ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО образованию

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «промышленная экология

и безопасность жизнедеятельности»

исследование защиТЫ

ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе

РПК

«Политехник»

Волгоград

2009

УДК 628.921

Рецензент:

канд. техн. наук доцент В. А. Козловцев

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

Исследование защиты от теплового излучения:: метод. указ. к лабораторной работе/ Сост. А. А. Липатов/ ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. – 24 с.

Методические указания содержат классификацию излучений оптического диапазона, информацию о характере их воздействия на организм человека. Даны нормативные требования к предельно допустимым уровням интенсивности излучений оптического диапазона, описаны средства защиты глаз и тела. Приведена методика измерения интенсивности теплового излучения, а также порядок выполнения лабораторной работы.

Предназначаются для студентов ВолгГТУ всех специальностей и форм обучения при изучении курса «Безопасность жизнедеятельности».

 Волгоградский государственный технический университет, 2009

1. Цель и основные задачи работы

Целью настоящей работы является изучение воздействия на человека излучений оптического диапазона, нормативных требований к ним; методики определения интенсивности теплового излучения и средств защиты.

Основные задачи работы:

1) исследование зависимости интенсивности теплового излучения от расстояния до излучающего объекта;

2) практическое определение эффективности защиты от теплового излучения с помощью экранов из различных материалов.

2. Теоретическая часть

Оптический диапазон является частью электромагнитного спектра и расположен (по мере роста частоты и соответствующего уменьшения длины волны) за миллиметровыми радиоволнами вплоть до рентгеновского излучения (длина рентгеновских волн менее 5·10^–9 м, т. е. 5 нм). Следует отметить, что в учебной и нормативно-технической литературе имеют место некоторые разночтения относительно четких границ диапазонов различных видов излучения. Так, в одном и том же учебнике [1] излучения с длиной волны 1…0,1 мм (частота соответственно 300…3000 ГГц) относят то к радиоволнам, то к оптической части спектра. За границу оптического и рентгеновского диапазонов иногда принимают излучение с длиной волны λ = 10 нм, а не 5 нм. Подобным образом дело обстоит и с границами между видами излучения внутри оптического диапазона:

– инфракрасное (ИК) излучение – λ = 340 (100;1000)…0,78 (0,76) мкм;

– видимая часть спектра – λ = 0,78 (0,76)…0,4 (0,38) мкм;

– ультрафиолетовое излучение (УФИ) – λ = 400 (380)…10 (5) нм.

Отсутствие четких границ диапазонов объясняется плавным изменением свойств излучения при переходе от одного вида к другому. В качестве параметра излучений оптического диапазона обычно указывается длина волны (а не частота), что объясняется превалированием корпускулярных свойств этих излучений над волновыми свойствами.

Тепловым называется излучение, испускаемое телами вследствие их нагрева (в отличие, например, от явления люминесценции). Нагретое тело излучает в широком диапазоне длин волн. В первом приближении интегральная (по всем длинам волн) мощность излучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучающего тела (для абсолютно черного тела, согласно закону Стефана – Больцмана, строго пропорциональна). Кроме того, с ростом температуры источника имеет место уменьшение длины волны, соответствующей максимальной интенсивности излучения (закон смещения Вина). Так, излучение преимущественно голубого света при электросварке (и существенное присутствие в спектре ультрафиолета) свидетельствует о значительно более высокой температуре дуги, чем у вольфрамовой нити лампы накаливания, испускающей желтые и красные видимые лучи (а большей частью – ИК-излучение).

Ультрафиолетовое излучение в большинстве случаев оказывает незначительное тепловое воздействие. Например, в суммарной плотности потока мощности для солнечного света доля УФИ не превышает 5 % (при температуре поверхности Солнца порядка 6000 K). Тем не менее, ультрафиолетовое излучение (в том числе от антропогенных источников) играет большую роль в жизнедеятельности человека.

