2.Лабораторная работа №2 защита от теплового излучения

Цель лабораторной 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.

2.1.Общие сведения

Основные понятия и определения

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.

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.

Интенсивность теплового облучения на отдельных рабочих местах может быть значительной. Например, 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.

Общее количество теплоты, поглощенное телом, зависит от размера облучаемой поверхности, температуры источника излучения и расстояния до него. Для характеристики теплового излучения принята величина, названная интенсивностью теплового облучения. Интенсивность теплового облучения J_е — это мощность лучистого потока, приходящаяся на единицу облучаемой поверхности, Вт/м².

Интегральную плотность излучения q, Вт/м² можно определить по закону Стефана-Больцмана

(1)

Здесь ₀ – константа Стефана-Больцмана, равная 5,67_*10^-8 Вт/(м².К), – степень черноты, Т – температура излучающего тела, К

Для удобства инженерных расчетов формулу (1) обычно представляют в виде

(1а)

где С₀ =5,67 Вт/(м².К⁴) носит название константа излучения АЧТ.

Приведенные выше формулы характеризуют полусферическое собственное излучение тела q^соб. Однако в практических расчетах интерес представляет доля полусферического излучения тела (например, раскаленного сляба), падающего на какую-нибудь поверхность (окно кабины оператора, лицо рабочего и т.п.). Эта доля характеризуется угловым коэффициентом излучения , равным

(2)

Из формулы (3.2) следует, что

(3)

Величину плотности теплового потока падающего излучения q^пад в охране труда называют облученностью.

Для правильного выбора защитных средств очень важно знать величину плотности теплового потока падающего излучения («облученность») на персонал или оборудование. Для ориентировочных расчетов величины плотности теплового потока падающего можно использовать эмпирическую формулу

(4)

где q* – максимально возможная плотность потока излучения конкретного источника, кВт/м²; l – расстояние от источника до объекта, м; n – константа; – угол между нормалью к поверхности источника и линией, соединяющей центра поверхностей источника и приемника излучения (рис. 1).

Значения q* и n приведены в таблице 1.

Таблица 1 -- Значения q* и n для основных источников теплового излучения металлургических цехов

Цех	Источник теплового излучения	q*, кВт/м2	n
1	2	3	4
Доменный	Наполняемые чугуном ковши и шлаковые чаши со шлаком Чугун и шлак в канавах во время выпуска	270 90	2 2
Конверторный	Футеровка конвертера после выпуска Выпускаемая сталь из конвертера Кожух конвертера	243 148 3,5	1,5 1,4 0,6
Электросталеплавильный	Сталь, выпускаемая из печи Открытое загрузочное окно	351 36	1,9 1,2
Мартеновский	Загрузочное окно печи: открыто Передняя стенка печи при закрытых окнах	157 7,8	1,3 0,4
Разливочная площадка	Изложницы или кристаллизатор МНЛЗ	9,0	1,6
Прокатные	Окна загрузки и выгрузки методической печи: Нагретый металл на рольганге квадрат 800 лист 3600* 10*12000	29,0 18,1 36,5	1,4 1,4 1.8
КХП	Пламя над четырьмя соседними стояками коксовой батареи Ячейка батареи при открытой двери	16,3 10,0	0,6 1.9
Агломерационный	Чашевый охладитель Транспортер с агломератом	71,0 69,3	0,8 1,0

Нормирование тепловых воздействий

В существующей нормативно-технической документации нормируются следующие величины:

• интенсивность теплового облучения;

• температура воздуха;

• температура нагретых поверхностей технологического оборудования;

• интегральный показатель тепловой нагрузки среды -- ТНС-индекс.

1. Интенсивность теплового облучения (плотность потока падающего излучения) q^пад, Вт/м² зависит от доли открытой поверхности тела человека S.

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать:

Таблица

S	0,5	0,25…0,5	0,25
qпад, Вт/м2	35	70	100

В любом случае облученность работающих открытыми источниками теплового излучения (нагретый металл, стекло, «открытое пламя» и т.п.) не должна превышать 140 Вт/м², облучению не должно подвергаться 0,25 поверхности тела при обязательном использовании средств индивидуальной защиты.

2. При наличии теплового облучения температура воздуха в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 не должна превышать значений, приведенных в таблице

Таблица -- Допустимые значения температуры, ^оС воздуха рабочей зоны при наличии теплового излучения.

Категория работы	Легкая		Средняя		Тяжелая
	Ia	Iб	IIa	IIб	III
Постоянное рабочее место	25	24	23	22	20
Временное рабочее место	28	28	27	27	26

3. В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 температура наружных поверхностей технологического оборудования или ограждающих его устройств не должна превышать 45 °С.

