تقـــديــــــــم تكييف الهواء هو عبارة عن علم هندسي تطبيقي يبحث في تعيين طرق الحصول علللى وسللط صللناعي يحقق حالة الراحة للنسان مهما كانت حالة الهواء الخارجي المحيطة به. في الماضي كان يعتبر تكييف الهواء من الكماليات ،الن يعتبر من الضروريات لنه يوفر: ل جو صحي مناسب لزيادة النتاج . ل جو خاص يلمئم غرف العمليات في المستشفيات ،مصانع الدوية ومصانع تجميع الجهزة الدقيقة . ل جو مناسب لبعض الصناعات مثل صناعة الغزل والنسيج ،صناعة الورق ،صناعة الدخان والصناعات الغذامئية . ل جو خاص لحفظ الكتب ،الرسومات والتحف في المكتبات والمتاحف . ل هواء مكيف لراحة النسان في وسامئل النقل برًا ،جواً ،وبحرًا. ل وسط مريح للنسان في المنازل ،الفنادق ،المسارح ،السينمات ،المطاعم ،المحلت التجارية ، المباني الدارية والمكاتب الخاصة والعامة . أدى اضمحلل مصادر الطاقة وترشيد استهلكها إلى تطوير أنظمة التبريد والتسخين . أدت سياسة النفتاح وتشجيع الستثمارات الجنبية والمحلية إلى التوسع في استخدام تكييف الهواء في جمهورية مصر العربية وإلى إنشاء مصانع محلية مثل شركة ميراكو لتكييف الهواء والشركة الدولية لتكييف الهواء لنتاج وحدات موديل شباك ،سبليت ومركزية .قامت شركة كولدير بتطوير إنتاجها من وحدات الشباك والمركزي وتوسعت لتنتج وحدات السبليت ، المراوح ووحدات رش المياه . الكتب المتداولة باللغة العربية والمتوفرة حاليا ً في مصر والدول العربية معظمها يتناول صيانة أجهزة تكييف الهواء ينقصها المبادئ والساسيات العلمية ول تصلح لتدريس مادة تكييف الهواء في كليات الهندسة ،التربية والمعاهد الفنية. هذا الكتاب يشتمل على مبادئ السيكرومتري ،عملياته ودوامئره ،حسابات حمل التبريد والتسخين، مبادئ التهوية ،توزيع الهواء،تصميم المسالك الهوامئية ،أجهزة تكييف الهواء ومبادئ التحكم في درجات الحرارة ،الرطوبة والصوت. هللذا الكتللاب يجللده مهندسللي التصللميم ،مقللاولي أعمللال التكييللف بالضللافة إلللى الطلب فللي مرحلللة البكالوريوس مرجع مفيد في مجال تكييف الهواء . هذا الكتاب مثل كتبي في مجال الثرموديناميكا الهندسية ) 1974و 1977و ،(1983التبريد ) (1984والبخار ) (1986يعطي المبادئ والتطبيقات في لغة عربية سلسة ،مدعمة بالرسومات، الجداول،الصطلحات الفنية والمعادلت الرياضية باللغة النكليزية وبالوحدات العالمية وذلك لتحقيق سرعة الفهم وإدراك المبادئ الساسية لتكييف الهواء وبالتالي يسهل متابعة المراجع الجنبية. أشكر أساتذة شعبة البخار والتبريد بقسم هندسة القوى الميكانيكية بكلية الهندسة جامعة السكندرية على توجيهاتهم وملحظاتهم الفنية .كما أشكر كل من ساهم في إخراج الكتاب على هذه الصورة المشرقة خاصة منشأة المعارف ومركز الدلتا للجمع التصويري . آمل أن يساهم هذا الكتاب في مل فراغ هذه المكتبة العربية الهندسية وأن يعود بالفامئدة العملية على طلب كليات الهندسة ،المعاهد الفنية ،المهندسين ،المقاولين الفنيين العاملين في مجال تكييف الهواء وتطبيقاته لراحة النسان وللصناعة. وا ولي التوفيق. د.م .رمضان أحمد محمود. أستاذ التبريد وانتقال الحرارة.كلية الهندسة جامعة السكندرية.
