upotrebe ličnih zaštitnih sredstavaorganizovanje punktova za pružanje prve pomoći i obuka radnika za prvu pomoćorganizoavanje i opremanje mesta za odmor i nadoknadu izgubljenje tečnostidavanje gaziranih i slanih napitakapraćenje stanja toplotnog zračenjaredovna kontrola stanja zdravlja radnika


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićMere zaštite (+)

Tehničko-tehnološke mere proizlaze iz zavisnosti intenziteta zračenja od snage izvora, rastojanja i vremena izloženosti;

smanjenje emisije toplotne energije izolacijom, hermetizacijom i hlađenjem prostorijaautomatizacija procesa proizvodnje i daljinsko upravljanjeizgradnja funkcionalne ventilacijepostavljnaje vazdušnih tuševapostavljnaje zaštitnih ekrana, vazdušnih i vodenih zavesalična zaštitna sredstva - radna odeća i obućavreme ekspozicije



1.1.1. Kondukcija.Kondukcija.Kondukcija.2.2.2. Konvekcija.Konvekcija.Konvekcija.3.3.3. Toplotno zraToplotno zraToplotno zračččenje.enje.enje.4.4.4. Efekti toplotnog zraEfekti toplotnog zraEfekti toplotnog zračččenja.enja.enja.5.5.5. Merenje toplotnog zraMerenje toplotnog zraMerenje toplotnog zračččenja.enja.enja.6.6.6. Ocena toplotnog zraOcena toplotnog zraOcena toplotnog zračččenja.enja.enja.7.7.7. ZaZaZaššštita od toplotnog zratita od toplotnog zratita od toplotnog zračččenja.enja.enja.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićToplotni komfor

Toplotni komfor predstavlja skup mikroklimatskih uslova u kojima se čovek oseća ugodno (ni suviše toplo ni suviše hladno), odnosno u kojima je postignuta toplotna ravnoteža organizma.

Toplotni komfor definiše odnose i uticaj okoline na organizam.


Fizički parametri radne i životne sredineProf. dr Dragan CvetkovićToplotni komfor (+)



Toplotni komfor ima fiziološku osnovu jer je određen osećajem toplote, odnosno hladnoće koji se doživljava preko kože čoveka.



Normalna temperatrua gornjih slojeva tela je 36.6°C.

Postoje odvojeni senzori za osećaj toplote i hladnoće.

Senzori za osećaj toplote i hladnoće "smešteni" su u koži.Senzori za toplotu šalju impulse hipotalamusu u mozgu kada je temperatura tela veća od 37°C.Senzori za hladnoću šalju impulse hipotalamusu u mozgu kada je temperatura tela manja od 34°C.Senzori za hladnoću šalju impulse mozgu kada je temperatura tela manja od 34°C.Postoje više senzora za hladnoću.



Odgovor ljudskog tela na osećaj komfora je podešavanje temperature tela, tako da je temperatura gornjih slojeva tela 36.6°C.



aktivnostimpulsi

hladnoćeimpulsi toplote

Razlika u impulsima senzora za hladnoću i toplotu stvara osećaj hladnoće i toplote.

Toplotni komfor (+)

Što je veća temperaturska razlika veći je broj impulsa.Izjednačenost impulsa -neutralno stanje.Mehanizmi tela za povišenje temperature:

smanjenje protoka krvidrhtanje

Mehanizmi tela za smanjenje temperature:

povećanje protoka krviznojenje (isparavanje vode)



Održavanje temperature tela na određenom nivou moguće je ukoliko postoji ravnoteža između toplotnih dobitaka i toplotnih gubitaka - toplotni balans.