По действующим санитарным нормам (СН 245-71) температура нагретых поверхностей и ограждения на рабочих местах не должна превышать 45 ⁰С, а температура на поверхности оборудования, внутри которого t 100 ^оC не должна превышать 35 ⁰С.

4. ТНС-индекс рекомендуется использовать для оценки сочетанного воздействия параметров микроклимата, в целях осуществления мероприятий по защите работающих от возможного перегревания на рабочих местах, на которых скорость движения воздуха не превышает 0,6 м/с, а интенсивность теплового облучения - 1200 Вт/м² (см. лабораторную работу №1).

Защита от теплового излучения

Cогласно ГОСТ Р 12.4.011-75 средства промышленной теплозащиты должны удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечивать оптимальный теплообмен организма работника со средой обитания;

• обеспечивать необходимую подвижность воздуха (повышение доли конвективной теплоотдачи) с целью достижения комфортных условий;

• иметь максимальную эффективность теплозащиты и обеспечивать удобство эксплуатации.

Все средства теплозащиты можно разделить на индивидуальные и коллективные.

К индивидуальным средствам относятся специальная одежда, фартуки, обувь, рукавицы, защитные щитки со стеклом и (или) светофильтром.

Типы коллективных средств теплозащиты и области их применения приведены в таблице 3.

Таблица 3 -- Области применения теплозащитных средств

Метод теплозащиты	Металлургический	Рабочее место
	агрегат	открытое	В замкнутом пространстве
Теплоизоляция Экраны Естественная вентиляция (аэрация) Воздушное дущирование Мелкодисперсное распыление воды Радиационное охлаждение	+ + - - - +	- + + + + +	+ + - + - +

Эффективность любого теплозащитного устройства оценивается как

K = (q^пад – q^проп)/q^пад. (4)

Из формулы (4), зная эффективность теплозащитного устройства, несложно найти плотность теплового потока пропущенного излучения

q^проп = q^пад(1 – K). (5)

Теплоизоляция применяется для уменьшения тепловых потерь в металлургических агрегатах и снижения температуры их кожуха; повышения эффективности теплопоглощающих экранов, а также снижения теплового потока, проходящего через стены ограждения кабин (пультов) управления.

Передачу теплоты через многослойную стенку можно описать формулой

q^проп = (T₁ – T₂)/R_суммар, (6)

где T₁, T₂ – температуры внешней и внутренней поверхности стенки, К;

R_суммар = _i / _i + 1/ _конв – суммарное тепловое сопротивления ограждения, м².К/Вт; _i – толщина i –того слоя ограждения, м; _i – коэффициент теплопроводности i –того слоя ограждения, Вт/(м.К); _конв – коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности ограждения, Вт/(м².К).

Экраны подразделяются на прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные. Последние в свою очередь подразделяются н теплоотражающие и теплопоглощающие и, как правило, выполняются из металла соответственно без и с теплоизоляцией.

Металлические отражающие экраны устанавливаются перед излучающей поверхностью. При условии пренебрежения конвективных переносом теплоты (величина воздушного зазора между экраном и излучающей поверхностью 15…20 мм) и поглощения теплоты экраном температуру экрана Т_э, К можно найти по формуле

Т_э = 100{[ _пр (T_и.п /100)⁴ + _э(T_о.с /100)⁴] / [ _э + _пр]}^0,25 (7)

где _пр – приведенная степень черноты системы излучающая поверхность – экран, определяемая по формуле

_пр = 1/( _и.п^-1 + _э^-1 –1); (8)

_и.п , _э – степени черноты излучающей поверхности и экрана, соответственно; Т_и.п , Т_о.с – температуры излучающей поверхности и окружающей среды (воздух рабочей зоны), соответственно, К.

В непрозрачных экранах энергия поглощенных электромагнитных волн превращается в тепловую энергию. Экран нагревается и, как всякое нагретое тело, становится источником теплового излучения. При этом излучение поверхности экрана, противолежащей экранируемому источнику. Условно рассматривается как пропущенное излучение источника теплового излучения.

Прозрачные экраны применяются для смотровых проемов пультов и кабин управления, щитков и т.д. Как правило, прозрачные экраны изготавливают из закаленных и незакаленных силикатных стекол, с или без пленочных покрытий; силикатных стекол, армированных стальной сеткой; органических стекол и т.д.

Полупрозрачные экраны объединяют в себе свойства прозрачных[ и непрозрачных экранов. К ним относятся сетки, цепные завесы, экраны из стекла, армированные металлической сеткой.

Для создания комфортных микроклиматических условий в ограниченном объеме (например, на рабочем месте) воздушные оазисы, воздушные завесы м воздушные души.

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.

Воздушные души применяют в горячих цехах на рабочих местах, находящихся под воздействием лучистого потока большой интенсивности (более 350 Вт/м²).