СРЕДСТВА И МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работы по курсу
ЗАЩИТА ОТ ТЕПЛОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Для студентов всех специальностей
Составители: Егоров В.Н., Хабаров Д.А.
Защита от тепловых излучений
Методические указания разработаны для выполнения студентами лабораторной работы по измерению количества тепла от излучающих поверхностей и оценке эффективности и условий применения защитных средств в учебной аудитории.
Материалы методических указаний могут быть использованы студентами в курсовом и дипломном проектировании при рассмотрении вопросов оценки вредного воздействия тепловых излучений в быту и на рабочем месте.
Рецензенты: д.т.н., заведующий кафедрой «Кадастра и основ земельного права» ФГБОУ ВО МИИГАиК, Сизов А.П.;
проф., д.э.н., член-корреспондент Российской академии наук (РАН), академик, заведующий кафедрой «Землепользования и кадастров» ФГБОУ ВО ГУЗ, Варламов А. А.
СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ…………………………………………………….5
СРЕДСТВА И МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ…. 8
НОРМИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ……10
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА……………………………….11
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ………………………………………13
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ……………………………………………….18
ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ…………………………………….18
Цель работы: изучение методов измерения количества тепла от излучающих поверхностей и оценка эффективности и условий применения
Учебные вопросы: 1. Ознакомление со схемой лабораторной установки и расположением приборов; 2. Измерение интенсивности излучения и температуры мишеней без экранов и измерение интенсивности теплового
излучения от различных экранов на тех же расстояниях; 3. Оценка воздействия измеренных значений на человека.
Порядок выполнения лабораторной работы: 1. Ознакомление с основными сведениями о тепловых излучениях и мерах защиты от них; 2. Изучение порядка работы на лабораторном стенде «Тепловые излучения»; 3. Измерение интенсивности излучения и температуры мишеней без экранов и измерение интенсивности теплового излучения от различных экранов на тех же расстояниях; 4. Заполнение соответствующей таблицы на основании полученных данных; 5. Построение графика зависимости интенсивности излучения и температуры в координатах; 6. Предоставление отчетов о результатах выполнения лабораторной работы.
ВВЕДЕНИЕ
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. Тепловым излучением (инфракрасным излучением (ИКИ)) является невидимое электромагнитное излучение с длиной волны от 0.76 до 420 микрометров, которое обладает световыми и волновыми свойствами [1] .
Воздух прозрачен для теплового излучения, именно поэтому при прохождении лучистого тепла через воздух температура ею не повышается. Энергию теплового излучения можно определить по формуле:
Q= 
(Вт/м 2 ), где
F – площадь излучающей поверхности, м 2 ;
T 0 — температура излучающей поверхности 0 К;
l – расстояние от излучающей поверхности до объекта, м.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
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. Существует, в основном, три способа отдачи тепла: излучение, испарение, конвекция. Передача тепла ИК — излучением является одним из самых мощных из всех способов теплоотдачи и составляет 44-59% общей теплоотдачи в комфортных условиях. Излучение тела человека находится в диапазоне длин волн от 5 до 25 микрометров с максимальной энергией, составляющей 9,4 микрометра. В производственных условиях, когда работник окружен различными предметами, имеющими определенную температуру, отличную от температуры тела работника, соотношение теплоотдачи способно существенно меняться. Отдача человеческим телом тепла во внешнюю среду возможна только при условии, если температура посторонних предметов ниже температуры тела человека.
В производственных условиях источником ИК – излучения могут быть разливаемый жидкий металл, сварочное пламя, нагретые поверхности слитков, поковок и так далее. Производственные источники тепла и лучистой энергии разделяются на 4 основные группы по характеру излучения: 1) источники с температурой до 500 °С; 2) источники с температурой от 500 °С до 1200 °С; 3) источники с температурой от 1200 °С до 2000 °С; 4) источники с температурой от 2000 °С до 4000 °С [1] .
Перечислим основные законы физики инфракрасного излучения.
1. Закон Кирхгофа — отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.
f (w, T) = 
, где
f (w, T) – универсальная функция частоты (дли волны) и температуры;
r (w, T) – излучательная способность тела;
a (w, T) – поглощательная способность тела.
2. Закон Стефана-Больцмана — светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры.
E = σ · T 4 ( Вт/м 2 ), где
Е — мощность излучения;
σ — постоянная Стефана-Больцмана, равная 5.67032 · 10 -8 Вт·м -2 ·К -4 ;
Т — абсолютная температура, К.
Количество тепловой энергии, передаваемое излучением, определяется
законом Стефана-Больцмана по формуле:
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.
3. Закон Вина
В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:
λмакс Т = С, где
С=2880; Т — абсолютная температура °К;
λ — длина волны в микрометрах.
