9. Тема 13. Облучательные установки

Рассматриваемые вопросы:

- назначение облучательных установок и их классификация;

- основные положения расчета;

- установки ультрафиолетового облучения и их расчет;

- расчет установок инфракрасного нагрева.

Рекомендуемая литература

- Справочная книга по светотехнике /Под редакцией Ю.Б. Айзенберга.- М.: Энергоатомиздат, 1995.

- Справочная книга для проектирования электрического освещения

/ Под редакцией Г.М. Кнорринга. - Л.: Энергия, 1976.

- Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. - М.: Колос, 1982.

- Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. - М.: Агропромиздат, 1991.

Краткое содержание

Облучательная светотехническая установка, представляет собой совокупность источников излучения и специального оборудования, служащих для генерации и перераспределения лучистой энергии, с целью эффективного воздействия на объект облучения.

В качестве объектов облучения используются разнообразные приемники, в которых, оптическое излучение (ОИ) преобразуется в другие формы энергии.

Оптическое излучение определенного спектрального состава, попадая на приемник, может вызывать тепловое фотоэлектрическое, фотолюминесцентное, фотохимическое и фитобиологическое действия.

Облучательные установки (ОУ) классифицируются по признакам:

- назначению;

- типу источника излучения;

- взаимному расположению источника и приемника.

По назначению, облучательные установки, делятся, в зависимости от области используемого излучения.

Напомним, что оптическое излучение занимает диапазон электромагнитных колебаний от 1 нм до 1 мм, который в свою очередь, делится на три зоны: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений.

Зону инфракрасного излучения разделяют на три области: А-760÷1500 нм; В - 1500÷3000 нм; С - более 3000 нм.

В качестве источников ИК- излучения могут выступать любые тела с температурой выше абсолютного нуля.

Эффект теплового воздействия зависит: от плотности потока, длите6льности облучения, зоны воздействия, длины волны, которая определяет глубину проникновения излучения в тело человека или животных.

Наибольшей приникающей способностью обладает излучение в области А, которое проходит через кожные покровы, поглощается кровью и подкожной жировой клетчаткой. Излучение областей В и С большей частью поглощается в эпидермисе.

При длительном нахождении человека в зоне ИК- излучения происходит резкое нарушение теплового баланса тела; повышается температура, усиливается потоотделение с потерей нужных организму солей.

При длительном воздействии ИК- излучения на глаза может развиться катаракта. Нормируемой характеристикой является плотность потока энергии облученность Е, Вт/м². ПДУ (предельно допустимый уровень) для закрытых источников не более 100 Вт/м², для открытых не более 140 Вт/м².

В связи, с выше изложенным, необходимо обеспечивать защиту персонала от вредного воздействия ИК- излучения: за счет аэрации, воздушного душирования, экранирования источника излучения; средств индивидуальной защиты (спецодежда, очки со светофильтрами из желто-зеленого или синего стекла, защитные маски).

При плотности потока более 2800 Вт/м² выполнение работ без средств индивидуальной защиты не допускается.

Контроль ИК-излучения осуществляется пиранометрами, ИК-спектрометрами (ИКС-10, ИКС - 12, ИКС- 14) спектрорадиометрами типа СРМ, болометрами.

УФ излучение представляет собой электромагнитное излучение с длинами волн 1- 400 нм. В связи с корреляцией эффекта биологического действия и длины волны, весь диапазон разит на 3 области:

А - 315 ÷ 380 нм (люминесцентный анализ);

В- 280 ÷ 315 нм (эритемное (витальное действие);

С - 1 ÷ 280 нм (бактерицидное действие).

Источниками УФ излучения могут быть: электрическая дуга, лазерные установки, газоразрядные лампы, ртутно-кварцевые лампы. УФ излучение оказывает на организм человека физико-химическое и биологическое действие. При длине волны от 315 - 400 нм - слабое биологическое действие; 218-315 нм - действие на кожу; 1-280 нм - действует на тканевые белки и липоиды. Высокое негативное действие на глаза - роговицу конъюктиву. Длительное воздействие вызывает болезнь - электроофтальмию.

