Лаб раб №1_Тепл. изл

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе

РПК «Политехник» Волгоград

2009

УДК 628.921

Р е ц е н з е н т :

канд. техн. наук доцент В. А. Козловцев

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Исследование защиты от теплового излучения: метод. указ. к лабораторной работе/ Сост. А. А. Липатов/ ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. – 24 с.

Методические указания содержат классификацию излучений оптического диапазона, информацию о характере их воздействия на организм человека. Даны нормативные требования к предельно допустимым уровням интенсивности излучений оптического диапазона, описаны средства защиты глаз и тела. Приведена методика измерения интенсивности теплового излучения, а также порядок выполнения лабораторной работы.

Предназначаются для студентов ВолгГТУ всех специальностей и форм обучения при изучении курса «Безопасность жизнедеятельности».

© Волгоградский государственный технический университет, 2009

2

1. ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение воздействия на человека излучений оптического диапазона, нормативных требований к ним; методи-

ки определения интенсивности теплового излучения и средств защиты.

Основные задачи работы:

1)исследование зависимости интенсивности теплового излучения от расстояния до излучающего объекта;

2)практическое определение эффективности защиты от теплового из-

лучения с помощью экранов из различных материалов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Оптический диапазон является частью электромагнитного спектра и расположен (по мере роста частоты и соответствующего уменьшения длины волны) за миллиметровыми радиоволнами вплоть до рентгеновского излу-

чения. Следует отметить, что в учебной и нормативно-технической литера-

туре имеют место некоторые разночтения относительно четких границ диа-

пазонов различных видов излучения. Так, в одном и том же учебнике [1] из-

лучения с длиной волны 1÷0,1 мм (частота соответственно 300÷3000 ГГц)

относят то к радиоволнам, то к оптической части спектра. За границу опти-

ческого и рентгеновского диапазонов принимают как излучение с длиной волны λ = 10 нм, так и с λ = 5 нм. Подобным образом дело обстоит и с гра-

ницами между видами излучения внутри оптического диапазона:

–инфракрасное (ИК) излучение – λ = 340 (100;1000)÷0,78 (0,76) мкм;

–видимая часть спектра – λ = 0,78 (0,76)÷0,4 (0,38) мкм;

–ультрафиолетовое излучение (УФИ) – λ = 400 (380)÷10 (5) нм.

Отсутствие четких границ диапазонов объясняется плавным измене-

нием свойств излучения при переходе от одного вида к другому. В качестве параметра излучений оптического диапазона обычно указывается длина волны (а не частота), что объясняется превалированием корпускулярных

3

свойств этих излучений над волновыми свойствами.

Тепловым называется излучение, испускаемое телами вследствие их нагрева (в отличие, например, от явления люминесценции). Нагретое тело излучает в широком диапазоне длин волн. В первом приближении инте-

гральная (по всем длинам волн) мощность излучения пропорциональна чет-

вертой степени абсолютной температуры излучающего тела (для абсолютно черного тела, согласно закону Стефана – Больцмана, строго пропорцио-

нальна). Кроме того, с ростом температуры источника имеет место умень-

шение длины волны, соответствующей максимальной интенсивности излу-

чения (закон смещения Вина). Так, излучение преимущественно голубого света при электросварке (и существенное присутствие в спектре ультрафио-

лета) свидетельствует о значительно более высокой температуре дуги, чем у вольфрамовой нити лампы накаливания, испускающей желтые и красные видимые лучи (а большей частью – ИК-излучение).

Ультрафиолетовое излучение в большинстве случаев оказывает не-

значительное тепловое воздействие. Например, в суммарной плотности по-

тока мощности для солнечного света доля УФИ не превышает 5 % (при температуре поверхности Солнца порядка 6000 K). Тем не менее, УФИ иг-

рает большую роль в жизнедеятельности человека.

В ультрафиолетовой части спектра можно выделить две области.

