Л 16 Отопление и инфракрасное излучение 2013

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

1 РОЛЬ ОТОПЛЕНИЯ В СОЗДАНИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА НА РАБОЧИХ МЕСТАХ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Метеорологические условия на рабочем месте в производственных помещениях характеризуются не только физическими параметрами производственной среды, но и тепловым излучением, что позволяет выбрать категорию помещения по величине явного тепловыделения.

Всоответствии с СанПиН 2.2.4.755-99 [3] все производственные помещения по тепловыделениям подразделяются на холодные и горячие.

Холодными производственными помещениями считаются помещения с тепловыделениями до 20 ккал / м3 ч.

К таким помещениям в авиационной промышленности относятся механические, механосборочные и сборочные цехи.

Эти цехи по соблюдению температурного режима на рабочем месте в холодный период года должны отапливаться за счѐт различных отопительных систем.

К горячим помещениям можно отнести цехи со значительными тепловыделениями, превышающими 20 ккал / м3 ч. Так, в литейных цехах

(нагрев и обработка деталей) интенсивность теплового излучения составляет 1392-3480 Вт / м2, а в производственных помещениях с большим тепловыделением на долю инфракрасного излучения может приходиться до 2/3 выделяемой теплоты и только 1/3 падает на конвекционную теплоту.

Для создания в производственных помещениях необходимого температурного режима применяются различные отопительные системы, обеспечивающие поддержание заданной по гигиеническим условиям температуры в помещениях в холодный период года.

Таким образом, отопление рассматривается как важное звено в улучшении условий труда при выполнении работ в «холодных» помещениях,

вкоторых выполняются технологические процессы без явного выделения тепла в производственную среду.

Установлено, что на обогрев одного человека требуется около 0,002 Гкал, т.е. одной Гкал можно согреть 500 человек.

Внастоящее время из-за непродуманной политики формирования отопительных систем (не везде есть краны для регулирования температуры, медленно вводятся автоматические системы регулирования тепловых потоков и др.), облегчѐнных строительных конструкций и другим причинам очень много тепловой энергии теряется «на ветер». По сути, обогревается атмосферный воздух окружающей среды. А это создаѐт тепловое загрязнение окружающей среды, и поступающих в атмосферу через источники загрязнения – трубы тепловых электрических станций (ТЭС).

Следует заметить, что из двенадцати работающих ТЭС одна из них один месяц в году «работает» только на загрязнение окружающей среды.

Вследствие большого количества потерь тепла наблюдается:

 значительный перерасход условного топлива, необходимого для

2

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

поддержания теплового комфорта в помещении в течение отопительного сезона;

сильно загрязняется атмосферный воздух городов, крупных посѐлков, имеющих свои ТЭС;

растѐт количество различных заболеваний среди населения,

усиленно загрязняется окружающая среда на всех жизненных циклах функционирования ТЭС (добыча, переработка, доставка, хранение, большое количество твѐрдых отходов при использовании угля).

Правильно рассчитанное отопление позволяет создать на рабочем месте оптимальный тепловой режим, что способствует сохранения здоровья работников, приводит к повышению производительности их труда и создает условия качественного выполнения работ.

Если отопление не соответствует условиям поддержания теплового режима на рабочем месте, то это вызывает или перегрев, или охлаждение организма работающих людей.

Перегрев способствует возникновению простудных заболеваний у работающих, вызывает определѐнный дискомфорт и отражается на их работоспособности и качестве выполняемых работ, влияет на ухудшение здоровья.

Охлаждение приводит к росту числа простудных заболеваний и потере здоровья работающих, что требует, порой, их длительного лечения.

1.1 Расчёт отопления

Тепло, необходимое для обогрева производственного помещения, определяется из уравнения теплового баланса:

Q Qк Qв Qм, ккал,

где Qк, Qв, Qм – тепло, потребное для часового обогрева здания, в котором располагается производственное помещение, ккал:

Qк K Fп (tвн tн ),

где K – коэффициент теплопередачи материалов, из которых выполнено здание, ккал / м2 ч °С,

Fп – площадь здания по наружному периметру, м2,

tвн и tн – температура внутри и вне помещения соответственно, °С. Значения tвн могут быть найдены, исходя из условий комфортной температуры в помещении или на рабочем месте;

Qв – тепло, необходимое для обогрева воздуха, поступающего в здание через неплотно прикрытые фрамуги, оконные проѐмы, двери и пр., ккал. Принимается на (20-30) % меньше, чем вычисленное по уравнению значение

Qк;

3

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

Qм – тепло, идущее на обогрев ввозимых в помещение изделий, деталей, материалов и т.п.в холодный период года, ккал. Принимается (5-10) % от значения Qк.

