Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
15
Лабораторная работа № 1
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 эффективность защиты от лучистого тепла с помощью цепной и водяной завес.
Приборы и оборудование: стенд ОТ-5.
1. Общие положения
Температурный режим производственных помещений определяется количеством тепловыделений в цехе или в изолированной его части от тепловыделяющего оборудования, нагретых и раскаленных изделий, отопительных приборов, а также от солнечной радиации, проникающей в цех через открытые и остекленные проемы. Часть поступающего в помещение тепла отдается наружу, а остальное, так называемое "явное" тепло, нагревает воздух рабочих помещений.
В производственных условиях выделение тепла в помещения возможно от стекловаренных, обжиговых и нагревательных печей, вагранок, сушильных установок и других тепловых агрегатов; остывания нагретых изделий и материалов или расплавленных масс; перехода электрической энергии в тепловую; отопительных устройств и т.п.
Все нагретые тела излучают поток лучистой энергии. Характер этого излучения зависит от степени нагрева излучающего тела. При температуре выше 500С спектр излучения содержит как видимые (световые), так и невидимые (инфракрасные) лучи. При более низких температурах этот спектр состоит только из инфракрасных лучей. При температуре 2500-3000С и выше тела начинают 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.
Максимальной проникающей способностью обладают красные лучи видимого спектра и короткие инфракрасные лучи с длиной волны до 1,5 мкм, глубоко проникающие в ткани и малопоглощаемые поверхностью кожи. Наибольший нагрев поверхности кожи вызывают лучи с длиной волны около 3 мкм.
Как правило, на практике излучение является интегральным, поскольку нагретые тела одновременно излучают волны с различной длиной. Длину волны mах , соответствующую максимальной энергии, можно определить из закона смещения Вина:
, (1.1)
где mах – длина волны, мкм; Т – температура излучающей поверхности, К.
Производственные источники лучистого тепла по температуре поверхности и по характеру излучения можно разделить на 4 группы:
– с температурой поверхности до 500С (паропроводы, наружные поверхности различных печей, остывающие стекломассы, изделия из стекла, фарфора, керамики, металла и пр.). Их спектр содержит преимущественно длинные инфракрасные лучи ( = 3,7-9,3 мкм);
– с температурой поверхности от 500 до 1200С (внутренние поверхности печей, сушилок, нагретых заготовок, изделия, пламя, расплавленный металл или стекломасса и пр.). В их спектре содержатся преимущественно длинные инфракрасные лучи, но уже появляются и видимые лучи;
– с температурой 1200-1800С (расплавленный металл или стекломасса, 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 1800С (дуговые печи, дуги электросварки, факелы плазматронов и т.д.). Спектр излучения характеризуется наличием инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых лучей.
Передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым 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 вследствие их движения в среде газа или жидкости. В результате смешивания веществ температура среды повышается.
Тепловое излучение (лучеиспускание) – процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленных тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Иными словами, лучеиспускание – это превращение тепла во время передачи в другую форму энергии (излучение). Все тела способны излучать энергию, которая впоследствии поглощается другими телами и снова превращается в тепло. В результате выделения тепловой энергии в производственном процессе температура воздуха в рабочей зоне может возрастать и зачастую превышать допустимые пределы.
Исследования показывают, что не менее 60 % всего теряемого тепла распространяется в окружающей среде путем излучения. Лучистая же энергия, проходя почти без потерь пространство, отделяющее одно тело от другого, снова превращается в тепловую энергию поверхностных слоев облучаемого тела. Следует отметить, что тепловое излучение не оказывает непосредственного воздействия на сухой окружающий 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 конвективное тепло влияет главным образом на внешние кожные покровы, то лучистое тепло 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. Изменяется работа терморегулирующего аппарата, повышается деятельность сердечно-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 быстрому выведению из организма вновь выпитой жидкости.