المحتويات
)(CONTENTS
الرموز المستخدمة: الباب الول:
مبادئ وتعريفات
الباب الثاني:
السيكرومتري
الباب الثالث:
عمليات السيكرومتري
الباب الرابع:
دوامئر السيكرومتري
الباب الخامس:
حسابات حمل التبريد
الباب السادس:
حسابات حمل التسخين
الباب السابع:
السريان خلل المسالك والتركيبات
الباب الثامن:
تصميم المسالك الهوامئية
الباب التاسع:
التهوية وتوزيع الهواء
الباب العاشر:
المراوح
الباب الحادي عشر:
أجهزة تكييف الهواء
الباب الثاني عشر:
التحكم في أجهزة تكييف الهواء
الباب الثالث عشر:
الضوضاء والهتزازات
الباب الرابع عشر:
تنقية الهواء
ملحق
رموز مستخدمة )(Notations A
ل مساحة
Bل ضغط بارومتري Cل معامل ل تكلفة ل نسبة تركيز Cpل حرارة نوعية مع ثبات الضغط d , Dل قطر J dbtدرجة حرارة جافة dptل درجة الندى Eل طاقة ETل درجة الحرارة المؤثرة - fمعامل الحتكاك h
ل معامل انتقال الحرارة
H
ل ارتفاع ل نسبة رطوبة iل انثالبيا كلية ل شدة إشعاع Iل انثالبيا كلية ل شدة إشعاع kل معامل توصيل حراري
l.Lل طول Leل طول مكافئ Lpل مستوى الضغط mل كتلة ل معدل سريان الكتلة nل عدد Pل ضغط Pل قدرة Qل حرارة ل معدل السريان Uل معامل انتقال حرارة كل R.Hل رطوبة نسبية SHFل معامل حرارة محسوسة tل درجة حرارة TRل طن تبريد vل حجم نوعي Vل حجم Vل سرعة Wل عرض Xل مسافة Eل اتجاه شرق
Nل اتجاه شمال Sل اتجاه جنوب Wل اتجاه غرب
رموز تحكم Cل مشترك DMل خانق مع موتور Fل سريان Hل هيميدستات HLTل أعلى مستوى حرارة LLTل أدنى مستوى حرارة NCل دامئم القفل NOل دامئم الفتح Rل مرحل RRل مرحل عكسي SVل صمام مغناطيسي Tل ثرموستات Vل صمام VAVل هواء متغير الحجم
معدات Aل نقطة الندى للجهاز AHUل وحدة مناولة هواء CCل ملف تبريد HCل ملف تسخين
وحدات BMRل معدل ايض الغذاء BTUل وحدة حرارة بريطانية CFMل قدم مكعب لكل دقيقة CLOل مقاومة الملبس dbل ديسبل FPMل قدم لكل دقيقة kwل كيلو وات Mل حرارة ايض الغذاء Metل معدل ايض الغذاء NCل معيار الصوت Paل بسكال RPMل عدد اللفات في الدقيقة
رموز لتينية αل معامل امتصاص ل زاوية Δل فرق ηل كفاءة ηل كفاءة الترطيب µل وزن جزمئي νل لزوجة نسبية ξل عدد مرات تغير الهواء ρل كثافة ∑ مجموع T
زمن ل عدد ساعات
مقطع لحق dل ديناميكي fل احتكاكي Iل داخلي Lتارك ل كامنة Mمخلوط هواء Mل متوسطة Oخارجي Rل راجع Sل تغذية ل استاتيكي Tل كلية Vل سرعة Wل ماء
مبـــــــادئ وتعريفــــــــــات
البــــــاب الول
CONCEPTS & DEFINTTIONS (Air conditioning)
تكييف الهواء
1-1
التهوية
1-2
(Importance of air)
أهمية الهواء
1-3
(Human comfort)
راحة النسان
1-4
خريطة الراحة
1-5
درجة الحرارة الفعالية
1-6
اعتبارات فسيولوجية
1-7
راحة جسم النسان
1-8
توليد حرارة أيض الغذاء
1-9
تبادل الحرارة بين جسم النسان والوسط المحيط
1-10
(Ventilation)
(Comfort chart) (Effective temperature) (Physilogical effects) (Body comfort) (Metabolic heat production)
(Heat exchange between human body and enviroment)
طرق تبادل الحرارة مع جسم النسان (Methods of heat exchange with human body)
1-11
البــــــاب الول مبـــــــادئ وتعريفــــــــــــات CONCEPTS & DEFINTTIONS
1ـ 1تكييف الهواء
Air conditioning
تكييف الهواء عبارة عن التحكللم فللي درجللة حللرارة الهللواء ،رطللوبته ،نقللاوته وسللريانه خلل مكان معين ليوفر وسطا ً مريحًا ،في جميع فصول السنة ،لشاغلي المكان .