Закон Вина гласит: произведение абсолютной температуры излучающего тела на длину волны излучения (λ макс) с максимальной энергией – величина постоянная [2] .
Основная физическая характеристика инфракрасного излучения — интенсивность излучения (плотность потока) Е (Вт/м 2 ) зависит от температуры излучателя, его площади и расстояния до исследуемой точки пространства и определяется по следующим формулам:
При R ≥ √S:
Eu= 
;
Тu — абсолютная температура излучателя, °К;
R — расстояние от излучателя до точки замера, м.
Эффективность защиты от теплового излучения можно оценить с помощью экранов и водяной завесы по формуле:
n= 
×100, где
Q – интенсивность теплового излучения без применения защиты, Вт/м 2 ;
Q3 – интенсивность теплового излучения с применением защиты, Вт/ м 2.[2]
СРЕДСТВА И МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Санитарные нормы допускают воздействие теплоты излучения на организм работающих в количестве не более 1,25 МДж/(м 2 *ч). Температура нагретых поверхностей производственного оборудования и ограждений на рабочих местах (печей, ванн и др.) не должна превышать 45 °С, а для оборудования, внутри которого температура равна или ниже 100 °С, температура на поверхности не должна превышать 35 °С. Для защиты людей от вредного воздействия теплового излучения и высоких температур применяют теплоизоляцию горячих поверхностей, например путем обмазки наружных поверхностей котлов и трубопроводов горячей воды каким-либо строительным раствором с наполнителем в виде стекловаты или асбеста. Общей защитой от излучения могут служить экраны из малотеплопроводных материалов (асбест, шифер), а в качестве средств индивидуальной защиты применяются спецодежда (брезентовые или суконные костюмы), очки со светофильтрами, щитки из органического стекла и другие. В горячих цехах существенную роль играет снабжение рабочих питьевой подсоленной или газированной водой, употребление которой улучшает водный баланс организма.
Ведущая роль в профилактике вредного влияния высоких температур ИК – излучения принадлежит технологическим мероприятиям. Внедрение автоматизации и механизации производственных процессов, дистанционного управления обеспечивает возможность пребывания работников вдали от источника конвекционного и радиационного тепла. Одним из наиболее распространенных способов борьбы с тепловым излучением является экранирование излучающих поверхностей. Теплоизлучение и поступление конвекционной теплоты в рабочую зону значительно уменьшается при применении экранов, которые по своему принципу действия можно подразделить на 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. 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/м 2 , цепные завесы и армированное стекло – 700 — 5000 Вт/м 2 .
Прозрачные теплопоглощающие экраны изготавливают из различных бесцветных 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 теплоизлучения м при tис = 1000 °С достигает 86%.
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) [1] .
Табл. 1. Воздействие теплового облучения на человека в зависимости от его интенсивности и длительности
| Интенсивность облучения, Вт/м | Воздействие | Длительность облучения, с |
| 230…350 | слабое | неопределенно долго |
| 350…1050 | умеренное | 180…300 |
| 1050…1600 | среднее | 40…60 |
| 2000…2800 | высокое | 18…24 |
| 3500 | очень высокое | 2…5 |
Кратность снижения температуры излучающей поверхности, μ, можно определить c помощью формулы:
μ = 
, где
tu — температура излучателя, °С;
tэ — температура экрана, °С.
Кратность ослабления теплового потока, т, защитным экраном определяется по формуле:
m = 
, где
где Еu — интенсивность потока излучателя, Вт/м 2 ;
Еэ — интенсивность потока теплового излучения экрана, Вт/м 2 .
Коэффициент пропускания экраном теплового потока , τ, равен:
τ = 
Коэффициент эффективности экрана, η, равен:
η = 1 – τ = 
[2]
Источник
Защита от тепловых излучений
Метеорологические условия на производстве характеризуются температурой воздушной среды, относительной влажностью, скоростью движения воздуха и атмосферным давлением, температурой поверхности (ограждающих конструкций, технологического оборудования), интенсивностью теплового излучения. Особое место занимает тепловое (инфракрасное) излучение, исходящее от нагретых материалов, поверхности оборудования. Все эти параметры оказывают большое влияние на здоровье человека и производительность труда.
Гигиенические требования к величинам температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха устанавливаются в зависимости:
а) от категории работ, различающихся по уровню энергозатрат:
– легкие физические работы – работы, производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением;
– физические работы средней тяжести – работы, связанные с постоянной ходьбой, перемещением мелких (до 1 кг) изделий или предметов в положении стоя или сидя и требующие определенного физического напряжения;
– тяжелые физические работы – работы, связанные с постоянными передвижениями, перемещением и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей и требующие больших физических усилий;
б) сезона года. Здесь различают два периода – холодный и теплый. Холодный период года – это период со среднесуточной температурой наружного воздуха, равной +10 °С и ниже. Теплый период года – период со среднесуточной температурой наружного воздуха выше +10 °С.