Длинноволновое УФИ (λ ≥ 200 нм) оказывает на человека двоякое воздей-

ствие. С одной стороны, это жизненно необходимый фактор, оказывающий благотворное стимулирующее действие на организм. С другой стороны, пе-

реоблучение длинноволновым УФИ может вызвать негативные последст-

вия. Коротковолновой ультрафиолет (λ < 200 нм) положительного действия на организм человека не оказывает, а отрицательный эффект от его воздей-

ствия возрастает по мере уменьшения длины волны и приближения к гра-

нице рентгеновского диапазона. Поэтому собственно ультрафиолетовым излучением часто называют только длинноволновой диапазон [1, 8], а об-

4

ласть с λ < 200 нм классифицируют как «жесткий ультрафиолет».

По биологическому воздействию выделяют три поддиапазона УФИ

[8]:

–УФ-А – с длиной волны 400÷315 нм;

–УФ-В – с длиной волны 315÷280 нм;

–УФ-С – с длиной волны 280÷200 нм.

Излучение диапазона УФ-А оказывает сравнительно слабое специфи-

ческое биологическое воздействие (как и видимый свет). Излучение УФ-В

обладает выраженным загарным и антирахитичным действием, может по-

нижать чувствительность организма к некоторым вредным воздействиям вследствие интенсификации окислительных процессов и ускорения выведе-

ния вредных веществ (марганца, ртути, свинца). Оптимальные дозы УФИ

(УФ-В и, отчасти, УФ-А) активизируют деятельность сердца, обмен ве-

ществ, дыхательную и кроветворную функции. Такое воздействие называют

эритемным. Максимальное эритемное действие оказывает излучение с дли-

ной волны 297 нм. В некоторых случаях для компенсации солнечной недос-

таточности (при отсутствии или недостатке естественного освещения; для предприятий, расположенных за Северным Полярным кругом) предусмат-

ривается искусственное профилактическое ультрафиолетовое облучение – люминесцентными эритемными лампами (ЛЭ).

Излучение поддиапазона УФ-С активно действует на тканевые белки и липиды, обладая выраженным бактерицидным действием. Максимальный бактерицидный эффект наблюдается для λ = 254÷257 нм.

В то же время, избыточные дозы УФИ негативно воздействуют на зрение, кожу и центральную нервную систему.

Наиболее уязвимы глаза, причем страдает преимущественно роговица и слизистая оболочка. Излучение с длиной волны менее 320 нм может вы-

звать острое поражение глаз – электроофтальмию (наиболее частой причи-

ной является воздействие излучения электросварочной дуги). Заболевание

5

проявляется ощущением песка в глазах, светобоязнью, слезотечением. К

хроническим заболеваниям относятся хронический конъюнктивит и ката-

ракта (помутнение хрусталика). Роговица наиболее чувствительна к излуче-

нию с λ = 270÷280 нм; наибольшее воздействие на хрусталик оказывает из-

лучение в диапазоне длин волн 295÷320 нм.

Поражения кожи протекают в форме острых дерматитов с эритемой

(жжение, зуд), иногда с отеком и образованием пузырей. После интенсивно-

го облучения развиваются гиперпигментация и шелушение кожи, регуляр-

ное облучение большими дозами может вызвать канцерогенный эффект.

Симптомы воздействия на центральную нервную систему – головная боль, тошнота, повышение температуры тела, головокружение, повышенная утомляемость, нервное возбуждение и т. п.

Гигиеническое нормирование УФИ в производственных помещениях осуществляется по СН № 4557–88 [8]. Допустимая интенсивность облуче-

ния работающих при площади незащищенных участков кожи не более 0,2

м2 (лицо, шея, кисти рук и т. д.) и периодах облучения до 5 мин, длительно-

сти пауз между ними не менее 30 мин и общей продолжительности воздей-

ствия за смену до 60 мин не должна превышать: 50 Вт/м2 для области УФ-А;

0,05 Вт/м2 для области УФ-В; 0,001 Вт/м2 для области УФ-С. При той же площади облучаемой поверхности тела, но более продолжительном воздей-

ствии (50 % рабочей смены при длительности однократного облучения свыше 5 мин) нормы ужесточаются, т. е. допускается в несколько раз мень-

шая интенсивность облучения: не более 10 Вт/м2 для области УФ-А и 0,01

Вт/м2 – для области УФ-В. Излучение в области УФ-С при указанной про-

должительности не допускается. При использовании спецодежды и средств защиты лица и рук, не пропускающих излучение, суммарная интенсивность облучения в областях УФ-В и УФ-С не должна превышать 1 Вт/м2.

