Основные понятия

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Цель работы: определение интенсивности теплового излучения на рабочем месте, ее оценка и исследование эффективности защитных экранов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Большинство производственных процессов сопровождается выделением тепла от оборудования и нагретых материалов. В производственных условиях выделение тепла возможно от:

1) плавильных и нагревательных печей и других термических устройств;

2) остывание нагретых или расплавленных металлов;

3) перехода в тепло механической энергии, затрачиваемой на привод
в движение основного технологического оборудования;

4) перехода электрической энергии в тепловую и т. п.
Большую долю в общий баланс тепла, особенно в летнее время, вносит
энергия солнечного излучения.

Нагретые тела отдают свое тепло менее нагретым тремя способами: теплопередачей (теплопроводностью), теплоизлучением и конвекцией. Конвекция определяется, в основном, подвижностью воздушной среды и разностью температур поверхностей и охлаждающего их воздуха. Около 60% тепловой энергии распространяется в окружающей среде путем излучения. Это тепло нагревает только те тела, на которые падает. Лучистая энергия, проходя почти без потерь пространство снова превращается в тепловую. Тепловое излучение не оказывает непосредственного воздействия на окружающей воздух, свободно пронизывая его.

Лучистая энергия, попадая на человека, воздействует, прежде всего, на незащищенные части тела (лицо, руки, грудь), причем, если конвективное тепло влияет главным образом на внешнее кожные покровы, то лучистое тепло может проникать на некоторую глубину в ткани.

При длительном пребывании человека в зоне теплового лучистого потока как и при систематическом воздействии высокой температуры, происходит резкое нарушение теплового баланса, которое вызывает заболевание, называемое тепловой гипотермией (перегревом). Это заболевание характеризуется повышением температуры тела, достигающей в тяжелых случаях 40-41⁰С, обильным потоотделением, резкой слабостью, изменением зрительных ощущений, шумом в ушах.

Наблюдается снижение внимания, производительность труда падает.
При систематических перегревах повышается восприимчивость к простудным заболеваниям.

Тепловой эффект воздействия облучения зависит от многих факторов, а

именно: от спектра излучения, интенсивности потока облучения, размеров излучающей поверхности и облучаемого участка организма, длительности облучения, прерывности его, угла падения лучей, метеорологических условий и т. п.

Сравнительная оценка переносимости человека тепловых излучений дана в Приложении.

Производственные источники лучистой теплоты по характеру излучения можно разделить на 4 группы:

1. С температурой излучающей поверхности до 500⁰С (паропроводы, сушильные установки, низкотемпературные аппараты, наружная поверхность различных печей и другие); их спектр содержит длинные инфракрасные лучи с длиной волны 3, 7 - 9, 3 мкм.

2. С температурой поверхности от 500⁰С до 1300⁰С (открытое пламя, открытые проемы нагревательных печей и топок, нагретые металлические слитки, заготовки, расплавленный чугун и бронза и другие); их спектр содержит преимущественно инфракрасные лучи с длиной волны 1, 9-3, 7 мкм. Но проявляются и видимые лучи.

З. С температурой 1300-1800⁰С (открытые проемы плавильных печей, расплавленная сталь и другие), их спектр содержит как инфракрасные лучи вплоть до коротких с длинной волны 1, 2-1, 9 мкм, так и видимые большой яркости.

4. С температурой выше 1800⁰С (пламя электродуговых печей, сварочных аппаратов и других), их спектр излучения содержит наряду с инфракрасными и видимыми, также ультрафиолетовые лучи с длинной волны λ - 0, 4-0, 76 мкм.

В практических условиях излучение является интегральным, поскольку нагретые тела излучают одновременно различные длины волн. При чем, по мере роста температуры источника излучения максимум энергии перемещается в спектре в сторону более коротких волн.

Это следует из закона Вина:

λ _max· T₁ = b (1)

где: λ – длина волны, мкм;

T₁ – температура излучающей поверхности, К;

b – постоянная, равная 0, 2899 см · К.

Отсюда, чем больше Т₁, тем меньше λ.

Меры борьбы с лучистым теплом сводятся к изоляции излучающих поверхностей, созданию термического сопротивления на пути теплового потока в виде экранов различных конструкций. Действие экранов различных конструкций заключается либо в поглощении лучистой энергии, либо в отражении ее.

К отражательным экранам относятся жесткие глухие преграды. Они отражают до 95% длинноволнового излучения. Непрерывное смачивание глухих экранов водой позволяет задерживать излучение почти полностью.

К поглощающим экранам относятся различные завесы, водяные, воздушные щиты и экраны из мало теплопроводных пористых материалов (асбеста, шлаковой или стеклянной ваты), цепные завесы.

В настоящее время нашли широкое применение экраны, выполненные в виде плотной сетки с подвижными петлями или из специальных штамповочных плоских цепочек, или из обыкновенных мелких цепей подвешенных против излучающего проема в один или несколько рядов. Они снижают лучистый поток на 60-70%;

Водяные завесы в виде сплошной пленки, образующийся при равномерном стекании воды с гладкой поверхности, поглощают поток тепла до 80-90% без существенного ухудшения видимости, то есть являются прозрачными для световых лучей.

В определении оптимальных условий защиты от излучений важное значение имеет характер спектрального состава излучения излучающей поверхности, так как материал экрана должен поглотить или отразить лучи, несущие максимум энергии.

Рис.1 Отражательная способность кожи человека в
зависимости от длины падающих на нее волн.

Как видно из рис. 1, для организации эффективной защиты необходимо устранить в лучистом потоке по возможности наибольший диапазон длинноволновых лучей, так как волны такой длины особенно хорошо поглощаются поверхностью кожи. Наиболее сильное поглощение отмечается в зоне лучей с =1, 5÷ 6 мкм. Слой воды толщиной 1 мм, полностью поглощает часть спектра с =3 мкм, а слой воды 10 мм — поток радиации с = 1, 5 мкм.

Эффективность защитного экрана, в общем случае, может быть охарактеризована отношением:

γ = · 100% (2)

где: Е₀ – энергия лучистого потока перед экраном;
Е_n – энергия лучистого потока за экраном.

Оценку эффективности отражающих экранов можно провести по относительному снижению температуры.

μ =, (3)

где: μ - относительное снижение температуры;

Т_и - температура экранируемого источника;

Т_э - температура экрана

Расчет водяной завесы построен на принципе ослабления лучистого потока при прохождении через мутную среду с определенным оптическим показателем. Уравнение поглощения лучистой энергии какой-либо средой имеет вид:

E_n = E₀^{–δ R}, (4)

где: E_n, Е₀ – энергия лучистого потока в данной точке при наличии и от
сутствии экрана, кал/см² · мин (кВт/м²);
δ – опытный коэффициент ослабление потока, для водяной завесы
δ = 1, 3;
R – толщина завесы, мм.