Отнесение условий труда к тому или иному классу вредности и опасности по показателям микроклимата осуществляется в соответствии с Руководством Р 2.2.2006–05 «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда». Условия труда оцениваются по разным показателям микроклимата в зависимости от конкретного рабочего места. Гигиеническими нормативами предусмотрено деление микроклимата на нагревающий и охлаждающий.
К нагревающему микроклимату относится такое сочетание параметров микроклимата (температура воздуха, скорость его движения, влажность, относительная влажность, тепловое излучение), при котором имеет место нарушение теплообмена человека с окружающей средой, выражающееся в накоплении тепла в организме и (или) увеличении доли потерь тепла испарением пота.
Охлаждающим микроклиматом является такое сочетание параметров микроклимата, при котором имеет место изменение теплообмена, приводящее к образованию общего или локального дефицита тепла в организме.
Класс условий труда при работе в производственных помещениях с охлаждающим микроклиматом (при отсутствии теплового излучения) определяется по нижней границе температуры воздуха. Класс условий труда при работах на открытой территории в холодный период года и в неотапливаемых помещениях определяется по нижней границе температуры воздуха.
На ряде производств высокая температура воздушной среды сочетается с повышенной влажностью (красильные цеха текстильной промышленности, бумажная промышленность и т.д.). На других производствах технология требует пониженных температур (морозильники, бродильные отделения пивоваренных заводов и т.д.). Часто работы проводятся на открытом воздухе в зимнее время (строительные работы, открытая добыча угля и полезных ископаемых и т.д.).
Теплообмен в производственных помещениях горячих цехов происходит излучением и конвекцией. В процессе теплообмена различают две стадии: между источниками теплоты (с температурой более 33 °С) и окружающими предметами – эта стадия отличается высокой интенсивностью лучистого обмена и сравнительно малой интенсивностью конвективного; между нагретыми облучением телами и воздухом – в этой стадии преобладает конвекция. При температуре источников тепловыделений более 50 °С в теплообмене преобладает излучение, поэтому для обеспечения нормальных условий труда в горячих цехах снижение теплоизлучений является основной задачей.
Каждый источник теплоты создает в пространстве поле излучения, независимое от взаимного положения источников. Распространяясь в пространстве, поля излучений накладываются одно на другое, создавая некоторую картину терморадиационной напряженности цеха. Таким образом, пространство горячего цеха представляет собой поле распределения энергии излучения. Лучистая энергия не поглощается окружающим воздухом: в поверхностных слоях облучаемого тела она превращается в тепловую энергию. Передача теплоты излучением происходит в инфракрасном (ИК), видимом (В) и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах спектра распространения электромагнитных волн и зависит в первую очередь от температуры источника.
Тепловой обмен человеческого организма с окружающей средой заключается во взаимосвязи между образованием тепла в результате жизнедеятельности организма и отдачей или получением им тепла из внешней среды.
У работающих при повышенных температурах нарушается обмен веществ, начинается обильное потоотделение. С потом выделяется до 50 г NaCl, вода при этом теряется в количестве до 8 литров в смену. В результате нарушается водно-солевой обмен, что ведет к изменениям в белковом обмене: в крови появляется большое количество молочной кислоты, мочевины. Вместе с потом удаляются необходимые витамины, тем самым нарушается витаминный обмен. Нарушается деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной систем: пульс учащается до 100 ударов в минуту, повышается максимальное и понижается минимальное кровяное давление, учащается дыхание.
При охлаждении организма кровеносные сосуды кожи сокращаются, скорость протекания крови через кожу и отдача тепла путем конвекции и излучения замедляется. Охлаждение вызывает нарушение углеводного обмена, рефлекторной деятельности, появляются простудные заболевания, понижается производительность труда.
В производственных условиях важное значение приобретают изменения в организме, вызванные повторяющимися изо дня в день в течение длительного периода охлаждением или нагреванием. У работающих постепенно образуется новый функциональный уровень организма, часто наступает физиологическое приспособление к производственным термическим воздействиям. Возникает адаптация организма к этим условиям.
Нормирование метеорологических условий производственных помещений осуществляется по ГОСТ 12.1.005– 88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Этот стандарт устанавливает оптимальные и допустимые микроклиматические условия в зависимости от характера производственных помещений, времени года и категории выполняемой работы (легкая, средней тяжести и тяжелая).
Для снижения опасности воздействия тепловых излучений используют такие способы, как уменьшение интенсивности излучения источника, защитное экранирование источника или рабочего места, воздушное душирование, применение средств индивидуальной защиты, организационные и лечебно-профилактические мероприятия.
