Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС»
Кафедра Техносферной Безопасности
Лабораторная Работа №2
Тема: Защита от теплового излучения
Студент:
Группа:
Преподаватель: Толешов А.К.
Москва 2011
Цель работы: ознакомить студентов с основами теории теплового излучения, нормативными требованиями к тепловому излучению и промышленными методами защиты от него; научить пользоваться приборами для измерения плотности тепловых потоков и оценивать эффективность защитных экранов.
Теоретическое введение:
Любое тело, имеющее отличную от абсолютного нуля температура, излучает энергию в виде электромагнитных волн с длиной волны от нуля до бесконечности. В зависимости от агрегатного состояния вещества его излучение может быть сплошным (твердые вещества, жидкости) и дискретным (пары и газы). Тепловым излучением называют излучение в видимом (длина волны = 0,4…0,75 мкм) и ближнем инфракрасном ( = 0,75…2,5 мкм) спектральном диапазоне.
Инфракрасное (ИК) излучение способно проникать в живую ткань организма на разную глубину в зависимости от длины волны излучения. Лучи длинноволнового диапазона (с длиной волны >1,5 мкм) поглощаются поверхностными слоями кожи на глубине 0,1 – 0,2 мм и их физиологическое воздействие на организм проявляется, главным образом, в повышении температуры кожи и перегреве организма. Они могут вызвать ожог кожи и глаз. Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие воздействия инфракрасных лучей является катаракта. Лучи коротковолнового диапазона (0,76 – 1,5 мкм) обладают способностью проникать в человеческий организм на несколько сантиметров. Такое ИК излучение легко проникает через кожу и черепную коробку в ткань мозга, вызывая быструю утомляемость, снижение внимания, усиленное потоотделение, а при длительном облучении – тепловой удар. При облучении коротковолновыми ИК лучами наблюдается повышение температуры легких, почек, мышц и других органов. В крови, лимфе, спинномозговой жидкости появляются специфические биологически активные вещества, наблюдаются нарушения обменных процессов, изменяется состояние центральной нервной системы
Облучение человека малыми дозами лучистой теплоты полезно.Тепловое облучение интенсивностью до 350 Вт/м2 не вызывает неприятного ощущения, при 1050 Вт/м2 уже через 3...5 мин на поверхности кожи появляется неприятное жжение (температура кожи повышается на 8...10°С), а при 3500 Вт/м2 через несколько секунд возможны ожоги. В момент заливки стали в форму она составляет 12 000 Вт/м2; при выбивке отливок из опок 350...2000 Вт/м2, а при выпуске стали из печи в ковш достигает 7000 Вт/м2.
Эффект теплового воздействия на организм зависит: от плотности потока, длительности облучения, зоны воздействия, длины волны.
Интенсивность теплового облучения Jе — это мощность лучистого потока, приходящаяся на единицу облучаемой поверхности, Вт/м2. Основные законы теплового излучения были открыты в следующей последовательности:
1. закон Кирхгофа – отношение плотности потока излучения к поглощательной способности всех тел одинаково, равно плотности потока излучения абсолютно черного тела (АЧТ) при той же температуре и зависит от температуры:
где q – плотность потока излучения тела, Вт/м2;
A – поглощательная способность тела;
q0 – плотность потока излучения АЧТ, Вт/м2;
T – температура, К.
2. закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость полной (по всем длинам волн излучения) плотности потока АЧТ от температуры:
где q0 – плотность потока излучения АЧТ, Вт/м2;
s – постоянная Стефана-Больцмана, s = 5,67 · 10-8 Вт/(К4·м2);
T – температура, К.
3. закон Вина устанавливает распределение энергии в спектре АЧТ в зависимости от температуры: произведение температуры на длину волны с максимальной энергией – величина постоянная:
где lmax – длина волны, соответствующая max излучению, м;
b – постоянная, b=2,9·10-3, (м·К);
T – температура, К.
