ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ СПЕКТРА БЕЛОГО СВЕТА

Тепловое излучение и защита от него

Процессы теплопередачи имеют широкое распространение в тепловой и атомной энергетике, ракетно-космической технике, металлургии, химической технологии, светотехнике, гелиотехнике и др.

Перенос теплоты от нагретых тел в окружающем пространстве осуществляется по законам теплопроводности, конвективного теплообмена и теплообмена излучением.

В отличие теплопроводности и конвекции, где плотность теплового потока зависит от температуры в первой степени, перенос энергии излучением определяется четвертой степенью абсолютной температуры. Вследствие этого при высоких температурах основным видом переноса теплоты является излучение.

При температурах 500°С около 60-90% всей теплоты, выделяемой производственным оборудованием и материалами, распространяется в окружающем пространстве путем излучения. При этом энергия излученияпроходит воздушную среду практически без потерь, снова превращаясь в тепловую энергию облучаемых тел.

Основополагающие законы теплового излучения были установлены физиками в конце 19 века и носят их имена.

Закон Стефана-Больцмана выражает зависимость плотности теплового излучения абсолютно черного тела от абсолютной температуры в четвертой степени

С = s Т⁴ = С_о (Т/100) ⁴, (1)

где s, С_о - постоянная и коэффициент излучения абсолютно черного тела (С_о = 10⁸ s = 5,67 [ Вт/м²К⁴]). На практике приходится иметь дело с серыми телами, для них закон Стефана-Больцмана имеет вид:

Е_i = e_i e= С (Т/100 )⁴ , (2)

где e_i=E_i/e - степень черноты i-го тела (0 < e < 1),

С - коэффициент излучения серого тела [Вт/м²К⁴].

3акон Планка устанавливает связь спектральной плотности теплового излучения абсолютно черного тела I_ol [Вт/м²], с длиной волны излучения [м] и абсолютной температурой тела:

I_ol = C₁ l^-5/ [ ехр ( С₂ /lТ ) - 1] . (3)

В этом выражении: C₁=3,74×10^-18 [Вт/м²] и С₂=1,44×10 [м×К] - постоянные излучения.

Графически закон Планка представлен на рис.1.

В.Вин в 1893 году установил, что произведение абсолютной температуры тела на длину вечны максимальной энергии теплового излучения есть величина постоянная:

Тl_MAX= 2,898 [м×К]. (4)

Это выражение получило название закона смещения Вина: с ростом температуры максимум спектральной плот-ности потока излучения смещается в коротковолновую область.

Расчет теплообмена излучением между двумя телами является сложной задачей. В общем случае поток энергии между телами определяется температурами тел, их формами, размерами и состоянием поверхностей, взаимным расположением в пространстве и расстоянием между ними. Аналитически эту зависимость можно представить в виде:

Q_1,2 = e_пр С S₁[(T₁ /100) ⁴ - (Т₂ /100) ⁴ ] j_1,2 , ( 5 )

где e_пр =[ l/e₁+ (S₁/S₂) (1/e₂ -1)] - приведенная степень черноты двух тел;

S₁, S₂ - площади поверхностей теплоизлучающего и теплопринимающего тел [м²];

j_1,2 = Q₂/Q₁ - коэффициент облученности, показывающий какая доля энергии излучения первого тела (Q₁) попадает на второе тело (Q₂). Коэффициент облученности можно рассчитать по законам геометрической оптики или взять из справочной литературы.

При длительном пребывании человека в зоне лучистого потока теплоты происходит нарушение теплового баланса в его организме, что может вызвать заболевание, называемое тепловой гипотермией (перегревом). В нормальных условиях в организме человека поддерживаются стабильные и постоянные условия для функционирования биологических клеток. Это явление называется гомеостазом. Одним из механизмов гомеостаза является система поддержания постоянства внутренней температуры тела человека. Если гомеостатическая система поддержания постоянства температуры организма не справляется с рассеянием избыточного поступающего тепла наступает гипотермия. При этом нарушаются и другие защитные гомеостатические функции организма. Поэтому это заболевание характеризуется не только повышением температуры тела, но и обильным потоотделением, значительным учащением пульса и дыхания, резкой слабостью, головокружением, изменением зрительных ощущений, шумом в ушах и, зачастую, потерей сознания.

Гомеостатические системы поддержания стабильности жизнедеятельности организма связаны между собой и помогают друг другу преодолевать отрицательные внешние воздействия иногда заменяя вышедшие из строя. Поэтому даже при уровнях теплового излучения, не вызывающих гипотермию наблюдается ослабление внимания, замедление реакций, ухудшение координации движений, что в свою очередь приводит к снижению производительности труда.