При невозможности по техническим причинам достигнуть нормируемых температур вблизи источников значительных тепловых излучений предусматривается защита работающих от возможного перегрева: водовоздушное душирование, высокодисперсное распыление воды на облучаемые поверхности и кабины, устройство помещений для отдыха и др. Правильная организация отдыха имеет большое значение для восстановления работоспособности. Длительность перерывов и их частота определяются с учетом интенсивности облучения и тяжести работы. В местах отдыха недалеко от места работы обеспечиваются благоприятные метеорологические условия. Регулярно организуются медосмотры для своевременного лечения.
Технические меры защиты от тепловых излучений: механизация, автоматизация, дистанционное управление и наблюдение, уменьшение тепловых потерь излучением, тепловая изоляция и герметичность источников излучения (печей, трубопроводов с горячими газами и жидкостями), экранирование источников излучения и рабочих мест.
Тепловая изоляция поверхностей источников излучения снижает температуру излучающей поверхности и уменьшает как общее тепловыделение, так и радиационную его часть. Уменьшая тепловые потери оборудования, тепловая изоляция обусловливает сокращение расхода топлива (электроэнергии). Печи изолируют в большинстве случаев легковесным кирпичом; между наружным стальным кожухом и кирпичной кладкой иногда применяют засыпки из сыпучих или волокнистых материалов; своды изолируют засыпкой из сыпучих материалов (например, песка или колошниковой пыли). Засыпка создает герметичность, что особенно важно для газовых выбросов.
Экранирование – наиболее распространенный и эффективный способ защиты от теплового излучения. Экраны применяются для локализации источников лучистой теплоты, снижения облученности на рабочих местах, снижения температур окружающих рабочее место поверхностей. По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие, теплоотводящие. Подобное деление в известной степени условно, так как каждый экран обладает способностью отражать, поглощать и отводить теплоту. Отнесение экрана к той или иной группе зависит от того, какая из его способностей наиболее выражена. По конструкции и возможности наблюдения за технологическим процессом экраны можно разделить на три группы:
– непрозрачные. Материалом для теплоотражающих экранов служат листовой алюминий, белая жесть, алюминиевая фольга, укрепляемые на несущем материале (картоне, асбесте, сетке). Достоинства отражающих экранов – высокая эффективность, малая масса, экономичность; недостатки – нестойкость к высоким температурам, механическим воздействиям, ухудшающаяся эффективность при пылеотложениях и окислении.
В теплопоглащающих экранах применяют материалы с большим термическим сопротивлением (щиты асбестовые на металлической сетке или листе, футерованные огнеупорным или теплоизоляционным кирпичом и др.), вследствие чего температура наружной поверхности резко уменьшается. Такие экраны можно использовать при высоких интенсивностях излучений и температурах, механических ударах и запыленной среде.
Теплоотводящие экраны представляют собой сварные или литые конструкции, охлаждаемые протекающей внутри водой. Подобные экраны практически теплонепроницаемы. Они наиболее эффективны по сравнению с другими видами непрозрачных экранов, но к их устройству предъявляются определенные требования безопасности;
– полупрозрачные. К теплопоглощающим экранам относятся металлические сетки (размер ячейки 3–3,5 мм), цепные завесы, армированное стальной сеткой стекло. Эти экраны уступают по эффективности непрозрачным экранам;
– прозрачные. Для теплопоглащающих экранов используют разные стекла (силикатные, органические, кварцевые), бесцветные или окрашенные в массе, тонкие металлические пленки, осажденные на стекле.
Дистанционные пульты управления (или кабины), предназначенные для защиты от теплового излучения, должны удовлетворять следующим требованиям: объем кабины оператора – более 3 м3; стены, пол и потолок оборудованы теплозащитными ограждениями; площадь остекления достаточная для наблюдения за технологическим процессом и минимальная для уменьшения поступления теплоты.
Средства индивидуальной защиты от теплового излучения предназначены для защиты глаз, лица и поверхности тела. Для защиты глаз и лица используют очки со светофильтрами и щитки, голову от перегрева защищают каской, иногда – широкополой войлочной или фетровой шляпой. Остальную часть тела защищают спецодеждой из трудно- воспламеняемых и воздухопроницаемых материалов – сукна, брезента или льняных тканей и спецобувью. В горячих цехах для поддержания водного баланса в организме обеспечивают питьевой режим.
Защита от шума
Шум — это сочетание частот, которое может быть широкополосным или узкополосным (малое число полос).
Частотный состав шума называют спектром. Шум характеризуется своим состоянием во времени:
— стационарный (непрерывный и неизменяющийся);
— импульсный (отдельные короткие импульсы через определенное время);
Источник
