ПОЛНЫЙ КОНСПЕКТ
.pdf∆t – разность температур уходящей и поступающей воды, К.
Основной недостаток водоохлаждения – опасность взрыва в случае утечки воды из системы охлаждения и контакта ее с жидким металлом и нагретыми материалами или перегрев воды и парообразование внутри охлаждаемого элемента в результате появления накипи, что ведет к нарушению циркуляции воды.
Защита путем экранирования источника излучения или рабочего места основана на принципе отражения и поглощения тепловых излучений материалом экрана. По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглотительные и теплоотводящие. Это подразделение условно, так как каждый материал обладает способностью отражать, поглощать и отводить тепло. Отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая способность более сильно выражена.
Прозрачные экраны и область их применения В настоящее время для прозрачных экранов применяют стекла
силикатные, кварцевые и органические (плексиглас), а также воду в слое и дисперсном состоянии.
Защитные свойства прозрачных экранов заключается в отражении поверхностями экрана и поглощении его веществом тепловых излучений.
Для общего усиления поглощения тепловых излучений или усиления поглощения в определенном диапазоне спектра излучения в массу вещества экранов вводят различного рода добавки. Например, оконное стекло хорошо поглощает тепловые лучи длиной свыше 4 мкм. Введение в массу оконного стекла 0,5 – 1,5 % закиси железа усиливает поглощение тепловых лучей в диапазоне 0,75 – 2,0 мкм.
Отражательную способность стекол усиливают путем нанесения на одну или обе стороны поверхностей тонких (менее 1 мкм) пленок на основе двуокиси олова, легированной добавками ряда элементов. Кроме того, при нанесении пленок отражательная способность защитных экранов из стекол расширяется в коротковолновую область инфракрасного излучения. Так стекло без покрытия начинает заметно отражать лучи с длиной волны от 2 мкм и более, с односторонним покрытием – с 1,5 мкм и двухсторонним – с 1,0 мкм, что охватывает почти всю область промышленных источников тепловых излучений.
Основные характеристики экранов из стекла и оргстекла и область их применения приведены в табл. П. 1.1 Коэффициенты отражения поверхностей и пленок (К1, К2) в табл. 1.1 представлены в удобном виде для расчета на ЭВМ (К1 = I + α1,К2 = I + α2 , где α1, α2 – фактические коэффициенты отражения соответственно поверхностями и пленками экранов).
К прозрачным теплоотводящим относятся и вододисперсные экраны. Они представляют собой плоскую воздушную струю со взвешенными в ней капельками воды радиусом 10 – 15 мкм. Вододисперсную смесь получают в форсунках при помощи сжатого воздуха. Одна форсунка создает факел размером в среднем 0,15Х0,15 м. Форсунки устанавливают через 0,10 – 0,15 м.
211
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Эффективность вододисперсных завес в диапазоне длин волн от 1 до 3 мкм практически постоянна. Коэффициент эффективности вододисперсных завес составляет около 0,75. Она эффективно работает при интенсивностях теплового излучения до 10 кВт/м2. Светопропускание через вододисперсную завесу толщиной 0,10 – 0,15 м составляет 50 – 60 %.
Снижение тепловой лучистой энергии прозрачным телом описывается законом Бугера
Ε = Ε 0 / (α + l μ ×D ) |
(1.13) |
где Е0 – интенсивность теплового излучения без экрана;
α– коэффициент отражения излучения поверхностью материала;
–толщина прозрачного тела;
μ– коэффициент, характеризующий поглотительную способность прозрачного тела.
Алгоритм расчета прозрачных экранов:
1.Выбирают материал для экрана по допустимой тепловой нагрузке;
2.Выбирают вид отражающих пленок;
3.Из формулы 1.13 вычисляют необходимую толщину материала экрана
( ).
В ПГТУ многовариантный расчет прозрачных экранов студенты делают на ПК по методическим указаниям, разработанным на кафедре ОТ и ОС.
Отражающие экраны и область их применения.
Теплоотражающие экраны изготовляют из материалов с высокой степенью отражения тепловых излучений. В качестве отражающих материалов применяют альфоль (алюминиевую фольгу), алюминий листовой полированный, белую жесть и алюминиевые краски. Отражающие материалы характеризуются коэффициентом отражения (αотр) и предельно допустимой температурой на поверхности материала (Тд.м). Для отражения инфракрасных лучей большое значение имеет состояние поверхности. Гладкие и полированные поверхности отражают инфракрасные лучи значительно лучше, чем шероховатые.
