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Heat transfer through protective clothing under symmetric and asymmetric long wave thermal radiation

Bröde, Peter; Kuklane, Kalev LU ; Candas, Victor; den Hartog, Emiel; Griefahn, Barbara; Holmér, Ingvar LU ; Meinander, Harriet; Nocker, Wolfgang; Richards, Mark and Havenith, George (2008) In Zeitschrift für Arbeitswissenschaft 62(4). p.267-276
Abstract (Swedish)
Abstract in French

Cette etude reprend les resultats d'une recherche co-financee par la Communaute Europeenne sur les effets thermiques des vetements de protection et sur l'astreinte physiologique qui en resulte dans les conditions de travail. L'etude concerne l'infiuence de l'asymetrie de rayonnement thermique. L'echange thermique a ete mesure al'aide d'un mannequin calorimetrique sous l'influence de rayonnement infra-rouge omnidirectionnel ou unilateral avec le meme flux incident de 279W1m2 et a ete compare aune condition d' identite des temperatures de l'air et de rayonnement. En cas de rayonnement, l'absorption de chaleur par le corps total etait independante de la geometrie radiative en ce qui conceme les flux... (More)
Abstract in French

Cette etude reprend les resultats d'une recherche co-financee par la Communaute Europeenne sur les effets thermiques des vetements de protection et sur l'astreinte physiologique qui en resulte dans les conditions de travail. L'etude concerne l'infiuence de l'asymetrie de rayonnement thermique. L'echange thermique a ete mesure al'aide d'un mannequin calorimetrique sous l'influence de rayonnement infra-rouge omnidirectionnel ou unilateral avec le meme flux incident de 279W1m2 et a ete compare aune condition d' identite des temperatures de l'air et de rayonnement. En cas de rayonnement, l'absorption de chaleur par le corps total etait independante de la geometrie radiative en ce qui conceme les flux convectif, radiatifet evaporatoire. Deplus, l'absorption etait reduite avec des sous-vetements plus isolant. D'autre part, en condition de rayonnement unilateral, on a observe des valeurs superieures de l'absorption de chaleur et des temperatures de surface exposees principalement au flux radiant.



Importance pratique



On peut negliger la geometrie plane du rayonnement thermique, s'il faut estimer par le calcul des bHans thermiques, les effets physiologiques du stress thermique avec les vetements de protection. Toutefois, l'asymetrie de rayonnement represente un facteur important pour l'inconfort thermique, et il faut considerer les temperatures des objets environnants les plus chauds pour l'evaluation des risques de brillure cutanee.



Abstract in German

Arbeitskleidung, die zum Schutz vor chemischen, biologischen, mechanischen oder thermischen Gefahrdungen getragen wird, stellt für den Nutzer eine zusatzliche thermische Belastung dar. Zum einen steigern ihr Gewicht und ihre Steifigkeit die metabolische Warmeproduktion wlihrend der Arbeit, gleichzeitig behindern ihre erhöhte Wärmeisolation und ihr Wasserdampfwiderstand die für die Abkühlung des Korpers essentielle Schweissverdunstung. Die Generierung von Daten und Modellen zur adliquaten Beriicksichtigung dieser thermischen Eigenschaften von Schutzkleidung bei der Bewertung von Klimabelastungen war Gegenstand des von der EU geforderten Projektes THERMPROTECT (G6RD-CT-2002-00846). Heizbare anthropometrische Dummys, sog. Thermopuppen zur standardisierten Messung von Bekleidungsisolation und Wasserdampfwiderstand, wurden zur validen und reliablen Registrierung der Wlirmeabgabe mit Schutzbekleidung unter dem Einfluss von Feuchte und Wärmestrahlung eingesetzt.



Dieser Beitrag vergleicht die Korpererwarmung durch symmetrische und asymmetrische langwellige Wärmestrahlung gleicher Strahlungsintensität (279 W/m2) in Relation zu einer Referenzbedingung, in der die mittlere Strahlungstemperatur der Lufttemperatur entsprach, für prototypische Arbeitsbekleidungen mit unterschiedlichen Reflexionsgraden und Wärmeisolationen.



Mit einer Thermopuppe, bei der die unbekleideten Hände, Füsse und der Kopf durch Aluminiumfolie gegen die Strahlung abgeschirmt waren, wurde die Wärmeabgabe für Oberbekleidungen aus Baumwolle und schwer entflamrnbarer Aramidfaser (Nomex®) in verschiedenen Farben sowie für einen mit Aluminium beschichteten reflektierenden Anzug ermittelt. Die Messungen erfolgten mit einer Polypropylen- sowie einer Woll-Unterwasche, wodurch eine Variation der intrinsischen Wärmeisolation der Gesamtbekleidung zwischen 1.1 und 1.6 clo erzielt wurde. Um neben dem trockenen, d. h. dem kombinierten konvektiven, konduktiven und radiativen Wärmefluss auch die Evaporation zu beriicksichtigen, wurden zusatzliche Versuche mit befeuchteter Woll-Unterwlische durchgefiihrt. Die

Erwarmung der Thermopuppe durch Wärmestrahlung wurde als Differenz der unter der Referenz- und Wärmestrahlungsbedingung gemessenen Wärmeabgabe für die gesamte bekleidete Oberflache sowie einzelne Korperareale berechnet.



