Лабораторная работа № 1 исследование эффективности теплопоглощающих защитных экранов

Цель работы: ознакомиться с воздействием тепловой энергии на организм человека; изучить нормативные материалы и приборы для определения фактических уровней теплового излучения; научиться определять уровни теплового излучения и проводить санитарно- гигиеническую оценку рабочего места, а также оценить эффектив- ность защиты от лучистого тепла с помощью цепной и водяной завес.

Приборы и оборудование: стенд ОТ-5.

1. Общие положения

Температурный режим производственных помещений опреде- ляется количеством тепловыделений в цехе или в изолированной его части от тепловыделяющего оборудования, нагретых и раска- ленных изделий, отопительных приборов, а также от солнечной радиации, проникающей в цех через открытые и остекленные про- емы. Часть поступающего в помещение тепла отдается наружу, а остальное, так называемое «явное» тепло, нагревает воздух рабо- чих помещений.

В производственных условиях выделение тепла в помещения возможно от стекловаренных, обжиговых и нагревательных печей, ва- гранок, сушильных установок и других тепловых агрегатов; остыва-

ния нагретых изделий и материалов или расплавленных масс; перехо-

да электрической энергии в тепловую; отопительных устройств и т. п.

Как  правило,  на  практике  тепловое  излучение  является  инте-

гральным, поскольку нагретые тела одновременно излучают волны различной длины. При температуре выше 500°С спектр излучения со-

держит как видимые (световые), так и невидимые (инфракрасные) лу-

чи. При более низких температурах этот спектр состоит только из ин-

фракрасных лучей. При температуре 2500–3000°С и выше тела начи-

нают излучать ультрафиолетовые лучи.

Санитарно-гигиеническое значение имеет, в основном, невидимая часть спектра, т. е. инфракрасное излучение.

Видимая         часть   спектра           охватывает     волны длиной           от        3          до

0,76 мкм, инфракрасная – от 0,77 до 420 мкм.

Инфракрасное излучение – это тепловое излучение, представ- ляющее собой электромагнитные колебания, обладающие как волно- выми, так и световыми свойствами. Инфракрасные лучи в зависимо- сти от длины волны делятся на следующие области – коротковолно- вую  ИКИ-А  (менее  1,4 мкм),  средневолновую  ИКИ-В  (1,4–3 мкм), длинноволновую ИКИ-С (более 3 мкм). В производственных условиях наибольшее гигиеническое значение имеет диапазон инфракрасного излучения с длинами волн от 0,77 до 70 мкм.

Характер воздействия излучения зависит от длины волны, интен-

сивности, длительности облучения, размеров излучающей поверхно-

сти и облучаемых участков тела человека и т. д. Воздействие инфра- красного излучения на организм человека может быть местным и об- щим. При местном воздействии инфракрасного излучения особенно в области длинных волн температура кожи человека повышается, ощу- щаются жжение и боль.

Максимальной проникающей способностью обладают красные лучи видимого спектра и короткие инфракрасные лучи (ИКИ-А) с

длиной волны до 1,5 мкм, глубоко проникающие в ткани и мало по-

глощаемые поверхностью кожи. За счет большой глубины проникно-

вения коротковолновая часть спектра вызывает повышение темпера- туры глубоколежащих тканей тела. Например, длительное облучение глаз человека может привести к помутнению хрусталика и развитию профессионального заболевания – производственной катаракты. Наибольший нагрев поверхности кожи вызывают лучи с длиной вол- ны около 3 мкм.

Средневолновая (ИКИ-В) и длинноволновая часть (ИКИ-С) спек-

тра излучения в основном поглощается поверхностным двухмилли- метровым слоем кожи (эпидермисом). Наиболее сильно поглощаются лучи с длиной волны 6–10 мкм, часто вызывая «калящий эффект», со- провождающийся сужением кровеносных сосудов.

Зная температуру источника излучения, можно оценить биологи-

ческие  особенности  влияния  длины  волны  на  организм  человека.