Основные теплоотражающие материалы имеют коэффициент отражения (αотр) в пределах от 0,75 до 0,95, длительно выдерживают нагрев поверхности до температуры 623 – 723 ºК.
Расчет отражающих экранов заключается в определении числа слоев экрана при выбранном материале, интенсивности излучения и допустимой ее величине.
Количество отражающих слоев экрана, снижающего интенсивность излучения в m раз, определяется по формуле
n = m |
ε1-э |
−1, |
(1.14) |
|
ε1-2 |
|
|
212
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
где |
m = |
ε |
- требуемый коэффициент снижения интенсивности |
|
|||
|
|
ε g |
|
излучения;
– приведенная степень черноты источника излучения и отражающей поверхности материала экрана;
– приведенная степень черноты противоположной стороны экрана от источника и поверхности кожного покрова человека или его одежды.
ВПГТУ многовариантный расчет отражающих экранов студенты делают на ПК по методическим указаниям, разработанным на кафедре ОТ и ОС.
Вкачестве теплоотводящих экранов используют металлические заслонки
ищиты, футерованные огнеупорным или теплоизоляционным кирпичом, асбестовые щиты на металлической раме, сетке или листе и другие теплоизоляционные конструкции.
Футерованные экраны применяют при интенсивности облучения до 10500 Вт/м2, асбестовые – 3500 Вт/м2. Коэффициент эффективности футерованных экранов равен 0,3, асбестовых – 0,6.
Теплоотводящие экраны представляют собой сварные или литые конструкции, охлаждаемые протекающие внутри водой. Их можно футеровать с одной стороны, и в этом случаев теплоотводящие экраны применяются при любых встречающих в практике интенсивностях облучения, нефутерованные – при интенсивности 5000 – 14000 Вт/м2, орошаемые щиты – 700 – 3500 Вт/м2.
Теплоотводящие экраны при достаточном охлаждении практически теплонепроницаемые. Расход воды на охлаждение определяется из теплового
баланса экрана, кг/с: |
|
|
|
|
σ = 0,93 |
Ф |
|
(1.15) |
|
С |
t |
|||
|
|
Коэффициент 0,93 учитывает неполноту поглощения падающего на экран излучения.
213
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Таблица П. 1.1.
214
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Кроме мер, направляемых на уменьшающие интенсивности теплового излучения на рабочих местах, предусматривают такие условия, при которых обеспечивается отдача тепла человека непосредственно на месте работы.
Это осуществляется созданием оазисов и душирования, с помощью которых непосредственно на рабочее место направляется воздушный поток определенной температуры и скорости в зависимости от категории работы, сезона года и интенсивности инфракрасной радиации.
При интенсивности инфракрасного облучения до 350 Вт/м2 скорость движения воздуха на рабочих местах должна быть увеличена на 0,2 м/с по сравнению с величинами, рекомендованными ГОСТ.
Если техническими средствами защиты невозможно обеспечить снижение интенсивности инфракрасного излучения на рабочих местах до 350 Вт/м2, то необходимо применять воздушное душирование.
В качестве индивидуальных защитных средств от тепловых излучений применяют теплозащитные костюмы, маски и очки. Теплозащитные костюмы изготавливают из полульняной алюминизированной ткани. Такая ткань сохраняет гибкость, мягкость и защитный слой при любых изгибах. Она выдерживает температуру до 573 К. Коэффициент отражения лучистого тепла алюминизированной тканью составляет 0,55 – 0,60, ее масса 0,4 кг/м2. Предел применения 10,5 кВт/м2 при кратковременной работе и 8,4 кВт/м2 при длительной.
Теплозащитные маски выпускают в виде щитков из оргстекла (плексигласа), мелкоячеистой металлической сетки или их комбинации.
Сетки из латунной проволоки задерживают до 30 %, а прозрачное оргстекло около 22 % теплового излучения.
Защитные очки от теплового излучения изготавливают из стекла, в состав которого введены красящие добавки (кобальт) для усиления поглощения лучистой энергии. Применяют светофильтры из стекол СС – 4 ( синее стекло) и СЭС – 22 (сине
– зеленое стекло). Стекло СЭС – 22 практически непроницаемое для излучения спектра от 0,63 до 1,5 мкм.
