Тепловое излучение и его параметры

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ  РОССИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

Санкт-Петербургский  государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра безопасности производства и  разрушения горных пород

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ  И ЕГО ПАРАМЕТРЫ

Санкт-Петербург

2009 год

Цель  работы – ознакомление с тепловым (инфракрасным) излучением (ИКИ), действием его на человека, нормированием и методами защиты.

Характеристика теплового  излучения.

Лучистый теплообмен между гелями представляет собой процесс распространения внутренний энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн. Все электромагнитные излучения имеют одинаковую природу и отличаются только длиной волны. Например, длины волн ультрафиолетового излучения равны 0,02-0,4 мкм, видимого излучения - 0,4-0,76 мкм и инфракрасного - более 0,76 мкм. Видимое и инфракрасное излучения называют тепловым или лучистым.

Теплота температурой Т>0⁰К является источником электромагнитного излучения. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения. Часть этого интегрального излучения с длиной волн l= 0,78 ÷1000 m при облучении любого тела вызывает тепловой эффект и носит название ИКИ. На долю ИКИ производственных помещений приходится до 70% выделяемой теплоты.

При температурах до 500 ⁰С с нагретой поверхности излучаются тепловые (инфракрасные) лучи, а при более высокой температуре наряду с возрастанием инфракрасных лучей появляются видимые световые и ультрафиолетовые лучи. Распределение лучистой энергии по спектру вычисляется по закону перемещения максимального излучения Вина в зависимости от температуры поверхности источника Т и оптических свойств материала (степени черноты и качества отделки поверхности). Длина волны лучистого потока (m) с максимальной энергией теплового излучения для абсолютно черного тела определяется по формуле:

l_max= C/T ,         (1)

где Т – температура, ⁰К; С – постоянная величина (С=2880 m´⁰К).

Воздух прозрачен (диатермичен) для  теплового излучения, поэтому при  прохождении лучистой теплоты его температура не повышается. ИКИ поглощается предметами, нагревая их. Последние, соприкасаясь с воздухом, нагревая его. ИКИ является одной из составляющих микроклимата рабочих зон производственных помещений.

Энергия теплового излучения может  быть определена по формуле:

где      Q - энергия теплового излучения, Вт/м²;

F - площадь излучающей поверхности, м²;

Т⁰- температура излучающей поверхности, °К;

L - расстояние от излучающей поверхности до объекта, м.

Из формулы следует, что количество лучистого тепла, поглощаемого телом  человека, зависит от температуры источника излучения, площади излучающей поверхности, от квадрата расстояния между излучающей поверхностью и телом человека.

Тепловой обмен организма человека с окружающей средой заключается  во взаимосвязи между образованием тепла (термогенезом) в результате жизнедеятельности организма и отдачей им этого тепла во внешнюю среду. Отдача тепла осуществляется, в основном тремя способами: конвекцией, излучением и испарением.

В производственных помещениях со значительными  избытками явной теплоты (более 23,3 Вт/м ³) большинство технологических процессов протекает при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды. В результате рабочие, находясь вблизи расплавленного или нагретого металла, пламени, горячих поверхностей и т.п., подвергаются действию теплоты, излучаемой этими источниками. Источники лучистой энергии в зависимости от температуры поверхности можно разделить на четыре группы.

1. Источники с температурой поверхности  до 500 ⁰С. Это паропроводы, сушильные агрегаты, наружные поверхности печей и др. В спектре излучения этих источников содержатся в основном инфракрасные лучи с длиной волны 3,7÷9,3  m.

2. Источники с температурой поверхности  от 500  до 1300 ⁰С. Это открытые проёмы нагревательных печей, открытое пламя,  нагретые слитки, заготовки, расплавленный чугун, бронза. В спектре излучения этих источников длины волн ИКИ с максимальной энергией находится в пределах 1,9÷3,7 m.

3. Источники с температурой поверхности  от 1300 до 1800 ⁰С. Это расплавленная сталь, открытые проёмы плавильных печей и др. спектр излучения содержит инфракрасные лучи с l_max =1.2÷1,9 m и видимые лучи.