В ультрафиолетовой части спектра можно выделить две области: с длиной волны ≥ 200 нм и с длиной волны менее 200 нм. Длинноволновое УФИ (λ ≥ 200 нм) оказывает на человека двоякое воздействие. С одной стороны, это жизненно необходимый фактор, оказывающий благотворное стимулирующее действие на организм. С другой стороны, переоблучение длинноволновым УФИ может вызвать негативные последствия. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение положительного действия на организм человека не оказывает, а отрицательный эффект от его воздействия возрастает по мере уменьшения длины волны и приближения к границе рентгеновского диапазона. Поэтому собственно ультрафиолетовым излучением часто называют только длинноволновой диапазон [1, 8], а область с λ < 200 нм классифицируют как «жесткий ультрафиолет».

По биологическому воздействию выделяют три поддиапазона УФИ [8]:

– УФ-А – с длиной волны 400…315 нм;

– УФ-В – с длиной волны 315…280 нм;

– УФ-С – с длиной волны 280…200 нм.

Излучение диапазона УФ-А оказывает сравнительно слабое специфическое биологическое воздействие (как и видимый свет). Излучение УФ-В обладает выраженным загарным и антирахитичным действием, может понижать чувствительность организма к некоторым вредным воздействиям вследствие интенсификации окислительных процессов и ускорения выведения вредных веществ (марганца, ртути, свинца). Оптимальные дозы УФИ (УФ-В и, отчасти, УФ-А) активизируют деятельность сердца, обмен веществ, дыхательную и кроветворную функции. Такое воздействие называют эритемным. Максимальное эритемное действие оказывает излучение с длиной волны 297 нм. В некоторых случаях для компенсации солнечной недостаточности (при отсутствии или недостатке естественного освещения; для предприятий, расположенных за Северным Полярным кругом) предусматривается искусственное профилактическое ультрафиолетовое облучение – люминесцентными эритемными лампами (ЛЭ).

Излучение поддиапазона УФ-С активно действует на тканевые белки и липиды, обладая выраженным бактерицидным действием. Максимальный бактерицидный эффект наблюдается для λ = 254…257 нм.

В то же время, избыточные дозы УФИ негативно воздействуют на зрение, кожу и центральную нервную систему.

Наиболее уязвимы глаза, причем страдает преимущественно роговица и слизистая оболочка. Излучение с длиной волны менее 320 нм может вызвать острое поражение глаз – электроофтальмию (наиболее частой причиной является воздействие излучения электросварочной дуги). Заболевание проявляется ощущением песка в глазах, светобоязнью, слезотечением. К хроническим заболеваниям относятся хронический конъюнктивит и катаракта (помутнение хрусталика). Роговица наиболее чувствительна к излучению с λ = 270…280 нм; наибольшее воздействие на хрусталик оказывает излучение в диапазоне длин волн 295…320 нм.

Поражения кожи протекают в форме острых дерматитов с эритемой (жжение, зуд), иногда с отеком и образованием пузырей. После интенсивного облучения развиваются гиперпигментация и шелушение кожи, регулярное облучение большими дозами может вызвать канцерогенный эффект.

Симптомы воздействия на центральную нервную систему – головная боль, тошнота, повышение температуры тела, головокружение, повышенная утомляемость, нервное возбуждение и т. п.

Гигиеническое нормирование УФИ в производственных помещениях осуществляется по СН № 4557–88 [8]. Допустимая интенсивность облучения работающих при площади незащищенных участков кожи не более 0,2 м² (лицо, шея, кисти рук и т. д.) и периодах облучения до 5 мин, длительности пауз между ними не менее 30 мин и общей продолжительности воздействия за смену до 60 мин не должна превышать: 50 Вт/м² для области УФ-А; 0,05 Вт/м² для области УФ-В; 0,001 Вт/м² для области УФ-С. При той же площади облучаемой поверхности тела, но более продолжительном воздействии (50 % рабочей смены при длительности однократного облучения свыше 5 мин) нормы ужесточаются, т. е. допускается в несколько раз меньшая интенсивность облучения: не более 10 Вт/м² для области УФ-А и 0,01 Вт/м² – для области УФ-В. Излучение в области УФ-С при указанной продолжительности не допускается. При использовании спецодежды и средств защиты лица и рук, не пропускающих излучение, суммарная интенсивность облучения в областях УФ-В и УФ-С не должна превышать 1 Вт/м².

