Л 16 Отопление и инфракрасное излучение 2013

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

T1 и T2 температура поверхностей, между которыми происходит теплообмен излучением, К.

При расчѐте теплоотдачи теплоизлучением учитывают температуру стен и других поглощающих тепловую радиацию поверхностей (средне радиационная температура).

Произведение абсолютной температуры излучающего тела на длину волны излучения ( маакс) с максимальной энергией – величина постоянная C (закон Вина – закон смещения):

λ макс T C,

где С = 2880 – длина волны, соответствующая максимальному излучению, мкм;

Т – абсолютная температура. К;– длина волны, мкм.

Таким образом, длина волны максимального излучения нагретого тела обратно пропорциональна его абсолютной температуре, т.е.:

λ макс CT .

При температуре твѐрдого тела от 400 до 500 °С излучение происходит главным образом в области длинных волн.

Интенсивность теплового излучения на рабочем месте может колебаться от 175 до 13956 Вт / м2.

К горячим цехам относят цехи, в которых тепловыделение превышает 23 Дж / м2.

В этом случае воздействие на организм человека определяется мощностью источника воздействия на производственную среду.

Под мощностью источника воздействия на производственную среду понимается соответствующее количество вещества или энергии, поступающей в производственную среду от определѐнного источника (или изымаемое из производственной среды) в единицу времени.

Общее количество теплоты, поглощѐнное телом, зависит от площади облучаемой поверхности, температуры источника излучения и расстояния до него.

Для характеристики теплового излучения принята величина, названная

интенсивностью теплового облучения Е. Эта веичина характеризует собой мощность лучистого потока, приходящегося на единицу облучаемой поверхности.

Интенсивность теплового облучения на рабочем месте можно

11

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение определить по уравнению:

где F' – площадь излучающей поверхности, м2;

Т– абсолютная температура излучающей поверхности, К;

Т= t + 273 К;

t – температура излучающей поверхности, С;

А – величина, которая учитывает качество спецодежды (для шерстяной ткани А = 110, для хлопчатобумажной ткани и открытых частей тела А = 85);

l – расстояние от рабочего места до излучающей поверхности, м; 1 кал / м2 мин = 698 Вт / м2.

Облучение организма малыми дозами лучистой теплоты полезно, но значительная интенсивность теплового излучения и высокая температура воздуха, могут оказать неблагоприятное воздействие на человека.

Так, тепловое облучение интенсивностью до 350 Вт / м2 не вызывает неприятного ощущения, при 1050 Вт / м2 уже через (три - пять) минут на поверхности кожи появляется неприятное жжение (температура кожи повышается на (8-10) С, а при 3500 Вт / м2 через несколько секунд возможны ожоги.

Время пребывания в зоне теплового облучения лимитируется в первую очередь температурой кожи, болевое ощущение появляется при температуре кожи (40-45) С (в зависимости от облучаемого участка) в основном тепловое действие.

Коротковолновое излучение (до 1,4 мкм) проникает в ткани на глубину нескольких сантиметров, нагревая их, и при длительном облучении наступает тепловой удар, более длинноволновое (более 1,5 мкм) поглощается верхними слоями кожи (эпидермис), вызывая ожоги кожи и глаз (катаракта).

Лучистое тепло имеет ряд особенностей. ИКИ помимо усиления теплового воздействия на организм работающего, обладает и специфическим воздействием, зависящим от интенсивности энергии излучения отдельных участков его спектра.

Существенное воздействие на теплообмен организма оказывают оптические свойства кожного покрова с его избирательной характеристикой коэффициентов отражения, поглощения и пропускания инфракрасной радиации.

Воздействие ИКИ на организм человека проявляется как общими, так и местными реакциями.

Местная реакция выражается сильнее при длинноволновом облучении,

12

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

поэтому при одной и той же интенсивности облучения время переносимости в этом случае меньше, чем при коротковолновой радиации.