Лучистый теплообмен между телами осуществляется в основном ин-

фракрасными и видимыми электромагнитными волнами. Для подавляющего

6

большинства антропогенных и естественных источников (даже для Солнца с его огромной температурой) наибольшая часть энергии передается инфра-

красным излучением, так как ИК-диапазон во много раз шире диапазона длин волн видимого света. Поэтому термины «инфракрасное излучение» и «тепловое излучение» часто используются как синонимы.

Воздух прозрачен (диатермичен) для теплового излучения. Поэтому при прохождении лучистого тепла температура воздуха не повышается. Те-

пловые лучи поглощаются предметами, нагревая их; последние сами стано-

вятся источниками теплового излучения. Воздух, соприкасаясь с нагретыми телами, также нагревается, и температура в помещениях возрастает.

Тепловой баланс организма человека с окружающей средой (и под-

держание постоянной температуры тела) обеспечивается равенством интен-

сивности выделения тепла в организме и интенсивности отдачи этого тепла во внешнюю среду. Отдача тепла организмом осуществляется следующими способами: конвекцией, дыханием, излучением и испарением (пота). В

комфортных метеоусловиях основным способом охлаждения организма яв-

ляется ИК-излучение (44÷59 % общей теплоотдачи). Тело человека излучает в диапазоне длин волн от 5 до 25 мкм (с максимумом при λ = 9,4 мкм). Од-

нако отдача человеческим телом тепла во внешнюю среду возможна лишь тогда, когда температура окружающих предметов ниже температуры тела. В

противном случае направление потока лучистой энергии меняется на про-

тивоположное, и тело человека будет нагреваться.

Количественной характеристикой теплового излучения является его интенсивность (плотность потока мощности) W, Вт/м2. Это мощность лучи-

стого потока, приходящаяся на единицу площади поверхности, перпендику-

лярной направлению излучения. Величина W пропорциональна температуре

(в четвертой степени) источника излучения, его размерам и обратно про-

порциональна квадрату расстояния до источника излучения.

Количество поглощаемого телом человека лучистого тепла зависит от

7

интенсивности излучения, площади поверхности облучаемых участков тела и угла падения на них тепловых лучей. Кроме того, воздействие теплового излучения приводит к перегреву организма тем быстрее, чем выше темпера-

тура и влажность воздуха в помещении, тяжелее выполняемая работа.

Характер физиологического воздействия ИК-излучения существенно зависит от длины волны. Лучи коротковолнового диапазона (λ < 1,4 мкм),

называемого «ближним» [3] (по отношению к видимой части спектра) ин-

фракрасным излучением, проникают в ткани человеческого организма на глубину в несколько сантиметров (как и видимые лучи). Это приводит к по-

вышению температуры внутренних органов, нарушается обмен веществ,

изменяется функциональное состояние центральной нервной системы. Про-

никая через кожу и черепную коробку, такое излучение может воздейство-

вать на головной мозг, вызывая тепловой удар. Лучи длинноволнового диа-

пазона («дальнее» ИК-излучение) задерживаются в поверхностных слоях кожи на глубине 0,1÷0,2 мм, нагревая главным образом поверхность тела.

При воздействии на глаза наибольшую опасность представляет корот-

коволновое ИК-излучение (видимые лучи такой же интенсивности были бы не менее опасными, если бы человек их не видел и не совершал защитных действий – как рефлекторных, так и осознанных). Помимо ожогов и конъ-

юнктивита оно может (как и видимый свет) фокусироваться на сетчатке,

вызывая ее повреждение. Излучение с λ < 1,8 мкм при интенсивном дли-

тельном облучении способно вызвать «инфракрасную» катаракту.