Часовой расход тепла, необходимый для поддержания центральной отопительной системой необходимой температуры внутри здания, определяется из зависимости

Qч q0 Vп (tвн tн ),

где qо – удельный расход тепла, требуемый для нагрева 1 м3 воздуха в здании в единицу времени, ккал / м3 ч(°С;

Vп – объѐм здания, определяемый по его наружному контуру, м3;

Средняя минимальная температура за отопительный сезон в Самаре принимается tн = минус 13,8 °С.

Часовой расход тепла, необходимого для поддержания требуемой температуры внутри здания калориферами, рассчитывается по уравнению:

где qв – удельный расход тепла, необходимый для нагрева 1 м3 воздуха калорифером, поступающего в единицу времени, ккал / м3 ч ∙ (°С).

При расчѐте по этому выражению для Самары tн = минус 18 °С.

Затем определяется общее количество тепла, необходимого за весь

где k – коэффициент, учитывающий неучтѐнные потери тепла (k = 1,05-1,1); D – число дней отопительного сезона. Для Самары – 208;

N – количество ежедневной работы отопительной системы в зависимости от сменности работ в помещении. При двухсменной работе принимается 17 ч, при трѐхсменной – 24 ч.

Если предусматривается комбинированная отопительная система, то в это уравнение поставляется сумма значений Qч и Qк. ч.

Расчѐт отопления сводится к определению потребного для отопления

4

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

здания количества условного топлива (ут), которое определяется из зависимости:

где i – теплотворная способность условного топлива, ккал / кг (для котельных значение i равно 7000, для паровых систем – 540);

– коэффициент полезного действия (для котельных принимается 0,75, для паровых установок – 0,9).

СанПиН 2.2.4.755-99 предусматривают колебания температуры на рабочем месте в течение 8-часовой смены по высоте. Эти колебания должны быть не более 3 °С на расстоянии 1,м от пола или рабочей площадки, а перепад температуры воздуха по горизонтали, а также еѐ изменение в течение смены не должна превышать в зависимости от категории выполняемой работы, ºC, следующих значений:

Вне рабочего места допускается изменение температурного интервала

вдиапазоне (6-11) °С.

Впоследнее время всѐ чаще применяется так называемый обогрев рабочего места струйными течениями воздуха. При этом интервал колебания температуры на рабочем месте определяется

где tмакс и tмин – максимальная и минимальная температура на рабочем месте в соответствии с требованиями СанПиН 2.2.4.755-99, °С;

– градиент изменения температуры по высоте цеха, °С / м; tуд – температура удаляемого с рабочего места воздуха, °С.

5

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМФОРТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПОМЕЩЕНИИ

Комфортность среды характеризуется еѐ оптимальной температурой и представляет собой субъективное чувство и объективное состояние полного здоровья в рассматриваемых условиях окружающей человека среды, включая еѐ производственные, природные и социально-экономические показатели.

Комфортную температуру (°C) в помещении можно определить по уравнению:

где tк. п – температура кожного покрова человека в состоянии ощущения комфорта, принимается равной 32 °С;

M – энерготраты человека в зависимости от категории работы, ккал / ч; Q'исп – расход тепла на неощутимое испарение, принимается 19 ккал / ч; Fод – площадь поверхности одежды, примерно равная поверхности тела

человека, рассчитывается по эмпирической зависимости:

Fод 0,23 G0,425ч L0,725ч , м2,

где Gч – масса человека, кг; Lч – рост человека, м;

R'од – сопротивление теплопередаче от поверхности кожи к наружной поверхности одежды, равное:

R'од 0,18 Rод , м2 ч C / ккал,

где Rод – теплоизолирующие свойства одежды, задаваемые из табл. 2.1;

конв и л. исп – средние коэффициенты теплопередачи тела человека в помещении соответственно конвенцией и лучеиспусканием, ккал / м2 ч °С. Эти коэффициенты определяются в случае, когда скорость перемещения воздушного потока через рабочее место удовлетворяет условию: 0,1 < V < 2,6 м / с, а соответствующие коэффициенты вычисляются по уравнениям:

6

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

Таблица 2.1 – Теплоизолирующие свойства различной одежды

7

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

3 СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

Системы отопления представляют собой комплекс элементов, необходимых для обогрева помещений в холодный период года.

Основными элементами систем отопления являются источники тепла, теплопроводы, нагревательные приборы (радиаторы).

Теплоносителями могут быть нагретая вода, воздух или пар. Системы отопления подразделяются на местные и центральные.

Кместным системам отопления относится печное и воздушное отопление, а также отопление местными газовыми и электрическими устройствами. Такое отопление применяется, как правило, в жилых и бытовых помещениях, а также в небольших производственных помещениях малых предприятий.