За счѐт большой глубины проникновения в ткани тела коротковолновая область спектра ИКИ вызывает повышение температуры глубоколежащих тканей. Например, длительное облучение глаза может привести к помутнению хрусталика (профессиональная катаракта).

Под воздействием ИКИ в организме человека возникают биохимические сдвиги и изменения функционального состояния центральной нервной системы (ЦНС), которые вызывают общие реакции:

образуются специфические биологически активные вещества типа гистамина, холина;

повышается уровень фосфора и натрия в крови;

усиливается секреторная функция желудка, поджелудочной и слюнной желез;

в ЦНС развиваются тормозные процессы, способствующие нарушению свойств антиципации и развитию замешательства;

уменьшается нервно-мышечная возбудимость, изменяющая реакцию эмиторов;

понижается общий обмен веществ.

При инфракрасном облучении кожи повышается еѐ температура, изменяется тепловое ощущение. При интенсивном облучении возникают ощущения жжения, боль. Кроме непосредственного воздействия на человека, лучистой теплоты организм защищается от жары. Первым делом он отводит тепло от «ядра» к периферии. При этом кожный кровоток человека может возрастать в десять раз, в основном за счѐт деятельности почек и пищеварительной системы [4]. Одновременно резко возрастает нагрузка на сердце. Плата за теплоотвод высока, и сердце иной раз не выдерживает: резко падает артериальное давление, развивается коллапромышленная санитария. Это называется тепловым ударом.

3.1 Биологическое воздействие инфракрасного излучения

Чтобы защититься от теплового удара организм выделяет с поверхности с помощью инфракрасного излучения и в виде скрытой теплоты испарения воды. Вода выделяется и потовыми железами, и просто диффундирует сквозь кожу. В жаркий день человек теряет до полутора кг воды в час. Много тепла из самого нутра уносит вода при одышке, но немало его и образуется в дыхательных мышцах, а, кроме того, от недостатка CO2 защелачивается кровь. Так, что лучший способ теплоотвода – контактная теплопередача.

Таким образом, нагретые тела отдают своѐ тепло менее нагретым телам тремя способами: теплопередачей (теплопроводностью), теплоизлучением и конвекцией.

Конвекция определятся в основном подвижностью воздушной среды и

13

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

разностью температур поверхностей и охлаждающего их воздуха (около 30 % тепла). Около 60 % тепловой энергии распространяется в окружающую среду путѐм излучения, нагревая только те тела, на которые падает и поглощается ими, при прохождении ИКИ через воздух последний не нагревается. Между двумя телами, имеющими разную температуру, устанавливается радиационный теплообмен, с отдачей тепла от более нагретой поверхности к менее нагретой поверхности. Излучением отдают тепло все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля (минус 273

С).

Тепловое излучение (инфракрасное излучение) – электромагнитное излучение определѐнной длины волны. Длина волны определяет физические

ибиологические свойства излучения. ИКИ невидимо и занимает в общем электромагнитном спектре участок с длиной волны от 7,6 10-4 до 7,6 10-7 м.

Вгигиенической практике имеет значение более узкая область спектра

– до 60 мкм.

Инфракрасные лучи оказывают тепловое воздействие на организм человека, и нагревает окружающие конструкции. Эти вторичные источники отдают теплоту производственной среде излучением и конвекцией, в результате чего температура воздуха внутри помещения повышается.

При высоких температурах воздуха дыхание человека может учащаться

истановиться поверхностным, лѐгочная вентиляция при этом уменьшается, что способствует снижению потребления кислорода.

Выполнение работы средней тяжести и тяжѐлой работы

сопровождается повышением температуры тела на (0,3-0,5) С. Повышение температуры тела на 1 С приводит к ухудшению самочувствия (вялость, сонливость, раздражительность, учащение дыхания и пульса).