Терморегуляция – это совокупность физиологических и химических процессов в организме человека, направленных на поддержание температуры тела в пределах 36-37С. Различают химическую и физическую терморегуляцию. Химическая терморегуляция достигается снижением уровня обмена веществ при угрозе перегревания организма 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 6,28105 Дж, в том числе тепловым излучением – 40-47 %, конвекцией – 28-35 %, с выделением влаги – 13-27 %. Около 5 % тепла расходуется на согревание принимаемой пищи, воды и вдыхаемого воздуха. При внешней температуре, соответствующей физиологической норме, вышеприведенное процентное отношение выделения тепла организмом человека не меняется. Однако по мере роста температуры окружающей 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 потребностей, что приводит к перегреву тела человека.
Небольшой перегрев характеризуется легким повышением температуры тела, обильным потоотделением, жаждой, небольшим учащением дыхания и пульса. Более значительные перегревы вызывают появление одышки, головной боли, головокружения, затруднения речи и т.д. Описанная форма нарушения терморегуляции организма с преобладанием резкого повышения температуры тела называется тепловой гипертермией.
Обильное потоотделение приводит к потере организмом значительного количества солей, нарушая водно-солевой баланс. Такая форма перегрева получила название "судорожной болезни". Она характеризуется большой потерей пота, сильным сгущением крови, повышением температуры, учащением пульса и т.д. Протекает в форме судорог в различных мышцах. В дальнейшем может наступить тепловой удар, который вызывает потерю сознания, повышение температуры тела до 40-41С, слабый или учащенный пульс. Характерным признаком теплового поражения является почти полное прекращение потоотделения. Тепловой удар и судорожная болезнь могут заканчиваться смертельным исходом.
При длительном воздействии лучистой энергии на открытые участки 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 глубоколежащих тканей и органов.
При систематических перегревах отмечается повышенная восприимчивость к простудным заболеваниям. Таким образом, тепловое излучение воздействует на организм человека, нарушая его нормальную деятельность, вызывая серьезные осложнения. Поэтому меры борьбы с лучистым теплом имеют большое значение для улучшения условий труда.
Характер воздействия излучения зависит от многих факторов: интенсивности облучения, длительности облучения, размеров излучающей поверхности и облучаемых участков тела человека и т.д.
В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН II-13-94, интенсивность теплового облучения от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать 35 Вт/м2 при облучении 50 % поверхности тела и более; 70 Вт/м2 – при величине облучаемой поверхности от 25 до 50 % и 100 Вт/м2 – при облучении не более 25 % поверхности тела.
Интенсивность теплового облучения работающих от открытых источников (нагретый металл, стекло, пламя и др.) не должна превышать 140 Вт/м2, при этом облучению не должно подвергаться более 25 % поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в т.ч. средств защиты лица и глаз.
При наличии теплового облучения температура воздуха на постоянных рабочих местах не должна превышать верхние границы оптимальных значений для теплого периода года (табл. 1.1), а на непостоянных рабочих местах – верхние границы допустимых значений для постоянных рабочих мест (табл. 1.2).
Таблица 1.1
Оптимальные нормы температуры в рабочей зоне
производственных помещений
|
Период года |
Категория работ |
Оптимальная температура, С |
|
Теплый |
Легкая, I-а Легкая, I-б Средней тяжести, II-а Средней тяжести, II-б Тяжелая, III |
23-25 22-24 21-23 20-22 18-20 |
Согласно ГОСТ 12.1.005-88, производственные помещения по избыткам тепла условно подразделяются на две группы:
При невозможности обеспечения допустимых нормативных показателей микроклимата по производственным причинам в помещениях должна быть предусмотрена защита работающих от перегрева.
Таблица 1.2
Допустимые величины температуры в рабочей зоне
производственных помещений
|
Период года |
Категория работ |
Температура воздуха на рабочих местах, С |
|
|
постоянных |
непостоянных |
||
|
Теплый |
Легкая, I-а |
22-28 |
20-30 |
|
Легкая, I-б |
21-28 |
19-30 |
|
|
Средней тяжести, II-а |
18-27 |
17-29 |
|
|
Средней тяжести, II-б |
16-27 |
15-29 |
|
|
Тяжелая, III |
15-26 |
13-28 |
Основными методами создания благоприятного микроклимата являются: рациональное размещение и теплоизоляция оборудования и коммуникаций, выделяющих тепло; дистанционное управление процессами и аппаратами, выделяющими большое количество конвективного и лучистого тепла; устройство защитных экранов, воздушного или водно-воздушного экранов; вентиляция; использование спецодежды, спецобуви и индивидуальных средств защиты; снабжение источников интенсивного влаговыделения крышками, местными отсосами; устройство комнат кратковременного отдыха; механизация и автоматизация трудоемких процессов; организация рационального водно-солевого режима; оборудование входов в цех тамбурами, тепловыми и воздушными завесами.