1ـ 2التهويـــــة
Ventilation
التهوية عبارة عن تجديد الهواء في الملاكن المأهوللة بالنلاس علن طريلق تغذيلة المكلان بكميلة معينة من الهواء في وحدة الزمن ،وسحب كمية مماثلة لها ،للحصلول عللى جلو صلحي خلالي من الغبار ،التربة ،الغازات الفاسدة والروامئح الكريهة .
1ـ 3أهمية الهواء
Importance
يحتاج النسان في اليوم الواحد إلللى 1.2كللغ مللن المللاء 2.7 ،كللغ مللن الطعللام و 16كللغ مللن الهواء .يستطيع النسان أن يستغني عن الطعام لبضعة أسابيع وعن الماء لبضعة أيللام ولكللن ل يستطيع أن يستغني عن الهواء لكثر من عشر دقامئق . يحتمل أن يكون الهواء محمل بالتربة ،الغبار ،البكتيريا ،كما يحتمل أن يكون الهواء داخل الغرف ساكن ،رطب أو حار ،مما ينتج عنه أضراراً بالصحة العامة أو ضيقا ً في التنفس ، ينشأ عن الهواء الساكن فرق درجات حرارة ،من مستوى التنفس إلى سقف الحجرة ،يتراوح بين) ْ ( 16ْ - 8م . تتطلب القواعد الصحية تحريك الهواء بمعدل ل يقل عن 2.5لتر /ثانية ،وأن يكون ثلث هواء التغذية هواء نقي خارجي ،والباقي هواء راجع بعد تنقيته. يلحظ أن معدل تهوية مقداره 0.5لتر /ثانية /شخص ،يوفر الكسجين اللزم للتنفس ،بينما معدل تهوية 1.5لتر لكل ثانية لكل شخص سوف يحافظ على نسبة تركيز لغاز ثاني أكسيد الكربون أقل من .%0.6 يجب تحريك الهواء داخل الماكن المكيفة بسرعة تتراوح بين 0.15و 0.25متر لكل ثانية ل ينتج عنها إزعاج أو ضوضاء .
1ـ 4
راحـــــــــة النســـان Human comfort
يحتاج جسم النسان إلى وسط صحي مريح ،ويتحقق ذلك بمعالجة الخواص الخمس التالية : )أ( درجة حرارة الهواء الجافة: يلزم تبريد الهواء أو تسخينه قبل سريانه للماكن المراد تكييفها. )ب( نسبة الرطوبة يجب ترطيب الهواء أو إزالة رطوبته قبل سريانه للماكن المراد تكييفها. )جـ( حركة الهواء: يلزم تغيير معدل سريان الهواء وتوزيعه بحيث يشعر كل شاغلي الماكن المكيفة بنفس الحساس . )د( ـ تنقية الهواء : يلزم استخدام مرشحات هواء تعمل على التخلص من الشوامئب ،التربة وقتل البكتيريا. )هـ( ـ التهوية :يتطلب استخدام هواء نقي خارجي لتوفير الكسجين اللزم للتنفس .
1ـ 5خريــطـة الراحــــــة: تعطى خريطة الراحة ،الموضحة في شكل )1ل (1ل ،العلقة بين درجة حرارة الهواء الجافللة ، درجة حرارة الهواء الرطبة ،ورطوبته النسبية لسرعة هواء ،داخل الماكن المكيفللة تللتراوح بين ) ( 0.125 - 0.075م /ث . تعبر المناطق المهشرة في الخريطة عن مناطق الراحة صيفا ً وشتاًء ،وهي صالحة لرتفاعات تصل إلى ) (2100م ،فوق سطح البحر ولمعدل لبس ) (CLOيتراوح بين ). (0.8 -0.6 1ـ 6درجة الحرارة الفعالة Effective temperature درجة الحرارة الفعالة عبارة عن درجة تعبر في قيمة عددية واحدة عن درجة الدفء أو البرودة التي يشعر بها جسم النسان نتيجة تأثره بكل من درجة حرارة الهللواء ،ورطللوبته ،وحركتلله . يشعر الرجال والنساء بالراحة طوال العام عندما تكون الرطوبة النسبية للهواء في الحدود مللن ) (%70- %30ودرجة حرارة جافة تتراوح بين) ْ (25ْ - 23م . يعطي شكل ) (1-1خطوط ثبات درجة الحرارة الفعالة .يلحظ أنه لنفس درجة الحرارة الفعالة تتناسب كل من الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة الرطبة تناسبا ً عكسيا ً مع درجة الحرارة الجافة ،لدرجة تصميم جافة تتراوح بين )ْ (41ْ -38م درجة الحرارة الفعالة حوالي )ْ (24م .