Длина волны рассчитывается по следующей формуле:

λmax

= 2880 ,           (1.1)

Т

где  λmах   –  длина  волны  максимального  излучения  источника,  мкм;

2880 – постоянная Вина, град ⋅ мкм; Т – абсолютная его температура, К.

Производственные  источники  лучистого  тепла  по  температуре

поверхности и по характеру излучения можно разделить на 4 группы:

– с температурой поверхности до 500°С (паропроводы, наружные

поверхности различных печей, остывающие стекломассы, изделия из

стекла, фарфора, керамики, металла и пр.). Их спектр содержит пре-

имущественно длинные инфракрасные лучи (λ = 3,7–9,3 мкм);

– с температурой поверхности от 500 до 1200°С (внутренние по-

верхности печей, сушилок, нагретых заготовок, изделия, пламя, рас-

плавленный металл или стекломасса и пр.). В их спектре содержатся преимущественно длинные инфракрасные лучи, но уже появляются и видимые лучи;

– с температурой 1200–1800°С  (расплавленный металл или стек-

ломасса, пламя, разогретые электроды и т. д.). В данном случае спектр

содержит как инфракрасные лучи вплоть до наиболее коротких, так и видимые, которые могут достигать высокой яркости;

– с температурой выше 1800°С (дуговые печи, дуги электросвар-

ки, факелы плазматронов и т. д.). Спектр излучения характеризуется

наличием инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых лучей.

Организм человека с увеличением времени облучения способен приспосабливаться, т. е. происходит адаптация, которая может сохра-

няться довольно длительное время.

Передача теплоты от более нагретых тел к менее нагретым осу-

ществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и теп-

ловым излучением (лучеиспусканием).

Теплопроводность – это перенос энергии (тепла) от одной частицы к другой вследствие их беспорядочного движения и непосредственного

соприкосновения друг с другом (колебание атомов в кристаллической решетке твердых тел, диффузия свободных электронов в металлах).

Конвекция – перенос энергии (тепла) микрочастицами вследст-

вие их движения в среде газа или жидкости. В результате смешивания веществ температура среды повышается.

Тепловое излучение (лучеиспускание) – процесс распростране-

ния электромагнитных колебаний, обусловленных тепловым движе- нием атомов или молекул излучающего тела. Иными словами, луче- испускание – это превращение тепла во время передачи в другую форму энергии (излучение). Все тела способны излучать энергию, ко- торая впоследствии поглощается другими телами и снова превращает- ся в тепло. В результате выделения тепловой энергии в производст- венном процессе температура воздуха в рабочей зоне может возрас- тать и зачастую превышать допустимые пределы.

Исследования показывают, что не менее 60\% всей теряемой теп-

лоты распространяется в окружающей среде путем излучения. Лучи-

стая же энергия, проходя почти без потерь пространство, отделяющее одно тело от другого, снова превращается в тепловую энергию по- верхностных слоев облучаемого тела. Следует отметить, что тепловое излучение не оказывает непосредственного воздействия на сухой ок- ружающий воздух, свободно пронизывая его. Оно нагревает только те тела, на которые падает, и поглощается ими.

Лучистая энергия, попадая на человека, воздействует прежде всего на незащищенные части тела (лицо, руки, шею, грудь). Причем если конвективная теплота влияет главным образом на внешние кожные по- кровы, то лучистая – может проникать на некоторую глубину в ткани.

При длительном пребывании человека в зоне теплового лучистого потока, как и при систематическом воздействии высокой температуры,

происходит резкое нарушение теплового баланса в организме. Изменяет- ся работа терморегулирующего аппарата, повышается деятельность сер- дечно-сосудистой и дыхательной систем, усиливается потоотделение, происходят потери нужных организму солей. Обезвоживание организма

вызывает сгущение крови, ухудшается питание тканей и органов. Потеря солей лишает кровь способности удерживать воду, что приводит к быст- рому выведению из организма вновь выпитой жидкости.

Терморегуляция – это совокупность физиологических и химиче-

ских процессов в организме человека, направленных на поддержание температуры тела в пределах 36–37°С. Различают химическую и фи-

зическую терморегуляцию. Химическая терморегуляция достигается

снижением уровня обмена веществ при угрозе перегревания организ-

ма или его усилением при охлаждении. Физическая терморегуляция

регулирует отдачу тепла в окружающую среду.