2.Лазерные излучения
2.1.Характеристика лазерных излучений
Лазерная техника за последние 10 – 15 лет сделал большой рывок как по частоте, так и по мощности излучений. В настоящее время выпускаются газовые лазеры частотой излучения 1020 Гц, рубиновые – 1018 Гц, химические лазеры мощностью до 100 кВт. При с фокусировании излучения в небольшое пятно плотность энергии в фокусе достигает до 1021 Вт/см2, а уже при плотности энергии излучение 109 – 1112 Вт/см2 все известные на земле вещества мгновенно испаряются.
В настоящее время лазерные установки нашли широкое применение в промышленности (больше чем в 200 отраслях) и науке. При проведении исследований в области субэлементарных частиц в физике измерение размеров величин и временных интервалов можно производить только с помощью излучения с частотой 1020 Гц и длиной волны излучения 10-15 м.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Лазерные установки по режиму работы подразделяются на прерывного (импульсные) и непрерывного действия.
Плотность потока мощности лазерного излучения на площади вычисляют по формуле
Ps = |
P × Д 2 |
, Вт/м |
2 |
(2.1) |
0 |
||||
λ2 × f 2 |
|
где Р0 – мощность источника излучения; Д – диаметр объекта оптической системы; λ – длина волн;
f – фокусное расстояние оптической системы.
Например: Р = 1 МВт, λ = 0,69 мкм, Д/ f = 1,2; тогда Рs = 31014 Вт/см2, для сравнения – излучение на поверхности Солнца составляет 108 Вт/см2.
Лазерное излучение высокой мощности сопровождается высокой напряженностью электрической составляющей поля.
Значение Е в воздухе при Р = 1 МВт составляет 2,74 · 106В/м или 2,74 · 103
кВ/м.
При прохождении лазерного излучения через воздух, газы , а также при соприкосновении с поверхностью материалов проходит рассеивание и отражение излучения, которое подразделяют на диффузное и зеркальное.
Плотность энергии прямого излучения вычисляют по формуле
|
4 × I0 |
-σ ×R |
(2.2) |
|
E и = |
|
× l |
|
|
π (R × μ ) |
|
|||
где I0 – энергия излучения лазера, Дж; μ – угол расширения излучения;
R – расстояние от излучения до расчетной точки; σ – коэффициент ослабления излучения средой.
Энергия лазерного излучения, отраженная от поверхности, определяется по формуле
Еот = |
In × K ×cos β |
(2.3) |
|
π × R2 × K1 |
|||
|
|
где In – энергия излучения на отражающей поверхности, Дж; К – коэффициент отражения поверхности;
β – угол между нормалью к поверхности и направлением наблюдения; К1 – коэффициент, учитывающей размеры отражающего пятна;
R – расстояние до отражающей поверхности.
2.2. Воздействие лазерного излучения (ЛИ) на организм человека
При воздействии ЛИ на организм в нем происходят структурные, функциональные и биохимические изменения. ЛИ воздействуют на весь организм: кожу, внутренние органы и особенно на глаза. Результат воздействия ЛИ зависит от физиологических особенностей тканей (отражающей и поглощающей способности,
216
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
теплоемкости, акустических и механических свойств), а также от характеристики ЛИ (энергии в импульсе, мощности, длины волны, длительности действия, площади облучения). ЛИ действует избирательно на разные ткани и органы.
При воздействии ЛИ на организм человека выделяют два эффекта: термический и ударный.
Термический эффект. Поражение при ЛИ подобно термическому ожогу от инфракрасного излучения. Но при ЛИ – возникают резкие границы пораженных участков и большая глубина пораженных тканей.
На характер поражения сильно влияет пигментация, микроструктура и плотность ткани. Сильно поражаются ткани, в которых имеется меланин (пигмент кожи), хорошо поглощающий волны длиной 0,5 – 0,55 мкм.
Зависимость поражения от мощности ЛИ практически линейная. Для ЛИ с длиной волны 0,48 – 10,6 мкм допустимая (граничная) плотность лазерной энергии для биологической ткани равна 50 ДЖ/см2.
Ударный эффект. Причиной многих видов поражения ЛИ являются ударные волны. Резкое повышение давления вначале распространяется со сверхзвуковой скоростью, а потом снижается. Ударная волна может возникнуть как на поверхности тела, так и во внутренних органах. Распространение ударной волны в организме приводит к разрушению внутренних органов без каких – либо внешних проявлений. При взаимодействии с биологической тканью ЛИ, кроме ударной волны, приводит к появлению волн частотой 2104 – 1013 Гц, что вызывает кавитационные процессы, разрушающие ткани. Ударный эффект возникает в основном в импульсном режиме лазерных установок.
