Dr. Dietmar Berndt (Physiker) Taucher seit 1968/69 Öffentlich bestellt und vereidigt als Sachverständiger für „Tauchausrüstungen – Unfallursachenermittlung / Technikbewertung“ Mitglied diverser DIN/CEN-Normenausschüsse Consultant Kälteschutz - externe Labordienstleistungen zur
thermischen Leistungsfähigkeitsmessung von Tauch- und Überlebensanzügen für benannte Stellen (TÜV, BG, FTL (GB), ...)
Wesen von Temperatur und Wärme
Temperatur ist Ausdruck der Energieform „Wärme“
Temperatur beschreibt die „Heftigkeit“ der Molekülbewegung ineinem Stoff, also die kinetische Energie , die den Molekülen innewohnt
Transportrichtung
Temperaturskalen
Celsius [° C]Fahrenheit [° F] Kelvin [K]
0 K
100
200
300
400+100
-200
0° C
-100
273Erstarrungs-
punkt vonWasser
Teilung linear
32° F
212° F
-459,7° F
+200+100 0° F-100-200-300-400
Teilung nicht linear
-273° C
Teilung linear
Siedepunktvon Wasser
Absoluter Nullpunkt
Wärmetransportmechanismen
Konduktion Konvektion Strahlung
Abtransportdurch direkte
Berührung
Abtransportdurch Strömung
Abtransport durchelektromagnetische
IR-Strahlung
Was ist die Besonderheit beim Tauchen?
Wasser leitet Wärme also ca. 23 x besser als Luft
Entscheidend ist die Wärmeleitfähigkeit des umge-benden Mediums
• Die Wärmeleitfähigkeit von Luft ist 0,026 W/mK
• Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist 0,598 W/mK
Der Körper kühlt also im Wasser um ein Vielfaches schneller aus, als an Luft!
Wärmeverlust nackt im Wasser
Golden, 1974
20 40 60 80 100 120 t [min]
Rekt
alte
mpe
ratu
r
34
35
36
37
T [°
C]
F. Golden: Shipwreck and survival - J R Nav Med Serv. 1974 Spring-Summer;60(1-2):8-14.
Wärmeverlust durch Konduktion ...
abhängig von:
– Wassertemperatur– Dauer der Exposi- tion– Körpermasse– Körperoberfläche
Wärmeproduktion <-> Wärmeverlust
F. Golden: Shipwreck and survival - J R Nav Med Serv. 1974 Spring-Summer;60(1-2):8-14.J. S. Hayward et al.- Thermal Balance an Survival Time Prediction of Man in Cold Water, CJP & P, Vol. 53, 1975
Konstitutionsabhängig 90 - 120 min überlebbar
UnterkühlungBereits bei milder Hypothermie (36°C - 34°C Kerntemperatur) können sich• psychische Erregungszustände,• vertiefte Atmung, Erhöhung der Pulsfrequenz,• Muskelzittern, Bewegungsdrang,• Vasokonstriktion,• und lokal Schmerzeneinstellen.
Gefahren für den Taucher:• Unkonzentriertheit, • unkontrollierte Reaktionen,• erhöhter Luftverbrauch, erhöhte Muskelarbeit, Steigerung und
Veränderung des Stoffwechsels,• und in der Folge durch erhöhte Bewegungsaktivität gesteigerte
Wärmeabfuhr
Beginnender Teufelskreis!!!
Kälteschutz im Wasser
Der Tauchanzug:Eine thermisch isolierende Schicht zwischen der Körperoberfläche und dem umgebenden Wasser
Das ist eine Jahrzehnte bewährte Technik, die wir bisher nicht im Detail kannten und erst langsam zu verstehen beginnen
Also:
TestmethodenRektaltemperaturmessung, Hauttemperaturmessung,Thermographie ...
Methode der Wahl: Direkte KalorimetrieKompliziert - zeitlich / örtlich punktuell - indirekt - personalisiert - relativ
Das Kalorimeter
Zulauf
Ablauf
Dru
ckb
erei
ch 6
bar
max
, 4 °C
Normaldruckbereich, ca. 30 °C - frei wählbar°
TemperaturfühlerDruckbereich
TemperaturfühlerNormaldruckbereichQuirlHeizer
Neopren-prüfling
Wth = Wel
Team Neotherm (Tauchen & Technik - W. Scheyer - Ing.-Büro dr. berndt)
Dickenänderung absolut mit Tiefe
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiefe [m]
Dic
ke [
mm
]
Probe 1 Probe 2 Probe 3
Dickenverlust auf Tiefe
Wärmedurchgangskoeffizient k von Neopreneproben
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50
Tiefe [m]
Wä
rmed
urc
hg
an
gsk
oe
ffiz
ien
t k [
W/m
²K]
Probe 1 Probe 2 Probe 3
Wärmeleitfähigkeitvon Neopreneproben
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0 10 20 30 40 50
Tiefe [m]
Wär
mel
eitf
ähig
keit
[W
/mK
]
Probe 1 Probe 2 Probe 3
Tiefe [m] T [K] P [W]
0 29,92 17,70
10 29,53 30,5020 29,73 45,60
30 29,40 56,6040 29,25 65,0050 29,14 72,50
Tiefe [m] Probe 1 Probe 20 9,9210 20,9320 33,5430 43,3140 50,7550 57,40
Werte errechnet
Hier Werte eingeben
Probe 1
k [W/m²K]
Tiefe [m] T [K] P [W]
0 29,92 17,70
10 29,53 30,5020 29,73 45,60
30 29,40 56,6040 29,25 65,0050 29,14 72,50
Tiefe [m] Probe 1 Probe 20 9,9210 20,9320 33,5430 43,3140 50,7550 57,40
Werte errechnet
Hier Werte eingeben
Probe 1
k [W/m²K]
Wärmeverlust auf Tiefe
Nun wollen wir rechnen...
