Исследование защиты от теплового излучения

Методические указания

Цель работы:

1. Расширить знания о физической природе теплового излучения и его физиологического воздействия на человека, а также о защитных свойствах различных материалов (экранов) от его негативного воздействия.

2. Приобрести навыки в исследовании защитных свойств защитных тепловых экранов от теплового излучения.

Учебные вопросы:

1. Изучение основ защиты от теплового излучения.

2. Исследование защитных свойств различных защитных тепловых экранов от теплового излучения.

3. Оценка эффективности защитного действия различных защитных тепловых экранов.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить методические указания, основные положения законспектировать.

2. Ознакомиться с устройством и принципом действия стенда для исследования защиты от теплового излучения и подготовить его к работе.

3. Получить у преподавателя задание на проведение исследований.

4. Произвести измерения, расчеты и их оценку.

5. Привести стенд в исходное положение (выключить электропитание, убрать экраны, сдать измерительный прибор).

6. Представить отчет о работе.

1. Общие сведения

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

Воздух прозрачен (диатермичен) для теплового излучения, поэтому при прохождении лучистого тепла через воздух температура его не повышается. Лучи поглощаются предметами, нагревают их и они становятся излучателями тепла. Воздух, соприкасаясь с нагретыми телами, нагревается, и температура воздушной среды в производственных помещениях возрастает. Энергия теплового излучения может быть определена по формуле:

, (1)

где: Q - энергия теплового излучения, Вт/м²;

F - площадь излучающей поверхности, м²;

T⁰ - 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 (термогенезисом) в результате жизнедеятельности организма и отдачей им тепла во внешнюю среду. Отдача тепла осуществляется, в основном, тремя способами: конвекцией, излучением и испарением.

Передача тепла инфракрасным излучением (ИК–излучением) является наиболее мощным из всех путей теплоотдачи и составляет в комфортных метеоусловиях 44-59% общей теплоотдачи. Излучение тела человека находится в диапазоне длин волн от 5 до 25 мкм, с максимальной энергией, приходящейся на 9,4 мкм.

В производственных условиях, когда работающий окружен предметами, имеющими температуру, отличную от температуры человека, соотношение способов теплоотдачи может существенно изменяться. Отдача человеческим телом тепла во внешнюю среду возможна только тогда, когда температура окружающих предметов ниже температуры тела человека. В обратном случае направление потока лучистой энергии меняется на противоположное, и уже тело человека будет получать извне дополнительную тепловую энергию. Воздействие инфракрасных лучей приводит к перегреву организма и тем быстрее, чем больше мощность внешнего излучения, выше температура и влажность воздуха в рабочем помещении, больше интенсивность выполняемой работы.

ИК–излучение, помимо усиления теплового воздействия окружающей среды на организм работающего, обладает специфическим влиянием проникать на разную глубину в живую ткань.

Лучи длинноволнового диапазона (длина волны от 3,0 мкм до 1 мм) задерживаются в поверхностных слоях кожи уже на глубине 0,1-0,2 мм. Поэтому их физиологическое воздействие на организм проявляется, главным образом, в повышении температуры кожи и перегреве организма.

Наоборот, коротковолновой диапазон ИК–излучения характеризуется способность проникать в ткани человеческого организма на несколько сантиметров. Так лучи с длиной волны 0,78-1,4 мкм, легко проникают через кожу и черепную коробку в мозговую ткань, что может привести к воздействию на клеточные образования головного мозга. Тяжелые поражения головного мозга ИК–лучами приводят к возникновению специфического заболевания – теплового удара, внешне, выражающегося в головной боли, головокружении, учащении пульса, ускорении дыхания, падении сердечной деятельности, потери сознания.

После облучения коротковолновыми ИК–лучами, проникающими в глубоко лежащие ткани, наблюдается повышение температуры легких, почек, мышц и других органов. В крови, лимфе, спинномозговой жидкости появляются специфические биологически активные вещества, наблюдаются нарушения обменных процессов, изменяется функциональное состояние центральной нервной системы.

Интенсивность теплового облучения человека регламентируется, исходя из субъективного ощущения человеком энергии облучения. Человек может неопределенно долго выдерживать излучение интенсивностью до 350 Вт/м². Эта величина считается верхним пределом оптимального облучения. При более высоких значениях должно осуществляться воздушное душирование рабочих мест.

Нормы ограничивают также температуру нагретых поверхностей оборудования в рабочей зоне, которая не должна превышать 45^ºС, а для оборудования, внутри которого температура равна или ниже 100^ºС, температура на его поверхности устанавливается не выше 35^ºС.

В производственных условиях не всегда возможно выполнить эти требования. В этом случае должны быть предусмотрены мероприятия по защите работающих от возможного перегрева: дистанционное управление ходом технологического процесса, воздушное и водо-воздушное душирование рабочих мест; устройство специально оборудованных комнат, кабин или рабочих мест для кратковременного отдыха с подачей в них кондиционированного воздуха; использование защитных экранов, водяных и воздушных завес; защищающих рабочие места от теплового излучения; применение средств индивидуальной защиты; спецодежды, спец обуви и др.