При работе в условиях высокой температуры воздуха водно-солевой и витаминный обмен значительно изменяется, так как усиленное потоотделение ведѐт к потере жидкости, солей и водо-растворимых витаминов, при этом масса тела рабочих к концу смены может уменьшаться на 3-4 кг и более. Считается допустимым для человека снижение его массы на 2-3 % путѐм испарения влаги (обезвоживание организма). Обезвоживание на 6 % влечѐт за собой нарушение умственной деятельности, снижение остроты зрения; испарение влаги на (15-20) % приводит к смертельному исходу [5].

В 1 литре пота содержится от 2,5 до 5,6 г хлорида натрия.

При неблагоприятных условиях потеря жидкости может достигать от 10 до 12 литров за смену, а с ней (жидкостью) до (30-40) г хлорида натрия, содержание которого в организме составляет всего около 140 г.

Потеря соли до 30 г ведѐт к прекращению желудочной секреции, лишает кровь способности удерживать воду, а большего количества – к мышечным спазмам и судорогам и приводит к нарушению деятельности сердечнососудистой системы. Это связано с нарушением водного обмена, сгущением и перераспределением крови (усиливается кровоснабжение кожи,

14

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

подкожной жировой клетчатки), влиянием повышенной температуры на сердечную мышцу и тонус сосудов. При высокой температуре воздуха в организме легко расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки, изменяется состав крови (повышается содержание гемоглобина и эритроцитов).

Артериальное давление при высоких температурах понижается, а при выполнении физической работы оно повышается и зависит от выраженности указанных двух факторов.

Отрицательное воздействие на ЦНС при работе в условиях высоких температур проявляется в ослаблении внимания, замедлении реакций, ухудшении координации движений, что может быть причиной снижения производительности туда, качества выполняемых работ и роста травматизма.

Длительное воздействие высокой температуры в сочетании с повышенной влажностью может привести к перегреву организма – гипертермии – состоянию, при котором температура тела поднимается до 3839 С. При такой температуре наблюдается головная боль, головокружение, общая слабость, искажение цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение. Пульс и дыхание учащены, в крови увеличивается содержание азота и молочной кислоты. При этом наблюдается бледность, синюшность, зрачки расширены, возникают судороги, потеря сознания.

3.2 Нормирование инфракрасных излучений и условия труда

Время переносимости тепловой радиации уменьшается с увеличением длины волны и еѐ интенсивности (табл. 3.2).

С увеличением периода облучения организм приспосабливается, т.е. происходит адаптация, сохраняющаяся довольно длительное время.

Таблица 3.2 – Время переносимости (с) инфракрасной радиации в зависимости от ее интенсивности и длины волны

Допустимые величины интенсивности теплового облучения работающих на рабочем месте от производственных источников, нагретых до тѐмного свечения (материалов, изделий и др.) должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 3.3.

15

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

Таблица 3.3 – Допустимые величины интенсивности теплового облучения поверхности тела работающих от производственных источников

Допустимые величины интенсивности теплового облучения работающих на рабочих местах от источников, нагретых до белого и красного свечения (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, в том числе средств защиты лица и глаз.

При наличии теплового облучения работающих температура воздуха на рабочем месте не должна превышать в зависимости от категории работ следующих величин ( С) при работах:

лѐгкой тяжести: Iа – 25,

Iб – 24;

средней тяжести: IIа – 22,

IIб – 21;

тяжѐлых – III – 20.

3.2.1 Время работы при температуре воздуха на рабочем месте выше допустимых величин

В целях защиты работающих от возможного перегревания, при температуре воздуха на рабочем месте выше допустимых величин, время пребывания на рабочем месте (непрерывно или суммарно за рабочую смену (8 ч)) должно быть ограничено величинами, приведенными в табл. 3.4.

16

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

Таблица 3.4 – Время пребывания на рабочих местах при температуре воздуха выше допустимых величин

Среднесменная температура воздуха tв рассчитывается:

рабочего места, C;

1, 2,…, n – время выполнения работы на соответствующих участках рабочего места, ч;

8 – продолжительность рабочей смены, ч.