Тепловой эффект воздействия облучения зависит от многих факторов. Интенсивность облучения менее 700 Вт/м не вызывает у человека неприятного ощущения, если действует несколько минут; свыше 3500 Вт/м - уже через 2 сек вызывает жжение, а через 5 сек возможен тепловой удар. Производственные источники по характеру спектрального излученияусловно можно разделить на четыре группы:

1) с температурой излучающей поверхности до 500 °С (паропроводы, сушильные установки, низкотемпературные аппараты, наружная поверхность различных печей и др.); их спектр содержит длинные инфракрасные лучи (длина волны 3,7 - 9, 3 мкм);

2) с температурой поверхности от 500 до 1300 °С (открытое пламя, открытые проемы нагревательных печей и топок, нагретый металл - слитки, заготовки, расплавленные чугун и бронза и др.); их спектр содержит преимущественно инфракрасные лучи (1,9-3,7 мкм), но появляются и видимые лучи;

3) с температурой 1300-1800 °С (открытые проемы плавильных печей, расплавленная сталь и др.); их спектр содержит как инфракрасные лучи вплоть до коротких (1,2-1,9 мкм ), так и видимые большой яркости;

4) с температурой выше 1800 °С (пламя электродуговых печей, сварочных аппаратов и др.) их спектр излучения содержит наряду с инфракрасными (0,8-1,2 мкм) и видимыми (0,4-0,8 мкм ) также и ультрафиолетовые лучи.

Существуют следующие способы защиты от вредного воздействия теплового излучения: тепловая изоляция нагретых поверхностей, экранирование источников теплового излучения, применение воздушного душирования, удаление от источника теплового излучения (дистанционное управление), сокращение времени пребывания в зоне воздействия теплового излучения, использование средств индивидуальной защиты (защитные очки, маски, одежда).

Наиболее распространенным и эффективным способом защиты от теплового излучения является экранирование - создание определенного термического сопротивления на пути теплового потока в виде экранов различных конструкций (жестких глухих, сетчатых, полупрозрачных водяных, воздушно-водяных и др.). Различают теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие экраны. В свою очередь, по степени прозрачности они делятся на три класса: непрозрачные, полупрозрачные и прозрачные. К теплоотражающим экранам относятся жесткие глухие преграды, изготовленные из материалов с высокой степенью отражения такие, как алюминий листовой, белая жесть, альфоль (алюминиевая фольга), а также закаленные стекла с пленочным покрытием. В последнее время получила распространение вакуумно-многослойная изоляция, изготовленная из множества полированных металлических пластин с зазорами, из которых откачен воздух. Эти экраны отличает высокая эффективность (отражается до 58% излучения), малая масса, экономичность. Однако, эти экраны не выдерживают высоких механических нагрузок, эффективность их существенно снижается при отложении на них пыли, при окислении.

В настоящее время нашли широкое применение экраны, выполненные из металлической плотной сетки или из металлических мелких цепей, подвешенных против излучающего проема в один или несколько рядов. Хотя цепные экраны не могут защищать от излучения так хорошо, как глухие (цепные завесы снижают тепловой поток на 60-70%), их применение в ряде случаев оправдано, поскольку они позволяют наблюдать за ходом технологического процесса.

Теплоотводящие экраны (водяные и вододисперсные завесы) применяют в тех случаях, когда через экран необходимо вводить инструмент или заготовки. Коэффициент эффективности водяных завес в значительной степени зависит от спектрального состава излучения м толщины слоя и может достигать 80%. Экраны в виде водяной пленки, стекающей по стеклу более устойчивы по сравнению со свободными водяными завесами. Их эффективность порядка 90%.

В определении оптимальных условий защиты от теплового излучения важное значение имеет характер его спектрального состава, так как материал экрана должен поглотить или отразить лучи, несущие максимум энергии. Как видно из рис.2 для организации эффективной защиты от теплового излучения необходимо устранить в лучистом потоке по возможности наибольший диапазон длинноволнового излучения, которое хорошо поглощается поверхностью кожи человека.

В этом отношении хорошо зарекомендовали себя прозрачные водяные завесы в виде сплошной тонкой водяной пленки, образующейся при равномерном стекании воды с гладкой поверхности.

Вода является активным поглотителем инфракрасных лучей. Наиболее сильное поглощение отмечается в зоне лучей с длиной волны l=1,5-6,0 мкм.

Слой воды толщиной 1мм полностью поглощает участок спектра с l= 3 мкм, а слой 10 мм - тепловой поток с длиной волны l= 1,5 мкм.

Таким образом, слой воды, применяемый в защитных экранах, должен иметь толщину порядка нескольких мм, при этом однако коротковолновое излучение высокотемпературных источников не будет поглощено, что проявляется, например, в видимости светового излучения: являющегося коротковолновой части теплового излучения. Поэтому тонкие водяные завесы эффективны в основном для экранирования излучений от низкотемпературных источников (до 800 °С ).