Proces Toplotni dobici Toplotni gubici

metabolizam oksidacioni procesi u organizmudodir sa toplim telom

viša temperatura vazduhazračenje Sunca ili drugih tela više

temperature-

-kondukcija dodir sa hladnim telom

zračenje zračenje ka površini niže temperature

znojenje i disanje

isparavanje znoja i vlage sa površine kože i iz pluća

konvekcija niža temperatura vazduha



Jednačina toplotne ravnoteže:

KEEEH reswd ±++=

vd CCRK ++=

H [W] – toplotna energija oslobođena u organizmu u jedinici vremena (ukupni dobici i gubici)Ed [W] – toplotna energija u jedinici vremena izgubljena procesom difuzije pare iz unutrašnjosti do površine kožeEsw [W] – toplotna energija u jedinici vremena izgubljena procesom znojenjaEre [W] – toplotna energija u jedinici vremena izgubljena kroz respiratorne organeK [W] – toplotna energija u jedinici vremena koja se prenosi sa naše kože na okolni vazduh

R [W] – zračenjeCd [W] – kondukcijaCv [W] – konvekcija



Jednačina toplotne ravnoteže:

WMH −=H [W] – toplotna energija oslobođena u organizmu u jedinici vremena (ukupni dobici i gubici)M [W] – energija metabolizma koja se oslobađa u organizmu u jedinici vremenaW [W] – rad izvršen od strane organizma u jedinici vremna

KEEEWM reswd ±++=−

Stepen iskorišćenja energije metablozma:

MW

=η 10 ≤≤η



Nivo metabolizma se često izražava u jedinicama:

2mW15.58Met1 =



Ukoliko dođe do poremećaja toplotne ravnoteže dolazi do aktiviranja samoregulacije:

toplo: širenje krvnih sudova, ubrzanje cirkulacije, znojenje, toplotni udar i preko 42°C smrthladno: sužavanje krvnih sudova, smanjenje cirkulacije, koža se ježi, drhtavica, hlađenje temperature do 30°C -25°C smrt



Parametri koji utiču na toplotni komfor mogu biti:subjektivniobjektivni

Subjektivni parametri su vezani za stanje, ponašanje i način života pojedinca:

nivo utopljenosti (izbor odeće)aktivnostzdravstveno stanjeaklimatizacija – individualna karakteristika pojedinca koja zavisi od zdravstvenog stanja, pola, godina starosti



Objektivni parametri su vezani za relevantne karakteristike okruženja:

Toplotni komfor (+)

temperaturavlažnost vazduhakretanje vazduhatoplotno zračenje

pritisak



Temperatura vazduha je najbitniji faktor za osećaj toplotnog komfora, ali se prava slika o uslovima neke sredine dobija tek u kombinaciji sa ostalim faktorima.

Toplotni komfor (+)

Temperatura kao fizička veličina je jedno od fizičkih svojstva tela i sredine koje se definiše kao stepen zagrejanosti tela i sredine.Za merenje temperature koriste se različite vrste termometara a temperatura se izražava primenom različitih skala:

Celzijusova skala, °CFarenhajtova skala, °FReomirova skala, °RApsolutna skala, °K



Za ocenu toplotnog komfora koriste se:Toplotni komfor (+)

operativna temperatura, t0ekvivalentna temperatura, teq

efektivna temperatura, tef

Operativna temperatura je uniformna temperatura imaginarne crne prostorije u kojoj bi osoba izmenila istu količinu toplotne energije (konvekcijom, kondukcijom i zračenjem) sa okruženjem kao i u stvarnom neuniformnom okruženju, pri čemu je brzina strujanja vazduha u obe prostorije ista. .



OPERATIVNA TEMPERATURAToplotni komfor (+)

Na levoj strani je realna situacija - prostorija sa neuniformnom temperaturom.Na desnoj strani je imaginarna prostorija sa uniformnom temperaturom.U oba slučaja gubitak temperature je isti.



Ekvivalentna temperatura je uniformna temperatura imaginarne crne prostorije u kojoj bi osoba izmenila istu količinu toplotne energije sa okruženjem kao i u stvarnom neuniformnom okruženju, pri čemu je brzina strujanja vazduha u imaginarnoj prostoriji jednaka nuli.



Efektivna temperatura je uniformna temperatura imaginarne crne prostorije u kojoj bi osoba izmenila istu količinu toplotne energije sa okruženjem kao i u stvarnom neuniformnom okruženju, pri čemu su brzine strujanja vazduha u ove prostorije jednake a relativna vlažnost u imaginarnoj prostoriji jednaka 50%.

