13

Тема 3 Проектирование средств защиты от тепловых излучений

Для обоснования необходимости проектирования средств защиты от тепловых излучений необходимо определить фактическое значение интенсивности тепловых излучений экспериментально (например, актинометром) или расчетом по зависимостям:

при

;

при (3.1)

,

где q_u – интенсивность тепловых излучений, действующих на работающих, Вт/м²;

F – площадь излучаемой поверхности, м²;

T_u – температура источника тепловых излучений, К;

l_u – расстояние от центра излучаемой поверхности до облучаемого тела, м;

A – коэффициент, учитывающий условия лучистого теплообмена, К⁴;

Принимают для кожи человека и хлопчатобумажной ткани A = 85 К⁴, а для суконной ткани – A = 110 К⁴.

При q_u  q_доп условия труда по тепловым излучениям соответствуют санитарным требованиям, а при q_u > q_доп – не соответствует, что является обоснованием применения средств защиты. Допустимые значения интенсивности тепловых излучений q_доп следует принимать по ГОСТ 12.1.005‑88. Наиболее эффективным средством защиты от тепловых излучений является установка теплозащитных экранов: теплоотводящих, теплоотражательных и теплопоглощающих.

1. Проектирование теплоотводящих экранов

Теплоотводящие экраны представляют собой полые сварные конструкции, по которым циркулирует вода или воздушно-водяная смесь.

Схема теплоотводящего экрана приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема теплоотводящего экрана

1 – входной штуцер;

2 – экран;

3 – выходной штуцер;

4 – лабиринтные перегородки.

Наиболее подходящие размеры экрана: длина 1,5-2,0 м, ширина – 1,0-1,5 м и толщина (принимается по диаметру подводящей трубы) не менее 20-25 мм.

Экраны устанавливают в зоне открывающихся проемов на расстоянии 500-600 мм от горячих поверхностей и на расстоянии 15-20 мм от наружных поверхностей оборудования без проемов [1].

Теплоотводящее экранирование поверхности оборудования (например, металлургических печей) должно обеспечивать температуру наружной поверхности экрана не выше 30˚C в рабочей зоне (но не ниже 20˚С) и 45˚С вне рабочей зоны согласно ДНАОП 0.03-3.01-71 «Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий СН 245-71».

Максимальный нагрев воды в экране не должен превышать 10-15˚ из-за возможности образования накипи.

Так как экран располагается на некотором расстоянии от стенки, то тепло, передаваемое излучением, воспринимается водой полностью, а конвекцией лишь частично, так как горячий воздух в прослойке уносится вверх. При этом слой воды толщиной более 20 мм задерживает тепловое излучение, начиная с длины волны 1,5 мкм.

При расчете исходили из теплового баланса

Q_в = Q_изл, (3.2)

где Q_изл – количество лучистого тепла, действующего на экран, Вт;

Q_в – количество тепла, которое отвела вода из экрана, Вт.

Q_изл = q_и-э·F·a, (3.3)

где q_и-э – интенсивность тепловых излучений от источника тепла к экрану, Вт/м²;

F – площадь экрана, м²;

a – коэффициент поглощения инфракрасных лучей материалом экрана и водой (можно принять a = 0,9).

Интенсивность тепловых излучений можно определить по закону Стефана-Больцмана

, (3.4)

где С_о – коэффициент излучательной способности абсолютно черного тела (С_о = 5,67 Вт/(м²К⁴));

_пр – приведенная степень черноты источника излучения и стального листа экрана;

 – угловой коэффициент, учитывающий взаимное расположение источника излучения и объекта облучения (т.е. экрана). Для условий установки экрана на стенке оборудования можно принять  = 1;

T_и – температура источника излучения с учетом ее возрастания при экранировании на 20-30 %, К;

T_и = 1,25t_и + 273, К (3.5)

где t_и – температура источника излучения до установки экрана, С;

T_э – температура экрана, К.

Согласно [2] принимают

T_э  35 + 273 = 308 К (3.6)

Приведенная степень черноты равна

, (3.7)

где _и – степень черноты источника излучения (горячей стенки);

_э – степень черноты стального листа экрана.

Q_в = Gc(t_ух - t_пр), (3.8)

где G – весовой расход воды на экране, кг/с;

с – теплоемкость воды (с = 4,19 кДж/(кгК));

t_ух – температура уходящей воды (не более 35 С);

t_пр – температура воды на входе в экран (в теплый период года t_пр принимают от 25 до 29 С).

Необходимый весовой расход воды равен

, кг/ч (3.9)

С учетом плотности воды _в объемный расход воды равен

, м³/ч (3.10)

Принимают плотность пресной воды _в = 1000 кг/м³, а морской – _в = 1010-1050 кг/м³.

На линии, подводящей воду в экран, обязательно устанавливают фильтр.

При проектировании теплоотводящих экранов кроме расчета расхода воды на экран также необходимо определить:

– размеры экрана и трубопроводов (размеры трубопроводов определяют по таблицам расчета водопроводных сетей);

– гидравлических расчет потерь давления воды в экране (с учетом установки фильтров);

– проверка давления цеховой водопроводной сети на возможность преодоления рассчитанных потерь напора, т.е. если P_пот > P_с, то необходимо предусмотреть установку насоса на входе в экран.

Потери давления воды складываются из потерь на трение, на местных сопротивлениях и на фильтре

, (3.11)

где P_пот – потеря давления воды, Па;

_тр – коэффициент потерь давления от трения (можно принять _тр = 0,03);

– суммарная длина всех каналов (секций) экрана, м;

d_к – приведенный диаметр одного канала (секции);

(3.12)

F_c – площадь проходного сечения одного канала экрана, м²;

_в – плотность воды, кг/м³;

v_c – скорость воды в канале секции, м/с;

, м/с (3.13)

– суммарный коэффициент местных потерь. При повороте потока воды на 90 можно принять = 1,19 (для одного поворота на 90). При повороте на 180 можно считать, что

;

P_ф – потери напора на фильтре (определяют по паспортным данным фильтра или по справочникам), Па.

С учетом потерь давления в подводящих трубопроводах (до 20 % от потерь в экране) требуемое давление равно

, Па (3.14)

Возможные виды теплоотводящих экранов:

– стальные водоохлаждаемые экраны у стен выполняют из листовой оцинкованной стали толщиной 1,5-2 мм, а у открытых проемов – из черной стали толщиной 6-8 мм;

– стальной лист или сетка со стекающей водой;

– цепные завесы (однорядные или многорядные) со стекающей водой;

– водяные завесы.

Теплоотводящие экраны эффективно поглощают тепловые излучения во всем диапазоне длин волн (от длины волны 1,5 мкм и выше), что является их достоинством.

Недостатки этих экранов:

– громоздкость конструкции, что не всегда допустимо по условиям производства;

– необходимость наличия трубопроводов, фильтров и насосов для подачи воды;

– необходимость подготовки воды (умягчения, фильтрования и т.п.) для продления срока службы экрана;

– сравнительно малый срок службы экрана из-за отложения накипи.

Поэтому эти экраны применяют для экранирования высокотемпературных печей (доменных, сталеплавильных, нагревательных и др.).