Основной способ борьбы с лучистым теплом на рабочих местах заключается в изоляции излучающих поверхностей, т.е. создании определенного термического сопротивления на пути теплового потока в виде экранов различных конструкций (жестких глухих, сетчатых полупрозрачных, 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 непрерывном 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 коэффициент теплопроводности (шлаковая вата, асбест и др.).
Цепные экраны (изготавливаются в виде плотной сетки с подвижными петлями или из обыкновенных мелких цепей) снижают лучистый поток на 60-70 %, при этом сохраняется возможность наблюдения 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 мкм. Слой воды толщиной 0,001 м полностью поглощает часть спектра с длиной волны 3 мкм, а слой воды 0,01 м поглощает поток радиации с длиной волны 1,5 мкм. При этом коротковолновое излучение источника теплового излучения практически не поглощается. Поэтому пленочные завесы эффективны в основном для экранирования излучения низкотемпературных источников.
Водяные завесы поглощают до 80 % потока тепла без существенного ухудшения видимости, т.е. являются прозрачными для световых лучей. Оценка эффективности поглощающего экрана может быть охарактеризована отношением
, (1.2)
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
, (1.3)
где R – толщина завесы, мм; – опытный коэффициент ослабления потока мутной средой; е – основание натурального логарифма.
В работе принять: = 1,3 1/мм; R = 1,1 мм; 0,293.
Потери тепла лучеиспусканием с 1 см2 раскаленной поверхности можно рассчитать по формулам
, при , (1.4)
, при , (1.5)
где F – площадь излучающей поверхности, м2; Т1, Т2 – соответственно температуры излучающей поверхности и поверхности, воспринимающей тепло, К; L – расстояние от источника излучения, м.
В работе для расчетов принять F = 0,7910-2 м2. При постоянной температуре излучателя разность отношений в условиях 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. рисунок). Установка состоит из следующих основных узлов: секции лучистой 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 образования завесы) (14) происходит по направляющим (13) в сливной короб (15), по которому она снова попадает в бак (17). Конструкция обеспечивает регулирование положения ванночки в горизонтальной плоскости, что позволяет получить водяную завесу равномерной толщины по всей ширине. Толщина поглощающей поверхности водяной завесы регулируется двумя кранами, установленными на нагревательной и сливной магистралях.
Конструкция цепной завесы состоит из двух или трех рядов висящих металлических цепей: в каждом ряду по 10 цепей, находящихся на поворотных кронштейнах, которые дают возможность устанавливать на пути излучения один, два или три ряда цепей.
Гидроагрегат – узел, состоящий из бака (17) и центробежного насоса (16) с приводом. На нагревательной магистрали установлен кран, которым можно регулировать производительность насоса. Управление насосом осуществляется с помощью пульта управления.
Рис. Внешний вид установки для определения поглощения лучистой энергии цепной и водяной завесами типа ОТ-5:
1 – автоматический выключатель общего питания установки; 2, 3 – выключатели гидроагрегата и нагревательного устройства; 4 – 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
Корпус установки состоит из каркаса сварной конструкции и штанг (5) для штативов актинометров (6). В зависимости от необходимости вылет штанг для штатива может меняться. Для удобства определения расстояния между источником лучистой энергии и актинометром штанги обеспечены градуированными линейками.
Включение насоса производится при помощи кнопки (2) "Пуск", а отключение – кнопкой (2) "Стоп". С правой стороны на панели установлена сигнальная лампочка (4). Включение и отключение спирали накаливания производится кнопками (3).
Измерение теплового излучения производится актинометром М-3 (АТ-50). Температура раскаленной спирали определяется оптическим пирометром.
Принцип его действия основан на поглощении теплового излучения термобатареей и превращении тепловой энергии в термоток, сила которого пропорциональна интенсивности радиации.
Приемником радиации служит диск из серебряной фольги, зачерненной 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 актинометром стрелочным гальванометром (19) типа ГСА-1М.
