Лабораторная работа № 2

«Защита от теплового излучения»

Цель лабораторной работы: ознакомиться с теорией теплового излучения, физической сущностью и инженерным расчетом теплоизоляции, нормативными требованиями к тепловому излучению.

Задачи лабораторной работы:

-освоить методы работы с прибором для измерения тепловых потоков;

-провести измерение интенсивности тепловых излучений в зависимости от расстояния до источника;

-оценить эффективность защиты от теплового излучения с помощью экранов и воздушной завесы.

1. Общие сведения

Лучистый тепловой обмен между телами представляет собой процесс распределения внутренней энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра. Длина волны видимого излучения – от 0, 38 до 0, 77 мкм, инфракрасного – более 0, 77. Такое излучение называется тепловым или лучистым.

Теплота температурой Т > 0 К 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 = 0, 78…1000 мкм при облучении любого тела вызывает тепловой эффект и носит название инфракрасного излучения (ИКИ). На долю ИКИ производственных помещений приходится до 70 % выделяемой теплоты.

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

В производственных помещениях со значительными избытками явной теплоты (более 23, 3 Вт/м³) 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 ^оС. Это паропроводы, наружные поверхности печей и др. В спектре излучения этих источников содержатся в основном инфракрасные лучи с длиной волны 3, 7…9, 3 мкм.

2. Источники с температурой поверхности от 500 до 1300 ^оС. Это открытые проемы 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 мкм.

3. Источники с температурой поверхности от 1300 до 1800 ^оС. Это расплавленная сталь, открытые проемы плавильных печей и др. Спектр излучения содержит инфракрасные лучи с _max = 1, 2…1, 9 мкм и видимые лучи.

4. Источники излучения с температурой поверхности свыше 1800 ^оС. Это дуговые печи, сварочные аппараты. Спектр излучения таких источников содержит все виды лучистой энергии.

 

 

1.1. 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 микроклиматических 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 кислородная насыщенность крови, повышается венозное давление, замедляется кровопоток) и, как следствие, наступает нарушение сердечно-сосудистой деятельности и деятельности нервной системы. Помимо непосредственного воздействия на рабочих лучистый поток теплоты нагревает пол, стены, оборудование, что приводит к повышению температуры воздуха помещения и ухудшению условий труда.

В таблице 5 представлена зависимость теплового ощущения от длительности его воздействия.

Таблица 5

Характер воздействия теплового излучения на человека

Интенсивность излучения, ВТ/м2	Характер воздействия	Длительность воздействия t, с
230…350 350…1050 1050…1060 2100…2800	Слабое Умеренное Среднее Высокое Очень высокое	Неопределенно долго 180…300 40…60 18…24 2…5

 

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 коротковолновые лучи с длиной волны = 0, 78…1, 5 мкм (лучи Фохта) и длинноволновые лучи с > 1, 5 мкм. 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 человека до 40…41 ^оС, головокружение, слабость). Длинноволновые инфракрасные лучи глубоко в ткани не проникают и поглощаются в основном кожным покровом уже на глубине 0, 1…0, 2 мкм. 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 и мутагенный эффект ИКИ.

 

1.2. 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 непостоянных рабочих местах и 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.

 

1.3. Защита от ИКИ

 

Промышленная теплозащита достигается максимальной механизацией и 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 12.4.221-2002.

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

где I₁ и I₂ – интенсивности облучения на рабочем месте соответственно до и после установки защитного устройства, Вт/м².

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 поверхности печей, покрытия наружных поверхностей кабин, постов управления кранов. В качестве материалов для непрозрачных теплоотражающих экранов используют альфоль (алюминиевую фольгу), алюминий листовой, белую жесть, алюминиевую краску. Эффективность теплозащиты таких экранов достигает 80…98 %.

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

Теплопоглощающие прозрачные экраны изготавливают из различных бесцветных или окрашенных стекол: силикатное – для защиты от источников с температурой 700 ^оС; органическое – для защиты от источников с температурой 900 ^оС. Эффективность теплозащиты стекол зависит от температуры источника излучения и при Т = 1000 ^ОС достигает 86%.

При воздействии на работающего теплового облучения интенсивностью 350 Вт/м² и более 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 теплоизоляцию, экранирование и другие мероприятия, или проектировать устройства для периодического охлаждения рабочих (комнаты отдыха – воздушные оазисы), воздушное душирование, усиливающее отток теплоты как за счет конвективного оттока, так и за счет испарения влаги.

Охлаждающий эффект воздушного душирования зависит от разности температуры 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 45 ^оС. Расстояние от места выпуска до рабочего места принимают не менее 1 м.

Воздушное душирование осуществляется свободными и полуограниченными струями, создаваемые воздухораспределителями. В зависимости от категории тяжести работ, интенсивности ИКИ скорость движения воздуха в струе 1…3, 5 м/с, температура в струе 17…28 ^оС.

Воздушные оазисы представляют собой рабочую зону, ограниченную легкими переносимыми 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 проемов 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 проема воздушной струей снижают прорывы наружного воздуха через открытый проем. Завесы шиберного типа периферического действия устанавливают у ворот, не имеющих тамбуров и открывающихся чаще 5 раз или не менее 40 мин 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, т.е. 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.

 

2. Описание лабораторной установки

 

Стенд обеспечивает изучение методов измерения теплового излучения от нагретых поверхностей; исследование интенсивности теплового излучения в зависимости от расстояния от источника теплового излучения, а также определение эффективности защитных свойств материалов для спецодежды и экранов.