4. Источники излучения с температурой  поверхности свыше 1800 ⁰С. Это дуговые печи, сварочные аппараты. Спектр излучения таких источников содержит все длины волн лучистой энергии.

Интегральная изучающая способность абсолютно черного тела определяется законом Стефана-Больцмана:

I =s´ T⁴       (3)

где I –интенсивность излучения, Вт/м²; s - универсальная постоянная Стефана-Больцмана (s = 5,67032´10^-8, ⁰К^-4).

Основываясь на зависимости (2), для  практических расчетов с учетом степени черноты облучаемых поверхностей e_пр и коэффициента облученности ( j ) интенсивность облучения на рабочем месте определяется по формулам:

при L£ S ^0.5   I=0.91´S´(0.01T ⁴-A)/L²   (4)

при L> S ^0.5    I=0.91´S ^0.5´(0.01T ⁴-A)/L²  (5)

здесь L –расстояние от источника ИКИ, м; A – эмпирический коэффициент (для кожи человека и хлопчатобумажной ткани А= 85, для сукна А= 110); S – площадь излучающей поверхности, м².

Действие ИКИ на человека.

Теплообмен человека и окружающей среды осуществляется в основном путем излучения, конвекции и испарения. Отдача теплоты излучением является наиболее весомой частью и составляет до 45% даже в комфортных климатических условиях.

Избыточные тепловыделения, создающие  тяжелые условия труда, являются основной профессиональной вредностью в горячих цехах. Под влиянием теплового облучения в организме человека происходят биохимические сдвиги (уменьшается насыщенность крови кислородом, повышается венозное давление, замедляется кровоток) и, как следствие, наступает нарушение сердечно-сосудистой деятельности и деятельности нервной системы. Помимо непосредственного воздействия на рабочих лучистый поток нагревает пол, стены, оборудование, что приводит к повышению температуры воздуха в помещении и ухудшению условий труда.

В приведенной ниже таблице представлена зависимость теплового ощущения от длительности его воздействия.

Таким образом, тепловое излучение  интенсивностью до 350 Вт/м² не вызывает неприятного ощущения, а интенсивностью свыше 3500 Вт/м² уже через 2¸5 с вызывает ощущение жжения и возможен тепловой удар.

Воздействие теплового потока на организм зависит  также от спектральной характеристики излучения. По характеру воздействия на организм человека инфракрасные лучи подразделяются на короткие лучи с длиной волны l=0,78¸1,5 m (лучи Фохта) и длинноволновые лучи с l>1,5m.

Тепловые  излучения коротковолнового диапазона  наиболее активны, так как обладают наибольшей энергией фотонов, глубоко проникают в ткани и разогревают их, вызывая при этом быструю утомляемость, понижение внимания, усиленное потовыделение, а при длительном воздействии тепловой удар (обильное потоотделение, повышение температуры тела человека до 40-41 ⁰С, головокружение слабость). Длинноволновые инфракрасные лучи глубоко в ткани не проникают и поглощаются в основном кожным покровом уже на глубине 0,1-0,2 мм. Такие лучи могут вызвать ожог кожи и глаз. Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие воздействия инфракрасных лучей является катаракта глаза. Возможно воздействие ИКИ и на другие системы и органы человека: на состояние верхних дыхательных путей; водно-энергетический баланс организма, не исключается мутагенный эффект.

Нормирование ИКИ.

Нормирование излучения осуществляется по интенсивности допустимых суммарных потоков энергии с учетом длины волны, размера облучаемой поверхности, защитных свойств спецодежды и продолжительности воздействия в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН 2.2.4.548-96.

