5.3 Нормирование тепловых воздействий

В существующей нормативно-технической документации нормируются величины:

• облученности работающего;

• температуры воздуха рабочей зоны;

• температуры нагретых поверхностей технологического оборудования.

Допустимая облученность(плотность потока падающего излучения)q^пад, Вт/м²зависит от доли открытой поверхности тела человекаSи согласно ГОСТ 12.1.005-88 [8] составляет (таблица 5.3):

Таблица 5.3 - Зависимость допустимой облученности от доли открытой поверхности тела человека

S	Менее 0,25	0,25 - 0,5	Более 0,25
qпад, Вт/м2	100	70	35

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

При наличии теплового облучения температура воздуха в соответствии с [8] не должна превышать значений, приведенных в таблице 5.4.

Таблица 5.4 - Допустимые значения температуры воздуха рабочей зоны при наличии теплового излучения

Рабочее место	Температура воздуха, °С, в рабочей зоне при категории работ
	легкой		средней		тяжелой
	Ia	Iб	IIa	IIб	III
Постоянное рабочее место	25	24	23	22	20
Временное рабочее место	28	28	27	27	26

В соответствии с [8] температура нагретых поверхностейи ограждения на рабочих местах не должна превышать 45^о°С, а в соответствии с СНиП 41-03-2003 [9] температура на поверхности оборудования, внутри которогоt100^оCне должна превышать 35^оС.

5.4 Защита от теплового излучения

Cогласно ГОСТ Р 12.4.011-89 [10] средства промышленной теплозащиты должны удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечивать оптимальный теплообмен организма работника со средой обитания;

• обеспечивать необходимую подвижность воздуха (повышение доли конвективной теплоотдачи) с целью достижения комфортных условий;

• иметь максимальную эффективность теплозащиты и обеспечивать удобство эксплуатации.

Все средства теплозащиты можно разделить на индивидуальные и коллективные.

К индивидуальным средствамотносятся специальная одежда, фартуки, обувь, рукавицы, защитные щитки со стеклом и (или) светофильтром.

Типы коллективных средствтеплозащиты и области их применения приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Области применения теплозащитных средств

Метод теплозащиты	Металлургический агрегат	Рабочее место
		открытое	в замкнутом пространстве
Теплоизоляция Экраны Естественная вентиляция (аэрация) Воздушное душирование Мелкодисперсное распыление воды Радиационное охлаждение	+ + - - - +	- + + + + +	+ + - + - +

Эффективность любого теплозащитного устройства оценивается как:

K = (q^пад – q^проп)/q^пад, (5.8)

где K- эффективность теплозащитного устройства;

q^проп - плотность теплового потока пропущенного излучения;

Из формулы (3.8), зная эффективность теплозащитного устройства, несложно найти плотность теплового потока пропущенного излучения:

q^проп =q^пад·(1 –K) (5.9)

Теплоизоляцияприменяется для уменьшения тепловых потерь в металлургических агрегатах и снижения температуры их кожуха; повышения эффективности теплопоглощающих экранов, а также снижения теплового потока, проходящего через стены ограждения кабин (пультов) управления.

Передачу теплоты через многослойную стенку можно описать формулой:

q^проп = (T₁–T₂)/R_суммар, (5.10)

где T₁,T₂ – температуры внешней и внутренней поверхности стенки, К;

R_суммар=_i /_i + 1/_конв – суммарное тепловое сопротивления ограждения, м^2.К/Вт;

_i – толщинаi –того слоя ограждения, м;

_i – коэффициент теплопроводностиi –того слоя ограждения, Вт/(м^.К);

_конв – коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности ограждения, Вт/(м^2.К).

Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов представлены в таблице 5.6.

Таблица 5.6 - Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов

Огнеупорные материала	i, Вт/(м.К)	Изоляционные материалы	i, Вт/(м.К)
Динас Шамот Коалин плотный Высокоглиноземистый Магнезит Огнеупорный бетон	0,85 0,75 1,77 0,85 6,25 0,45	Шамот – легковес Диатомовый кирпич Асбестовый картон Пеношамот Ультраленковес Пенобетон	0,12 0,12 0,16 0,29 0,19 0,11

Экраныподразделяются напрозрачные и непрозрачные. Последние, в свою очередь, подразделяются нтеплоотражающие итеплопоглощающие и, как правило, выполняются из металла соответственно без и с теплоизоляцией.