تتوقف درجة الحرارة الفعالة على : )أ( الظروف المناخية
Climatic conditions
يلحظ أن درجة الحرارة الفعالة للطقس البارد ،أقل من نظيرتها للطقس الحار. درجة الحرارة الفعالة للمناطق الشمالية )ْ (20م شتاًء و )ْ (21م صيفا . للمناطق الجنوبية )ْ (21م شتاءً و )ْ (22م صيفا ً. )ب( فتــرة التواجــد
Occupancy duration
يفضل زيادة درجة الحرارة الفعالة كلما قلت فترة التواجللد فللي المللاكن المكيفللة لكللي ل يصللاب شاغلي المكان بالنزلت الشعبية. للمناطق الصحراوية والستوامئية درجة الحرارة الفعالة لفترة تواجد كبيرة حوالي )ْ (22م ولفترة تواجد قصيرة حوالي )ْ (24م . )جـ( الملبــــــس Clothes
تتوقف درجة الحرارة الفعالة على المقاومة الحرارية للملبس التي يرتديها شاغلي الماكن المكيفة .يعبر عن المقاومة الحرارية للملبس بالوحدة ).(CLO للشخص العريان ) ( CLO = 0وللشخص المرتدي رداء وصديري ) ( CLO = 1أي أن : ≤ CLO ≤ 1 0 )د( السـن والجنـس Age & Sox
تتوقف درجة الحرارة الفعالة على الجنس ،فهي للناث أكثر من نظيرتها للرجال ،بحوالي ) ْ ( 0.5م .كما تتوقف على سن النسان ،فهي للعمار فوق الربعين أكبر من نظيرتها لقل من الربعين بحوالي ) (ْ 0.5م . )هـ( نشاط النسان Human activity
يتطلب زيادة نشاط النسان توفير درجة فعالة أقل .
1ـ 7
اعتبارات فسيولوجية Physilogical effects
من وجهة النظر الهندسية :النسان عبارة عن محرك حراري . عند احتراق الغذاء داخل جسم النسان ،تتحول الطاقة الكيمامئية للوقود إلى عمل وحرارة . نتيجة سريان الدم تنتقل الحرارة إلى الجلد ،ومنه إلى الهواء المحيط بالنسان . يمكن تصنيف الحرارة التي يفقدها جسم النسان إلى حرارة كامنة ) (Latent heatوحرارة محسوسة ). (Sensible heat تتوقف الحرارة الكامنة على رطوبة الهواء بينما تتوقف الحرارة المحسوسة على درجة حرارة الهواء الجافة .عند ارتفاع رطوبة الهواء ،يقل معدل فقد الحرارة الكامنة ،بينما يزداد معدل فقد الحرارة المحسوسة ،عن طريق اتساع الشعيرات الدموية في الجلد ،مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة الجلد ،وبالتالي زيادة معدل الحرارة المفقودة من الجسم . عند ارتفاع درجة حرارة الهواء يقل معدل فقد الحرارة المحسوسة ،ويزداد معدل فقد الحرارة الكامنة عن طريق زيادة نشاط الغدد العرقية بالجلد ،زيادة العرق ومعدل فقد الحرارة الكامنة. زيادة رطوبة الهواء شتاءً ،يجعل النسان يشعر بالبرد ،بينما زيادتها صيفا ً ،تجعله يشعر بارتفاع في درجة الحرارة .انخفاض رطوبة الهواء ،خاصة حالة الجفاف ،يؤدي إلى تشقق جلد النسان وإصابته بالنزلت الشعبية . يشتمل جسم النسان على نظام تحكم معقد يعمل على حفظ درجة حرارة ثابتة )ْ 36.9م( لجسم النسان مهما كان كبيراً أو صغيرا ً ،ذكراً أو أنثى .إذا كان الهواء المحيط بجسم النسان مناسب للمحافظة على اتزان الجسم حراريا ً فإن النسان سوف يشعر بالراحة.
