Теплозащитные экраны

Содержание: 

Введение…………………………………………………………………...………2

1. Теоретическая часть
1. Физическая характеристика теплового излучения………..……..3
2. Биологическое действие теплового излучения……………….……6
3. Нормирование воздействия теплового излучения……………….10
4. Меры предупреждения перегрева на производстве……..…..……10
2. Практическая часть

2.1. Теория расчета………………………………………………...……….12

2.2. Практический расчет…………………………………...…… ………14

Заключение  …………………………………..……………………….…………15

Список  литературы……………………………….……………...……………16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Промышленность  развивается с невероятной скоростью  и также растет вредное воздействие  на человека. Одно из самых опасных  воздействий на данный момент является тепловое излучение в горячих цехах, работники таких производств получают дополнительную вредность, имеют сокращенный рабочий день и особый рацион. Человеческое тело имеет постоянную температуру равную 36,6 ⁰С. Снижение этой температуры не представляет серьезной опасности, а вот повышение ее может повлечь ряд опасных изменений как временных, так и постоянных. Вот почему особенно важно защитить рабочего от теплового излучения.

1. Физическая  характеристика теплового  излучения.

   Тепловое  излучение (инфракрасное излучение (ИКИ)) представляет собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 до 420 мкм, обладающее волновыми и световыми свойствами.

   По  длине волны инфракрасные лучи делятся  на коротковолновую ИКИ-А (менее 1,4 мкм), средневолновую ИКИ-В (1,4-3 мкм), длинноволновую ИКИ-С (3 мкм-1 мм) область.

   В производственных условиях гигиеническое значение имеет более узкий диапазон 0,76-70 мкм.

   Источником  инфракрасного излучения в производственных условиях являются нагретые поверхности  слитков, чушек, листов, поковок, разливаемый  жидкий металл, открытое пламя печей, сварочное пламя (при электро и газосварке) и т.п.

   По  характеру излучения производственные источники тепла и лучистой энергии  подразделяются на четыре основные группы:

   1) Источники с температурой до 500 °С - спектр содержит исключительно длинноволновое ИКИ;

   2) Источники с температурой от 500 °С до 1200 °С - в спектре содержится ИКИ-А, ИКИ-В, ИКИ-С, но появляется также видимое излучение слабой интенсивности, сначала красное, а затем белое;

   3) Источники с температурой от 1200  °С до 2000 °С - спектр содержит как все виды ИКИ, так и видимое излучение высокой яркости;

   4) Источники с температурой от 2000 °С до 4000 °С - спектр наряду с инфракрасным и видимым излучением содержит ультрафиолетовое излучение.

   Основные  законы физики инфракрасного излучения  следующие:

   Закон Кирхгофа: лучеиспускание обуславливается только состоянием излучающего тела и не зависит от окружающей среды. Лучеиспускательная способность любого тела пропорциональна его лучепоглощающей способности. Тело, поглощающее все падающие на него лучи (абсолютно черное тело), обладает максимальным излучением. На этом законе основано применение поглощающей защитной одежды, светофильтров, окраска оборудования, устройство приборов для измерения теплового излучения.

   Закон Стефана-Больцмана: с повышением температуры излучающего тела мощность излучения увеличивается пропорционально 4-й степени его абсолютной температуры: 

      E = σ ∙ T⁴   [Вт/м²]   (1) 

      Е - мощность излучения; σ - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5.67032 ∙ 10^-8

Вт∙м^-2∙К^-4; Т - абсолютная температура, К (Кельвин).

      В соответствии с этим законом даже небольшое повышение температуры  тела приводит к значительному росту  отдачи тепла излучением. Используя  этот закон можно определить величину теплообмена излучением в производственных условиях.