Ксистемам центрального отопления относятся: водяное, паровое, панельное, воздушное, комбинированное.

Водяная и паровая системы отопления в зависимости от давления пара или температуры воды могут быть низкого давления (давление пара до 70

КПа или температуры воды до 100 C) и высокого давления (при значениях, превышающих указанные величины).

Водяное отопление. Оно отвечает основным санитарно-гигиеническим требованиям всвязи с чем нашло наибольшее распространение на многих предприятиях различных отраслей промышленности.

Основные преимущества этих систем:

равномерность нагрева помещения;

возможность централизованного регулирования температуры нагрева теплоносителя (воды);

отсутствие запаха, гари при оседании пыли на радиаторы;

поддержание относительной влажности воздуха на таком уровне, что воздух помещения не пересушивается;

исключение ожогов от нагревательных приборов при случайном прикосновении к ним человека;

пожаровзрывобезопасность.

Кнедостаткам такого отопления следует отнести:

возможность замерзания отопительных приборов при отключении в зимний период года;

медленный нагрев больших помещений после длительного перерыва в отопительном сезоне.

Паровое отопление. Такое отопление имеет ряд санитарногигиенических недостатков. В частности, вследствие перегрева воздуха

8

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

снижается его относительная влажность, а органическая пыль, осевшая на нагревательных приборах, подгорает, вызывая запах гари.

С экономической точки зрения систему парового отопления эффективно устанавливать на больших предприятиях, где одна котельная обеспечивает необходимый нагрев помещений всех корпусов и зданий, а также в тех помещениях, в которых в технологическом процессе применяется пар.

Панельное отопление. Его целесообразно применять в административно-бытовых помещениях. Оно действует благодаря отдаче тепла строительными конструкциями, в которые вмонтированы специальные нагревательные приборы (трубы, по которым циркулирует вода) или электронагревательные элементы.

Преимуществами этой системы отопления является:

равномерный нагрев и постоянство температуры и влажности воздуха в помещении;

экономия производственной площади за счѐт отсутствия нагревательных приборов;

возможность использования в летний период для охлаждения помещений, пропуская холодную воду через систему.

Недостатками может служить:

относительно высокие первоначальные расходы на устройство;

трудность ремонта при эксплуатации и особенно при авариях.

Воздушное отопление. Оно может быть центральным (с подачей нагретого воздуха от единого источника тепла) и местным (с подачей тѐплого воздуха от местных нагревательных приборов или использования в качестве нагревателя электропушки).

К преимуществам можно отнести:

быстрый тепловой эффект в помещении при включении системы;

отсутствие в помещении нагревательных приборов;

возможность использования в тѐплый период, когда отопительный сезон не начался, а в помещении метеорологические условия не соответствуют требованиям или в жаркий период для охлаждения и вентиляции помещений;

экономичность, особенно, если такое отопление совмещено с общеобменной вентиляцией.

9

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

3 ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ

Инфракрасное излучение (ИКИ) – это тепловое излучение, представляющее собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 до 420 мкм и обладающее волновыми и световыми свойствами.

По длине волны инфракрасные лучи делятся на коротковолновую ИКИ-А (менее 1,4 мкм), средневолновую ИКИ-В (1,4-3,0 мкм), длинноволновую ИКИ-С (3 мкм - l мм) область.

В производственных условиях гигиеническое значение имеет более узкий диапазон (0,76-70) мкм.

Источником инфракрасного излучения является любое нагретое тело, отдающее свою температуру производственной среде.

Степень ИКИ характеризуется следующими основными законами, используемыми для оценки гигиенического нормирования.

Лучеиспускание обусловливается только состоянием излучающего тела и не зависит от окружающей среды (закон Кирхгофа). Лучеиспускательная способность любого тела пропорциональна его лучепоглощающей способности.

Тело, поглощающее все падающие на него лучи (абсолютно чѐрное тело), обладает максимальным излучением. На этом законе основано применение поглощающей защитной одежды, светофильтров, устройство приборов для измерения теплового излучения, а также окраска оборудования.

С повышением температуры излучающего тела интенсивность излучения Е увеличивается пропорционально 4-й степени его абсолютной температуры (закон Стефана - Больцмана):

E σ T4, Вт / м2,

где – постоянная Стефана - Больцмана, равная 5,67032 10-8 Вт м-2 К-4; Т – абсолютная температура, К (Кельвин).

Таким образом, даже небольшое повышение температуры тела приводит к значительному росту отдачи теплоты излучением. Используя этот закон, можно определить величину теплообмена излучением в производственных условиях.

Количество тепловой энергии (теплоотдача), передаваемое излучением, определяется по зависимости

E C1 C2 σ T14 T24 , Вт,

где C1 и C2 – константы излучения с поверхностей;

10