В нормальных условиях деятельности в зависимости от тяжести труда человек выделяет из организма определенное количество тепла –

до 6,28 ⋅ 105 Дж, в том числе тепловым излучением – 40–47\%, конвек-

цией – 28–35\%, с выделением влаги – 13–27\%. Около 5\% тепла расхо-

дуется на согревание принимаемой пищи, воды и вдыхаемого воздуха.

При внешней температуре, соответствующей физиологической норме, вышеприведенное процентное отношение выделения тепла организ- мом человека не меняется. Однако по мере роста температуры окру- жающей среды количество тепла, выделяемого тепловым излучением и конвекцией, уменьшается. При равенстве температур окружающей среды и тела человека отдача тепла организмом резко возрастает за счет потовыделения. Если же воздух будет иметь высокую влажность, то тепла из организма будет выделяться меньше физиологических по- требностей, что приводит к перегреву тела человека.

Небольшой перегрев характеризуется легким повышением темпе- ратуры тела, обильным потоотделением, жаждой, небольшим учаще- нием дыхания и пульса. Более значительные перегревы вызывают по- явление одышки, головной боли, головокружения, затруднения речи и т. д. Описанная форма нарушения терморегуляции организма с преоб- ладанием резкого повышения температуры тела называется тепловой гипертермией.

Обильное потоотделение приводит к потере организмом значи- тельного количества солей, нарушая водно-солевой баланс. Такая форма перегрева получила название судорожной болезни. Она харак-

теризуется большой потерей пота, сильным сгущением крови, повы- шением температуры, учащением пульса и т. д. Протекает в форме судорог в различных мышцах. В дальнейшем может наступить тепло-

вой удар, который вызывает потерю сознания, повышение температу-

ры тела до 40–41°С, слабый или учащенный пульс. Характерным при-

знаком теплового поражения является почти полное прекращение по-

тоотделения.  Тепловой  удар  и  судорожная  болезнь  могут  заканчи-

ваться смертельным исходом.

При длительном воздействии лучистой энергии на открытые уча- стки кожи человека возникают ожоги. По тяжести поражения ожоги условно делятся на 4 степени: первая степень – краснота, припухлость кожи, болезненность; вторая степень – появление пузырьков; третья степень – глубокое повреждение, вызывающее омертвление участков тканей; четвертая степень – поражение всей толщи кожи, а также глу- боколежащих тканей и органов.

При  систематических  перегревах  отмечается  повышенная  вос-

приимчивость к простудным заболеваниям. Таким образом, тепловое излучение воздействует на организм человека, нарушая его нормаль-

ную деятельность, вызывая серьезные осложнения. Поэтому меры борьбы с лучистым теплом имеют большое значение для улучшения

условий труда.

В соответствии с СанПиН № 9-80 РБ 98, допустимые величины интенсивности теплового облучения работающих от производствен- ных источников, нагретых до темного свечения (материалов, изделий

и др.), должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 1.1.

Допустимые величины интенсивности теплового облучения рабо-

тающих от источников излучения, нагретых до белого и красного све- чения (раскаленный или расплавленный металл, стекло, пламя и др.), не  должны  превышать  140 Вт/м2.  При  этом  облучению  не  должно подвергаться более 25\% поверхности тела и обязательным является

использование средств индивидуальной защиты, а том числе средств защиты лица и глаз.

При наличии теплового облучения работающих температура воз-

духа на рабочих местах не должна превышать вне зависимости от ка-

тегории работ следующих величин:

25°С – при категории работ Iа;

24°С – при категории работ IIб;

22°С – при категории работ IIа;

21°С – при категории работ IIб;

20°С – при категории работ III.

Таблица 1.1

Допустимые величины интенсивности теплового облучения поверхности тела работающих от производственных источников

Температура наружных поверхностей технологического оборудо- вания, ограждающих устройств, с которыми соприкасается в процессе работы исполнитель, не должна превышать 45°С.