Die auf die Gesamtflache bezogene Erwärmung durch Wärmestrahlung fiel mit der stlirker isolierenden Unterwäsche geringer aus und war sowohl für den rein trockenen als auch für den mit Evaporation gekoppelten Wärmeaustausch von der Strahlungsasymrnetrie unbeeinflusst. Jedoch wurden bei vorwiegend frontal oder lateral applizierter Strahlung an den hauptsachlich exponierten Korperstellen grossere Erwärmungen und Oberflachentemperaturen registriert.



Praktische Relevanz



Den Ergebnissen zufolge kann in Situationen, in denen die physiologische Beanspruchung beim Tragen von Schutzkleidung unter Wärmestrahlungsbelastung mit Wärmebilanzmodellen bewertet werden soll, die horizontale Verteilung der Strahlungsintensitat vernachlassigt werden. Dagegen sollten Strahlungsasymrnetrien und die Hauptwärmequelle bei möglichen Beeintrachtigungen des thermischen Komforts sowie zur Beurteilung des Risikos für Schrnerzempfindungen oder Verbrennungen auf der Haut beriicksichtigt werden. (Less)
Abstract
This report considers results of an ED funded research on thermal properties ofprotective clothing and their use in the assessment of the thermal strain at work. In order to study the effects of the asymmetry oflong wave thermal radiation on the heat transfer through protective clothing, the heat loss under all-side and unilaterally applied radiation with the same incident radiant power of 279 W/m2 was measured with a thermal manikin and compared to a reference condition where mean radiant temperature was equal to air temperature. With exposure to radiation a lowered heat loss, i.e. heat gain for the whole covered body area was observed, which did not depend on radiant asymmetry for the dry as well as

for the combined dry and... (More)
This report considers results of an ED funded research on thermal properties ofprotective clothing and their use in the assessment of the thermal strain at work. In order to study the effects of the asymmetry oflong wave thermal radiation on the heat transfer through protective clothing, the heat loss under all-side and unilaterally applied radiation with the same incident radiant power of 279 W/m2 was measured with a thermal manikin and compared to a reference condition where mean radiant temperature was equal to air temperature. With exposure to radiation a lowered heat loss, i.e. heat gain for the whole covered body area was observed, which did not depend on radiant asymmetry for the dry as well as

for the combined dry and evaporative heat loss, and which was attenuated when wearing a more insulating underwear. However, under one-sided radiation a more inhomogeneous spatial distribution occurred with higher heat gains and higher surface temperatures at the irradiated body parts.



Practical Relevance



The direction ofthermal radiation in the horizontal plane may be neglected when assessing the physiological heat strain in protective clothing by heat budget models. In contrast to this, it may be advisable to consider radiant asymmetries with respect to thermal comfort with low intensity radiation,

and the most intense radiant source when assessing the risk of skin burns. (Less)
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Contribution to journal
publication status
published
subject
keywords
heat stress protective clothing thermal radiation skin temperature heat budget models thermal manikin
in
Zeitschrift für Arbeitswissenschaft
volume
62
issue
4
pages
267 - 276
project
EU project “THERMPROTECT, Assessment of Thermal Properties of Protective Clothing and Their Use”, contract G6RD-CT-2002-00846
language
English
LU publication?
yes
id
cdf8f6ff-6780-48e3-a112-1a5778eff7aa (old id 1289145)
date added to LUP
2009-02-05 08:59:59
date last changed
2016-04-16 12:02:59
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for the combined dry and evaporative heat loss, and which was attenuated when wearing a more insulating underwear. However, under one-sided radiation a more inhomogeneous spatial distribution occurred with higher heat gains and higher surface temperatures at the irradiated body parts.<br/><br>
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Practical Relevance<br/><br>
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The direction ofthermal radiation in the horizontal plane may be neglected when assessing the physiological heat strain in protective clothing by heat budget models. In contrast to this, it may be advisable to consider radiant asymmetries with respect to thermal comfort with low intensity radiation,<br/><br>
and the most intense radiant source when assessing the risk of skin burns.},
  author       = {Bröde, Peter and Kuklane, Kalev and Candas, Victor and den Hartog, Emiel and Griefahn, Barbara and Holmér, Ingvar and Meinander, Harriet and Nocker, Wolfgang and Richards, Mark and Havenith, George},
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