Q = k x A x t x T
1/k = 1/1 + 1/2 + ... + l1/1 + l2/ 2 + ...A [m²] = 0,202 x G0,425 [kg] x H0,725 [m]
Q [kJ] = c [kJ/kgK] x [kg/dm³] x A [dm²] x d [dm] T [K]
P [W] = A [m
²] * *
[W/m
²K4 ] * (
T K4 - T W
4 ) [K4 ]
Q = f (A, i, , T, l, t)Q = f (A, , T, l, t)
Bedingungen der Wärmeleitung
Q = f (A, i, i, T, l, t)
Q = k x A x t x T
Beiträge zur Wärmebilanz
Körperoberfläche:Leitungseffekte (Konduktion)Strömungseffekte (Konvektion)Strahlungseffekte (Radiation)Verdunstungseffekte (Evaporation - Verdunstungskälte)
Atmung:Atemluftbefeuchtung (Verdampfungswärme)Atemlufterwärmung (Konduktion)
SonstigeWasserschichterwärmung im NasstauchanzugAusscheidungen
Körperinneres:Wärmeproduktion
Wärmeverlust im Nasstauchanzug
Wärmeleitung
Erwärmung der umgebenden Wasserschicht
1.) Verluste über die Körperoberfläche
Wärmestrahlung
Körpermaße und -gewichte
Wesentlich für den Wärmestrom ist die Austauschfläche,beim Taucher also die Körperoberfläche.
*) Nach DIN EN ISO 8996: Ergonomie der thermischen Umgebung - Bestimmung des körpereigenen Energieumsatzes
A [m²] = 0,202 x G0,425 [kg] x H0,725 [m]
Empirische Bestimmung*):
Modellperson69 kg Körpermasse; 1,73 m Körpergröße
A = 1,82 m²
Wärmeleitung
Annahmen:• Dicke des Nasstauchanzuges: z. B. 7 mm• Wassertemperatur: 5 °C• Tauchgangstiefe: 1.) 0 m und 2.) 30 m• Tauchgangsdauer: 20 min• Tauchprofil: Rechteck• Taucher: Modellperson
Mustertauchgang
Wasserschichterwärmung
Annahme:Dicke der Wasserschicht im Tauchanzug = 0,5 mm
Wärmeenergie zum Erwärmen von 5 25 °C:Q [kJ] = c [kJ/kgK] x [kg/dm³] x A [dm²] x d [dm] x T [K]
Q = 76 kJ
Wärmekapazität von Wasser
Dichte des Wassers
Oberfläche des Tauchers
Neoprendicke
Temp.-Differenz Haut - Wasserschicht
Wärmeleitung über Körperoberfläche
Wärmeverlust durch Tauchanzug:Q [kJ] = [W/mK] / l [m] x A [m²] x t [s] x T [K]
Wärmeleitfähigkeit des Neoprensauf 0 m bzw. 30 m
Neoprendicke
Oberfläche des Tauchers
Tauchgangsdauer
Temp.-Differenz NTA Innen- zu Außenseite
Qkond (0 m) = 171,8 kJ
Qkond (30 m) = 344,7 kJ
Wärmeverlust im Nasstauchanzug
Erwärmung der Atemluft
2.) Verluste über die Atmung
Befeuchtung der Atemluft
Erwärmung der Atemluft
ISO/TS 16976-1: Atemschutzgeräte - Physiologische Faktoren desMenschen – Teil 1: Arbeitsleistung und Atemminutenvolumina
Tauchen & Technik, Stadtoldendorf
Erwärmung der AtemluftQ [kJ] = cp [kJ/kgK] * NN [kg/m³] * pTiefe [bar] / pNN [bar] * VLuft [m³] * T [K]
Spez. Wärmekapazität (p = const.)