При невозможности обеспечения допустимых нормативных пока-

зателей микроклимата по производственным причинам в помещениях должна быть предусмотрена защита работающих от перегрева.

Основными методами создания благоприятного микроклимата являются: рациональное размещение и теплоизоляция оборудования и коммуникаций, выделяющих тепло; дистанционное управление про-

цессами и аппаратами, выделяющими большое количество конвек- тивного и лучистого тепла; устройство защитных экранов, воздушно- го или водно-воздушного экранов; вентиляция; использование спец-

одежды, спецобуви и индивидуальных средств защиты; снабжение ис- точников интенсивного влаговыделения крышками, местными отсо- сами;  устройство  комнат  кратковременного  отдыха;  механизация  и

автоматизация трудоемких процессов; организация рационального водно-солевого режима; оборудование входов в цех тамбурами, теп- ловыми и воздушными завесами.

Основной способ борьбы с лучистым теплом на рабочих местах

заключается в изоляции излучающих поверхностей, т. е. создании оп-

ределенного термического сопротивления на пути теплового потока в

виде экранов различных конструкций (жестких глухих, сетчатых по- лупрозрачных, водяных, водно-воздушных и др.). Действие защитных экранов заключается либо в отражении лучистой энергии обратно к источнику излучения, либо в ее поглощении.

Различают отражающие и поглощающие экраны.

К  отражающим  экранам  относятся  жесткие  глухие  преграды (они отражают до 95\% длинноволнового излучения). При непрерыв- ном смачивании экранов водой можно достичь практически полной задержки лучистого тепла.

К поглощающим экранам относятся различные завесы (цепные, водяные), щиты и экраны из материалов, имеющих низкий коэффици- ент теплопроводности (шлаковая вата, асбест и др.).

Цепные экраны (изготавливаются в виде плотной сетки с подвиж- ными петлями или из обыкновенных мелких цепей) снижают лучи- стый поток на 60–70\%, при этом сохраняется возможность наблюде- ния за ходом технологического процесса.

Хорошо зарекомендовали себя прозрачные водяные завесы в виде сплошной тонкой пленки, образующейся при равномерном стекании воды с гладкой поверхности. Наиболее сильное поглощение тепловых

лучей наблюдается в зоне длинных волн (1,5 ± 6,0) мкм. Слой воды

толщиной 0,001 м полностью поглощает часть спектра с длиной вол-

ны 3 мкм, а слой воды 0,01 м поглощает поток радиации с длиной волны 1,5 мкм. При этом коротковолновое излучение источника теп- лового излучения практически не поглощается. Поэтому пленочные завесы эффективны в основном для экранирования излучения низко- температурных источников.

Водяные завесы поглощают до 80\% потока тепла без существен- ного ухудшения видимости, т. е. являются прозрачными для световых лучей. Оценка эффективности поглощающего экрана может быть оха- рактеризована отношением

Е  − Е

γ =     0          ,           (1.2)

Е0

где Е, Е0  – соответственно энергия лучистого потока в данной точке при наличии и отсутствии экрана, Вт/м2.

Уравнение поглощения лучистой энергии водяной завесой имеет вид

E = E0

⋅ e−δR ,     (1.3)

где е – основание натурального логарифма; δ – опытный коэффициент ослабления потока мутной средой; R – толщина завесы, мм.

В работе принять: δ = 1,3  1/мм; R = 1,1 мм;

e−δR  = 0,293.

Потери тепла лучеиспусканием с 1 см2  раскаленной поверхности можно рассчитать по формулам

            4

2,3 ⋅10−3  ⋅ F  T1   

−  T2     

Е0  =

 100 

L2

 100 

 , при L ≥

F ,        (1.4)

            4

2,3 ⋅10−3  ⋅

F  T1   

−  T2     

Е0  =

 100 

L

 100 

 , при L <

F ,        (1.5)

где F – площадь излучающей поверхности, м2; Т1, Т2 – соответственно температуры излучающей поверхности и поверхности, восприни- мающей тепло, К; L – расстояние от источника излучения, м.