Так интенсивность теплового излучения  от нагретых до темного свечения поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, материалов и т.д. на постоянных и не постоянных рабочих местах не должна превышать 35 Вт/м² при облучении 50% поверхности тела и более, 70 Вт/м² при облучении от 25 до 50% и 100 Вт/м² – при облучении не более 25% поверхности тела. Интенсивность теплового облучения от открытых источников нагретых до белого и красного свечения (раскаленный или расплавленный металл, пламя и т.д.), не должно превышать 140 Вт/м², при этом воздействию не должно подвергаться более 25% поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

При наличии теплового излучения  температура воздуха на рабочих  местах не должна превышать 24-25 ⁰С для легких Iа и Iб категорий работ соответственно (расход энергии человеком W=175¸232 Вт); 21 и 22 ⁰С для IIа и IIб работ средней категории тяжести (W=233¸290 Вт) соответственно и 20 ⁰С для тяжелых III категории работ (W>290 Вт). Температура нагретых поверхностей оборудования в рабочей зоне не должна превышать 45 ⁰С, а для оборудования с температурой внутри ниже 100 ⁰С не должна быть более 35 ⁰С.

Защита от ИКИ.

Промышленная теплозащита достигается  максимальной автоматизацией технологических процессов с  исключением ручного труда и выводом работающих из «горячих» зон, оптимальным размещением оборудования и рабочих мест, применением средств коллективной и индивидуальной защиты.

Для защиты от лучистых тепловых воздействий  применяют следующие коллективные теплозащитные средства: теплоизоляция поверхностей источников излучения, экранирование источников либо рабочих мест, воздушное душирование, радиационное охлаждение, мелкодисперсное распыление воды и вентиляция или кондиционирование воздуха.

В тех случаях, когда нормативные  условия трудовой деятельности не могут  быть обеспечены конструкцией оборудования, организацией производства, архитектурно-планировочными решениями и средствами коллективной защиты, следует применять средства индивидуальной защиты от инфракрасного излучения согласно ГОСТ 12.4.221-20002.

Выбор теплозащитных средств в каждом отдельном должен осуществляться по максимальным значениям эффективности с учетом требований эргономики, технической эстетики, безопасности для данного процесса и вида работ и технико-экономического обоснования. Установленное на производстве защитное устройство должно быть удобным для обслуживания: не затруднять осмотр, чистку, смазывание агрегатов, гарантировать безопасность работы, обладать необходимой прочностью, легкостью изготовления и монтажа, иметь минимальные эксплуатационные расходы.

Эффективность защиты от теплового  излучения является долей задерживаемой  теплоты и определяется по формуле:

η = ( I₁- I₂ )/I₁          (6)

где I₁ и I₂ – интенсивности облучения на рабочем месте соответственно до и после установки защитного устройства.

Теплоизоляция горячих поверхностей (печей, сосудов и трубопроводов с горячими газами и жидкостями) снижает температуру излучающей поверхности и уменьшает как общее выделение теплоты, так и её лучистую часть. Кроме улучшения условий труда теплоизоляция уменьшает тепловые потери оборудования, снижает расход топлива (электроэнергии).

Основное  требование при выборе теплоизоляционного материала – малый коэффициент теплопроводности ( не более 0,2 Вт/(м×⁰К) и температурстойкость. Наиболее широкое применение нашли алюминиевая фольга, асбест, минеральная и шлаковата, перлитовые изделия, войлок и т.п.

Конструктивно теплоизоляция может быть мастичной, оберточной, засыпной, из штучных изделий  и смешанная. Мастичная изоляция осуществляется путем нанесения  на горячую поверхность изолируемого объекта изоляционной мастики. Мастичную изоляцию можно применять на объектах любой конфигурации. Оберточная изоляция изготавливается из волокнистых материалов – асбестовая ткань, минеральная вата войлок и др. Она наиболее пригодна для трубопроводов. Засыпную изоляцию используют в основном при прокладке трубопроводов в каналах и коробах там, где требуется большая толщина изоляционного слоя или при изготовлении теплоизоляционных панелей. Теплоизоляцию штучными или формованными изделиями, скорлупами применяют для облегчения работ. Смешанная теплоизоляция состоит из нескольких слоев. В первом слое обычно устанавливают штучные изделия. Наружный слой изготавливают из мастичной или оберточной изоляции. Целесообразно устанавливать алюминиевые кожухи снаружи теплоизоляции. Затраты на устройство кожухов быстро окупаются вследствие уменьшения тепловых потерь на излучение и повышения долговечности изоляции под кожухом.

