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Principaux thèmes abordés en PHR 103
• Les risques thermiques • Les risques vibratoires • Le bruit • Les rayonnements électromagnétiques• Les risques électriques• La directive de compatibilité électromagnétique (CEM)• Les rayonnements ionisants • La pression • Les équipements de travail
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Evaluation d’une ambiance thermique de travail
Prévention des risques thermiques
N. Fourati_EnnouriPHR 103
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Effets des ambiances thermiques
Ils ne s’exercent pas uniquement au niveau
psychosensoriel comme la plupart des autres agents
physiques (bruit, éclairage, ..)
Ils influencent directement les mouvements d’énergie
de l’organisme et le niveau des températures corporelles
dont le maintient à une température presque constante
est indispensable à l’intégrité fonctionnelle de
l’organisme humain
3
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L’homme est un homéotherme :Température centrale (du noyau) maintenue constanteaux environs de 37 °C ∀ les variations de T extérieures
L’équilibre est obtenu au prix d’une thermorégulation :Équilibre entre production de chaleur(thermogenèse)
et perte de chaleur (thermolyse)
Bilan énergétique global = chaleur produite + chaleur perdue
Équilibre bilan énergétique nul
4
Thermorégulation
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Rappels de thermodynamique (1/2)
5
Échange de chaleur
Proportionnelle
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Rappel de thermodynamique : le changement d’état (2/2)
6
La chaleur Q sert à faire fondre la glace et non à faire augmenter la température : Q ≠ 0 et ΔT = 0
Q M LL chaleur latente
= ×=
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Exercice d’application n°1
7
On possède M ≈ 1kg de glace dans une enceinte calorifugée.
Cette glace est à -10°C.
1) Quelle est la chaleur totale Qtot à apporter pour changer cette glace en eau à 20°C ?
2) On veut obtenir de la vapeur à 150°C sous la pression atmosphérique (1 bar), quelle
chaleur supplémentaire doit – on fournir ?
3) Combien de temps cela prendrait-il pour réaliser les 2 transformations précédentes si
l'on disposait d'un dispositif de chauffage de 1 kW de puissance ?
4) Combien de temps aurait pris la simple transformation réalisée en 1 ?
5) Que pouvez-vous conclure sur la puissance des machines industrielles devant réaliser
quotidiennement de telles transformations ?
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Thermolyse (perte de chaleur)
Conduction
Convection
Rayonnement
Evaporation
8
4 mécanismes de thermolyse :
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Contact d'une partie du corps avec des surfaces solides :• sol, sièges et bureaux et divers objets manipulées avec les mains.• matériaux intermédiaires : chaussures, vêtements serrés, gants...
( )1 2= ×ΔΦ − =T T Teeλλ
: densité de flux de chaleur par conduction [W.m-2]: conductance (ou conductivité) thermique [W.m-1.K-1]: différence de température entre les deux faces [K]
e : épaisseur de la paroi, du matériau, … [m]
Φλ
1 2T T−
Densité de flux de chaleur par conduction : Φ
9
Manifestations des pertes par conduction ?
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Le flux de chaleur F [W] Δ Δ Δ⎛ ⎞= =Φ× = ×Δ × = × = ×⎜ ⎟Δ ⎛ ⎞⎝ ⎠
⎜ ⎟⎝ ⎠
R
Q T TF T S S Set
Se Rλ
λ
10
Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux. C’est « la » puissance de l’isolant : plus R est élevée, plus l’isolant est efficace en ne laissant pas pénétrer la chaleur et le froid.
Milieux complexes (ex : corps humain)
e1 e2 e3 e4
λ1 λ2 λ3 λ4
=∑ ii
R R
Remarque : Comme chez l’homme, au cours de ses activités professionnelles, les surfaces corporelles en contact avec les solides autre que les vêtements sont très réduites, il est souvent possible de négliger le flux de chaleur échangé par conduction dans l’évaluation du bilan thermique
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Densité de flux de chaleur par convection : C
( )( )/ skc c D aC h A A T T= −
C : densité de flux de chaleur par convection [W.m-2]
Ac /AD : surface participant aux échanges / surface corporelle totale
hc : coefficient de convection [W.m-2.K-1]
Ta : température sèche de l’air [K]
: température cutanée moyenne [K]skT 11
Par contact entre la peau et l’air ambiant, une fraction de l’air ambiant prend la température de la peau par convection thermique, change de densité, s’éloigne de la peau, et de ce fait , est renouvelée par d’autres fractions d’air.