يشتمل جسم النسان على نظامين للتحكم في درجة حرارته: النظــام الول : يتحكم في معدل توليد الطاقة داخل الجسم ،أي أيض المواد الغذامئية ) (Metabolismيزداد معدل توليد الطاقة الداخلية عندما يشعر النسان بالبرد والعكس صحيح . النظــام الثاني: يتحكم في معدل فقد الحرارة وذلك عن طريق التحكم فللي مللدى اتسللاع الشللعيرات الدمويللة ،أي معدل سريان الدم بالقرب من سطح الجلد واتساع الغدد العرقيللة ،أي معللدل البخللر علللى سللطح الجلد .
1ـ 8راحـة جســم النسان
Body comfort
درجة الحرارة العادية لجسم النسان حلوالي )ْ (37م .و تعلرف بدرجلة الحلرارة تحلت السلطح وهي تختلف عن درجة حرارة السطح الخارجي أي الجلللد ،الللتي تللتراوح بيللن )ْ (37 -28م . فهي للصدر ) ، (37للكتاف ) ، (36للذرع ) ْ (32 – 28م ،وللساقين )ْ (34 – 31م. معرفة الطريقة التي يحافظ بها جسم النسان على اتزانه الحراري ،تسللاعد علللى إدراك عمليللة تكييف الهواء التي تعمل على راحة جسم النسان .يوّلد الجسم بصفة دامئمة حرارة نتيجة تحويل الطعام إلى طاقة ،ونتيجة حركة الجسم .لراحة النسان يجب التخلص من الحرارة الزامئدة عللن حاجته ،وحيث أن جسم النسلان علادة ينتلج حللرارة بمعللدل أكللبر ملن احتياجللاته ،فلإن الجسلم يتخلص منها بصفة دامئمة بالحمل ،والشعاع ،والتبخير في نفللس الللوقت ،وبمعللدلت مختلفللة: %60بالشعاع %25 ،بالتبخير %12 ،بالحمل و %3بالتوصيل . تعمل زيادة سرعة حركة الهواء على زيادة معدلت فقد الحرارة بالحمل والتبخير ،بينما ارتفللاع درجة حرارة الهواء يعمل على خفض معدلت فقد الحرارة . يحدث التبخير باستمرار من سطح جسم النسان وهذا يعمل على تبريده . يتراوح مدى الحرارة ) (Comfort rangeلجسم النسان بين ) ْ (27 – 22م ،مع رطوبة نسبية تتراوح بين ). (%50 - %40
1ـ 9
توليد حرارة ايض الغذاء Metabolic heat production
يعبر أيض الغذاء ،ميتابوليزم ،عن عملية اتحاد المواد الغذامئية مع الكسجين داخل الجسم وتوليد الطاقة اللزمة لجسم النسان لداء وظامئفه المختلفة .يحول جسم النسان معظم المواد الغذامئية إلى ثالث فوسفات الدينونسين الذي يغذي العضلت بالطاقة اللزمة لداء كل الغراض الضرورية بكفاءة تصل إلى .%25عندما يؤدي الجسم عمل ما يزداد معدل أيض الغذاء لتوفير الطاقة اللزمة للعمل .تعرف نسبة عمل النسان إلى الطاقة المتولدة داخل الجسم بكفاءة الجسم وقيمتها المتوسطة حوالي .%20 يتوقف معدل أيض الغذاء على السن ،الجنس ،وزن الجسم ونشاطه .انظر الشكل ). (2-1 وحدة أيض الغذاء هي المت ) (Metوتساوي 58وات /م 2من مساحة سطح جسم النسان. يعطي جلدول ) (1-1معدل ايض الغذاء للنسان . ويعطي جلدول ) (2-1مواصفات النسان القياسي . يمكن في جدول ) (3-1في الحسابات الحرارية اختيار معدلت ايض الغذاء المعطاة .