Металлические отражающие экраныустанавливаются перед излучающей поверхностью. При условии пренебрежения конвективных переносом теплоты (величина воздушного зазора между экраном и излучающей поверхностью 15°-°20°мм) и поглощения теплоты экраном температуру экрана можно найти по формуле:

Т_э = 100·{[_пр · (T_и.п /100)⁴+ _э· (T_о.с /100)⁴] / [_э + _пр]}^0,25(5.11)

где Т_э– температура экрана, К;

Т_и.п, Т_о.с – температуры излучающей поверхности и окружающей среды (воздух рабочей зоны), соответственно, К.

_пр – приведенная степень черноты системы «излучающая поверхность – экран», определяемая по формуле:

_пр = 1/(_и.п^-1+ _э^-1–1), (5.12)

_и.п , _э – степени черноты излучающей поверхности и экрана, соответственно;

В случае установки nэкранов:

_пр = 1/ [_и.п^-1+ 2_э,i^-1–(n -1)], (5.13)

Формулы (3.11) и (3.13) получены в предположении, что экраны являются теплотехнически тонкими телам, тепловое сопротивление которых R_э0. В действительности эффективность экранов сильно зависит от степени черноты, теплопроводности и толщины материала экрана (таблица 5.7).

Таблица 5.7 - Зависимость эффективности экранов К от их толщины

Материал и толщина экрана	К	Материал и толщина экрана	К
Асбестовая ткань толщиной 2 мм Асбестовый картон толщиной 7 мм Лист: стальной толщиной 2 мм то же, окрашенный белой масляной краской 2 мм	0,700 0,795 0,833 0,875	Лист: алюминиевый толщиной 1 мм дюралюминиевый толщиной 3 мм дюралюминиевый толщиной 2 мм	0,95 0,97 0,98

Прозрачные экраны применяются для смотровых проемов пультов и кабин управления, щитков и т.д. Как правило, прозрачные экраны изготавливают из закаленных и незакаленных силикатных стекол, с или без пленочных покрытий; силикатных стекол, армированных стальной сеткой; органических стекол и т.д. Границы применимости стеклянных экранов определяется величиной плотности падающего теплового потока (облученности), в свою очередь зависящего от температуры источника излучения (таблица 5.8).

Таблица 5.8 - Допустимые облученности стекол и их состояние в зависимости от температуры источника излучения

Стекло	Облученность qпад, кВт/м2 при температуре источника излучения, К				Состояние стекла
	2073	1273	623	623 - 2073
Обычное Закаленное Органическое белое Теплозащитное с пленочным покрытием и с 80 %-ным светопропусканием: закаленное незакаленное Теплозащитное, окрашенное по массе: закаленное с 40 %-ным светопропусканием незакаленное с 80 %-ным светопропусканием	7,00 14,00 5,25 14,00 3,50 14,00 7,00	5,25 14,00 5,25 14,00 5,25 14,00 3,50	3,50 14,00 5,25 14,00 5,25 14,00 3,50	7,00 14,00 7,00 14,00 7,00 14,00 7,00	Растрескивается Деформаций нет Размягчается при То.с. > 301 К Деформаций нет Растрескивается То же Деформаций нет

Эффективность теплозащиты прозрачных экранов существенно зависит от спектрального состава падающего излучения (облученности), определяемого температурой источника теплового излучения (рисунок 3.2).

Стальные сетки, представляющие собой достаточно эффективные по теплозащитным свойствам полупрозрачные экраны, просты в изготовлении и обеспечивают возможность наблюдения за технологическим процессом. Эффективность теплозащиты сетки зависит от размера ячейки, количество слоев и т.п. (рисунок 5.3).

Рисунок 5.2 - Зависимость эффективности теплозащиты стекол К от температуры источника излучениеТ_и.п.

1 – закаленное силикатное стекло; 2 – закаленное силикатное стекло

со стальной сеткой ячейкой 3х3 мм; 3 – органическое стекло;

4 – закаленное стекло с пленочным покрытием со светопропусканием 80 %;

5 – закаленное стекло, окрашенное по массе со светопропусканием 40 %.

Рисунок 5.3 - Зависимость эффективности теплозащиты стальной сетки К

от величины ячейки l, мм при толщине проволоки 1 мм.

1 – однослойный экран; 2 – двухслойный экран.