Теплозащитные экраны применяют для  локализации источников лучистой теплоты, уменьшения облученности на рабочих местах и снижения температуры поверхностей, окружающих рабочее место. Различают теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие экраны, которые, в свою очередь, по степени прозрачности делятся на непрозрачные, полупрозрачные и прозрачные.

Теплоотражающие экраны используют для  локализации тепловыделений от поверхностей печей, покрытия наружных поверхностей кабин, постов управления кранов. В качестве материалов для непрозрачных теплоотражающих экранов используют асфоль (алюмиевая фольга), алюминий листовой, белую честь, алюминиевую краску. Эффективность теплозащиты таких экранов достигает 80÷98%.

Теплоотводящие экраны представляют собой полые металлические плиты, в которых циркулирует вода или водо-воздушная смесь. В качестве полупрозрачных теплоотводящих экранов (для наблюдения или ввода через него материалов или инструмента) используют металлические сетки с размером ячейки 3÷3,5 мм, цепные завесы, армированное металлической сеткой стекло. Металлические сетки применяют при интенсивностях облучения 350÷1050 Вт/м². Эффективность экранов из однослойной сетки - 33÷50% , двухслойной 57÷74%. Цепные завесы и армированное металлической сеткой стекло с эффективностью до 70% применяют при интенсивности облучения 700÷5000 Вт/м². для повышения эффективности тепловой защиты устанавливают двойные экраны или применяют орошение экранов водяной пленкой.

Прозрачные теплопоглощающие экраны изготавливаются из различных бесцветных или окрашенных стекол: силикатное – для защиты от источников с температурой до 700 ⁰С; органическое – для защиты от источников с температурой до 900 ⁰С. Эффективность теплозащиты стекол зависит от температуры источника излучения, так при Т=1000⁰С она достигает 86%.

При воздействии на работающего  теплового облучения интенсивностью 350 - 2100 Вт/м² применяют воздушное душирование (подача приточного воздуха в виде воздушной струи, направленной на рабочее место), усиливающее конвективный отток теплоты. При интенсивности облучения на рабочем месте свыше 2100 Вт/м² следует, по возможности, уменьшить облучение, предусматривая экранирование и другие мероприятия, или проектировать устройства для периодического охлаждения рабочих (комнаты отдыха - воздушные оазисы), водо-воздушное душирование, усиливающее отток теплоты как за счет конвекции, так и за счет испарения влаги.

Охлаждающий эффект воздушного душирования  зависит от разности температур тела работающего и потока воздуха, а  также от скорости обтекания воздухом охлаждаемого тела. Для обеспечения на рабочем месте нормативных значений температуры и скорости воздуха, а также предельно допустимых концентраций по газу и пыли ось воздушного потока направляют на грудь человека горизонтально или сверху под углом 45⁰ . Расстояние от места выпуска до рабочего места принимают не менее 1 м.

Воздушное душирование осуществляется свободными или полуограниченными струями, создаваемыми воздухораспределителями. В зависимости от категории тяжести работ, интенсивности ИКИ скорость движения в струе колеблется в пределах от 1,0 до 3,5 м/с, температура воздуха в струе  17÷28 ⁰С.

Воздушные оазисы представляют собой  рабочую зону, ограниченную легкими  переносными перегородками, со скоростью воздуха в ней 0,2÷0,4 м/с.

Воздушные завесы используют для устранения доступа нагретого (холодного) воздуха на постоянные рабочие места, расположенные вблизи ворот, дверей, технологических проёмов или в помещениях, не имеющих тамбуров и т.п. Существуют различные типы завес: шиберного и смешанного типа, постоянно и периодически действующие. например, завесы шиберного типа в результате частичного перекрытия проёма воздушной струёй снижают порывы наружного воздуха через открытый проём. Завесы шиберного типа периферического действия устанавливаются у ворот, не имеющих тамбуров и открывающихся не менее пяти раз в смену или не менее 40 минут в смену, и у открывающихся технологических проемов в наружных ограждающих конструкциях зданий в районах с расчетной температурой наружного воздуха –15 ⁰С и ниже.