      Количество тепловой энергии, передаваемое излучением, определяется законом Стефана-Больцмана по формуле: 

Е = С₁С₂∙σ (Т₁⁴-Т₂⁴)   (2) 

      Е - теплоотдача, Вт/м , С₁ и С₂ - константы излучения с поверхностей, σ -постоянная Стефана-Больцмана; Т₁ и Т₂ - температуры поверхностей (°К), между которыми происходит теплообмен излучением.

      При расчете теплоотдачи излучением учитывают температуру стен и  других поглощающих тепловую радиацию поверхностей (среднерадиационная температура).

      Закон Вина: произведение абсолютной температуры излучающего тела на длину волны излучения (λ макс) с максимальной энергией - величина постоянная 

      λ_макс ∙ Т = С    (3) 

      где: С=2880; Т - абсолютная температура °К; λ - длина волны в мкм.

      Исходя  из закона Вина, длина волны максимального  излучения нагретого тела обратно пропорциональна его абсолютной температуре: 

      λ_макс = С / Т    (4) 

      Интенсивность теплового излучения на рабочих  местах может колебаться от 175 Вт/м² до 13956 Вт/м². К горячим цехам относят цеха, в которых тепловыделение превышает 23 Дж/м².

      В литейных цехах (нагрев и обработка  деталей) интенсивность излучения  составляет 1392-3480 Вт/м².

      В производственных помещениях с большим  тепловыделением (горячие цеха) доля тепла, приходящее на инфракрасное излучение, может составлять до 2/3 выделяемого  тепла и только 1/3 составляет конвекционное тепло, т.е. тепло, передающееся при контакте с нагретым воздухом.

      Основная  физическая характеристика инфракрасного  излучения - интенсивность излучения (плотность потока) Е (Вт/м²) зависит от температуры излучателя, его площади и расстояния до исследуемой точки пространства и определяется по следующим формулам:

      При R  ≥ √S 

            E_u =    (5) 

      При R < √S 

            E_u =    (6) 

      где S - площадь поверхности излучателя, м²,

            Т_u - абсолютная температура излучателя, °К,

            R - расстояние от излучателя до точки замера, м 

1.2. Биологическое действие теплового излучения. 

      Лучистое  тепло имеет ряд особенностей. ИКИ, помимо усиления теплового воздействия среды на организм работающего, обладает и специфическим влиянием, зависящим от интенсивности энергии излучения отдельных участков его спектра. Существенное влияние на   лучистый теплообмен организма оказывают оптические свойства кожного покрова с его избирательной характеристикой коэффициентов отражения, поглощения и пропускания по отношению к различным участкам спектра инфракрасной радиации.

      Воздействие ИКИ на организм человека проявляется  как общими, так и местными реакциями. Местная реакция - выражается сильнее при длинноволновом облучении, поэтому при одной и той же интенсивности облучения время переносимости при длинноволновом облучении короче, чем при коротковолновой радиации. За счет большой глубины проникновения в ткани тела коротковолновая область спектра ИКИ обладает выраженным общим действием на организм человека, вызывая повышение температуры глубоколежащих тканей: например, при длительном облучении глаза может привести к помутнению хрусталика (профессиональная катаракта).

      Под влиянием ИКИ в организме человека возникают биохимические сдвиги и изменения функционального состояния центральной нервной системы: образуются специфические биологически активные вещества типа гистамина, холина, повышается уровень фосфора и натрия крови, усиливается секреторная функция желудка, поджелудочной и слюнной желез, в центральной нервной системе развиваются тормозные процессы, уменьшается нервно-мышечная возбудимость, понижается общий обмен.

      При инфракрасном облучении кожи повышается ее температура, изменяется тепловое ощущение. При значительных интенсивностях возникают ощущения жжения, боль. Время переносимости тепловой радиации уменьшается с увеличением длины волны и ее интенсивности, (табл.1) 

Таблица 1. Время переносимости (в секундах) инфракрасной радиации в зависимости от ее интенсивности и длины волны.