Стенд представляет собой лабораторный стол со столешницей и размещенным на нем источником инфракрасного излучения (бытовой электрокамин) (Рис 1). Стенд включает также измеритель теплового излучения – актинометр ИПП-2м, линейку, стойки для оперативной установки сменных экранов и стойку для установки измерительной головки измерителя теплового излучения.

Для создания вытяжной или приточной (воздушного душа или завесы) вентиляции используется пылесос.

Измерительная головка крепится к стойке, установленной на плоском основании посредством винтов. Расстояние от источника теплового излучения до измерительной головки определяется по линейке, вдоль которой по столешнице перемещается вся конструкция.

Рис. 1 Стенд «Защита от теплового излучения»

В комплект стенда входят защитные экраны, выполненные из листов металла с направляющими; с цепями, выполненными в виде металлических рамок; с брезентом, закрепленным в рамке.

 

3. Порядок проведения лабораторной работы

3.1. Исследование изменения интенсивности излучения

в зависимости от расстояния до источника

 

Установить головку измерителя интенсивности теплового потока в штативе, выдвинув ее относительно стойки на 10 см.

Включить источник теплового излучения (электрокамин) и измеритель теплового потока (ИПП-2м). для установления постоянного теплового излучения источник должен прогреться.

Измерить интенсивность теплового потока в 5…6 точках на различном удалении от источника, перемещая вдоль линейки штатив с измерительной головкой прибора. Данные замеров занести в таблицу 6, построить график зависимости среднего значения интенсивности теплового излучения от расстояния.

Таблица 6

№ п/п	Вид защитного экрана	Интенсивность ИКИ I (Вт/м2) на расстоянии L (см) от источника	Норма ИКИ (ГОСТ 12.1.005-88)	Эффек- тивность экрани- рования, %
	Без перегородок
	Цепной экран
	Алюминий
	Зеркальная поверхность
	Парусина
	Комбинированный экран с вытяжкой
	Комбинированный экран с воздушным душированием
	Экран «Воздушная завеса»	Т	Т
I	I

 

График зависимости I=f(L) среднего значения

интенсивности теплового излучения от расстояния

L.см

Выводы:

 

 

3.2. Исследование эффективности применения различных экранов

 

Установить между источником теплового излучения и измерительным прибором защитные экраны и определить интенсивность излучения на различном удалении от источника. При этом экран предварительно необходимо прогреть в течение 2…3 мин. Результаты замеров занести в таблицу отчета.

Оценить эффективность защитного действия экранов от теплового излучения по формуле:

где I₁ и I₂ – интенсивности облучения на рабочем месте соответственно до и после установки защитного устройства, Вт/м².

Построить график зависимости среднего значения интенсивности теплового излучения от расстояния при использовании различных видов защитных экранов.

График зависимости I=f(L) для различных видов защитных экранов

Выводы:

 

 

3.3. Исследование эффективности комбинированной тепловой защиты (экран – вытяжная вентиляция)

 

Установить указанный преподавателем защитный экран, разместив над ним щелеобразную щетку пылесоса. Включить пылесос в режиме отсоса воздуха, имитируя вытяжную вентиляцию.

Измерить интенсивность теплового излучения от комбинированного экрана в зависимости от удаления его от источника. Замеры занести в таблицу 1 отчета.

Оценить эффективность защитного действия комбинированного экрана от теплового излучения по формуле:

Сравнить полученную эффективность с эффективностью того же экрана, определенной в разделе 3.2.

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

График зависимости I=f(L) для комбинированного экрана

Выводы:

 

3.4. Исследование эффективности комбинированной тепловой защиты

(экран – воздушное душирование)

 

Включить пылесос в режиме нагнетания воздуха и, направляя воздушный поток на экран под некоторым углом к нему (воздушное душирование), измерить интенсивность теплового излучения от комбинированного экрана в зависимости от удаления его от источника. Замеры занести в таблицу 1 отчета.

Оценить эффективность защитного действия комбинированного экрана от теплового излучения по формуле:

Сравнить полученную эффективность с эффективностью того же экрана, определенной в разделе 3.2.

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

График зависимости I=f(L) для комбинированного экрана

Выводы:

 

3.5. Определение диатермичности воздуха

 

Создать воздушную завесу между источником измерения и датчиком измерительного прибора. Для этого шланг пылесоса с насадкой и включить пылесос на нагнетание, направив поток воздуха перпендикулярно тепловому потоку, немного навстречу ему.

Измерить интенсивность теплового излучения и с помощью температурного датчика ИПП-2м – температуру воздуха без применения воздушной завесы.

Результаты замеров интенсивности теплового излучения I и температуры T занести в таблицу 1 отчета.

Сделать обоснованный вывод о динамичном свойстве воздуха.

 

4. Контрольные вопросы

1. Что понимают под ИКИ?

2. Что является основными источниками ИКИ?

3. Характер воздействия ИКИ на организм человека и критерии оценки этого воздействия?

4. Методы и средства защиты от ИКИ.

5. Принцип нормирования ИКИ и допустимые величины.

6. Виды экранов, условия их применения и основные технические характеристики.

7. Воздушная завеса и область ее применения.

8. Воздушные оазисы и душирование.

9. Методы и приборы измерения ИКИ.

10. Виды проявления теплового удара.

 

 

Дата: Подпись студента

Подпись преподавателя