100

4

−        2

100

в услови-

ях эксперимента можно принять равной 9900.

2. Экспериментальная часть

2.1. Оборудование и приборы

Работа выполняется на установке для определения поглощения лучистой энергии цепной и водяной завесами типа ОТ-5 (см. рису- нок). Установка состоит из следующих основных узлов: секции лучи- стой энергии 9, блока водяной завесы 7, секции цепной завесы 10, центробежного насоса 16, корпуса 18, панели управления 11.

Источником  лучистой  энергии  служит  нагревательный  прибор,

выполненный в виде спирали накаливания 12.

Устройство водяной завесы состоит из ванночки 8, в которую из бака 17 нагнетается вода. Слив воды из ванночки (для образо- вания завесы) 14 происходит по направляющим 13 в сливной ко- роб 15, по которому она снова попадает в бак 17. Конструкция обеспечивает регулирование положения ванночки в горизонталь- ной плоскости, что позволяет получить водяную завесу равномер- ной толщины по всей ширине. Толщина поглощающей поверхно- сти водяной завесы регулируется двумя кранами, установленными на нагревательной и сливной магистралях.

Внешний вид установки для определения поглощения лучистой энергии цепной и водяной завесами типа ОТ-5:

1 – автоматический выключатель общего питания установки;

2, 4 – выключатели нагревательного устройства и гидроагрегата;

3 – сигнальная лампочка; 5 – штанга; 6 – штатив актинометра;

7 – блок водяной завесы; 8 – ванночка водослива;

9 – секция лучистой энергии; 10 – секция цепной завесы;

11 – панель управления; 12 – спираль накаливания;

13 – направляющие стержни водяной завесы; 14 – водяная завеса;

15 – сливной короб; 16 – центробежный насос; 17 – бак;

18 – корпус установки; 19 – стрелочный гальванометр

Конструкция цепной завесы состоит из двух или трех рядов ви- сящих металлических цепей: в каждом ряду по 10 цепей, находящихся на поворотных кронштейнах, которые дают возможность устанавли- вать на пути излучения один, два или три ряда цепей.

Гидроагрегат – узел, состоящий из бака 17 и центробежного насо-

са 16 с приводом. На нагревательной магистрали установлен кран, ко- торым можно регулировать производительность насоса. Управление насосом осуществляется с помощью пульта управления.

Корпус установки 18 состоит из каркаса сварной конструкции и

штанг 5 для штативов актинометров 6. В зависимости от необходимо- сти вылет штанг для штатива может меняться. Для удобства опреде- ления расстояния между источником лучистой энергии и актиномет- ром штанги обеспечены градуированными линейками.

Включение насоса производится при помощи кнопки 4 «Пуск», а отключение – кнопкой 4 «Стоп». С правой стороны на панели уста-

новлена сигнальная лампочка 3. Включение и отключение спирали накаливания производится кнопками 2.

Измерение теплового излучения производится актинометром М-3 (АТ-50). Температура раскаленной спирали определяется оптиче- ским пирометром.

Принцип его действия основан на поглощении теплового излуче- ния термобатареей и превращении тепловой энергии в термоток, сила которого пропорциональна интенсивности радиации.

Приемником радиации служит диск из серебряной фольги, зачер- ненной со стороны источника излучения. К другой стороне диска приклеены внутренние («горячие») спаи термобатареи, включающие

36 термоэлементов, соединенных последовательно в виде звездочки,

состоящей из магнита и константана.

Внешние («холодные») спаи термобатареи подклеены к кольцу,

зажатому между корпусом актинометра.

Измерение термотока осуществляется соединенным с актиномет-

ром стрелочным гальванометром (19) типа ГСА-1М.

Для проведения работы необходимо снять крышки актинометра и гальванометра. Актинометр направить на источник теплового излуче-

ния, для чего ослабить винт, фиксирующий положение трубки акти-

нометра, и установить ее в горизонтальное положение, закрепив винт.

Через 25 с зафиксировать показание с точностью до 0,1 деления.