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Le coefficient de convection hc
12
Lié au taux de renouvellement de l’air
Tient compte de :
la différence de température entre les molécules d’air et la surface
cutanée;
la vitesse de l’air qui vient projeter les molécules d’air sur la
surface cutanée
Deux coefficient de convection:
le premier convection naturelle (fonction de la température)
le second convection Forcée (fonction de la vitesse du vent)
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0,252,38 skc ah T T= −
1
0,6 1
3,5 5, 2 1 .
8,7 1 .c a a
c a a
h V si V m s
h V si V m s
−
−
= + × <
= × >
Convection forcée :
Convection naturelle :
13
1) Il faut calculer à chaque fois les deux coefficients.
2) On considère le coefficient le plus élevé comme déterminant
dans les échanges de chaleur par convection.
Calcul de la valeur du coefficient de convection hc
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R : Densité de flux de chaleur par rayonnement [W.m-2]
ε : Pouvoir émissif (sans dimension)
σ : Constante universelle de rayonnement [W.m-2.K-4]
: Température moyenne de rayonnement de l’environnement
: Température moyenne de la peau [K]
Ar/AD : Fraction de peau participant aux échanges par rayonnement
Densité de flux de chaleur par rayonnement : R
( ) ( )4 4= −r D r skR A A T Tε σ
rT
Echanges de chaleurs, par rayonnement, s’effectuant entre l’homme et son environnement :
SKT
14
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15
( )( )/ skc c D aC h A A T T= −
Analogie convection - rayonnement
Convection
Rayonnement
( ) ( )4 4
×
= −r r D r skR h A A T Tε σ
Tr : température de rayonnement
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L’évaporation : un changement de phase
Evaporation = Transformation de la sueur en vapeur
Changement de « phase » Perte de chaleur pour le corps
Chez l’homme : Evaporation
Appareil Respiratoire La peau
- Ambiance neutre à chaude : 5 W. m-2
- Ambiance très froide (Ta < -20°C) : 30 W. m-2- Eau secrétée par les glandes sudoripares- Eau diffusant à travers les couches superficielles
[ ]12501 2 65T TL , T L kJ .kg et T C−⎡ ⎤= − × °⎣ ⎦
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Densité de flux de chaleur par évaporation : E
/e DA A
aP
skP
E : densité de flux de chaleur par évaporation [W.m-2]
: fraction de surface corporelle participant aux échanges
(somme des surfaces mouillées / surface corporelle totale)
he : coefficient d’évaporation [W.m-2.kPa-1]
: pression de vapeur d’eau ambiante [kPa]
: pression saturante de vapeur d’eau cutanée [kPa]
( ) ( )e e D a skE h A A P P= × × −
17
![Page 18: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/18.jpg)
Pourquoi la pression dans le calcul de E ?
Plus l’atmosphère est humide, plus l’évaporation est réduite
Elle devient même nulle si l’air est saturée en vapeur d’eau.
La chaleur est donc difficilement supportable en atmosphère humide
et il faut absolument prévoir une ventilation des locaux
Principale cause du ralentissement de l’évaporation : le port d’habits
mal adaptés.
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La Sudation
Activité Consommation d'oxygèmeRejet respiratoire
Anhydride carbonique Vapeur d'eau
Repos assis 15 litres/heure 17 litres/heure 35 g/ heure
Travail modéré 30 litres/heure 45 litres/heure 60 g/heure
Taux moyens de consommation et rejet respiratoire
SudationJusqu’à 16°C, au repos : 0 g/heureÀ 33°C, au repos : 50 à 150 g/heureÀ 28°C, travail musculaire normal : 200 g/heure
L’OMS a fixé la perte sudorale max à 400 g/heure au repos et 700 g/heure en situation de travailAu-delà, il faut climatiser les locaux 19
![Page 20: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Exercice d’application n°2A quel taux (g/h quantité de sueur / unité de temps) doit-
on transpirer pour débarrasser le corps de 75 W de
puissance thermique ( Energie = Chaleur / temps)?
On suppose que la température de la peau est à 33°C.
Conclure.