Efektivna temperatura

%50=ϕ



Vlažnost vazduha omogućava isparavanje organizma.Atmosfera uvek predstavlja mešavinu podene pare i suvog vazduha.Za osećaj ugodnosti u nekoj sredini značajno je da:

sadržaj vodene pare bude promenljiv u zavisnosti od namene prostorije i aktivnostipostoji određeni međusobni odnos temperature i vlažnosti vazduha

Optimalno: 20-25 °C / 50-60%



Apsolutna vlažnost je količina vodene pare (m) koju sadrži 1m3 vazduha na nekoj temperaturi.Maksimalna vlažnost je najveća količina vodene pare (M) koju 1m3 vazduha može da primi na nekoj temperaturi. To je stanje zasićenja.Relativna vlažnost je odnos stvarne količine vodene pare (m) u 1m3 vazduha na nekoj temperaturi i najveće količine vodene pare (M) koju 1m3 vazduha može da primi na istoj temperaturi. Izražava se najčešće u procentima.

%100⋅=Mmϕ



Kretanje vazduha povećava meru odavanja toplotne energije sa površine tela, a u slučaju niže temeprature vazduha u odnosu na temperaturu organizma, povećava isparavanje organizma.Kretanje vazduha se definiše brzinom strujanja vazduha, v [m/s].



Usled prisustva toplih ili hladnih tela njihovo zračenje ili apsorpcija utiče na utiče na osećaj toplotnog komfora.Najugodniji uslovi: srednja temperatura zračenja (sve površine okruženja i sva grejna tela) za 2°C veća od temeprature vazduha.

Prihvatljivi uslovi: srednja temperatura zračenja za 2°C niža od temperature vazduha.



STANDARDI



Metodologija merenja i ocenjivanja toplotnog komfora u radnoj okolini definisana je međunarodnim standardom ISO 7730/05 koji definiše metodu za prognozu toplotnog osećaja i stepena toplotnog nezadovoljstva osoba koje su izložene toplotnom okruženju.Standard omogućava analitičko određivanje i intepretaciju toplotnog komfora radne okoline na osnovu indeksa PMV i PPD i kriterijuma za toplotni komfor.Na ovaj način se određuje toplotni komfor koji je prihvatljiv za određeni procenat radnika (definisan indeksom PPD) koji borave u posmatranoj radnoj okolini.



PMV indeks definiše srednju ocenu toplotnog komfora radne okoline velike grupe radnika na skali toplotnog osećaja od -3 do 3 koja je zasnovana na toplotnoj ravnoteži tela.

Vruće Toplo Umereno toplo Neutralno Umereno hladno Hladno Veoma

hladno+3 +2 +1 0 -1 -2 -3

Kako je subjektini toplotni osećaj kod čoveka uglavnom povezan sa toplotnom ravnotežom njegovog tela kao celine, na toplotnu ravnotežu i na vrednost PMV indeksa utiču:

aktivnoststepen odevenosti

temperatura vazduhasrednja temperatura zračenjabrzina strujanja vazduharelativna vlažnost vazduha



Kada su pomenuti parametri poznati, moguće je odrediti PMV indeks na osnovu algoritma koji je dat u standardu ISO 7730/05, ili softverskog alata PMVcalc.



Kategorije radne okoline.

Toplotno stanje celog telaKategorije PPD

%PMV

A <6 -0.2<PMV<0.2B <10 -0.5<PMV<0.5C <15 -0.7<PMV<0.7



1.1.1. Toplotni komfor.Toplotni komfor.Toplotni komfor.2.2.2. JednaJednaJednačččina toplotne ravnoteina toplotne ravnoteina toplotne ravnotežžže.e.e.3.3.3. Parametri toplotnog komfora.Parametri toplotnog komfora.Parametri toplotnog komfora.4.4.4. Ocena toplotnog komfora Ocena toplotnog komfora Ocena toplotnog komfora --- PMV i PPD indeks.PMV i PPD indeks.PMV i PPD indeks.

toplotno zracenje

Documents