Остальные показатели микроклимата (относительная влажность воздуха, скорость движения воздушных масс, температура поверхностей, интенсивность теплового облучения) на рабочем месте должны быть в пределах допустимых нормативных величин.

17

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

4 ЗАЩИТНЫЕ МЕРЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Основным путѐм обеспечения требуемых условий труда в горячих цехах, где ИКИ – основной компонент микроклимата, является изменение технологического процесса в направлении ограничения источников тепловыделений (активная защита) и уменьшении времени контакта работающих с ними (пасивная защита).

Дистанционное управление процессом, относящееся также к пасивному виду защиты, увеличивает расстояние между рабочим и источником тепла и излучения, что снижает интенсивность воздействующей на человека радиации. Большое значение имеют:

теплоизоляция поверхности оборудования;

устройство защитных экранов, покрытых теплоизоляционными материалами и ограждающих рабочих от лучистого и конвекционного тепла;

водяные и воздушные завесы;

укрытие поверхности нагревательных печей полыми экранами с циркулирующей в них проточной водой. Такое мероприятие способствует снижению температуры воздуха на рабочем месте и полностью устраняет воздействие ИКИ на человека.

По действующим нормам температура нагретых поверхностей оборудования и ограждений на рабочем месте не должна превышать 45 С.

Для снижения интенсивности излучений от наружных поверхностей применяется водное охлаждение. При этом температура наружной поверхности не превышает температуры отходящей воды (35-40) С.

Расход воды на охлаждение, кг / ч:

где Ф – тепловой поток, Дж / с; с – удельная теплоѐмкость воды, Дж / (кг С);

t – разность температур отводящей и поступающей воды, С.

Наиболее распространѐнный и эффективный способ защиты от излучения – экранирование источников излучений. Экраны применяют как для экранирования источников излучения, так и для защиты рабочего места от воздействия ИКИ.

Теплозащитные экраны обеспечивают локализацию источников лучистой энергии и предназначены для уменьшения облученности рабочего места и снижения температуры поверхностей, окружающиих его.

Ослабление теплового потока за экраном обусловлено поглотительной

18

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

иотражательной способностью материала, из которого он выполнен.

Вэтой связи по принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие, теплопроводящие.

Это деление условно, так как любой экран обладает способностью отражать, поглощать или отводить тепло.

Принадлежность экрана к той или иной группе зависит от того, какое свойство отражено в нѐм наиболее сильно.

Взависимости от возможности наблюдения за рабочим процессом экраны можно разделить на три типа: I – непрозрачные, II – полупрозрачные

иIII – прозрачные.

Кпервому классу относят металлические водоохлаждаемые и футерованные, асбестовые, альфолиевые и алюминиевые экраны.

Кклассу II принадлежат экраны из металллической сетки, цепные завесы, экраны из стекла, армированного металлической сеткой. Все перечисленные экраны могут дополнительно орошаться водяной плѐнкой.

Третий класс составляют экраны, выполненные из различного стекла: силикатного, кварцевого и органического. Стѐкла могут быть бесцветными, цветными, окрашенными, металлизированными. Эти экраны могут иметь плѐночные водяные завесы, свободные и стекающие по стеклу, вододисперсные завесы.

Кратность ослабления светового потока защитным экраном рассчитывается:

m q1,2 ε1,2 ε1,2 , qэ 2 εэ1 εэ 2

где q1,2 – плотность теплового потока между параллельными плоскостями 1 и 2,

– степень черноты материала (табл. 4.1)

Таблица 4.1 – Степень черноты полного излучения различных материалов

19

Г.Ф. Несоленов. Лекция 1. Отопление и инфракрасное излучение

При t1 > 400 С можно допустить, что:

μ 4m.

При равенстве степеней черноты всех участвующих в теплообмене поверхностей m = 2.

В случае установки и экранов и при разных степенях черноты источника излучения и экрана:

m ε1,2 n 1 .

εэ1

20