3.3 Теплозащитные экраны

Теплозащитные экраны применяют для локализации источников лучистой теплоты и уменьшения облученности на рабочих местах.

По принципу действия экраны делят на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. По степени прозрачности они могут быть непрозрачные, полупрозрачные и прозрачные (таблица 34).

Для отражающих непрозрачных экранов используют материалы с небольшой степенью черноты: альфоль (алюминиевую фольгу), алюминий листовой, белую жесть, алюминиевую краску, оцинкованное железо и т.п. Экран состоит из несущего каркаса, отражающей поверхности и деталей крепления к экранируемому оборудованию (рис. 12). Отражающие экраны имеют малую массу, но нестойки при высоких температурах и к механическим воздействиям. Загрязнение экранов или окисление поверхности снижают их эффективность. Свойства некоторых материалов приведены в таблице 35.

Теплоотражающие экраны для трубопроводов изготавливаются в виде квадратных коробов или полуцилиндрических скорлуп, оклеенных внутри альфолем. При температуре трубопровода выше 90⁰С необходим двойной экран.

В качестве полупрозрачных теплопоглощающих экранов используют металлические сетки с размером ячейки 3…3,5 мкм, цепные завесы, орошаемые водой, армированное стальной сеткой стекло. Эти экраны имеют эффективность до 75 %. Их применяют при интенсивности облучения 0,7…2,1 кВт/м².

Металлические сетки применяют при интенсивности облучения до 0,35…1,05 кВт/м², эффективность экранов из сетки в один слой – 33 … 50 %, два слоя – 57…74 %.

Таблица 34

Теплозащитные экраны

	Назначение экрана		Класс прозрачности экрана
Экраны	локализация лучистой теплоты	защита рабочих мест	непрозрачный		полупрозрачный		прозрачный
1	2	3		4		5	6
Теплоотражающие
Стальной лист	+	+	+		-		-
Алюминиевый лист	+	+	+		-		-
Закаленные стекла с пленочным покрытием	-	+	-		+		-
Теплопоглощающие
Стальной лист с теплоизоляцией из асбестового картона	+	+	+		-		-
Алюминиевый лист с теплоизоляцией из асбестового картона	+	+	+		-		-
Стальная сетка	-	+	-		+		-
Стекла закаленные	-	+	-		-		+
Теплоотводящие
Стальной лист со стекающей водой	+	+	+		-		-
Стальная сетка со стекающей водой	-	+	-		+		-
Водяная завеса	+	+	-		-		+
Паровые завесы	+	-	-		+		-
Примечание. Знак «+» означает, что экран с данными свойствами рекомендуется к применению, знак «-» что не рекомендуется.

Рис. 12. Конструктивные схемы непрозрачных экранов:

а) экран из альфоля, уложенного рядами в воздушных прослойках;

б) экран из скомканного альфоля в воздушных прослойках; в) комбинированный экран;

1 – металлический лист; 2 – слой альфоля; 3 – слой теплоизоляционного материала;

4 – профилированный алюминиевый лист; 5 – рамка

Таблица 35

Свойства материалов теплоотражающих экранов

Материал	Допустимая температура материала, оС	Допустимая интенсивность облучения Едоп, кВт/м2	Интенсивность облучения за экраном Еэ, кВт/м2	Температура наружной поверхности экрана tэ, оС	Эффективность экрана э, %
Альфоль на асбесте в один слой То же в два слоя	300 300	10,5 10,5	0,105 0,14	35 32	4,2 5,6
Альфоль, скомканный между сетками	300	14	0,14	35	3,2
Альфоль, гофрированный в два слоя	300	14	0,21	33	3,2
Алюминий листовой	600	21	0,21	55	5,2
Белая жесть в один слой То же, в два слоя	150 150	7 7	0,21 0,14	50 38	7,0 15,0

Прозрачные теплопоглощающие экраны изготавливают из бесцветных или окрашенных стекол (силикатных, кварцевых, органических). Их эффективность зависит от спектрального состава излучения. Обычное оконное стекло толщиной 1 мм используется при длине волны излучения более 5 мкм. При длине волны в диапазоне 0,78…5 мкм требуется применять стекло толщиной 5…6 мм (таблица 36).

Таблица 36

Интенсивность облучения Е и эффективность экранов η_э

из силикатного стекла

Толщина стекла, мм	Число слоев	Эффективность э, %	Интенсивность Е, кВт/м2
2	1	51	0,7
2	2	67	1,4
5	1	63	1,05
5	2	79	2,85

Водяные завесы рекомендуется применять при интенсивности облучения 0,35…1,4 кВт/м². Водяные пленки толщиной до 15 мм заметно поглощают тепловые лучи с длиной волны более 1,9 мкм, а сильно поглощают – лучи более 3,2 мкм. Поэтому они пригодны для экранирования источников с температурой до 800^о С. При толщине слоя воды 15…20 мм, полностью поглощаются лучи с длиной волны более 1 мкм (температура источника до 1800^о С).