Воздушная струя завесы направляется, как правило, под углом 30⁰ к плоскости проема, то есть под некоторым углом навстречу к нагретому (холодному) потоку. Скорость выпуска воздуха из щелей воздушной завесы 8÷15 м/с. Температура воздуха, подаваемого воздушно-тепловыми завесами, принимается не выше 50 ⁰С у наружных дверей и 70  ⁰С у ворот и технологических проемов.

Описание лабораторной установки и применяемых приборов.

Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рисунке 1.

Стенд представляет собой лабораторный стол 1, выполненный в виде металлического сварного каркаса, на котором устанавливается столешница 2 и устройство 3 для создания водяной завесы, а под столешницей - замкнутая гидросистема 4 и ящик 5 для хранения комплекта сменных элементов. Ящик и гидросистема закрыты стенками и дверцами.

Стенки и дверцы закрепляются на металлическом каркасе стенда. На столешнице 2 закреплены направляющие 6 линейного перемещения, пульт управления 7, линейка 8 и установлен имитатор 9 источника теплового излучения (бытовой электрокамин).

На направляющих 6 установлены две каретки 10. На одной из кареток закреплен датчик 11 измерителя теплового излучения 12 (радиометр неселективный «АРГУС –03»), на другой устанавливаются сменные экраны 13.

рис.1

Устройство 3 для создания водяной завесы представляет собой металлическую трубу с заглушкой на одном конце и системой отверстий, просверленных по прямой линии вдоль трубы, для выпуска воды.

Непосредственно под устройством 3 расположен бак 14 для приема воды. Имитатор 9 источника теплового излучения имеет защитный кожух 15. Замкнутая гпдросистема 4, питающая устройство З, для создания водяной завесы, состоит из водяного насоса 16, предохранительного клапана 17, бака 14 для приема воды, сетчатого фильтра 18.

Все элементы гидросистемы соединяются  между собой и устройством  для создания водяной завесы гибкими шлангами.

Бак 14 имеет штуцер для слива воды. Клапан 17 предназначен для регулирования напора воды в устройстве 3 для создания водяной завесы.

Ящик 5 имеет направляющие для установки сменных экранов.

Включение установки, водяного насоса и имитатора источника теплового излучения в сеть переменного тока напряжением 220 V осуществляется с помощью специального переходного удлинителя.

К работе со стендом допускаются  лица, ознакомленные с его устройством  и принципом действия. Запрещается снимать защитный экран, которым закрыт источник теплового излучения. Все подключения и работы на стенде проводить сухими руками.

Принцип работы неселективного радиометра «АРГУС –03» основан на преобразовании потока излучения создаваемого источниками, в непрерывный электрический сигнал, пропорциональный энергетической освещенности, который затем преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровой код, индуцируемый на цифровом табло индикаторного блока. В измерительной головке установлен первичный преобразователь излучения – термоэлемент для измерения энергетической освещенности. На передней панели индикаторного блока размещен переключатель пределов измерений и гнезда для сигнала с выхода головки. Показания прибора индуцируются в единицах «Вт/м²».

Порядок работы с прибором:

1. Установить измерительную головку прибора в месте, где необходимо произвести измерение. Индикаторный блок разместить в месте, удобном для снятия показаний с индикаторного табло. Переключатель пределов должен быть установлен в положении «off».
2. Включить прибор, для этого переключатель установить в положение «Вт/м²». При этом должны появиться показания на цифровом табло. Если в левой части табло загорается индикатор разряда батарей «bat», необходимо сменить элемент питания.
3. Закрыть приёмную головку, измерить и записать «темновое» значение (U_Т ) для дальнейшего вычисления значения энергетической освещенности.
4. Открыть измерительную головку. На табло индицируется энергетическая освещенность в «Вт/м²». Провести расчет значения энергетической освещенности, измеренной радиометром по формуле:

E=U₀ - U_Т

где U₀ и U_Т – показания радиометра при открытой и закрытой головке соответственно.