Интенсивность теплового облучения Е [Вт/м²], которому подвергается человек применительно к условиям данного лабораторного стенда, можно оценить по приближенной формуле:

Е₀=0,91S[(T_изл/100)⁴-(T_обл/100)⁴]/L² , (6)

где S - площадь излучающей поверхности, м²;

Т_изл - температура излучающей поверхности, К;

Т_обл - температура облучаемой части тел, К (для приближенного расчета можно принять Т_обл = 309 К, то есть =36 °С);

L - расстояние от источника излучения, м.

Формула (6 ) верна при условии L ³ .

Расчет интенсивности облучения при наличии водяной завесы построен на принципе ослабления лучистого потока при прохождении через мутную среду с определенным оптическим показателем.

Уравнение поглощения лучистой энергии какой-либо средой имеет вид

Е= E_oexp(-dd), (7)

где Е, Е_о - интенсивность теплового облучения в данной точке при наличии и отсутствие завесы соответственно, Вт/м²;

d - опытный коэффициент ослабления потока излучений мутной средой, равный для водяной завесы 1,3 мм^-1;

d - толщина завесы, мм (при работе принять = 1мм).

В плоско-параллельной системе тел и экранов легко получается формула для определения снижения интенсивности лучистого теплообмена. В этом случае между двумя телами со степенью черноты e= e₁ = e₂ за счет установки между ними экранов со степенью черноты e_э#e теплообмен уменьшается:

Е_экр/ Е_1,2 = [1 + ne (2 - e_э)/ e_э(2 - e)]. (8)

Коэффициент эффективности защитного теплового экрана в общем случае можно рассчитать по формуле :

h = (Е_о - Е_э) / Е_о , (9)

где Е_о и Е_э – соответственно интенсивность облучения в данной точке при отсутствии и наличии экрана, Вт/м².

Согласно требованиям ГОСТ 12.4.123-83 допустимая интенсивность телового облучения человека на рабочем месте Е не должна превышать 350 Вт/м².

Применяемое оборудование

Работа выполняется на лабораторной установке. Источниками излучения служат галогенные лампы. Установка имеет четыре защитных экрана в виде цепной, водяной, стеклянной и комбинированной (стекло+вода) завес. Цепная завеса состоит из металлических цепей, установленных на пути потока излучения. Устройство для создания водяной завесы состоит из металлической ванны с водосливом, в которую подается вода из водяного бака и двух направляющих в виде металлических прово­дов. Стеклянная завеса представляет рамку со вставленным стеклом, установленномна пути потока излучения.

Измерение интенсивности облучения на рабочем месте проводится с помощью актинометра, укрепленного на передвижном металлическом каркасе с возможностью перемещения от источника излучения в пределах 0,2-0,4 м.

Повышение чувствительности актинометра достигается с помощью усилителя. Измерение температуры излучающей поверхности нагреваемого элемента производится с помощью оптического пирометра с пределами измерения 300-5000 °С .

Указания по технике безопасности:

1. Строго соблюдать инструкции по ТБ на стенде.

2 Не включать стенд без проверки его преподавателем.

3. В случае неисправности отключите стенд.

Порядок выполнения работы

1. Включить стенд с помощью кнопки «ВКЛЮЧЕНИЕ СТЕНДА»; загорание подсвета кнопки сигнализирует о наличии напряжения.

2. Включить нагревательный элемент нажатием кнопки «ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ. Bключить питание пирометра.

3. Подвести под окно излучения 5 (без экрана) оптический пирометр и измерить температуру в двух режимах температуры излучателя (больше, меньше), при этом необходимо руководствоваться инструкцией по эксплуатации оптического пирометра.

4. Включить питание актинометра, подвести под окно излучения 5 датчик и произвести измерение интенсивности теплового облучения при отсутствии экранов на различных расстояниях от источника излучения.

Внимание: При каждом измерении следует на 2-3 сек поднять крышку теплоприемника актинометра и снять показания, после чего быстро закрыть ее.

Результаты измерений разделить на коэффициент усиления К_ус=10 и записать в таблицу 1, предварительно переведя показания актинометра (кал/ мин.см² в Вт/м²; 1кал/мин.см² = 700 Вт/м²).

5. Переключателем, расположенным слева на стенде, установить защитные экраны поочередно, начиная с 4-го (цепная завеса – позиция 4, стекло – позиция 3, водяная завеса– позиция 2 , водяная завеса на стекле – позиция 1), при этом измерять интенсивность теплового облучения на различных расстояниях (0,2-0,4 м) и занести в таблицу 1.

При включении комбинированной завесы включение источника осуществляется автоматически через 10 сек.

Таблица 1

Интенсивность теплового облучения на рабочем месте

(результаты измерений ) Вт/ м².

6. Отключить питание актинометра, нагревательный элемент, затем выключить стенд.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ СПЕКТРА БЕЛОГО СВЕТА