Водяные завесы устраивают двух типов: переливные (с подачей воды сверху) и напорные (с подачей воды снизу под давлением). Эффективность поглощения излучения водяной завесой составляет 80…90 %. Для отсоса пара и увлажненного воздуха необходимо устройство вытяжного зонта.

Толщина завесы х, мм, при которой обеспечивается допустимая плотность потока инфракрасного излучения Е_доп, Вт/м², определяется из формулы:

(80)

где Е – плотность потока излучения в данной точке без завесы, Вт/м²;

δ – коэффициент ослабления потока мутной средой, мм^-1 (для воды δ = 1,3).

Аквариумные экраны, представляющие собой коробку из стекол, заполненную чистой проточной водой с толщиной слоя воды 15…20 мм, имеют коэффициент эффективности до 93 % и рекомендуются при интенсивности облучения до 2,0 кВт/м².

Эффективность установки теплозащитного экрана _э оценивается долей задержанной теплоты и определяется по формуле:

(81)

где m – кратность ослабления теплового потока.

, (82)

где Е₁ и Е₂ – интенсивность теплового облучения на рабочем месте соответственно до и после установки экранов, Вт/м²;

_{и, р} и _{и, э} – приведенная степень черноты соответственно источника и рабочего места; источника и экрана;

n – количество экранов.

Приведенная степень черноты  учитывает неполное поглощение лучистого потока теплоты реальными (серыми) телами и отраженные потоки. Приближенное её значение рассчитывается по формуле:

(83)

где ₁ и ₂ – степень черноты тел, участвующих в теплообмене (таблица 31).

Поглощающую способность воздуха принимаем  _в = 0,82.

Целью расчета экранов является определение необходимого их числа (или слоев экрана) для обеспечения допустимых значений температуры воздуха на рабочем месте и интенсивности теплового излучения.

Температура внутренней (обращенной к источнику) поверхности экрана из металлических листов без теплоизоляции Т_э, К 29:

(84)

где _{и, э} – приведенная степень черноты наружной поверхности источника и экрана (по формуле 83);

Т_и – температура экранируемой поверхности источника, К;

Т_в – среднее значение температуры воздуха в рабочей зоне, К.

Необходимое число экранов, n:

(85)

где _{э, р} и  _{и, р} – приведенная степень черноты соответственно экрана и рабочего места; источника и рабочего места.

Расход воды на охлаждение теплоотводящих экранов определяется из теплового баланса экрана:

(86)

где 0,93 – коэффициент, учитывающий неполноту поглощения, падающего на экран теплового излучения;

Т_э – температура поверхности экрана, К;

Т_вх и Т_вых – температура входящей и выходящей воды, К; t_вх = 35-50⁰ С (в зависимости от жесткости);

С₀ – коэффициент абсолютно черного тела; ;

 _{и, р} – приведенная степень черноты источника и рабочего места;

F – площадь поверхности экрана, м².

Примеры решения задач

Пример 3.2. Провести расчет числа экранов для защиты от теплового облучения источника из окисленной шероховатой стали с температурой наружной поверхности 500 К. Температура воздуха в рабочей зоне 25⁰С (298 К).

Решение:

Рассчитаем отражающий непрозрачный экран из полированного алюминия. По таблице 31 определяем степень черноты источника e_и = 0,8 и экрана e_э = 0,04.

Приведенная степень черноты наружной поверхности источника и экрана e_{и, э}:

.

Температура внутренней поверхности экрана Т_{э, к}:

Приведенная степень черноты экрана и рабочего места e_{э, р}:

Приведенная степень черноты источника и рабочего места, e_{и, р}:

Необходимое число экранов n, шт.:

Принимаем один экран из полированного алюминия или выбираем для экрана более дешевый материал с меньшей отражающей способностью.

Кратность ослабления рассчитанного экрана по формуле (82):

Эффективность установки экрана:

Задачи для самостоятельного решения

ЗАДАЧА 3.9. Плотность потока энергии инфракрасного излучения от остывающих после ковки металлических изделий составляет на рабочем месте 600 Вт/м². Определить необходимую толщину переливной водяной завесы для обеспечения безопасности работников при тепловом облучении более 50 % поверхности тела.

ЗАДАЧА 3.10. Определить эффективность двойного теплоотражающего экрана из стального листа, если источником инфракрасного излучения является чугунное литье.

ЗАДАЧА 3.11. Рассчитать эффективность установки теплозащитных экранов. Исходные данные по вариантам приведены в таблице 37.