Для проведения работы необходимо снять крышки актинометра и гальванометра. Актинометр направить на источник теплового излучения, для чего ослабить винт, фиксирующий положение трубки актинометра, 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 перевести в абсолютное значение интенсивности радиации (Вт/м2) умножением на переводной множитель пары актинометр - гальванометр, равный 8,870 (1 кал/см2мин = = 698 Вт/м2).
2.2. Порядок выполнения работы
1. Включить питание установки. Для этого поставить автоматический выключатель (1) в положение "Пуск". Включение питания сигнализируется лампочкой (4), расположенной на панели управления.
2. Включить питание насоса водяной завесы. Включение насоса производится кнопкой (2) "Пуск", а его отключение – кнопкой (2) "Стоп".
3. Включить питание спирали накаливания. Включение спирали накаливания производится кнопкой (3) "Пуск", а ее отключение – кнопкой (3)"Стоп". Нагревательный элемент включать только при работающем насосе. Замер интенсивности излучения проводить через 5 мин после включения нагревателя.
4. Определить температуру раскаленной спирали оптическим пирометром.
5. Измерить актинометром интенсивность излучения без защиты на разных расстояниях от источника. Установка актинометра на разных расстояниях от источника производится выдвижением штанг (5).
6. Установить один ряд цепей цепной завесы и измерить интенсивность 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 (3) "Стоп".
9. Отключить питание насоса водяной завесы кнопкой (2) "Стоп", отключение питания насоса осуществить через 3-5 мин после отключения питания нагревательного элемента.
10. Отключить питание установки. Для этого поставить выключатель (1) в положение "Стоп".
11. Результаты измерений интенсивности теплового излучения записать в нижеприведенную таблицу.
Таблица 1.3
Зависимость интенсивности теплового излучения
от расстояния до нагревателя
|
Условия измерения |
Интенсивность теплового излучения, Вт/м2, при расстояниях до источника излучения, м |
||||
|
0,40 |
0,45 |
0,50 |
0,55 |
0,60 |
|
|
При отсутствии защитных экранов (только со стороны цепной завесы) |
|||||
|
При наличии одного ряда цепей |
|||||
|
При наличии двух рядов цепей |
|||||
|
При наличии трех рядов цепей |
|||||
|
При включенной водяной завесе |
12. Используя формулы (1.2)-(1.5), рассчитать интенсивность теплового излучения при расстояниях от источника, соответствующих опытным. Результаты расчетов записать в нижеприведенную таблицу.
Таблица 1.4
Зависимость расчетной интенсивности теплового излучения
от расстояния до нагревателя
|
Условия для расчета |
Расчетная интенсивность теплового излучения, Вт/м2, при расстояниях до источника излучения, м |
||||
|
0,40 |
0,45 |
0,50 |
0,55 |
0,60 |
|
|
При отсутствии защитных экранов |
|||||
|
При включенной водяной завесе |
13. Построить графическую зависимость интенсивности теплового излучения от расстояния до источника излучения.
14. Сделать вывод об эффективности защитных экранов: а) сравнить эффективность различных экранов, используя формулу (1.2); б) сравнить результаты измерений интенсивности теплового излучения при наличии и отсутствии защитных экранов в соответствии с санитарными нормами; в) определить длину волны с максимальной энергией по формуле (1.1).
3. Контрольные вопросы
1. Охарактеризовать спектр излучения нагретых поверхностей в зависимости от их температуры.
2. Каким образом происходит передача тепла нагретыми поверхностями?
3. Что такое тепловое излучение и как оно воздействует на организм 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. Какими документами нормируется интенсивность теплового излучения и в зависимости от каких факторов?
9. Какие требования к интенсивности теплового излучения на рабочих местах предъявляются нормативными документами?
10. Охарактеризуйте методы обеспечения благоприятного микроклимата в производственных помещениях.
11. Дайте характеристику отражающих и поглощающих экранов.
12. Как производится оценка эффективности поглощающих экранов?
1. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. –М.: Изд-во стандартов, 1988.
2. Санитарные нормы микроклимата производственных помещений. СанПиН № II-13-94. – Мн.: Минздрав РБ, 1994.