Также как и для инфракрасного излучения, существуют нормируемые характеристики:

Плотность потока энергии, Е - Вт/м²; ПДУ для области А - не более 10 Вт/м²; для области В - 0,05 Вт/м²; С - 0,001 Вт/м².

Средства защиты от УФ излучения: экранирование источников излучения; дистанционное управление, рациональное размещение рабочих мест; средства индивидуальной защиты (в том числе защита глаз).

Измерение УФ излучения производится специальными УФ дозиметрами, эрдозиметрами, эрметрами, бактметрами, уфиметрами.

Лазерное излучение - это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,2 до 1000 мкм. Различают области:

- 0,2- 0,4 мкм - УФ область;

- 0,4 - 0,75 мкм - видимая область;

- 0,75 -1 мкм - ИК-область (ближняя);

Свыше 1,4 мкм - дальняя ИК-область.

Источниками лазерного излучения является оптические квантовые генераторы (лазеры), которые широко применяются в науке и технике.

Принцип действия лазеров основан на использовании вынужденного электромагнитного излучения, возникающего в результате возбуждения квантовой системы. Отличительными особенностями лазерного излучения являются: монохроматичность излучения, когерентность, острая направленность луча; эти свойства позволяют получить исключительно высокие концентрации энергии в лазерном луче: 10¹⁰ - 10¹² Дж/см² или 10²⁰ - 10²² Вт/см².

Лазерное излучение по виду разделяется на: прямое; рассеянное; диффузно- отраженное от поверхности по разным направлениям.

Опасные и вредные производственные факторы при работе лазеров делятся на основные и сопутствующие. Зависит от энергетической экспозиции, энергетической освещенности, длины волны, частоты, времени действия, а также от химических и биологических особенностей облучаемых тканей и органов. Различают тепловое, энергетическое, фотохимическое и механическое действие на живые организмы.

Прямое лазерное излучение опасно для органов зрения, возможны повреждения и в кожном покрове - от легкого покраснения до обугливания. Возможны патологические изменения в крови и головном мозге.

Лазерное излучение (дальней ИК - области) способны проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологической структурой с поражением внутренних органов. Наиболее уязвимы, внутренние окрашенные органы - печень, почки, селезенка. В результате неправильного применения могут возникнуть патологические сдвиги нервной, сердечно- сосудистой и эндокринной систем организма.

Параметры лазерного излучения делятся на энергетические и временные. К энергетическим относятся: энергия излучения, Дж/см²; Мощность, Вт/ см².

Временные параметры: частота, длительность воздействия, длина волны. Контроль лазерного излучения осуществляется с помощью приборов: «Измеритель-1», ЛДИ - 2 и ИМО - 2Н.

Для каждой лазерной установки определяют размеры лазерно-опасной зоны, которые экранируются или ограждаются специальными знаками. Индивидуальная защита: очки со специальными светофильтрами (в зависимости от лазера).

По типу применяемого источника излучения ОУ классифицируются, в зависимости от применяемых ламп, которые разработаны практически для всех областей оптического диапазона (табл. 3.10.1).

Таблица 3.10.1 Источники излучения и их характеристика

Тип источника излучения	Область излучения	Интервал длин волн λ, нм	Наименование
ДБ	УФ-С	100÷280	Дуговая, бактерицидная низкого давления
ДРТ			Дуговая, ртутная трубчатая высокого давления
ЛЭ ДРТ	УФ-В	280÷315	Люминесцентная эритемная низкого давления. ДРТ - то же, что в первой строке
ЛУФ	УФ-А	315÷380	Лампа ультрафиолетовая для люминесцентного анализа
ЛУФТ			то же с колбой фильтром
ЛУФЩ			то же щелевая
ЛФ	ФАР (физиологически активная радиация)	360÷720	Люминесцентная фитолампа (для растениеводства)
ДРИ			Дуговая ртутная с добавкой йода
ДНаТ			Дуговая натриевая трубчатая
ДРЛФ			Дуговая ртутная люминесцентная фитолампа
ДКсТ			Дуговая ксеноновая трубчатая сверх высокого давления
В, Б, БК, Г	ВИ (видимое излучение)	380÷760	Лампы накаливания разного типа
ЛБ, ЛТБ, ЛДЦ, ЛХБ, ЛЕЦ и др.	ВИ	380÷760	Лампы люминесцентные низкого давления
ДРЛ			Дуговая ртутная люминесцентная лампа высокого давления
ДРИ, ДНаТ, ДКсТ			То же, что ранее
ИКЗ	ИКБ (ИК - ближняя)	760÷5000	Инфракрасная зеркальная лампа
ИКЗК			Тоже, с красным фильтром
КГ			Кварцевая галогенная лампа
ТЭН		1200÷7000	Трубчатый электронагреватель (темный излучатель)