Эффективность теплозащиты экранов значительно возрастает, если по поверхности экрана стекает вода (рисунок 5.4). Как видно из рисунка, наименее эффективными являются экран из одинарной сетки и водяная завеса.

Рисунок 5.4 - Эффективность теплозащиты сетки со стекающей водой (1),

двойной сетки (2), непрозрачных экранов (3), одинарной сетки (4)

и водяной завесы (5) от температуры теплового источника

Приведем примеры расчета экранов разного типа для защиты персонала от тепловых излучений.

Пример 5.1

Максимальная температура наружной поверхности задней стенки мартеновской печи (у головки) в конце кампании достигает Т_и.п. = 650 К. Излучающая поверхность – шамотный кирпич со степенью черноты_и.п.= 0,6. Температура воздуха на задней площадке мартеновской печи в теплый период года достигаетТ_о.с.= 313 К.

Сколько надо установить стальных (_э= 0,75) и/или дюралюминиевых (_э= 0,2) листов, чтобы на поверхности экрана, обращенной в сторону рабочей площадки, температура не превышала требования санитарных норм (Т_с.н= 318 К).

Решение: Установка экранов проводится таким образом, чтобы они не выступали за слябы печи. Примем, в первом приближении, что на печи установлены два стальных экрана (n= 2).

По формуле (3.13) найдем приведенную степень черноты системы печь – два экрана:

_прⁿ⁼²= 1/[ 0,6^-1 + 2·(0,75^-1 + 0,75^-1) – (2 – 1)] = 0,16

По формуле (5.11) находим температуру экрана на поверхности, обращенной в сторону рабочей площадки:

Т_э ⁿ⁼² = 100·{[0,16· (650/100)⁴+ 0,75· (313/100)⁴] / [0,75 + 0,16] }^0,25= 452,5 К.

Поскольку полученное значение температуры поверхности экранов значительно превышает требование санитарных норм (Т_с.н.= 318 К), рассмотрим случай установки четырех стальных экранов (n=4).

_прⁿ⁼⁴ = 1/[0,6^-1 + 2·(4 ·0,75^-1) – (4 – 1)] = 0,107.

Т_э ⁿ⁼⁴ = 100·{ [0,107·(650/100)⁴+ 0,75·(313/100)⁴] / [0,75 + 0,107] }^0,25= 418 К.

Как следует из результатов проведенных расчетов, каждый дополнительный экран снижает температуру примерно на 20 К, так что для снижения температуры экрана до 318 К потребуется установка еще пяти экранов, т.е. всего их будет 9.

Рассмотрим, как изменится ситуация, если мы установим два экрана, но один будет стальным (= 0,75), а второй (наружный) – дюралюминиевым (= 0,2). Тогда по формуле (5.13) найдем:

^’_прⁿ⁼²= 1 / [0,6^-1 + 2·(0,75^-1 + 0,2^-1) – (2 – 1)] = 0,075.

По формуле (5.11) находим температуру экрана на поверхности, обращенной в сторону рабочей площадки:

Тэ^’n=2 = 100·{[0,075·(650/100)⁴+ 0,2·(313/100)⁴] / [0,075 + 0,2] }^0,25= 485,7 К,

т.е. температура наружного экрана даже повысилась по сравнению со случаем установки двух стальных экранов, что объясняется меньшей степенью черноты дюралюминиевого экрана.

Если наружным будет стальной экран, то его температура будет равна:

Тэ^{’’ n=2} = 100·{[0,075·(650/100)⁴+ 0,75·(313/100)⁴] / [0,075 + 0,75] }^0,25= 397,4 К.

При установке двух дополнительных внутренних дюралюминиевых экранов приведенная степень черноты будет:

^’_прⁿ⁼⁴ = 1 / [ 0,6^-1 + 2·(0,75^-1 + 3 · 0,2^-1 ) – (4 – 1)] = 0, 032.

Температура наружного стального экрана в рассматриваемом случае будет равна:

Т_Э^’n=4 = 100·{[0,032·(650/100)⁴+ 0,75·(313/100)⁴] / [0,75 + 0,032] }^0,25= 358 К.

Как следует из результатов расчетов, установка четырех экранов оказалась недостаточной и необходимо добавить еще несколько экранов. Продолжая расчет по вышеприведенным формулам несложно найти количество экранов, при котором температура наружного экрана будем меньше 318 К.