![Page 21: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/21.jpg)
Bilan thermique à l’équilibre
B = H + Φ + C + R + E = 0
21
Grandeurs
Ta Tr Va
Pa (Humiditéabsolue de
l'air)M (métabolisme)
W (Travail extérieur utile)
I clo(Isolement
vestimentaire)Production de la chaleur interne x x
Echanges de chaleur par Rayonnment
x x
Echanges de chaleur par Convection
x x xPertes de chaleur par évaporation :
‐ Evap cutanée x x x
‐ Evap respiratoire x x
H = Flux de chaleur métabolique [W/m²]
![Page 22: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Evaluation des ambiances thermiques
![Page 23: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/23.jpg)
La sensation de confort thermique dépend de :Plusieurs influences ambiantes :
Température sèche de l’airTempérature moyenne de rayonnementVitesse de circulation de l’airHumidité ambiante
Et de l’individu :ActivitéIsolation vestimentaire
Le confort thermique n’est pas un critère rigoureuxCréation d’échelles de variation de la sensation thermique
23
Notion de confort thermique
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24
Evaluation des ambiances thermiques 1) Quel environnement ? 2) Quelle méthode
Ambiance thermique
Environnement froid Environnement neutre Environnement chaud
Méthode Globale
WCI : Wind Chill Index/
WGBT : Wet Bulb Globe Temperature Index
(Indice de refroidissement par le vent)
(Indice global de contrainte thermique chaude)
Méthode Analytique
IREQRequired clothing insulation
index
PMV‐PPD(Predicted Mean Vote Index‐
Percentage of Persons Dissatisfied)SWREQ
(Sweat Rate Required)
(Indice d'isolement vestimentaire requis)
(Vote moyen prévisible) (Indice de sudation requise)
Critères pour le choix d’un Indice :Possibilité d’utilisation en milieu réelValidité intrinsèque de l’indice
![Page 25: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/25.jpg)
25
IREQ : indice d’isolement vestimentaireWGBT : indice global de contrainte thermique chaudeSWREQ : indice de sudation requise
3 ambiances selon la valeur de la température sèche de l’air (ta)- Froide : pour ta < 15°C- Neutre : pour 15°C < ta < 25°C- Chaude : pour ta > 25°C
![Page 26: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Ambiance neutre : détermination de l’indice PMV à partir de la norme ISO 7730 (en annexe)
-0,5 < PMV < + 0,5 - 10% d’insatisfaits : zone de confort
1. Déterminer la valeur de production d’énergie métabolique M
(à chaque situation correspond une valeur correspondante de M)
2. Se placer dans le tableau correspondant en tenant compte:
a) L’ indice d’isolement vestimentaire
b) La température
c) La vitesse du vente
3. Reporter la valeur trouvée sur l’abaque
![Page 27: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/27.jpg)
WGBT = une estimation de la contrainte thermique par évaluation
de l’effet moyen de la chaleur sur l’homme
A l’intérieur des bâtiments :
WBGT = 0,7 Thn + 0,3 Tg
A l’extérieur des bâtiments avec charge solaire :
WBGT = 0,7 Thn + 0,2 Tg + 0,1 Ta
Thn = Température humide naturelle (fonction de la teneur en eau de l’air, elle
permet de déterminer le taux d’humidité)
Tg = Température du globe noir
Ta = Température sèche de l’air
Indice global de contrainte thermique chaude WGBT
27
![Page 28: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Exercice d’application n°3 : Description des postes de travail à étudier d’un point de vue "Ambiance thermique"
Poste A : Etudiant suivant un coursIsolement vestimentaire : 1.01 Clo.Grandeurs climatiques : température sèche : 22°C ( ambiance neutre Indice PMV – PPV) ; température humide : 20°C ; température de rayonnement : 22,5°C ; vitesse du vent : 0 m/sPoste B : Etudiant en Laboratoire de TP, deboutIsolement vestimentaire : 1.47 Clo.Grandeurs climatiques : température sèche : 18°C ( ambiance neutre Indice PMV – PPV); température humide : 16°C ; température de rayonnement : 19°C ; vitesse du vent : 0 m/sPoste C : Travail sur machine à l’intérieur d’un bâtimentIsolement vestimentaire : 0.74 Clo.Grandeurs climatiques : température sèche : 31.5°C ( ambiance neutre WGBT); température humide : 23°C ; température de rayonnement : 32°C ; vitesse du vent : 1 m/s
![Page 29: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/29.jpg)
Mesure de la température
29
![Page 30: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/30.jpg)
Moyens de mesure de la température de l’air
Différents types de thermomètres
Thermomètres à dilatation de liquides (alcool)
Thermomètres à dilatation de solides (bilame)
Thermistances
Thermocouples.