4) закон Планка дает выражение для спектральной плотности потока АЧТ (нагретого до температуры Т) от длины волны излучения l:
где q0l – спектральная плотность потока, Вт/м3;
;
;
h=6,6·10-34 – постоянная Планка, Дж/с;
с=3·108 – скорость света в вакууме, м/с;
k=1,4·10-23 – постоянная Больцмана, Дж/К;
Меры защиты
Основные мероприятия по снижению опасности воздействия ИК излучения на человека включают в себя: снижение интенсивности излучения источника; технические защитные средства; защиту временем, использование средств индивидуальной защиты, лечебно-профилактические мероприятия.
В соответствии с ГОСТ 12.4.011-89 [4] и ГОСТ 12.4.123-83 [3] к коллективным средствам теплозащиты относятся устройства: оградительные (экраны, щиты и др.); герметизирующие; теплоизолирующие; вентиляционные (воздушное душирование, аэрация и др.); автоматического контроля и сигнализации; дистанционного управления; знаки безопасности.
Выбор теплозащитных средств в каждом случае должен осуществляться по максимальным значениям эффективности с учетом требований эргономики, технической эстетики, безопасности для данного процесса или вида работ и технико-экономического обоснования.
Механизация и автоматизация производственных процессов, дистанционное управление и наблюдение дают возможность пребывания рабочих вдали от источника радиационной и конвекционной теплоты.
Уменьшению поступления теплоты в цех способствуют мероприятия, обеспечивающие герметичность оборудования. Плотно подогнанные дверцы, заслонки, блокировка закрытия технологических отверстий с работой оборудования – все это значительно снижает выделение теплоты от открытых источников.
Теплоизоляция поверхностей источников излучения (печей, сосудов и трубопроводов с горячими газами и жидкостями) снижает температуру излучающей поверхности и уменьшает как общее тепловыделение, так и радиационное. Кроме улучшения условий труда тепловая изоляция уменьшает тепловые потери оборудования, снижает расход топлива (электроэнергии или пара) и приводит к увеличению производительности агрегатов.
В настоящее время известно много различных видов теплоизоляционных материалов. К неорганическим материалам относятся: асбест, асбоцемент, вермикулит, керамзит, минеральная вата и войлок, стекловата и стеклоткань, ячеистый бетон и др. Органическими изоляционными материалами являются древесные опилки, пробковые, древесноволокнистые и торфоизоляционные плиты, пенопласт и др.
Передачу теплоты через многослойную стенку можно описать формулой
qпроп = (T1 – T2)/Rсуммар,
Теплозащитные экраны применяют для локализации источников лучистой теплоты, уменьшения облученности на рабочих местах и снижения температуры поверхностей, окружающих рабочее место.
По принципу действия экраны подразделяются на: теплоотражающие, теплопоглощающие, теплоотводящие и комбинированные. Отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая способность экрана более выражена.
В производственных помещениях для ассимиляции избыточной теплоты предусматривают естественную вентиляцию (аэрацию).
Аэрация – организованный естественный воздухообмен, осуществляемый за счет теплового и ветрового напоров.
При интенсивности теплового облучения на открытых рабочих местах 350 Вт/м2 и выше и температуре воздуха не ниже 27 – 28 °С при проведении средней и тяжелой физической работы применяют зональное мелкодисперсное распыление воды. Водяная пыль, попадая на одежду и тело работающего, испаряясь, способствует охлаждению, а вдыхаемая водяная пыль предохраняет слизистые оболочки дыхательных путей от высыхания.
Воздушный оазис создают в отдельных зонах рабочих помещений с высокой температурой. Для этого часть рабочего помещения ограничивают легкими переносными перегородками высотой 2 м и в огороженное пространство подают прохладный воздух со скоростью 0,2 – 0,4 м/с.
Воздушные завесы создают для предупреждения проникновения в помещение наружного холодного воздуха путем подачи более теплого воздуха с большой скоростью (10 – 15 м/с) под некоторым углом навстречу холодному потоку.
Воздушное душирование представляет собой поток воздуха, имеющий заданные параметры (температуру, скорость движения, иногда влажность), подаваемый непосредственно на рабочее место. Ось воздушного потока направляют на грудь человека горизонтально или под углом 45°.