Лучистый теплообмен между телами осуществляется в основном инфракрасными и видимыми электромагнитными волнами. Для подавляющего большинства антропогенных и естественных источников (даже для Солнца с его огромной температурой) наибольшая часть энергии передается инфракрасным излучением, так как ИК-диапазон во много раз шире диапазона длин волн видимого света. Поэтому термины «инфракрасное излучение» и «тепловое излучение» часто используются как синонимы.

Воздух прозрачен (диатермичен) для теплового излучения. Поэтому при прохождении лучистого тепла температура воздуха не повышается. Тепловые лучи поглощаются предметами, нагревая их; последние сами становятся источниками теплового излучения. Воздух, соприкасаясь с нагретыми телами, также нагревается и температура в помещениях возрастает.

Тепловой баланс организма человека с окружающей средой (и поддержание постоянной температуры тела) обеспечивается равенством интенсивности выделения тепла в организме в процессе его жизнедеятельности и интенсивности отдачи этого тепла во внешнюю среду. Отдача тепла организмом осуществляется следующими способами: конвекцией, дыханием, излучением и испарением (пота). В комфортных метеоусловиях основным способом охлаждения организма является ИК-излучение (44…59 % общей теплоотдачи). Тело человека излучает в диапазоне длин волн от 5 до 25 мкм (с максимумом при λ = 9,4 мкм). Однако отдача человеческим телом тепла во внешнюю среду возможна лишь тогда, когда температура окружающих предметов ниже температуры тела. В противном случае направление потока лучистой энергии меняется на противоположное: уже тело человека будет получать дополнительную тепловую энергию и нагреваться.

Количественной характеристикой теплового излучения является его интенсивность (плотность потока мощности) W, Вт/м². Это мощность лучистого потока, приходящаяся на единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению излучения. Величина W пропорциональна температуре (приблизительно в четвертой степени) источника излучения, его размерам и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения.

Количество поглощаемого телом человека лучистого тепла зависит от интенсивности излучения, площади поверхности облучаемых участков тела и угла падения на них тепловых лучей. Кроме того, воздействие теплового излучения приводит к перегреву организма тем быстрее, чем выше температура и влажность воздуха в помещении, тяжелее выполняемая работа.

Характер физиологического воздействия ИК-излучения существенно зависит от длины волны. Лучи коротковолнового диапазона (λ < 1,4 мкм), называемого «ближним» [3] (по отношению к видимой части спектра) инфракрасным излучением, проникают в ткани человеческого организма на глубину в несколько сантиметров (как и видимые лучи). Это приводит к повышению температуры внутренних органов. В крови, лимфе, спинномозговой жидкости образуются специфические биологически активные вещества, нарушается обмен веществ, изменяется функциональное состояние центральной нервной системы. Проникая через кожу и черепную коробку, такое излучение,может воздействовать на головной мозг, вызывая тепловой удар. Лучи длинноволнового диапазона («дальнее» ИК-излучение) задерживаются в поверхностных слоях кожи на глубине 0,1…0,2 мм, нагревая главным образом поверхность тела.

При воздействии на глаза наибольшую опасность представляет коротковолновое ИК-излучение (видимые лучи такой же интенсивности были бы не менее опасными, если бы человек их не видел и не совершал защитных действий – как рефлекторных, так и осознанных). Помимо ожогов и конъюнктивита оно может (как и видимый свет) фокусироваться на сетчатке, вызывая ее повреждение. Излучение с λ < 1,8 мкм при интенсивном длительном облучении способно вызвать «инфракрасную» катаракту.

В соответствии с различиями в физиологическом воздействии инфракрасный диапазон спектра иногда подразделяют в зависимости от длины волны на три области: коротковолновую ИК-А (λ < 1,4 мкм), переходную область ИК-В (λ = 1,4…3,0 мкм) и длинноволновую ИК-С (λ > 3,0 мкм) [1].