∀ le type de capteur utilisé, celui‐ci ne peut mesurer que la température à laquelle il se trouve lui‐même Elle devrait être
égale à celle de l'air que l'on veut mesurer.
Principales causes d'écart de température entre un capteur et l'air :
L’ inertie thermique
Echanges de chaleur par rayonnement avec l'environnement et par
conduction avec le support.30
![Page 31: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/31.jpg)
Comment minimiser les écarts de températures??
1. Prise en compte de l'inertie thermique : ne pas effectuer de
mesure avant que ne se soit écoulé un temps d'environ 5 fois la
constante de temps de la sonde.
2. Réduction de l’influence du rayonnement :
Interposition d'un écran entre le capteur et l'environnement
Augmentation de la vitesse de l'air favorisant les échanges de
chaleur par convection.
31
Remarque : Certains dispositifs utilisent simultanément ces différents
modes de protection et conduisent ainsi à de faibles erreurs de mesure.
![Page 32: Conservatoire national des arts et métiers - …ww2.cnam.fr/physique/PHR103/01_SR01_PHR103_2012.pdf9Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux](https://reader034.vdocuments.fr/reader034/viewer/2022042114/5e91701df5041a2785583ca0/html5/thumbnails/32.jpg)
Mesure de la température de rayonnement
32
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Mesure de la température moyenne de rayonnement (Tr)
Mesurée à l’aide un globe noir qui tend à s'échauffer sous
l'influence des rayonnements issus des différentes sources de
chaleur de l'enceinte et à se refroidir sous l'influence des
échanges par convection avec l'air (ou inversement).
La température de globe tend donc vers un équilibre lorsque les
échanges par convection et par rayonnement s'identifient
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Précautions à prendre pour la mesure de (Tr)
Le temps de réponse du globe ≈ 20 à 30 minutes selon les
caractéristiques du globe et selon les conditions ambiantes
il ne peut pas être utilisé pour déterminer la Tr d'ambiances
rapidement variables
L'émissivité du globe noir doit être maintenue aussi proche que
possible de 1 par l'application régulière d'une peinture adéquate.
Du fait de la forme sphérique du globe, les effets d'un
rayonnement latéral peuvent être sous‐évalués pour un sujet
debout Un cylindre homothétique à l'homme, ou mieux une
ellipsoïde seraient plus adéquats.34
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Mesure de la vitesse de l’air
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Les anémomètres directionnels
Ils mesurent la vitesse de l'air dans l’un des 3 axes de l'espace
il convient de faire 3 mesures selon les axes perpendiculaires
et d'en déduire la vitesse efficace de l'air :
Exemples :
anémomètres à fils chauds
anémomètres à moulinet,
anémomètres à coupelles.
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2 2 2x y zV V V V= + +
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Les anémomètres à sonde multidirectionnelle
Une seule mesure est suffisante
Mesure Va est fondée sur la mesure du transfert de
chaleur entre un élément chaud (exemple : boule
chaude) et l'air ambiant
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( )c a c aP h T T Vη= −
-2
-2 -1c
c
a-
a
P = puissance de chauffage reçue par l'élément (W. m )h = coefficient de convection de l'élément (W. m .K )T = température de l'élément (K)T = température de l'air (K)
V = vitesse de l'air (m.s 1)
⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩
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Calcul de la température effective corrigée
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1. Joindre Tsèche avec THumide
2. Trouver l’intersection avec les
courbes de vitesse du vent
3. Reporter la valeur trouvée sur
l’isotherme de température
effective corrigée
Exemple :
Tair sec = 28°C
Tair Humide = 25°c
Vair = 0.25 m.s‐1
Teffective = 25°C
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Exercice d’application n°4
39
0.252433C0.753032B
12834A
Vitesse de l’air[m/s]
Température humide de l’air [°C]
Température sèche de l’air
[°C]
Ambiance thermique