5. Если на табло индицируется единица наивысшего разряда, а цифры остальных разрядов не горят, это означает перегрузку для данного предела измерений.

Внимание: Не разрешается производить измерения  энергетической освещенности, превышающей верхний предел диапазона измерений – 2000 Вт/м²во избежании выхода из строя датчика измерительной головки.

6. Перед первым измерением рекомендуется выдержать прибор включенным в течении 30 минут.
7. По окончании работы, во избежание преждевременной разрядки элементов питания, необходимо выключить прибор, установив для этого переключатель в положение «off».

Порядок проведения работы.

1.Ознакомиться с требованиями безопасности и соблюдать их при выполнении работы:

а) перед началом выполнения работы ознакомиться с устройством лабораторного  стенда, приборами и правилами  их эксплуатации;

б) не прикасаться к нагревательному  элементу – электрокамину;

в) не допускать перегрузки (зашкаливания) измерительного прибора;

г) не включать электрокамин на полную мощность без использования теплозащитных экранов;

д) отключить стенд по окончании  выполнения работ.

2. Подключить стенд к электрической  сети, используя удлинитель для подключения источника теплового излучения.

3. Включить источник теплового  излучения и измеритель теплового  потока. Для установления постоянного  теплового излучения источник  должен прогреться.

Задание I. Исследование изменения интенсивности излучения в зависимости от расстояния до источника.

1.Установить головку измерителя  теплового потока в штативе,  выдвинув её относительно стойки на 10 см.

2. Измерить интенсивность теплового  потока I в 5÷6 точках на различном удалении от источника L, перемещая вдоль линейки штатив с измерительной головкой прибора.

3. Определить норму теплового  излучения применительно к условиям  выполняемой работы.

4. Результаты замеров занести  в первую строку табл.1

5. Построить график зависимости I=f(L). Сделать выводы, объяснить характер кривой.

Задание II. Исследование эффективности применения различных экранов.

1.Поочереди установить между  источником и измерительным элементом  защитные экраны и определить  интенсивность излучения на различном  удалении от источника ИКИ.  При этом экран предварительно необходимо прогреть в течение 2÷3 мин. Результаты занести в табл. 1.

2. Оценить эффективность защитного  действия экранов по зависимости  (6).

3. Построить графики зависимостей I=f(L) для различных видов защитных экранов. Сделать выводы.

Задание III. Исследование эффективности комбинированной тепловой

 защиты (экран +водяная завеса).

1.Установить указанный преподавателем  защитный экран. Включить водяную  завесу. Перед началом измерений дать экрану прогреться в течение 2÷3 мин.

2. Измерить интенсивность теплового потока I в 5÷6 точках на различном удалении от источника L, для комбинированного экрана, перемещая вдоль линейки штатив с измерительной головкой прибора. Занести результаты измерений в табл. 1.

3. Оценить по зависимости (6) эффективность защитного действия комбинированного экрана. Сравнить полученную эффективность с эффективностью того же экрана, определенной в задании 2.

4. Построить график зависимости I=f(L) для комбинированного экрана.

Таблица 1.

Контрольные вопросы.

1.  От чего зависит количество  лучистого тепла поглощаемого  телом человека ?

2.  Какими способами осуществляется  теплообмен человека с окружающей  средой ?

3. При каких условиях возможен  отвод тепла организма человека  и при каких условиях возможен перегрев организма ? 

4.  При какой длине волны  инфракрасного излучения  возможно  возникновение теплового удара и каковы его симптомы ?

5.  Какие существуют способы  борьбы с тепловым облучением  человеческого организма ?

6.  Какие типы экранов вы знаете и каков принцип их действия ?

7.  Как определить эффективность  защиты от теплового излучения  ?

8. Какой вид излучения является  превалирующим у человека, находящегося  в комфортных условиях ?

9.  Дать определение ИКИ и  привести его характеристики.

10.Перечислите основные источники  ИКИ.

11.Принцип нормирования ИКИ и  допустимые величины.

12.Перечислите методы и средства  защиты от ИКИ.