При оценке тепловой нагрузки на организм человека в нормативных документах по безопасности фигурирует (в качестве одного из параметров микроклимата помещений) не интенсивность теплового излучения, а интен-

сивность теплового облучения (последний термин, строго говоря, следует понимать как мощность лучистого потока, приходящуюся на единицу пло-

щади облучаемой поверхности; если облучаемая поверхность перпендику-

лярна направлению излучения, то величины интенсивности излучения и ин-

8

тенсивности облучения равны между собой; непосредственно измерить проще интенсивность излучения). В соответствии с ГОСТ 12.1.005–88 [6] и

СН 2.2.4.548–96 [7] нормируется интегральная (т. е. суммарная для всех длин волн инфракрасного и видимого диапазонов) интенсивность теплового облучения. Ее предельно допустимые уровни устанавливаются с учетом спектрального состава излучения, площади облучаемой поверхности тела,

защитных свойств спецодежды. Интенсивность теплового облучения рабо-

тающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, освети-

тельных приборов, инсоляции [6], а также производственных источников,

нагретых до темного свечения, [7] не должна превышать: 35 Вт/м2 – при об-

лучении более 50 % поверхности тела; 70 Вт/м2 – при облучении от 25 до 50 % поверхности тела; 100 Вт/м2 – при облучении не более 25 % поверхности тела. От источников, нагретых до белого и красного свечения (раскаленные или расплавленные металл и стекло, открытое пламя), интенсивность теп-

лового облучения не должна превышать 140 Вт/м2. При этом облучению не должно подвергаться более 25 % поверхности тела при обязательном ис-

пользовании средств индивидуальной защиты, в том числе лица и глаз.

При наличии на рабочих местах теплового излучения необходимо предусматривать соответствующие мероприятия по защите работающих, в

том числе дистанционное управление технологическими процессами.

Для защиты глаз используют светофильтры из темного или синего стекла. Задача светофильтра – максимально ослабить наиболее вредную для глаз часть спектра излучения, одновременно обеспечив достаточно ком-

фортные условия визуального наблюдения за объектом работы. Обозначе-

ние промышленных светофильтров буквенно-цифровое. Выбор светофильт-

ра по расположенной на первом месте букве зависит от спектра источника излучения: Г – при газовой сварке; П – при плазменной сварке и резке; Д – при работе у доменных печей и т. д. Стоящая на втором месте в обозначе-

нии цифра (номер) указывает на оптическую плотность светофильтра – чем

9

больше этот номер, тем выше плотность. Номер светофильтра выбирается по количественным показателям технологического процесса: силе тока при электросварке, расходу ацетилена и кислорода при газовой сварке и резке и др. Например, светофильтры Э–1, Э–2, …, Э–5 должны использоваться электросварщиками при силе тока 30÷75 А, 75÷200 А, 200÷400 А, 400÷500

Аи свыше 500 А соответственно.

Кспособам защиты тела относятся: воздушное или водо-воздушное душирование рабочих мест; устройство специальных помещений (воздуш-

ных оазисов) для кратковременного отдыха с подачей в них кондициониро-

ванного воздуха; использование защитных экранов, водяных завес; приме-

нение средств индивидуальной защиты (спецодежды, спецобуви и др.).

Одним из самых распространенных способов защиты от теплового облучения является экранирование излучающих поверхностей. Различают непрозрачные, прозрачные и полупрозрачные экраны. К последним отно-

сятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из армированного ме-

таллической сеткой стекла. Непрозрачный (и полупрозрачный) экран, на-

греваясь, сам становится источником теплового излучения. При этом излу-

чение от поверхности экрана, противолежащей экранируемому источнику,

условно рассматривается как пропущенное излучение источника.

По принципу действия экраны подразделяются (достаточно условно)

на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая его способность выражена сильнее. Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхности, вследствие чего отражают в обратном на-

правлении значительную часть падающей на них лучистой энергии (листы и фольга из алюминия, оцинкованная сталь, покрытие алюминиевой краской).

Теплопоглощающие экраны выполняют из материалов с малым коэффици-

ентом теплопроводности (резина, теплоизоляционный кирпич, асбест). В

качестве теплоотводящих экранов широко используют водяные завесы,

10