Физическая характеристика теплового излучения

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

________________________________________________________________________

КАФЕДРА

«ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ

ПРОИЗВОДСТВА»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Безопасность жизнедеятельности»

«ЗАЩИТА ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

Москва

Цель работы: изучение методов измерения количества тепла от излучающих поверхностей и оценка эффективности и условий применения защитных средств.

Задание для самостоятельной работы: изучить рекомендованную литературу и методические указания по выполнению данной работы. Подготовить бланк отчета, в котором указать параметры, входящие в понятие «инфракрасное излучение», перечислить методы cнижения опасности перегрева, подготовить таблицы протоколов экспериментов.

Регламент проведения лабораторной работы.

Оптимальное количество студентов, одновременно выполняющих лабораторную работу -2-3 человека.

Лабораторная работа проводится в течение 2 академических часов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Тепловое излучение (инфракрасное излучение (ИКИ)) представляет собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны от 0.76 до 420 мкм, обладающее волновыми и световыми свойствами.

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) область.

В производственных условиях гигиеническое значение имеет более узкий 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°С до 1200°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 1200°С до 2000°С - спектр содержит как все виды ИКИ, так и видимое излучение высокой яркости;

4) Источники с температурой от 2000°С до 4000°С - спектр наряду с инфракрасным и видимым излучением содержит ультрафиолетовое излучение.

Основные законы физики инфракрасного излучения следующие:

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 падающие на него лучи (абсолютно черное тело), обладает максимальным излучением. На этом законе основано применение поглощающей защитной одежды, светофильтров, окраска оборудования, устройство приборов для измерения теплового излучения.

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

E = σ ∙ T⁴ [Вт/м²] (1)

Е - мощность излучения; σ - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5.67032 ∙ 10^-8

Вт ∙ м^-2 ∙ К^-4; Т - абсолютная температура, К (Кельвин).

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:

Е = С₁С₂∙σ (Т₁⁴-Т₂⁴) (2)

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

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 - величина постоянная

λ_макс ∙ Т = С (3)

где: С=2880; Т - абсолютная температура °К; λ - длина волны в мкм.

Исходя из закона Вина, длина волны максимального излучения нагретого тела обратно пропорциональна его абсолютной температуре:

λ_макс = С / Т (4)

Интенсивность теплового излучения на рабочих местах может колебаться от 175 Вт/м² до 13956 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.

Основная физическая характеристика инфракрасного излучения - интенсивность излучения (плотность потока) Е (Вт/м²) зависит от температуры излучателя, его площади и расстояния до исследуемой точки пространства и определяется по следующим формулам:

При R ≥ √S

E_u = (5)

При R < √S

E_u = (6)

где S - площадь поверхности излучателя, м²,

Т_u - абсолютная температура излучателя, °К,

R - расстояние от излучателя до точки замера, м