После окончания серии отсчетов актинометр закрывают крышкой. Полученные результаты переводят в абсолютное значение интенсивно- сти радиации (Вт/м2) умножением на переводной множитель пары ак-

тинометр – гальванометр, равный 8,870 (1 кал/см2 ⋅ мин = 698 Вт/м2).

2.2. Порядок выполнения работы

1. Включить питание установки. Для этого поставить автоматиче- ский выключатель 1 в положение «Пуск». Включение питания сигна- лизируется лампочкой 3, расположенной на панели управления.

2. Включить питание насоса водяной завесы. Включение насоса производится  кнопкой  4  «Пуск»,  а  его  отключение  –  кнопкой  4

«Стоп».

3. Включить питание спирали накаливания. Включение спирали накаливания производится кнопкой 2 «Пуск», а ее отключение – кнопкой 2 «Стоп». Нагревательный элемент включать только при ра- ботающем насосе. Замер интенсивности излучения проводить через

5 мин после включения нагревателя.

4. Определить температуру раскаленной спирали оптическим пи-

рометром.

5. Измерить актинометром интенсивность излучения без защиты на разных расстояниях от источника. Установка актинометра на раз- ных расстояниях от источника производится выдвижением штанг 5.

6. Установить один ряд цепей цепной завесы и измерить интен- сивность теплового излучения. Проделать аналогичные измерения с двумя и тремя рядами цепей.

7. Замерить интенсивность излучения на разных расстояниях от источника излучения при наличии водяной завесы.

8. Отключить питание нагревательного элемента кнопкой 2 «Стоп».

9. Отключить питание насоса водяной завесы кнопкой 4 «Стоп» че-

рез 3–5 мин после отключения питания нагревательного элемента.

10. Отключить питание установки. Для этого поставить выключа-

тель 1 в положение «Стоп».

11. Результаты  измерений  интенсивности  теплового  излучения записать в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Зависимость интенсивности теплового излучения от расстояния до нагревателя

12. Используя формулы (1.2)–(1.5), рассчитать интенсивность те- плового излучения при расстояниях от источника, соответствующих опытным. Результаты расчетов записать в табл. 1.3.

13. Построить графическую зависимость интенсивности теплово-

го излучения от расстояния до источника излучения.

14. Сделать вывод об эффективности защитных экранов: а) срав-

нить  эффективность  различных  экранов,  используя  формулу  (1.2);

б) сравнить результаты измерений интенсивности теплового излуче- ния при наличии и отсутствии защитных экранов в соответствии с са- нитарными нормами; в) определить длину волны с максимальной энергией по формуле (1.1).

Таблица 1.3

Зависимость расчетной интенсивности теплового излучения от расстояния до нагревателя

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Охарактеризуйте  спектр  излучения  нагретых  поверхностей  в зависимости от их температуры.

2. Каким образом происходит передача тепла нагретыми поверх-

ностями?

3. Что такое тепловое излучение и как оно воздействует на орга-

низм человека?

4. Что такое терморегуляция организма человека? Ее виды.

5. Расскажите о характере действия температуры на организм человека.

6. Что такое гипертермия и судорожная болезнь? Их симптомы.

7. Как подразделяются ожоги по степени тяжести? Их характеристика.

8. Каким документом нормируется интенсивность теплового из-

лучения и в зависимости от каких факторов?

9. Какие требования к интенсивности теплового излучения на ра-

бочих местах предъявляются нормативным документом?

10. Охарактеризуйте методы обеспечения благоприятного микро-

климата в производственных помещениях.

11. Дайте характеристику отражающих и поглощающих экранов.

12. Как производится оценка эффективности поглощающих экранов?

13. Как можно определить отдачу тепла лучеиспускателем?

ЛИТЕРАТУРА

1. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений: СанПиН № 9-80 РБ 98. – Введ. 01.07.98. – Минск: М-во здравоохранения Респ. Беларусь, 1998. – 12 с.

2. Челноков, А. А.     Охрана           труда:  учебник          /           А. А. Челноков,

И. Н. Жмыхов,  В. Н. Цап;  под  общ.  ред.  А. А. Челнокова.  – Минск:

Выш. шк., 2011. – 671 с.