Nummerical modelling of heat exchange between a human body and the environment

• Autorzy: Wacławik J. , Branny M.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne wymiany ciepła między organizmem człowieka a otoczeniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper outlines a mathematical model of the heat exchange between a human and environment inside a mine working. At low and moderate temperatures and air humidity, the body heat is transferred to the environment essentially by convection. In extreme climatic conditions heat exchange is accomplished by sweat evaporation. At temperatures exceeding the skin temperature heat loss by evaporation becomes the main temperature regulation mechanism. In our considerations we assumed the state of thermal equ­ilibrium, when no heat is accumulated in the body. The heat balance for the human body is given as: M=C+R+B+E where: M - metabolic heat production, C - conductive heat, R - radiation heat exchange (long-wave radiation), E - evaporative heat transfer, B - respiratory heat loss. An assumption is made that the average skin temperature is a factor controlling the convective, radiant and evaporative modes of heat exchange. Several formulas come from the international standard ISO 7933 "Hot environments. Analytical determination and interpretation of thermal stress using calcu­lation of required rate of sweat productions". Factors that affect the state of thermal stress include: -heat accumulation in a worker's body; -maximum rate of sweat productions emitted during work; -dehydration level; -level of skin wettedness. The heat balance of human body enables the estimation of these parameters.

PL

Przedmiotem pracy jest matematyczny model wymiany ciepła między ciałem górnika a otoczeniem w wyrobiskach podziemnych. Przy niskich i umiarkowanych temperaturach i wilgotnościach powietrza ciepło z ciała górnika odprowadzane jest do otoczenia przede wszystkim drogą konwekcji. W trudnych warunkach klimatycznych dominującą rolę odgrywa parowanie potu. W temperaturach powietrza prze- wyższających temperaturą skóry ciała parowanie potu jest jedynym mechanizmem odprowadzenia ciepła z ciała. Omawiane w pracy obliczenia dotyczą stanu równowagi cieplnej, gdy w ciele nie gromadzi się ciepło. Bilans cieplny ciała wyraża zależność: M=C+R+B+E gdzie: M - metabolizm, C - konwekcja, R - promieniowanie, B - oddychanie i E - parowanie potu. W pracy przyjęto, że funkcję regulującą wymianę ciepła spełnia średnia temperatura skóry ciała człowieka, a podana równość zachodzi dzięki dostosowaniu konwekcji, promieniowania i parowania potu do panujących warunków. Wiele wzorów zastosowanych w obliczeniach zaczerpnięto z normy PN- 88/N-08008 „Ergonomia, środowiska gorące, analityczne określanie i interpretacja stresu cieplnego oparte na podstawie obliczenia wymaganej ilości potu". Stan obciążenia (stresu) i napięcia cieplnego może być oceniany na podstawie: -akumulacji ciepła w ciele człowieka; -maksymalnej ilość potu wydzielanej podczas pracy; -odwodnienia organizmu; -poziomu nawilgocenia skóry. Bilans cieplny ciała człowieka umożliwia oszacowanie wymienionych parametrów. Ilość ciepła wymienianego drogą konwekcji określano z wzoru (7), ciepło wymieniane przez promieniowanie wyliczano z zależności (10), ciepło wymieniane drogą oddychania z wzoru (16) zaś ciepło odprowadzane drogą parowania potu z (22). Obliczenia zamieszczone w pracy wykonano dla warunków klimatycznych występujących obecnie jak i prognozowanych w wyrobiskach solnych. Przyjęto temperaturę powietrza na termometrze suchym zawartą w przedziale 29-52°C oraz na termometrze wilgotnym wynoszącą 27°C. W rozważaniach uwzględniono dwie wartości metabolizmu 165 i 120 (lub 100) W/m^{2. Pierwsza wartość odpowiada umiarkowanemu wysiłkowi fizycznemu natomiast druga wynika ze zmierzonego wydatku energetycznego na stanowiskach pracy w wyrobiskach solnych przez Zespół Katedry Fizjologii Akademii Medycznej we Wrocławiu. Z uwagi na właściwości odzieży używanej przez pracowników dołowych obliczenia wykonano dla wartości oporu cieplnego odzieży wynoszącej 0.6 clo. Na rys. 1-4 przedstawiono wartości ciepła wymienianego między ciałem górnika a otoczeniem drogą oddychania, konwekcji, parowania potu i promieniowania, przy których występuje równowaga cieplna organizmu. Charakterystyczne jest to, że dla temperatur większych od 33-34 st.C strumienie ciepła przenoszone drogą konwekcji i promieniowania przekazywane są do ciała człowieka. Omówione szczegółowo przykłady ilustrujące modelowanie numeryczne bilansu cieplnego organizmu człowieka, ubytków wody w organizmie oraz czasu pracy z uwagi na wymagany strumień potu wykonano dla temperatury na termometrze suchym równej 33°C, temperatury wilgotnej 27°C oraz meta­bolizmu 165 W/m2 zaś wyniki zamieszczono w tabelach 3 i 4. Gdy opór odzieży wynosi 1 clo a prędkość przepływu 0.5 m/s, już w temperaturze T}_{a = 35°C średnia temperatura skóry ciała jest równa wartości granicznej Tsk = 35.2°C , a przy Ta= 52°C osiąga 37°C. Przy prędkości 1 m/s bezpieczna temperatura skóry zostaje przekroczona przy 48°C. Dla rozpatrywanych wartości temperatury Ta nawilżenie skóry jest pełne. Wskaźnik określający czas pracy DLE3 mieści się w przedziale od 6 do 3 godzin. Dla rozpatrywanych warunków klimatycznych wyznaczono wskaźnik zdolności chłodniczej środowiska CP a jego przykładowe wartości zamieszczono w tablicy 5.}

Słowa kluczowe

EN

thermoregulation model; metabolic heat balance; thermal stress

PL

matematyczny model termoregulacji; bilans cieplny organizmu; stan obciążenia cieplnego

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 49, nr 2
• Strony: 223--251
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., wykr.

Twórcy

autor

Wacławik J.

autor

Branny M.

• Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland