5.3. Основные характеристики электромагнитных излучений

Интенсивность теплового облучения (Вт/м ) в зависимости от расстояния г определяется по формуле [30]

0,91 -F

Е =

(5.4)

г

где F - площадь нагретой поверхности, м ; - температура поверхности, С; доп - допускаемая температура на поверхности оборудования, Тдоп < 45° С.

Если Е >350 Вт/м², то необходимы технические меры по уменьшению из­лучения на человека, например, экранирование.

Плотность потока энергии (Вт/м²) ЭМИ радиочастотного диапазона об­ратно пропорциональна квадрату расстояния Я до источника

ППЭ=]¥/4п-Я² (5.5)

где W- мощность источника излучения, Вт.

Плотность потока энергии электрической составляющей электромагнитно­го поля

ППЭ =Е²/377 (5.6)

где H-напряженность электрического поля, A/м;

Е = 377Н (5.7)

где Н- напряженность магнитного поля, А/м. I Напряженность электрического поля можно определить по формуле

F= ho-W IR (5 8">

\ истп v /

где W- мощность источника излучения, Вт.

Пример 5.1. Определить интенсивность теплового облучения работников хлебопекарного цеха, если площадь нагретой поверхности печи F= 20 м², тем­пература поверхности печи T= 60 °С, расстояние от рабочего до печи r = 0,25 м.

Решение. Интенсивность теплового облучения определим по формуле (5. 4)

4

0,91-20-

_f-T-f-T

Е =

= 27,3Вт/м²

0,25²

Вывод. Интенсивность теплового облучения работников хлебопекарного цеха равна 27,3 Вт/м2 .

5.4. Расчет технических средств защиты от тепловых излучений

Наиболее распространёнными методами защиты от тепловых лучей (ИК) являются: теплоизоляция (рис. 5.10); экранирование (рис. 5.11); воздушное ду-

139

ширование.

Экраны для защиты от тепловых излучений могут быть изготовлены из листового алюминия, белой жести, алюминиевой фольги (альфоля), асбестовых щитов, огнеупорного кирпича или могут представлять собой сварные конст­рукции, охлаждаемые водой.

Виды теплоизоляции

V

V

мастичная

оберточная

записная

Из штучных изделий

Рис. 5.10. Виды теплоизоляции

Экранирование

N

/

Источников излучения

Рабочих мест

L

V

Экраны

\

теплоотражающие

теплопоглощаю-

теплопроводящие

1

1

непрозрачные

полупрозрачные

прозрачные

Рис. 5.11. Классификация экранов [28]

Защита от ионизирующих излучений осуществляется в основном экрани­рованием. Применяется также «защита временем» (ограничение времени рабо­ты с радиоактивными излучениями) и «защита расстоянием» (удаление рабоче­го места от источника радиоактивных излучений).

Эффективность экранирования определяется из выражения (дБ)

(5.9)

где Е1 - интенсивность облучения без экрана, Вт/м ;

2- интенсивность облучения с экраном. Заданное снижение температуры ju рассчитывается по формуле

ц = Т_и/Т_э,

где Т_и - температура источника, ° С;

₃ - температура экрана, ° С. Температура экрана определяете» из выражения

(5.10)

140

,

(5.11)

где t_в - температура внутри помещения, °С;

а -коэффициент теплопоглощения;

Е₂- интенсивность облучения с экраном, Вт/м²;

а2 - удельная теплоотдача, Вт/м2 °С.

Интенсивность облучения с экраном можно рассчитать по формуле

Е₂-=Е₁-е^б-^е (5.12)

где 5 - коэффициент ослабления (для воды 5 = 1,3);

l -толщина экрана, м;

Е1- интенсивность источника, Вт/м2 .

Пример 5.2. Определить эффективность экранирования поста управления завалочной машины напольного типа для мартеновской печи, если известна ин­тенсивность теплового облучения без защитного экрана Я/= 360 Вт/м2 и интен­сивность облучения с экраном Е, = 29Вт/м².

Решение. Определим интенсивность экранирования из выражения (5.9):

g

E₂ 29

Вывод. Интенсивность экранирования 11 дБ

Пример 5.3. Определить интенсивность облучения рабочего при исполь­зовании защитного экрана, охлаждаемого водой. Толщина экрана 0,05 м, интен­сивность облучения без экрана 355 Вт/м².

Решение. Интенсивность облучения с экраном можно рассчитаем по фор­муле (5.12)

, е =355-<Г =355

1 2,71⁰'⁰⁶⁵

Е₇ =Е, -е-^бе =355-<Г^и-°'⁰⁵ =355 ¹—- = 33\Вт/м²

2 1 ⁰⁰⁶⁵

Вывод. Интенсивность облучения с экраном составит

Интенсивность излучения источника (Вт/м ) рассчитывается по формуле

= s-C

т

100

где s - степень черноты полного излучения материала (табл. 5.3};

С0 - коэффициент излучения, (С0 = 4,5 - металл; С0 = 5,3 - огнеупорный ма­териал; С0 = 5,67 -абсолютно черное тело), Вт/(м².К⁴); Т- температура излучае­мого тела, °К.

141

Таблица 5.3 - Степень черноты полного излучения

Материал	t,°С	s
Алюминий окисленный	200...600	0,11...0,19
Сталь
- листовая шероховатая	940.. .1100	0,52...0,61
- оцинкованная окисленная	24	0,276
Ччугун шероховатый	40...250	0,95
Медь полированная	115	0,023
Асбестовый картон	24	0,96
Кирпич:
- шамотный	1100	0,75
-магнезитовый	1500	0,39
-красный	20	0,93
Штукатурка известковая	20	0,91

Интенсивность облучения от нагретой поверхности в зависимости от рас­стояния определяется по формулам [30].

,з

,з

г

г

_f-T-f

0,91-

ООП

100 д

т_дУ

(5.14)

Г

Г

г <

(5.15)

где r - расстояние от источника облучения до рабочего места, м;

F - площадь издучаемой поверхности, м ; T- температура излучаемой по­верхности. К; Тдоп - допускаемая температура на поверхности оборудования, Тд_о„ < 318°К.

Количество теплоты, отдаваемой единицей поверхности в единицу време­ни в окружающую среду, определяется по формуле

g = <*(**-О

где а-суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К); t_из- температура на изолированной поверхности, °С; t_в- температура воздуха в помещении, °С. Суммарный коэффициент теплоотдачи определяют из выражения

(5.16)

a_л

(5.17)

где а_к Вт/(м²-К);

- коэффициент теплоотдачи от изолированной стенки к воздуху,

142

а_л - коэффициент теплоотдачи от изолированной стенки к воздуху путем лучеиспускания, Вт/(м2 -К).

Коэффициент а_л рассчитывают по формуле

вн из

л

а. =

г -г.

(5.18)

где С0 - коэффициент, излучения, абсолютно черного тела,. Вт/(м -К);^;

С0 = 5,7

s -степень черноты тела;

Т_вн - температуравнутри аппарата, °К; Т_вн = 273 + t_вн,

где t_вн -температура внутри аппарата, °С;

Т_из - температура надаолиррванной поверхности, °К; Т_из = 273 + t_из,

где t_m - температура на изолированной поверхности, °С, (не более 45 °С).

Коэффициент а_к рассчитывают по формуле

а_к =

и

N-X

L

где N_u - критерий Нуссельта;

Я- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м²-°С (табл. 5.4); L - характерный размер тела (цилиндр - диаметр, горизонтальный па­раллелепипед - ширина, вертикальный параллелепипед - высота).

Таблица 5.4 - Коэффициенты теплопроводности, кинематической вязкости и критерий Прандтля

Температура воз-	Коэффициент тепло-	Коэффициент	Критерий
духа, °С	проводности Я	кинематической	Прандтля Рr
	Вт/(м2-°С)	вязкости V, м2/(с-10"6)
10	0,0251	14,16	0,705
20	0,0259	15,06)	0,703
30	0,0267	16,00,	0,701
40	0,0276	16,96	0,699
50	0,0283	17,95	0,698

Критерий Нуссельта определяют по формуле

N_u=c{G_r-P_r)^h

где с и h. - эмпирические коэффициенты, выбираются по табл. 5.5; G_r - критерий Грасгофта;

143

Р_r - критерий Прандтля, приведен в табл. 5.4. Таблица 5.5-Значениекоэффициентов c и h для воздуха (5.20)

Gr-Pr	с	h
МО"3	0,500	0
1-Ю"3...5-Ю2....	1,180	1/8
	0,540	1/4
5-Ю2.... 2-Ю7	0,135	1/3
2-107...М018

Критерий Грасгофта определяют по: формуле

v

где р - коэффициент объемного расширения, °С;

1

(5.21)

273 +t

t_в - температура воздуха в помещении, °С; g - ускорение свободного падения, м/с² (g=9,81 м/с²);

v - коэффициент кинематической вязкости, м /(с-10-⁶), выбираемый по табл.5.3.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формулам

К =

¹ _|

а

1

изол

5.22)

где а - суммарный коэффициент теплоотдачи, (м2 . 0С) 5_ст,5_изол - толщина изолируемой стенки и изоляционного материала, м; К_тЛ_изол- коэффициент теплопроводности стенки и материала, Вт/(м. °С), выби­раем по табл. 5.6. в зависимости от температуры.

Таблица 5.6 - Коэффициенты теплопроводности материалов

Материал	Температура	Коэффициент теплопро­водности, Вт/(м°С)
Асбест:
листовой	30	0,12
волокно	50	0,11
Войлок шерстяной	30	0,05
Глина огнеупорная	450	1,04
Дерево сосна	20	0,11
Картон гофрирован­ный	20	0,06

144

Кирпич:
изоляционный	100	0,14
строительный	20	0>23...0,30
Кожа	30	0,16
Резина	0	0,1.6
Стеклянная вата	0	0,04
Алюминий	0	204,00
Броня	20	64,00
Латунь	0.	85,50
Сталь	0	45,40
Чугун	0	63,00

?

?

к =

(5.23)

где q - количество теплоты, отдаваемой единицей поверхности тела в еди­ницу времени, Вт/м²;

t_вн - температура внутри аппарата, °С;

U - температура воздуха в помещении, °С.

Толщину изоляции можно определить, преобразовав выражение (5.22), по формуле

изол

изол

= Я,

К а Л_ст

(5.24)

Пример 5.4. Рассчитать толщину теплоизоляции вакуум-аппарата, изго­товленного из стали. Толщина стенки 10 мм. Температура среды в аппарате 118°С. В соответствии с санитарными нормами температура воздуха в помеще­нии не должна превышать 23 С, а температура на поверхности изоляции долж­на быть не более 45°С. В качестве теплоизоляции используется войлок шерстя­ной. Характерным размером цилиндрического аппарата является его диаметр, равный 1,5 м.

Решение. Рассчитаем коэффициент теплопередачи от изолируемой стенки к воздуху путем лучеиспускания по формуле (5.18), приняв коэффициент излу-чения абсолютно черного тела равным С„ =5,7 Вт/(м К); степень черноты тела для стали е = 0,61 (табл. 5.3)

5,7-0,61

вн из

л

С_о-8

Т -Т.

118

_V

100

100 J

(273+ 118)-(273+ 45)

= 6,096

Определим по формуле (5.21) критерий Грасгофта, приняв за характерный размер тела диаметр аппарата L =1, 5 м

п

1 _ 1,5³

-(45-23) = 0,104-10

■9,81-

v

273 + 23 (15,3-10"

145

Критерий Прандтля для температуры 23° выберем из табл. 5.4: Р_г = 0,702. Произведение: G_r ■ P_r = 0,104 • ю¹¹ • 0,702 = 0,73 • 10¹⁰

Определим критерий Нуссельта по формуле (5.20), выбрав значения коэф­фициентов с и А для воздуха по табл. 5.5

N_u =c(G_r-P_r)^h =0,135(0,73-10¹⁰ )з =262,4

Определим коэффициент теплопередачи от изолированной стенки к возду­ху путем конвекции по формуле (5.19), выбрав по табл. 5.4 коэффициент теп­лопроводности Л =0,0259

N_u -Л 262,4-0,0259 _{и g}

,40,

L 1,5

Рассчитаем суммарный коэффициент теплоотдачи по формуле (5.17)

а =а_к+а_л = 6,0096 + 4,5 = 10,59

Определим количество теплоты, отдаваемой единицей поверхности тела вединицу времени по формуле (5.16) ;

Определим коэффициент теплопередачи по формуле (5.23)

t_m-t_U3 118-23

Определим толщину теплоизоляции аппарата (м) по формуле (5.24), вы­брав по табл. 5:6 коэффициенты теплопроводности стенки (сталь) и ц,_а ^АРиала изоляции (войлок) Л_ст,Л_изол,Вт/(м°с)

cm

cm

изол изол

л а Я

2,43 10,59 45,4

ству

Вывод: Толщина теплоизоляционного слоя из войлока шерстяного 0,015 5.5. Расчет средств защиты от электромагнитных полей

Эффективность экранирования сплошного экрана удовлетворяет неравен-

Э>е- (5.25)

где Э эффективность экранирования,; дБ;

146

d толщина материала экрана, м;

5 — глубина проникновения поля в экран» м;

е - основание натурального логарифма (е = 2,718)

Глубина проникновения поля- в экран (м) определяется по формуле (17)

к Aft)

1

(5.26)

где к - коэффициент затухания;

ц_э- абсолютная магнитная проницаемость материала экрана, Гн/м (Ген-

ри/м);

у — электрическая проводимость^;; 1/Ом- м (для алюминий / = 3,55 • 10⁷ 1/Ом.м, для стали у = 1 -10⁷...\0⁵\/Ом-м);

со — круговая частота электромагнитных колебаний, со = 2т$ / частота волны, Гц.

Абсолютная магнитная проницаемость материала экрана (Гн/м) определя­ется по формуле

Д,=До-^ (5-27)

где ju₀ - магнитная проницаемости вакуума, Гн/м ju₀ = An ■ 10~⁷ Гн / м

ц'_э- относительная магнитная проницаемость, Гн/м (для немагнитных материалов ^=1) д^ля алюминий /и'_э =l;iu₃ =4ж-10~Тн/м; для стали /и'_э =2000;/и_э =8я-\0~⁴Гн/м

d =

lnЭ

к

(5.28)

где lп - логарифм натуральный;

Э степень ослабления электромагнитного поля (эффективность экра­нирования), дБ;

к - коэффициент затухания потока мощности.

Эффективность защиты будет велика, если толщина материала экрана су­щественно превосходит глубину проникновения d»5 . Эффективность экрани­рования различных материалов приведена в табл. 5.7.

Таблица 5.7 — Эффективность экранирования полей высоких частот

Вид экрана	Материал экрана	Частота, кГц
		10	100	1000	10000	100000
Металлические листы толщиной 0,5 мм	Сталь Медь Алюминий	2,5-106 5-Ю6 3-Ю6	5-10" 1-Ю7 4-106	>1012 6-Ю8 1-Ю8	>1012 >102 >102	>1012 >1012 >1012

147

Металлические сетки	Медь (диаметр про­волоки 0,1 мм, ячей­ки 1x1 мм)	3,5-106	3-Ю5	1-Ю5	1,5-10'	1,5-10'
	Медь (диаметр про­волоки 1мм, ячейка 10x10 мм)	1-Ю6	1-Ю5	1,5-10'	1,5-103	1,5-102
	Сталь (диаметр про­волоки, 0,1мм, ячейка 1x1мм)	6-10'	5-10'	1,5-10'	4-103	9-102
	Сталь (диаметр про­волоки 1мм, ячейка 10x10мм)	2-Ю5	5-10'	2-10'	1,5-103	1,5-102

Задачи

33. Определить интенсивность теплового облучения работников хлебозаво­да, если площадь нагретой поверхности печи 100 м² температура поверхностипечи 70 С, расстояние от рабочего до печи 0,10 м.

34. Определить эффективность экранирования кузнечного горна, если из­вестна интенсивность теплового облучения без защитного экрана Е, = 140 Вт/ми интенсивность облучения с экраном Е2 = 50 Вт/м .

35. Определить интенсивность облучения оператора пастеризатора молокапри использовании защитного экрана, охлаждаемого водой. Толщина экрана0,025 м, интенсивность облучения без экрана 160 Вт/м².

36. Рассчитать толщину теплоизоляции вакуум-аппарата, изготовленного изстали. Толщина стенки 15 мм. Температура среды в аппарате 115 С. В соответ­ствии с санитарными нормами температура воздуха в помещении не должнапревышать 22 С, а температура на поверхности изоляции должна быть не более45°С. Характерным размером цилиндрического аппарата является его диаметр,равный 1,5 м. В качестве теплоизоляции используется: асбестовое волокно;картон гофрированный; кожа; стекловата; глина огнеупорная; кирпич изоля­ционный; асбест листовой; дерево (сосна); резина:

37. Спроектировать защиту рабочего места оператора от СВЧ излучения сприменением металлического экрана.