Luftdruck auf NN
Temperaturdifferenz vor und nach Erwärmung
Luftdichte auf NN Luftvolumen
Umgebungsdruck in Tauchtiefe
QLufterw. (0 m) = 28,6 kJ
QLufterw. (30 m) = 114,3 kJ
Befeuchtung der Atemluft
Q [kJ] = r [kJ/kg] * Fmax (35°C) * 10-3 [mg/m³] * Frel [%] * VLuft [m³]
Spez. Verdampfungswärme Relative Feuchte der Ausatemluft
LuftvolumenMax. Absolute Feuchte bei T
QLuftbef. (0; 30 m) = 54,8 kJ
Wärmeverlust über den Kopf
Vorgetragen auf HallMed 2006: Dr. Tim Piepho – Kältewirkung beim Tauchen aus medizinischer Sicht
Ausgangs-temperatur
Kopf über Wasser
Kopf im Wasser
zusätzlicher Temperatur-abfall
Mit Kälte-schutz 33,6°C 30,9°C 29,3°C 1,6 °C
Ohne Kälte-schutz 31,1°C 19,4°C 18,5°C 0,9 °C
Wärmeverlust über den Kopf• Kopf ca. 7% der Körperoberfläche• geringere Vasokonstriktion
Der Wärmeverlust über den Kopf entspricht im
wesentlichen seinem Anteil an der
Körperoberfläche
Dichtung und Wahrheit
Wärmende Metallbeschichtungen
Aus: Internet-Auftritt eines Tauchanzugherstellers
Aus einem Gleitmittel machte ein Marketinggenie ...
Wärmedurchgangskoeffizient k von Neopreneproben
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50
Tiefe [m]
Wä
rme
du
rch
ga
ng
sk
oe
ffiz
ien
t k
[W
/m²K
]
Probe 1 Probe 2 Probe 3
Wärmedurchgangskoeffizient k von Neopreneproben
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50
Tiefe [m]
Wä
rme
du
rch
ga
ng
sk
oe
ffiz
ien
t k
[W
/m²K
]
Probe 1 Probe 2 Probe 3
Wärmende Metallbeschichtungen also?
?
Wärmestrahlung über Körperoberfläche
T = 0,5 K
P [W] = A [m²] * * [W/m²K4] * (TH4 - TTA
4) [K4]
Oberfläche des Tauchers
Hauttemperatur
Temp. NTA Innenseite
Emissionsgrad < 1
Strahlungskonstante 5,67 * 10-8
Qrad = 5,35 kJ
Kältestrahlung???
Wärmeleitfähigkeit vonTitan ist mit 22 W/mK850 x höher als jene
von Luft mit 0,026 W/mK
Aber bis heute nicht auszurotten ...... und es gehtnoch toller:
Aus: Web-Site Fa. Swissub, CH
Wärmerückstrahlung also ...?
……
…
…
… e i n h i t e c h M a t e r i a l , d a s d i e K ö r p e r w ä r m e r e f l e k t i e r t …… e i n h i t e c h M a t e r i a l , d a s d i e K ö r p e r w ä r m e r e f l e k t i e r t …
Kälteschutzklassen
ThermischeLeistungsklasse
Wassertemperaturbereichefür den Einsatz in °C
A 7 - 12 °C
B 10 - 18 °C
C 16 - 24 °C
D 22 - 30 °C
Materialklassen für thermische Leistung entsprechend ihrem Wärmedurchgangswiderstand bei 1 bar und 6 bar im einge-tauchten Zustand gemäß DIN EN 14225 - 1
Was tun?
Argon leitet Wärme also ca. 33 % schlechter als Luft
Füllgaswahl im TTA
• Die Wärmeleitfähigkeit von Luft ist 0,026 W/mK
• Die Wärmeleitfähigkeit von Ar ist 0,0173 W/mK
• Die Wärmeleitfähigkeit von CO2 ist 0,016 W/mK
aber...?
Bei 27 °C Fr [100 %] = 25,75 26 g/m³ˆ
Nur Laborwerte?Einfluss der Luftfeuchte durch Schweiß
1 m³26 cm³
• Die Wärmeleitfähigkeit von Ar ist 0,0173 W/mK
• Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist 0,598 W/mK
H = 1 cmA = 26 cm²
D = V/1m² = 26 x 10-6 m³ / 1 m² = 0,000026 m
Wärmeisolation von AnzugfüllgasenEine Frage der Größenordnung
k = 0,0173 0,01730044
Optimaler Kälteschutz
Annahme:• 4 mm Gaspolster
- ansonsten Parameter unverändert
Trilaminat-TTA+
Ar-Füllung des TTA+
Rebreather
Für alle Tiefen (KVA!) gilt: Qkond = 141 kJ
Ungeschützt
7 mm NTA – 30 m
OptimalerKälteschutz
7 mm NTA – 0 m
Wärmeverluste im direkten Vergleich20 min in 5 °C warmem Wasser