При оценке тепловой нагрузки на организм человека в нормативных документах по безопасности фигурирует (в качестве одного из параметров микроклимата производственных помещений) не интенсивность теплового излучения, а интенсивность теплового облучения (последний термин, строго говоря, следует понимать как мощность лучистого потока, приходящуюся на единицу площади облучаемой поверхности; если облучаемая поверхность перпендикулярна направлению излучения, то величины интенсивности излучения и интенсивности облучения равны между собой; непосредственно измерить можно интенсивность излучения). В соответствии с ГОСТ 12.1.005–88 [6] и СН 2.2.4.548–96 [7] нормируется интегральная (т. е. суммарная для всех длин волн инфракрасного и видимого диапазонов) интенсивность теплового облучения. Ее предельно допустимые уровни устанавливаются с учетом спектрального состава излучения, площади облучаемой поверхности тела, защитных свойств спецодежды. Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции [6], а также производственных источников, нагретых до темного свечения, [7] не должна превышать: 35 Вт/м² – при облучении более 50 % поверхности тела; 70 Вт/м² – при облучении от 25 до 50 % поверхности тела; 100 Вт/м² – при облучении не более 25 % поверхности тела. От источников, нагретых до белого и красного свечения (раскаленные или расплавленные металл и стекло, открытое пламя), интенсивность теплового облучения не должна превышать 140 Вт/м². При этом облучению не должно подвергаться более 25 % поверхности тела при обязательном использовании средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

Вышеуказанные стандарты ограничивают также температуру нагретых поверхностей оборудования в рабочей зоне: она не должна превышать 45 °C (требование не распространяется на поверхности отопительных систем).

При наличии на рабочих местах теплового излучения необходимо предусматривать соответствующие мероприятия по защите работающих, в том числе дистанционное управление технологическими процессами.

Для защиты глаз используют светофильтры из темного или синего стекла. Задача светофильтра – максимально ослабить наиболее вредную для глаз часть спектра излучения, одновременно обеспечив достаточно комфортные условия визуального наблюдения за объектом работы. Обозначение промышленных светофильтров буквенно-цифровое. Выбор светофильтра по расположенной на первом месте букве зависит от спектра источника излучения: Г – при газовой сварке; П – при плазменной сварке и резке; Д – при работе у доменных печей и т. д. Стоящая на втором месте в обозначении цифра (номер) указывает на оптическую плотность светофильтра – чем больше этот номер, тем выше плотность. Номер светофильтра выбирается по количественным показателям технологического процесса: силе тока при электросварке, расходу ацетилена и кислорода при газовой сварке и резке и др. Например, светофильтры Э–1, Э–2, …, Э–5 должны использоваться электросварщиками при силе тока 30…75 А, 75…200 А, 200…400 А, 400…500 А и свыше 500 А соответственно.

К способам защиты тела относятся: воздушное или водо-воздушное душирование рабочих мест; устройство специальных помещений (воздушных оазисов) для кратковременного отдыха с подачей в них кондиционированного воздуха; использование защитных экранов, водяных завес; применение средств индивидуальной защиты (спецодежды, спецобуви и др.).

Одним из самых распространенных способов защиты от теплового облучения является экранирование излучающих поверхностей. Различают непрозрачные, прозрачные и полупрозрачные экраны. К последним относятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из армированного металлической сеткой стекла. Непрозрачный (и полупрозрачный) экран, нагреваясь, сам становится источником теплового излучения. При этом излучение от поверхности экрана, противолежащей экранируемому источнику, условно рассматривается как пропущенное излучение источника.

По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Это деление достаточно условно, так как каждый экран обладает способностью и отражать, и поглощать, и отводить тепло. Отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая его способность выражена сильнее. Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхности, вследствие чего отражают в обратном направлении значительную часть падающей на них лучистой энергии (листы и фольга из алюминия, оцинкованная сталь, покрытие алюминиевой краской). Теплопоглощающие экраны выполняют из материалов с малым коэффициентом теплопроводности (резина, теплоизоляционный кирпич, асбест). В качестве теплоотводящих экранов широко используют водяные завесы, орошающие в виде пленки другую экранирующую поверхность (например, металлическую) либо заключенные в специальный кожух из стекла (акварильные экраны) или металла (змеевики и др.).

Эффективность экранирования Э оценивается в процентах:

%,

где W и W₀ – интенсивности излучения (плотности потока мощности) соответственно при наличии и отсутствии экрана, Вт/м².