جدول ) (1-1معدل ايض الغذاء )(Met معدل اليض
حالة النسان
حالة النسان
معدل اليض
نامئم
0.7
شغل منزلي
1.6-2.0
جالس
1. 0
شغل مكتبي
1.1-1.3
واقف
1.2
مزاولة رياضة
يسير ببطء
2. 0
التنس
4
يسير بسرعة
4. 0
الباسكت
6
عمل معملي
1.4-1.8
المصارعة
8
1.6
تدريس
جدول ) (2-1مواصفات النسان القياسي السن
30
الطول
1.86متر
الوزن
68كيلو غرام
مساحة سطح الجسم
1.8متر مربع
درجة حرارة الجلد
ْ 37م
الحرارة النوعية
ْ34م 3.6كيلو جول /كغ ْ .م
سمك طبقة الدهن
5مليمتر
سوامئل الجسم
41لتر
ايض الغذاء الساسي
84وات
استهلك الكسجين
250ميليلتر /دقيقة
طرد غاز ثاني أكسيد الكربون
200مليلتر /دقيقة
ضغط الدم
80 / 120
معدل دقات القلب
65لكل دقيقة
تردد التنفس
12لكل دقيقة
معدل التهوية
6لتر /دقيقة
جدول ) (3-1معدلت ايض الغذاء )(W حالة النسان
معدل اليض )(W
سرعة الهواء
)(m/s 80 – 70
-
نامئم ومستريح جالس ومستريح
115– 105
-
جالس ويعمل
140 – 115
0.1
متحرك بسرعة 1.1م/ث
345 – 245
0.9
متحرك بسرعة 2م /ث
470 – 350
1.8
عمل صناعي خفيف
350 – 175
0.9
عمل صناعي متوسط
470 – 350
0.9
عمل صناعي ثقيل
700 – 525
-
عمل صناعي ثقيل جداً
880 - 700
-
يمكن استخدام المعادلت التالية بدللة وزن النسان ) (Wبالكيلوغرام ،طول النسان )(H بالسنتيمتر ،السن ) (ageومعدل التهوية ) (VRباللتر لكل دقيقة لتعين كل من :
)أ( مساحة سطح جسم النسان )A = 73.8 W0.425 H 0.725 (m2
)ب( معدل ايض الغذاء للرجال )(W
BMR = 3.22 + 0.66 W + 0.12 H – 0.33 age
)جل( معدل ايض الغذاء للناث )(W
BMR = 3.15 + 0.47 W + 0.09 H –0.22 age
)د( كثافة جسم النسان )(kg/m3
ρ = 0.028 W-0.3 H0.725 + 0.75
)هل( الطاقة المستهلكة )E = 12.07 VR – 0.6 (W
1-10تبادل الحرارة بين جسم النسان والوسط المحيط Heat exchange between human body and enviroment
يتطلب الداء الفسيولوجي لجسم النسان المحافظة على التزان الحراري بين جسم النسان والوسط المحيط به وهذا يتوقف على نشاط النسان ،تأقلمه مع الجو ،ملبسه ،درجة حرارة الهواء المحيط به ،رطوبته وحركته .طالما كان النسان قادراً على فقد كمية حرارة للهواء المحيط به مساوية لكمية الحرارة المتولدة داخل الجسم فإن درجة حرارة الجسم تبقى ثابتة .إذا عجز جسم النسان عن التخلص من طاقة ايض الغذاء فإنها تظهر على هيمئة طاقة داخلية تخزن في جسم النسان ويتبع ذلك ارتفاع في درجة حرارة جسم النسان. عندما يؤدي الجسم عملً معينا ً فإن جزء فقط من طاقة ايض الغذاء يستفاد بها كعمل ميكانيكي والباقي يطرد على هيمئة حرارة. معادلة التزان الحراري بين جسم النسان والوسط المحيط به هي : M ± QR ± QC – QE = W + Q S
ومعادلة كفاءة جسم النسان هيη = W / M:
Wل العمل الميكانيكي للنسان. Qsل التغير في الطاقة المخزونة داخل جسم النسان. Mل حرارة ايض الغذاء المتولدة داخل جسم النسان. QEل الحرارة التي يفقدها الجسم نتيجة تبخير العرق، الماء المنتشر خلل الجسم إلى السطح والماء المتواجد مع الهواء في الرمئة. QRل الحرارة التي يفقدها أو يكتسبها جسم النسان بالشعاع. QCل الحرارة التي يفقدها أو يكتسبها جسم النسان بالحمل. لتحقيق التزان الحراري للوسط المحيط بالنسان يجب أن نأخذ في العتبار متطلبات التهوية اللزمة له .معادلة التزان الحراري للوسط المحيط بالنسان هي:
M ± QR ± QC – Q E = W + Q S + Q V
QVل
عبارة عن الحرارة الناتجة عن التهوية.
