Краткие теоретические сведения. Защита от теплового излучения

Защита от теплового излучения

Цель работы.Провести измерения интенсивности тепловых излучений в зависимости от расстояния индикаторного блока до источника теплового излучения. Оценить эффективность защиты от теплового излучения с помощью экранов и воздушной завесы.

Краткие теоретические сведения

Лучистый теплообмен между телами представляет собой процесс распространения внутренней энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра.

Тепловое излучение (инфракрасное излучение (ИКИ)) – это невидимое электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 до 420 мкм, обладающее волновыми и световыми свойствами. Длина волны видимого излучения – от 0,38 до 0,76 мкм.

По длине волны инфракрасные лучи делятся на коротковолновую ИКИ-А (менее 1,4 мкм), средневолновую ИКИ-В (1,4 – 3 мкм), длинноволновую ИКИ-С (3 мкм – 1 мм) области.

Основные законы инфракрасного излучения. Закон Кирхгофа. Лучеиспускание обуславливается только состоянием излучающего тела и не зависит от окружающей среды. Лучеиспускательная способность любого тела пропорциональна его лучепоглощающей способности. Тело, поглощающее все падаю-щие на него лучи (абсолютно черное тело), обладает максимальным излучением. На этом законе основано применение поглощающей защитной одежды, светофильтров, окраски оборудования, устройства приборов для измерения теплового излучения.

Закон Стефана-Больцмана. С повышением температуры излучающего тела мощность излучения увеличивается пропорционально 4-й степени его абсолютной температуры:

Е = σ · Т⁴, (2.1)

где Е – мощность излучения, Вт/м²; σ – постоянная Стефана-Больц-мана, равная 5,670 32·10^–8 Вт∙м^–2∙К^–4; Т – абсолютная температура, К.

В соответствии с этим законом даже небольшое повышение температуры тела приводит к значительному росту отдачи тепла
излучением. Используя этот закон, можно определить величину теплообмена излучением в производственных условиях.

Количество тепловой энергии, передаваемое излучением, определяется законом Стефана-Больцмана по формуле

(2.2)

где Е – теплоотдача, Вт/м; С₁ и С₂ – константы излучения с поверхностей; σ – постоянная Стефана-Больцмана; Т₁ и Т₂ – температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен излучением, К.

При расчете теплоотдачи излучением учитывают температуру стен и других поглощающих тепловую радиацию поверхностей (среднерадиационная температура).

Закон Вина. Произведение абсолютной температуры излучающего тела на длину волны излучения (λ_макс) с максимальной энергией является величиной постоянной:

λ_макс · Т = С, (3.3)

где С = 2880; Т – абсолютная температура, К; λ – длина волны в мкм.

Таким образом, согласно закону, длина волны максимального излучения нагретого тела обратно пропорциональна его абсолютной температуре:

(2.4)

Основная физическая характеристика инфракрасного излучения – интенсивность теплового излучения определяется по формуле

(2.5)

где Q – интенсивность теплового излучения, Вт/м²; F – площадь излучающей поверхности, м²; T₀– температура излучающей поверхности, К; l – расстояние от излучающей поверхности, м.

Количество лучистого тепла (согласно формуле (2.5)), поглощаемого телом человека, зависит от температуры источника излучения, площади излучающей поверхности и квадрата расстояния между излучающей поверхностью и телом человека.

Биологическое действие теплового излучения. Тепловой
обмен организма человека с окружающей средой заключается во взаимосвязи между образованием тепла (термогенезом) в результате жизнедеятельности организма и отдачей им этого тепла во внешнюю среду. Отдача тепла осуществляется, в основном, тремя способами: конвекцией, излучением и испарением.

Передача тепла ИК-излучением является наиболее эффективным способом теплоотдачи и составляет в комфортных метеоусловиях
44–59 % общей теплоотдачи. Тело человека излучает в диапазоне длин волн от 5 до 25 мкм с максимумом энергии на длине волны 9,4 мкм.

В производственных условиях, когда работающий человек
окружен предметами, имеющими температуру, отличную от температуры тела человека, соотношение способов теплоотдачи может существенно изменяться. Отдача человеческим телом тепла во внешнюю среду возможна лишь тогда, когда температура окружающих предметов ниже температуры тела человека. В обратном случае направление потока лучистой энергии меняется на противоположное, и уже тело человека будет получать извне дополнительную тепловую энергию. Воздействие ИК лучей приводит к перегреву организма и тем быстрее, чем больше мощность излучения, выше температура и влажность воздуха в рабочем помещении, выше интенсивность выполняемой
работы.

В производственных условиях гигиеническое значение имеет диапазон 0,76–70 мкм.

Источником инфракрасного излучения в производственных условиях являются нагретые поверхности слитков, чушек, листов, поковок, разливаемый жидкий металл, открытое пламя печей, сварочное пламя (при электро- и газосварке) и т. п.

По характеру излучения производственные источники тепла
и лучистой энергии подразделяются на четыре основные группы:

1) источники с температурой до 500°С – спектр содержит
исключительно длинноволновое ИКИ;

2) источники с температурой от 500 до 1 200 °С – в спектре
содержится ИКИ-А, ИКИ-В, ИКИ-С, но появляется также видимое излучение слабой интенсивности, сначала красное, а затем белое;

3) источники с температурой от 1 200 до 2 000 °С – спектр содержит как все виды ИКИ, так и видимое излучение высокой яркости;

4) источники с температурой от 2 000 до 4 000 °С – спектр наряду с инфракрасным и видимым излучением содержит ультрафиолетовое излучение.

Интенсивность теплового излучения на рабочих местах может колебаться от 175 до 1 3956 Вт/м². К горячим цехам относят цеха,
в которых тепловыделение превышает 23 Дж/м².

В литейных цехах (нагрев и обработка деталей) интенсивность излучения составляет 1392–3480 Вт/м².

В производственных помещениях с большим тепловыделением (горячие цеха) доля тепла, приходящее на инфракрасное излучение, может составлять до 2/3 выделяемого тепла и только 1/3 составляет конвекционное тепло, т. е. тепло, передающееся при контакте с нагретым воздухом (табл. 2.1).

Таблица 2.1