Воздействие ЛИ небольшой интенсивности приводит к различным функциональным нарушениям в сердечно-сосудистой системе, эндокринных железах, центральной нервной системе. Возникает быстрая утомляемость, большие скачки артериального давления, головные боли и т.п.
Особенно опасны ЛИ для зрительного аппарата. ЛИ – с длинами волны λ < 0,4 мкм и λ > 1,4 мкм поражают роговицу глаза и кожный покров, а при λ = 0,4 –
1,4 мкм – сетчатку глаза. Хрусталик глаза, как дополнительная фокусная оптика, повышает концентрацию энергии на сетчатке, это значительно (в 5 – 10 раз) снижает максимально допустимый уровень облучения глаза.
2.3. Нормирование лазерного излучения (ЛИ)
Нормирование ЛИ производится в соответствии с санитарными нормами и правилами СНиП 5804-91. По требованию санитарных норм необходимо чтобы на людей при эксплуатации лазерных установок не попадали прямые, зеркальные и диффузные излучения.
По классу опасности ЛИ подразделяют на 3 класса по длинам волн (НМ): Iкл –
180 < λ ≤ 380, IIкл – 380 < λ ≤ 1400, IIIкл – 1400 < λ ≤ 105.
Нормирование параметров ЛИ с точки зрения опасности производится по энергии (W, Дж) и мощности (Р, Вт) излучения на апертуру da = 1,1 мм (для класса I и II) и da = 7 мм (для класса III); энергетической экспозиции (Н = W/Sa, Дж/м2) и энергетической облученности (Е = Р/ Sa, Вт/м2). Sa – площадь ограничивающей апертуры.
217
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Согласно СНиП 5804-91 регламентируются предельно допустимые уровни (ПДУ) для каждого режим работы лазера, его спектрального состава и устанавливаются для двух условий: однократного и систематического облучения
(табл.2.1, 2.2).
Предельные значения плотности потока нормируются на кожном покрове, сетчатке и роговице глаз. Например, согласно, санитарных норм предельно допустимый уровень излучения для глаз – есть энергия W (Дж), которая нормируется в зависимости от длины волны и продолжительности воздействия (табл. 2.1).
Таблица 2.1.
ПДУ при однократном воздействии на глаза прямого ЛИ
Длина волны λ, НМ |
|
Продолжительность |
WПДУ, Дж |
||||||||||
|
|
облучения t, с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t ≤ 2,3 · 10-11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
380 < λ ≤ 600 |
3 t5 |
|
|
|
|
||||||||
|
2,3 · 10-11 < t ≤ 5 · 10-5 |
8 · 10-8 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
5 · 10-5 < t ≤ 1 |
5,9 · 10-5 3 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
t2 |
||||||||||
|
|
t ≤ 6,5 · 10-11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
600 < λ ≤ 750 |
|
3 t2 |
|
|
|
|
|||||||
|
6,5 · 10-11 < t ≤ 5 · 10-5 |
1,6 · 10-7 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
5 · 10-5 < t ≤ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 · 10-4 3 t2 |
|||||||||||
|
|
t ≤ 2,5 · 10-10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
750 < λ ≤ 1000 |
|
3 t2 |
|
|
|
|
|||||||
|
2,5 · 10-11 < t ≤ 5 · 10-5 |
4 · 10-7 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
5 · 10-5 < t ≤ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 · 10-4 3 t2 |
|||||||||||
|
|
t ≤ 10-9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 < λ ≤ 1400 |
|
3 t2 |
|
|
|
|
|||||||
|
10-9 < t ≤ 5 · 10-5 |
10-6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
5 · 10-5 < t ≤ 1 |
7,4 · 10-4 3 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
t2 |
||||||||||
Примечание: |
1) продолжительность действия меньше 1 с; |
|
|
|
|
||||||||
|
2) диаметр ограничивающей апертуры 7 · 10-3 м. |
||||||||||||
Таблица 2.2.