يلحظ أنه عندما تكون درجة حرارة الهواء المحيط بالنسان أكبر من درجة حرارة الدم ) ْ37م( فإن جسم النسان يكتسب حرارة بالحمل والشعاع من الوسط المحيط به وتصبح معادلة التزان الحراري له هي: M + Q C + QR = W + Q E + QS
أي أنه في هذه الحالة يجب علللى الجسللم أن يفقلد كلل الحللرارة بللالتبخير لنلله للو فشلل فللي التخلص من كل الحرارة المتولدة والمكتسبة من الوسللط المحيللط بلله فللإن درجللة حللرارة الجسللم سوف ترتفع ويصبح النسان غير آمن على صحته.
1ـ 11طرق تبادل الحرارة مع جسم النسان: Methods of heat exchange with human body الحرارة التي يتبادلها جسم النسان مع الوسط المحيط به تكون على هيمئة حرارة محسوسة QSنتيجة الحمل والشعاع وعلى هيمئة حرارة كامنة QLنتيجة التبخير . يعطي جدول ) (4-1معدلت الحرارة وبخار الماء التي يعطيها النسان بدللة نشاطه ودرجة حرارة الوسط المحيط به.
جدول ) (4-1معدلت الحرارة وبخار الماء للنسان درجة نشاط النسان
لغرفة
عمل خفيف
معدلت الحرارة )(W
الماء )
QS
QL
QT
20
87.2
29.1
116.3
40
25
58.2
34.9
93.1
50
30
40.7
52.3
93
75
35
11.6
81.4
93
115
20
98.8
52.3
151.1
75
25
64
81.1
145.4
115
)(ْC حالة راحة
بخار (g/h
عمل متوسط
عمل عنيف
30
40.7
104.7
145.4
155
35
5.8
139.6
145.4
200
20
104.7
98.9
203.6
140
25
69.8
127.9
197.7
185
30
40.7
157
197.7
230
35
5.8
191.9
197.7
280
20
127.9
162.8
290.7
40
25
93
197.7
290.7
295
30
52.3
238.4
290.7
355
35
11.6
279.1
290.7
415
يلحظ أنه مع زيادة نشاط النسان تزداد معدلت الحرارة وبخار الماء التي يعطيها النسان وتكون معدلت زيادة الحرارة الكامنة أكبر من نظيرتها للحرارة المحسوسة .كذلك يلحظ أنه مع زيادة درجة حرارة الوسط المحيط بالنسان تنخفض الحرارة المحسوسة بينما يزداد كل من الحرارة الكامنة وبخار الماء ويكون مجموعهما ثابت عند درجة حرارة مساوية أو أكبر من ْ25م.
طرق تبادل الحرارة بين جسم النسان والوسط المحيط به هي : )أ( الحمــــــل ):(Convection معادلة تبادل الحرارة بالحمل هي: (QC = hc Ac (tB – t0 حيث:
toل درجة حرارة الهواء المحيط بالنسان. tBل درجة حرارة السطح الخارجي لجسم النسان. ACل مساحة سطح جسم النسان المعرضة لتيارات الحمل وتساوي حوالي 1.5متر مربع. hCل معامل انتقال الحرارة بالحمل بين السطح الخارجي لجسم النسان والوسط المحيط به وهو يتوقف على سرعة سريان الهواء خلل جسم النسان .
لسريان الهواء الحر
)(W / m2 . ºC
hc = 2.05 Δt 0.25
لسريان الهواء الجيري
)(W / m2 . ºC
hc = 3.66V 0.643
حيث Δt :ل فرق درجات الحرارة )ْ) ، (tB – toم( V
ل سرعة الهواء(m/s) ،
من المعادلت السابقة يتضح أن تبادل الحرارة بالحمل يزداد مع زيادة سرعة الهواء خلل جسم النسان وخفض درجة حرارة الهواء المحيط به. يلحظ أن الملبس التي يرتديها النسان تعمل على زيادة مساحة السطح المعرض لتيارات الحمل بحوالي %15وتسبب مقاومة حرارية مقدارها ْ) 0.1م متر مربع لكل وات(. )ب( الشعــــاع )(Radiation يتبادل النسان الحرارة بالشعاع مع السطح المحيطة به .يتوقف الشعاع على درجة الشعاع المتوسطة ) (MRTوهي عبارة عن درجة الحرارة المتوسطة للسطح التي تحيط بالنسان وهي تتوقف على سرعة الهواء وعلى درجة حرارة ترمومتر جلوب )ترمومتر زمئبقي عادي مغمور في كرة نحاسية سوداء قطرها 10سم( . يمكن حساب الحرارة المفقودة بالشعاع بالمعادلة: (QR = hr Ar es (ts – to حيث : tsدرجة حرارة السطح الخارجي للنسان وهي في المتوسط ْ33م. hrل معامل انتقال الحرارة بالشعاع ويساوي ) 8.15وات/متر مربع ْم(. esل معامل الشعاع لجسم النسان ويتراوح بين 0.65و 0.082 Arل مساحة سطح جسم النسان المعرضة للوسط الخارجي وتساوي 1.2متر مربع .
