Лабораторная работа 2

ЗАЩИТА ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы – ознакомление с основами теории теплового излучения, нормативными требованиями к тепловому излучению и промышленными методами защиты от него; приобретение навыков пользования приборами для измерения плотности тепловых потоков и температуры поверхностей. Оценка эффективности защитных экранов.

2.1. Общие сведения

2.1.1. Источники, характеристики и воздействие теплового излучения на организм человека

Любое тело, имеющее отличную от абсолютного нуля температуру, излучает энергию в виде электромагнитных волн с длиной волны от нуля до бесконечности. В зависимости от агрегатного состояния вещества его излучение может быть сплошным (твердые вещества, жидкости) и дискретным (пары и газы). Тепловым излучением называют излучение в видимом (длина волны  = 0,4…0,75 мкм) и ближнем инфракрасном ( = 0,75…2,5 мкм) спектральном диапазоне.

Инфракрасные лучи оказывают на организм человека в основном тепловое действие. Под влиянием теплового облучения в организме происходят биохимические сдвиги, уменьшается кислородная насыщенность крови, понижается венозное давление, замедляется кровоток и, как следствие, наступает нарушение деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем.

Инфракрасное (ИК) излучение способно проникать в живую ткань организма на разную глубину в зависимости от длины волны излучения. Лучи длинноволнового диапазона (с длиной волны >1,5 мкм) поглощаются поверхностными слоями кожи на глубине 0,1…0,2 мм и их физиологическое воздействие на организм проявляется, главным образом, в повышении температуры кожи и перегреве организма. Они могут вызвать ожог кожи и глаз. Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие воздействия инфракрасных лучей является катаракта. Лучи коротковолнового диапазона (0,76…1,5 мкм) обладают способностью проникать в человеческий организм на несколько сантиметров. Такое ИК излучение легко проникает через кожу и черепную коробку в ткань мозга, вызывая быструю утомляемость, снижение внимания, усиленное потоотделение, а при длительном облучении – тепловой удар. При облучении коротковолновыми ИК лучами наблюдается повышение температуры легких, почек, мышц и других органов. В крови, лимфе, спинномозговой жидкости появляются специфические биологически активные вещества, наблюдаются нарушения обменных процессов, изменяется состояние центральной нервной системы.

Кроме непосредственного воздействия на человека лучистая теплота нагревает окружающие конструкции. Эти вторичные источники отдают теплоту окружающей среде излучением и конвекцией, в результате чего температура воздуха внутри помещения повышается.

Облучение организма малыми дозами лучистой теплоты полезно, но значительная интенсивность теплового излучения и высокая температура воздуха могут оказать неблагоприятное действие на человека. Тепловое облучение интенсивностью до 350 Вт/м² при кратковременном воздействии не вызывает неприятного ощущения, при 1050 Вт/м² уже через 3…5 мин на поверхности кожи появляется неприятное жжение (температура кожи повышается на 8…10 °С), а при 4000 Вт/м² через несколько секунд возможны ожоги [1].

Интенсивность теплового облучения на отдельных рабочих местах может быть значительной. Например, в момент заливки стали в форму она составляет 12 000 Вт/м²; при выбивке отливок из опок 350…2000 Вт/м², а при выпуске стали из печи в ковш достигает 7000 Вт/м² [1].

Общее количество теплоты, падающее на тело человека, зависит от размера облучаемой поверхности, температуры источника излучения и расстояния до него. Для характеристики теплового излучения принята величина, названная интенсивностью теплового облучения.

Интенсивность теплового облучения (плотность потока падающего излучения) q_пад, Вт/м² – это мощность лучистого потока, приходящаяся на единицу облучаемой поверхности.

Основные законы теплового излучения были открыты в следующей хронологической последовательности:

1. закон Кирхгофа – отношение плотности потока излучения к поглощательной способности всех тел одинаково, равно плотности потока излучения абсолютно черного тела (АЧТ) при той же температуре и зависит от температуры:

где q – плотность потока излучения тела, Вт/м²;

A – поглощательная способность тела;

q₀ – плотность потока излучения АЧТ, Вт/м²;

T – температура, К.

2. закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость полной (по всем длинам волн излучения) плотности потока АЧТ от температуры:

где  – постоянная Стефана-Больцмана,  = 5,67 · 10^-8 Вт/(К⁴·м²);

3. закон Вина устанавливает распределение энергии в спектре АЧТ в зависимости от температуры: произведение температуры на длину волны с максимальной энергией – величина постоянная:

где _max – длина волны, соответствующая max излучению, м;

b – постоянная, b=2,9·10^-3, (м·К).

1. закон Планка дает выражение для спектральной плотности потока АЧТ (нагретого до температуры Т) от длины волны излучения :

где q⁰_ – спектральная плотность потока, Вт/м³;

с₁, с₂ – константы;

 – длина волны, м.

2.1.2. Нормирование теплового излучения

В существующей нормативно-технической документации нормируются следующие величины:

• интенсивность теплового облучения, Вт/м²;

• температура воздуха рабочей зоны, °С;

• температура нагретых поверхностей технологического оборудования, °С;

• интегральный показатель тепловой нагрузки среды – ТНС-индекс, °С.

1. Интенсивность теплового облучения q_пад, Вт/м² зависит от доли открытой поверхности тела человека S.

Согласно ГОСТ 12.1.005–88 ССБТ «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» [2] интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать значений, приведенных в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Зависимость интенсивности теплового облучения от доли открытой поверхности тела человека s

S	≥0,5	0,25…0,5	≤0,25
qпад, Вт/м2	35	70	100

В любом случае облученность работающих открытыми источниками теплового излучения (нагретый металл, стекло, «открытое пламя» и т.п.) не должна превышать 140 Вт/м², облучению не должно подвергаться более 0,25 поверхности тела при обязательном использовании средств индивидуальной защиты.

2. При наличии теплового облучения температура воздуха в соответствии с ГОСТ 12.1.005–88 [2] не должна превышать на постоянных рабочих местах верхние границы оптимальных значений для теплого периода года, на непостоянных рабочих местах – верхние границы допустимых значений для постоянных рабочих мест (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Допустимые значения температуры воздуха рабочей зоны, °с при наличии теплового излучения [2]

Рабочее место	Температура, °С
	Категория работы
	легкая		средняя		тяжелая
	Ia	Iб	IIa	IIб	III
Постоянное	25	24	23	22	20
Временное	28	28	27	27	26

3. В целях профилактики тепловых травм температура наружных поверхностей технологического оборудования или ограждающих его устройств не должна превышать 45 °С (ГОСТ 12.1.005–88 [2]).

В соответствии с ГОСТ 12.4.123–83 ССБТ «Средства коллективной защиты от инфракрасных излучений. Общие технические требования» [3] средства защиты должны обеспечивать температуру поверхностей оборудования не выше 35 °С при температуре внутри теплоисточника до 100 °С и не выше 45 °С при температуре внутри теплоисточника выше 100 °С.

4. ТНС-индекс рекомендуется использовать для оценки сочетанного воздействия параметров микроклимата, в целях осуществления мероприятий по защите работающих от возможного перегревания на рабочих местах, на которых скорость движения воздуха не превышает 0,6 м/с, а интенсивность теплового облучения – 1200 Вт/м² (см. лабораторную работу 1).