      Участки кожи, подвергающиеся инфракрасному  облучению, получают большое количества тепла, перегреваются. При сильном перегреве происходит омертвление тканей, так называемый термический ожог. Перегрев сначала носит местный характер, но вследствие циркуляции крови он вскоре охватывает весь организм и самочувствие работающего значительно ухудшается.

      При длительном воздействии высокой  температуры и лучистой энергии  температура тела человека может  повыситься на 1-2 °С. Из организма тогда  усиливается выделение пота, причем пот содержит значительное количество поваренной соли, вследствие чего происходит обеднение крови солью и самочувствие человека ухудшается. При прекращении работы и переходе в помещение с нормальной температурой спустя 20-30 мин. Восстанавливается нормальное самочувствие.

      Влияние радиационного тепла различно в  зависимости от зоны облучения: наибольший эффект наблюдается при облучении  шейной области верхней половины туловища, наименьший - при облучении  ног (области бедра). Выносливость к облучению возрастает с увеличением периода облучения, при котором наблюдаются процессы приспособления (адаптация), сохраняющиеся довольно долго.

      В довольно редких случаях, когда перегрев достигает 40,5 °С и выше и организм не 
в состоянии справиться с ним и нарушениями, которые перегрев вызывает, может 
наступить тепловой удар. Человек тогда впадает в чрезвычайно болезненное состояние, 
которое при определенных условиях может привести к смерти. 

      Для защиты от инфракрасного излучения  применяются следующие экраны: непрозрачные, полупрозрачные и прозрачные. 

      Непрозрачные  экраны могут быть теплоотражающими, теплопоглощающими и теплоотводящими. В теплоотражающих экранах используется алюминиевая фольга-альфоль в листовой или гофрированной форме. Теплопоглощающие экраны изготовляются из асбеста, металла, футерованного теплоизоляционным материалом - заслонки, щиты и др. Асбестовые экраны применяются при интенсивности потока до 3500 Вт/м², футерованные - до 10000 Вт/м². Теплоотводящие экраны представляют собой сварные или литые конструкции, охлаждаемые протекающей внутри водой. 

      Полупрозрачные  экраны изготовляют из металлической сетки, цепей, армированного стальной сеткой стекла и применяются: сетки - при интенсивности излучения 350 - 1000 Вт/м², цепные завесы и армированное стекло - 700 - 5000 Вт/м². 

      Прозрачные  экраны могут быть теплопоглощающими и теплоотводящими. Теплопоглощающие экраны изготовляют из силикатных, кварцевых и органических стекол, бесцветных, окрашенных или металлизированных тонкими пленками. 

      Теплоотводящие  экраны - водяные завесы - образуются слоем воды или распыленной водой. Водяные завесы применяются при интенсивности излучения 350 -1400 Вт/м²

      Кратность ослабления теплового потока, т, защитным экраном определяется по формуле: 

      m = , где    (7) 

Е_u - интенсивность потока излучателя, Вт/м²

Е_э - интенсивность потока теплового излучения экрана, Вт/м²

      Кратность снижения температуры излучающей поверхности, μ, определяется по формуле: 

      μ = , где    (8) 

t_u - температура излучателя, °С,

t_э - температура экрана, °С

      Коэффициент пропускания экраном теплового  потока , τ, равен: 

      τ = 1/m    (9) 

      Коэффициент эффективности экрана, η, равен: 

      η = 1 – τ =    (10)

3. Нормирование воздействия теплового излучения.

   Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать:

   -35 Вт/м² при облучении 50 % поверхности тела и более,

   -70 Вт/м² - при величине облучаемой поверхности от 25 до 50 % и

   -100 Вт/м² - при облучении не более 25 % поверхности тела.

   Интенсивность теплового облучения работающих от открытых источников (нагретый металл, стекло, "открытое" пламя и др.) не должна превышать 140 Вт/м², при этом облучению не должно подвергаться более 25 %) поверхности тела и обязательным является  использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз (ГОСТ 12.1.005-88). 

4. Меры  по предупреждению перегревов на производстве.