Одним из самых распространенных способов борьбы с тепловым излучением является экранирование излучающих поверхностей. Различают тепловые экраны трех типов: непрозрачные, прозрачные и полупрозрачные.

В непрозрачных экранах поглощаемая энергия электромагнитных колебаний, взаимодействуя с веществом экрана, превращается в тепловую энергию.

При этом экран нагревается и, как всякое нагретое тело, излучает электромагнитные колебания. Излучение поверхностью экрана, противолежащей экранируемому источнику излучения, условно рассматривается как пропущенное излучение источника. К непрозрачным экранам относятся, например, металлические (в том числе алюминиевые), альфолевые (алюминиевая фольга), футерованные (пенобетон, пеностекло, керамзит, пемза), асбестовые и другие.

В прозрачных экранах, излучения, взаимодействуя с веществом экрана, минуют стадию превращения в тепловую энергию и распространяются внутри экрана по законам геометрической оптики, что и обеспечивает видимость через экран. Так ведут себя экраны, выполненные из различных стекол: силикатного, кварцевого, органического, металлизированного, а также пленочные водяные завесы (свободные и стекающие по стеклу), водо-дисперсионные завесы.

Полупрозрачные экраны объединяют в себе свойства прозрачных и непрозрачных экранов. К ним относятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из стекла, армированного металлической сеткой.

По принципу действия экраны подразделяются на: теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Однако это деление условно, так как каждый экран обладает одновременно способностью отражать, поглощать и отводить тепло. Отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая способность более выражена.

 

1. Средства и меры защиты от теплового излучения

Ведущая роль в профилактике вредного влияния высоких температур инфракрасного излучения принадлежит технологическим предприятиям. Внедрение автоматизации и механизации производственных процессов, дистанционного управления обеспечивает возможность пребывания рабочих вдали от источника радиационного и конвекционного тепла.

Теплоизлучение и поступление конвекционной теплоты в рабочую зону значительно уменьшается путем применения экранов, которые по принципу действия подразделяются на: теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Эффективность установки теплозащитного экрана оценивается долей задержанной теплоты.

Теплоотражающие экраны используются для локализации тепловыделений от поверхностей печей, покрытия наружных поверхностей. В качестве материалов для непрозрачных теплоотражающих экранов используют алюминиевую фольгу, листовой алюминий, пенобетон, керамзит, асбест и др., эффективность теплозащиты экранов достигает 80-98%.

Теплоотводящие представляют собой стальные полые плиты, в которых циркулирует вода или воздушная смесь. В качестве полупрозрачных теплоотводящих экранов используется металлические сетки с размером ячейки 3…3,5 мм, цепные завесы, армированное стальной сеткой стекло. Металлические сетки применяют при интенсивностях облучения до 0,35 – 1,05 кВт/м². Эффективность экранов из сетки: один слой 33 – 50, два слоя - 57 – 75%.

Цепные завесы и армированное стальной сеткой стекло применяют при интенсивности облучения 0,7 – 5 кВт/м² с эффективностью до 70%. Для повышения эффективности тепловой защиты устраивают двойные экраны и применяют орошение экранов водяной пленкой.

В качестве теплоотводящих экранов наиболее широко применяются водяные завесы, свободно падающие в виде пленки, орошающие другую экранирующую поверхность (например, металлическую), либо заключенные в специальный кожух из стекла (аквариальные экраны), металла (змеевики) др.

Оценить эффективность защиты от теплового излучения с помощью экранов и водяной завесы можно по формуле:

, (2)

где: Q - интенсивность теплового излучения без применения защиты, Вт/м²;

Q₃ - интенсивность теплового излучения с применением защиты, Вт/м².

Прозрачные теплопоглощающие экраны изготавливают из бесцветных различных или окрашенных стекол: силикатное – для защиты от источников с температурой 700^°С; органическое - для защиты от источников с температурой 900^°С. Эффективность теплозащиты стекол зависит от температуры источника излучения и при 1000°С достигает 86%.

Для повышения тепловой защиты применяется двойное остекленение с вентилируемой воздушной прослойкой, а так же целесообразно использовать водяные экраны, так как зеркальная водяная завеса снижает интенсивность излучения в 5 –10 раз. При воздействии на работающего теплового излучения интенсивностью 0,35 кВт/м² и более, а так же 0,175-0,35 кВт/м² при площади поверхностей более 0,2 м² применяют воздушное душирование (подача воздуха в виде воздушной струи направленной на рабочее место). При интенсивности свыше 2,1 кВт/м² воздушный душ не может обеспечить необходимой защиты. В этом случае следует по возможности уменьшить облучение, предусматривая теплоизоляцию, экранирование и применять водо-воздушное душирование, что позволяет, наряду с усилением конвективного обмена, увеличить теплоотдачу организма человека.

Таблица 1

Воздействие теплового облучения на человека в зависимости

от его интенсивности и длительности

Интенсивность облучения, Вт/м^2	Воздействие	Длительность облучения, с
230-350	Слабое	Неопределенно долго
350-1050	Умеренное	180-300
1050-1600	Среднее	40-60
2000-2800	Высокое	18-24
	Очень высокое	2-5