По взаимному расположению различают установки: стационарные (источник и приемник находятся в одном положении; обогрев и облучение животных, люминесцентный анализ, обеззараживание, облучение в растениеводстве); передвижные (в течение рабочего цикла занимают более двух положений); подвижные (либо облучатель, либо приемник непрерывно движутся относительно друг друга).

При расчете ОУ, за основу принимается выражение, определяющее количество передаваемой лучистой энергии:

,

где А - площадь;

τ - время облучения;

α - направление.

На практике, используются более простые формулы, использующие дозу облучения или экспозицию:

H = .

Для стационарных процессов экспозиция:

Н = Е_эф · τ,

где Е_эф = Ф_эф /А.

При расчете облучательных установок, в качестве исходной величины, принимается облученность (задается или определяется из дозы):

Е= Н / τ.

Методы расчета основаны на известных светотехнических, с учетом поправочного коэффициента (учитывается спектральный состав излучения) [3]:

k = ,

где η_х - КПД светильника для спектра Х - излучения;

η_св - КПД светильника;

- доля прямого потока излучения от светильника;

- доля отраженного потока от светильника;

ρ_х и ρ_ви - коэффициенты отражения при спектре Х и видимом излучении.

При расчете средней облученности применяется метод коэффициента использования потока излучения (Z ≤ 2, данный коэффициент в формулу не вводится):

Е = [Вт/м²],

где Ф_л - поток лампы в эффективных единицах;

N - количество ламп в установке;

η_оу- коэффициент использования светового потока, с учетом поправочного коэффициента, k;

А - площадь облучаемой поверхности;

k_З - коэффициент запаса.

При определении коэффициента использования, коэффициенты отражения принимаются равными нулю (боковые поверхности отсутствуют, и отражения от верхней части нет).

При расчете облученности в конкретных точках, используется точечный метод расчета:

Е= [Вт/м²].

При расчете и выборе облучательных установок необходимо руководствоваться соответствующими нормативными документами и рекомендациями, что позволит правильно выбрать источник излучения и получить хороший эффект.

Например, совместное действие видимого и ультрафиолетового излучений (используется в животноводстве):

- отдельные установки освещения и облучения (ОУ стационарные с лампами типа ЛЭ, или подвижные с лампами ДРТ; переносные, типа ОРК или ОРКШ с лампами ДРТ);

- осветительно-облучательные установки на базе двухламповых светильников (типа ОЭСП02, с осветительной люминесцентной лампой и с лампами типа ЛБР или ЛЭР);

- осветительно-облучательная установка на базе эритемно-осветительных ламп типа ЛЭО и ДРВЭД.

Для расчета таких установок используется формула:

Е_э = ,

где τ_С - продолжительность работы освещения.

Расчет подвижных облучательных установок типа УО - 4м (для облучения животных) и УОК (для облучения птицы) усложняется тем, что учитывается формы тела и траектория движения облучателя.

В зависимости от формы объекта облучения можно воспользоваться формулами:

- для плоскости, Е = ;

- для сферы, Е = ;

- для цилиндра, Е = ;

- для цилиндра под наклоном к поверхности излучателей,

Е = ;

Бактерицидные установки предназначены для бактерицидной обработки и обеззараживания воды, воздуха и пр.