      К числу мероприятий, способных ослабить вредное действие теплового излучения, относятся:

      а) механизация работ, направленная на то, чтобы работники меньше подвергались 
тепловому облучению;

      б) устройство у тепловыделяющих производственных источников цепных  или 
водяных завес;

      в) применение экранов из материалов, обладающих малой теплопроводностью;

      г) осуществление аэрации горячих  цехов;

      д) устройство специальных комнат отдыха, а также душей, снабжение работников 
подсоленной газированной водой (3 г соли на 1 л воды);

      е) применение такой  организации труда,  которая допускает чередование  лиц. 
работающих в сильно облучаемых местах;

      ж) обязательное применение специальных  очков для защиты от инфракрасного 
излучения и особых стекол для предотвращения воздействия ультрафиолетовых лучей.

      Классификация средств коллективной защиты от тепловых излучений работников 

Рисунок. 1- Классификация средств промышленной теплозащиты    
 
 
 
 
 
 

2.1. Теоретический расчет теплоотводящих экранов 

    Теплоотводящие  экраны представляют собой полые сварные плиты из стальных листов толщиной 2 – 3 мм, в которых циркулирует техническая вода, которая поглощает тепло и уносит его. Температура внешней стенки плиты определяется ее толщиной, скоростью протекания воды и ее начальной температурой.

Теплоотводящие  экраны устанавливаются в зоне открывающихся крышек, дверей, заслонок и т.д на расстоянии 500 – 600 мм от горячей поверхности и на расстоянии 15 -  20 мм от поверхности без проемов. При теплоотводящем экранировании поверхности печей температура наружной поверхности экрана не должна превышать 30 – 35 ⁰С в рабочей зоне (но не ниже 20 ⁰С) и 40 – 45 ⁰С вне рабочей зоны. При перепаде температур между уходящей и входящей водой свыше 10 ⁰С. Требуется большее количество воды, циркулирующей в системе, что затрудняет применение теплоотводящих экранов. Расчет теплоотводящих экранов сводиться к определению расхода воды. 

  Необходимое количество  воды для охлаждения  экрана:

Количество  теплоты, передаваемое излучением с I м² горячей стенки воде, определяется по формуле:

Где:

А = 0,9 – коэффициент  поглощения инфракрасных лучей материалом экрана и водой

F – площадь стенки экрана м²

С = 4,19*10³ дж/(кг*К) – теплоемкость воды

t_ух – температура уходящей воды (не более 35⁰)

t_пр – температура поступающей воды

С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела 5,67 Вт/(м²*К⁴)

А_пр – приведенная степень черноты

Е₁ и Е₂ – степень черноты соответственно горячей стенки и стального листа экрана

Т₁ – температура горячей стенки, К

Т₂ – температура  стенки экрана, К 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2. Практический расчет теплоотводящих экранов 

    Определить  необходимое количество проточной  воды на один экран, размером 2 м² из окисленной оцинкованной стали, если температура боковой стенки печи t=423 ⁰С. Стенка печи выполнена из огнеупорного кирпича. Температура поступающей воды t₁ = 18 ⁰С. Принимаем температуру экрана t₂ =  33 ⁰С.

Расчет

Степень черноты огнеупорного кирпича E₁=0.65, экрана E₂=0.28. Площадь экрана F = 2 м².

1. Определяем количество теплоты, переданной воде излучением I м² горячей стенки.

  = =

= 351.9 Вт/м² 

Т₁ = 423 ⁰С    и Т₁ = 273 + 33 = 306 ( ⁰С)   

2. Определяем  необходимое количество воды для охлаждения экрана

Заключение  

    Данные  расчета дают основания для проектирования теплозащиты

Очень важно, что бы все теплоотводящие экраны получали необходимое количество воды  для отвода тепла. В противном случае будет происходить неполный отвод тепла, и микроклимат производственного помещения не будет соответствовать нормам.