ПДУ при однократном воздействии на глаза и кожный покров прямого или рассеянного ЛИ
|
|
|
|
|
Длина волны λ, НМ |
Продолжительность |
НПДУ, Дж/м2 |
||
|
облучения t, с |
ЕПДУ, Вт/м2 |
||
|
10-10 < t ≤ 1 |
|
|
|
|
Н = 2 · 104 · 5 t |
|||
|
218 |
|
|
|
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1400 < λ ≤ 1800 |
1 < t ≤ 102 |
Е = 2 · 104 · 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|||||||
|
|
t > 102 |
Е = 5 · 102 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-10 < t ≤ 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1800 < λ ≤ 2500 |
Н = 7 · 103 · 5 t |
|
|
|||||||
3 < t ≤ 102 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Е = 5 · 103 / |
t |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
t > 102 |
Е = 5 · 102 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-10 < t ≤ 10-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2500 < λ ≤ 10 |
5 |
Н = 2,5 · 103 · 5 t |
|
|
||||||
|
10-1 < t ≤ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н = 5 · 103 · |
|
|
t |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
1 < t ≤ 102 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е = 5 · 103 / |
t |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
t > 102 |
Е = 5 · 102 |
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: диаметр ограничивающей апертуры 1,1 · 10-3м.
НПДУ – предельно допустимый уровень энергетической экспозиции, Дж/м2; ЕПДУ – предельно допустимый уровень энергетической облученности
(освещенности) , Вт/м2 (Е = РS , Р – мощность излучения, Вт; S – площадь участка, на которую действует поток излучения, м2).
2.4. Меры безопасности при работе на лазерных установках
Кроме воздействия прямых, отраженных и диффузных лазерных излучений при работе лазерных установок могут создаваться следующие опасные и вредные факторы.
1.Высокое напряжение зарядных устройств, питающих батарею конденсаторов большой емкости. После разряда импульсных конденсаторов на лампы-вспышки они могут сохранять электрический заряд высокого потенциала.
2.Загрязнение воздушной среды химическими веществами, образующимися при разрядке импульсивных ламп накачки в результате радиолиза воздуха (озоном, оксидами азота); в результате испарения материала мишени при сварке, пайке, сверлении и т.п. (оксида углерода, свинца, ртути, продуктов термоокислительного разложения материала мишени и др.); побочными продуктами, образующимися в результате реакции в ОКГ (цианистым водородом и др.).
3.Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение импульсных ламп и газоразрядных трубок.
4.Световое излучение высокой интенсивности при работе импульсных ламп накачки.
5.Возможность генерации рентгеновского излучения.
6.Возникновение во время работы импульсных ОКГ звуковых, ультразвуковых и инфразвуковых колебаний высокой интенсивности.
219
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
7.Возможность возбуждения ядерных реакций при взаимодействии мощных импульсов излучения ОКГ с веществом и образование частиц высокой энергии, глубоко проникающих в организм.
8.Ионизирующее излучение, используемое для накачки.
9.Электромагнитное поле, возникающее при работе газовых ОКГ, питаемых
от генераторов ВЧ и УВЧ.
10.Шум, возникающий при работе механических затворов, управляющих длительностью импульсов излучения ОКГ с модулированной добротностью, а также создаваемой ротационными насосами, которые могут использоваться в некоторых ОКГ.
11.Наличие агрессивных и токсичных жидкостей (оксихлорида фосфата и др.)
в жидкостных ОКГ.
12.Пары токсичных жидкостей, применяемых при охлаждении ОКГ, которые могут выделяться из недостаточно плотных соединений в системе сосудов и трубопроводов.
13.Опасность взрыва в системах накачки лазеров.
Опасные и вредные производственные факторы, которые могут иметь место при эксплуатации лазеров I-IV классов опасности, приведены в таблице 2.3.
С позиции ТБ лазеры классифицируют по способности первичного или вторичного (отраженного) излучения вызывать биологически значимые повреждения глаз и кожи. С этих позиций лазеры по степени опасности генерируемого ими излучения подразделяются на четыре класса:
I – лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и
кожи.
II – лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым или зеркально отраженным излучением.
III – лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым, зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности и при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением.
IV – лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.
Таблица 2.3.
Опасные и вредные производственные факторы.
Опасные |
и |
вредные |
Класс опасности лазера |
|
|
||
производственные факторы |
I |
II |
|
III |
IV |
||
Лазерное излучение: |
|
|
|
|
|
|
|
прямое, зеркальное отражение |
– |
+ |
|
+ |
+ |
||
диффузно отраженное |
|
– |
– |
|
+ |
+ |
|
Повышенная |
напряженность |
– (+) |
+ |
|
+ |
+ |
|
220
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com