من العلقة الرياضية السابقة يتضح أن الحرارة التي يفقدها جسم النسان بالشعاع يمكن خفضها عن طريق خفض درجة حرارة الهواء المحيط بالجسم .لحساب الحرارة التي يفقدها جسم النسان بالحمل والشعاع معًا ،اقترح جيفوني ) (Givoniالمعادلة التالية:
)(QCR = h .V 0.3 . (to – 35
(W
hل عبارة عن معامل انتقال الحرارة الكلي .ويساوي 18.4للنسان النصف عاري و 15 في حالة ارتداء ملبس خفيفة و ) 13.5وات/متر مربعْ .م( في حالة ارتداء ملبس متوسطة. )جـ( التبخيـــر ): (Evaporation يوضح شكل ) (3-1التزان المامئي للنسان .تتم عملية التبخير داخل رمئة النسللان وعلللى جلده نتيجة النتشار والعرق .يتوقف معدل التبخير على حالة النسان كما هو موضح في جدول ). (5-1 جدول )1ل (5معدل التبخير للنسان )(ml/day الحالة المصدر المامئي
درجة الحرارة
تمرين عنيف
عادية
مرتفعة
النتشار
350
350
350
العرق
200
1400
5000
الرمئة
350
250
650
تعرف نسبة الحرارة التي يفقدها جسم النسان بالتبخير إلى حرارة التبريد الممكنة بالتبخير بكفاءة التبخير أو بالكفاءة الفسيولوجية لفراز العرق .العامل المحدد لمعدل التبخير هو نسبة كمية العرق المتبخرة فعلً إلى السعة التبخيرية العظمى للهواء وهي تتوقف على نوعية الملبس ،ضغط بخار الماء للهواء وسرعته. اقترح جيفوني المعادلة التالية لحساب أقصى سعة تبخيرية:
(m E,max = KV 0.3 (42 – V Pa) (g/s
والمعادلة التالية لحساب كفاءة التبريد بالعرق:
( η = e 0.6 ( mE/mE , max -0.12
Paل الضغط الجزمئي لبخار الماء.(mm Hg) ، Vل سرعة الهواء.(m/s) ، Kل معامل يتوقف على نوعية الملبس ويساوي 31.6للنسان نصف العريان و 20.5 للنسان المرتدي ملبس خفيفة. يمكن تعيين الحرارة المفقودة بالتبخير بالمعادلة:
(QE = hD AW ( HW - Ho) L
(W
حيث: hDل معامل تبادل الكتلة بين جسم النسان والوسط المحيط به. AWل مساحة سطح الجسم المعرض للتبخير. Hwو Hoل نسبة الرطوبة المناظرة لدرجة حرارة سطح جسم النسان والوسط المحيط به على التوالي. Lل الطاقة الكامنة لتبخير الماء والمناظرة لدرجة حرارة الهواء المحيط . من العلقة الرياضية السابقة يتضح أنه يمكن زيادة معدل التبخير عند زيادة سرعة الهواء وخفض نسبة رطوبة الهواء المحيط بالنسان. يمكن تعين معدل العرق بالمعادلة: (g/s
)(mW = ke AW (PW – Pa
حيث: Paل الضغط الجزمئي لبخار الماء في الهواء الجوي . Pwلالضغط الجزمئي لبخار الماء المناظر لدرجة حرارة السطح الخارجي لجسم النسان. Awل مساحة السطح المبلل لجسم النسان يساوي 1.5متر مربع.
Keل معامل انتقال الحرارة بالتبخير ومعادلته لسرعة هواء تتراوح بين 0.15و 3 متر/ثانية ومعادلتها: (Ke = 10.17 V 0.37
(g/s. m2 . mmHg
¤
¤
¤