Процесс уничтожения бактерий за счет УФ- излучения (как и действие ядами подчиняется экспоненциальному закону:

Б= Б_о ·е · ,

где Б - плотность бактерий после обработки;

Б_о - начальная плотность бактерий;

Определить количество ламп в установке для обеззараживания воды и воздуха [3] можно по формуле:

N = ,

где θ = А ·h / τ;

α - показатель поглощения среды, см^-1;

α_б - коэффициент поглощения бактерицидного потока

При дезинфекции поверхностей [3] используется выражение:

Nτ = ,

где τ_б - коэффициент пропускания воздуха.

(τ_б = е^{-α · h}).

В растениеводстве используются осветительные комплексы типа КОП «Светотрон», облучатели типа ОТ- 400 и ОТ -1000 с лампами ДРЛФ или ДРИ, ОГС «Фотос» с лампами ДРИ, светильники ЖСП (лампы ДРВ), ССП, ГСП (лампы ДРИ) и др.

В животноводстве и птицеводстве применяются ИК- облучатели типа: ССП, ОВИ, ОРИ с лампами ИКЗК или ИКЗС; ОСХ с лампами КГТ; ОКГ и электробрудеры БП с «темными» излучателями (ТЭН).

Используются комбинированные автоматизированные установки (ИК- лампы и эритемные лампы) типа ИКУФ, ЛУЧ, СОЖ (в состав одной установки входит пульт управления и до 40 облучателей) [2,3].

Установки типа ЭРИКО комплектуются облучателями ОЭСПО(70 облучателей), облучателями ОВИ (125 облучателей) и люминесцентными светильниками дежурного освещения (10 светильников).

Расчет установки ИК - нагрева основан на уравнении теплового баланса:

θ_ик = θ_к + θ_и+θ_т+θ_исп - θ_ж,

где θ_ж - тепловая энергия, выделяемая животным;

θ_к, θ_и, θ_т,θ_исп - потери тепловой энергии животным за счет конвекции, излучения, теплопроводности, испарения влаги с тела.

Поток инфракрасного излучения определяется выражением:

Ф_ик = Е·k ·S_т,

где Е - облученность, Вт/м²;

k - коэффициент, оценивающий эффективную долю ИК- излучения;

S_т - площадь облучаемой поверхности, м².

Температура, ощущаемая животным определяется формулой:

t_ож = Е · k + t_в,

где t_в - температура воздуха в помещении;

k - экспериментально, определенное ориентировочное значение коэффициента, k = 0,04 м²·с^о/Вт.

При обогреве жилых и производственных помещений, формула аналогична выше приведенной, но коэффициент k = 0,0714 м²·с^о/Вт.

Температурный режим внутри помещений находится из выражения:

t_п = m ·t_cр + (1- m)·t_в,

где m - коэффициент, учитывающий вид помещения (для жилых помещений, m = 0,5; для КРС, m = 0,3; для свиноводческих помещений, m =0,42);

t_cр - средняя температура поверхностей ограждения, находящихся в зоне обогрева.

При расчете установок сушки и нагрева материалов, покрытий и т.д., применяются, также, уравнение теплового баланса:

θ_ик = θ_нагр + θ_исп+θ_пот,

где θ_нагр - энергия, идущая на нагрев объекта;

θ_исп - энергия, необходимая для испарения влаги, растворителя и др.

θ_пот - теплопотери на конвекцию, теплопередачу, излучение.

При установившемся режиме нагрева (сушка лакокрасочных покрытий, предпосевная обработка семян) расчетная формула имеет вид:

Е = S_o·α_s = q ·S_т·(t_т- t_ос),

где S_o - площадь тени (миделево сечение), м²;

α_s - интегральный коэффициент поглощения [3];

q - коэффициент теплоотдачи (t_т < 500 °С), Вт/ м²·град;

t_т и t_ос - температура тела и окружающей среды.

При сушке, энергия затрачивается в основном, на испарение.

Уравнение для расчета:

Е = ,

где С_i - удельная теплоемкость компонентов высушиваемой смеси;

m_i - масса компонентов;

- удельная теплота испарения растворителя (или другое);

m_p - масса растворителя;

τ - время сушки;

η - КПД установки (0,8 ÷ 0,95).

Необходимые коэффициенты находятся их справочной и технической литературы, например [1,2,3].