Эффективность любого теплозащитного устройства оценивается как:
,
где Э – эффективность теплозащитного устройства, %;
qпад – тепловой поток падающий на теплозащитное устройство (экран) от источника, Вт/м2;
qпроп – тепловой поток пропущенный теплозащитным устройством (экраном), Вт/м2.
К основным организационным мерам защиты относят:
- категорирование помещений (установление тепловой характеристики помещения).
Избытки явной теплоты Qяв (теплонапряженность), Вт – тепловые потоки от всех источников (тепло, выделяемое печами, нагретым металлом, электрооборудованием, людьми, отопительными приборами, солнечным нагревом) за вычетом теплопотерь через ограждения при расчетных параметрах наружного воздуха.
Производственные помещения делят на: помещения с незначительными избытками явной теплоты с теплонапряженностью Qяв≤23 Вт/м3=84 кДж/(м3 ч) и помещения с избытками явного тепла с Qяв>23 Вт/м3 (горячие цеха – доменные, сталеплавильные, прокатные и др.).
- организацию дополнительных перерывов в работе (график перерывов разрабатывается применительно к конкретным условиям работы и в зависимости от тяжести работ, с учетом того, что частые короткие перерывы более эффективны для поддержания работоспособности, чем редкие, но продолжительные).
- защиту временем во избежание чрезмерного общего перегревания и локального повреждения (ожог). Регламентируют продолжительность периодов непрерывного ИК облучения человека и пауз между ними в соответствии с Р 2.2.2006-05 «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда» [5].
- организацию мест отдыха (где обеспечивают благоприятные условия);
- регулярные медосмотры для своевременного лечения.
К индивидуальным средствам относятся специальная одежда, фартуки, обувь, рукавицы. При защите от тепловых излучений спецодежда выполняется воздухо- и влагонепроницаемой (хлопчатобумажная, льняная, грубошерстное сукно). Для защиты головы от излучения применяют дюралевые, фибровые каски, войлочные шляпы; для защиты глаз – очки темные или с прозрачным слоем металла, маски с откидным экраном.
При кратковременных работах в условиях высоких температур (тушении пожаров, ремонте металлургических печей), где температура достигает 80 – 100 °С, большое значение имеет тепловая тренировка. Устойчивость к высоким температурам может быть в некоторой степени повышена лечебно-профилактическими мероприятиями: использование фармакологических средств (дибазола, аскорбиновой кислоты, смеси этих веществ и глюкозы), вдыхание кислорода, аэроионизация.
Для ослабления воздействия тепловых излучений на организм человека устанавливают рациональный питьевой режим – снабжают рабочих горячих цехов подсоленной газированной водой, белково-витаминным напитком и т.п.
Приборы, используемые в теплофизических измерениях
Приборы для измерения тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции
Для измерения тепловых потоков часто применяют тепломеры (измерители плотности теплового потока) – специальные устройства для измерения тепловых потоков, размещаемые на поверхности тела или внутри него. При прохождении теплового потока через тепломер на обеих сторонах рабочей пластины возникает термо-ЭДС вследствие разности температур на ее поверхностях.
Результаты замеров плотности теплового потока на различных расстояниях от источника теплового излучения с белым металлическим экраном при имитации работы вытяжной вентиляции
| Расстояние от источника излучения, мм | Плотность теплового потока падающего излучения, Вт/м2 | Среднее значение , Вт/м2 | ||||
Эффективность работы экранов и комбинированной тепловой защиты
| Теплозащитное устройство | Эффективность, % |
| экран с брезентом | 83,7 |
| экран с цепями | 66,0 |
| экран черный металлический | 90,6 |
| Экран белый металлический | 93,2 |
| экран белый металлический совместно с вытяжной вентиляцией | 82,3 |
Вывод: белый металлический экран обладает самыми лучшими защитными свойствами, однако он непрозрачен и в случае, когда необходим обзор экранируемой установки, следует использовать экран с цепями.