ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В РАБОЧЕЙ
ЗОНЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Цель работы: ознакомиться с теоретическими основами нормирования микроклиматических факторов, освоить приборы, методики измерения и оценку микроклиматических условий в рабочей зоне помещений.
1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Микроклиматические условия производственной среды (температура, влажность и скорость движения воздуха, тепловое излучение) определяют тепловой обмен между организмом и средой и оказывают существенное влияние на самочувствие, работоспособность и здоровье человека. Нарушения теплообмена, приводящие к охлаждению или перегреванию организма, усугубляют действие промышленных ядов, вибраций и других производственных вредностей. Все это предопределяет необходимость нормирования микроклимата и профилактики перегревания и переохлаждения.
Температурное постоянство внутренней среды организма (37 °С) достигается за счет терморегуляции – совокупности физиологических процессов, определяющих уровни теплопродукции и теплоотдачи. Теплопродукция организма (QМЕТ), или метаболизм создается за счет биологических процессов, ведущих к образованию тепла. Различают основной метаболизм или обмен, создаваемый непрерывным функционированием внутренних органов, без участия сознания, и мышечный, создаваемый в процессе физической работы. Интенсивность первого из них составляет 70…90 Вт/ч в покое и практически не меняется при работе. Мышечный метаболизм в лежачем положении в покое отсутствует, появляется при переходе в вертикальное положение (20…25 Вт/ч) и резко увеличивается при тяжелой работе – до 350 Вт/ч. Теплоотдача организма обеспечивается за счет излучения (QРАД), конвекции (передачи тепла потоками воздуха, газа или жидкости QКОНВ), кондукции (проведения тепла через соприкасающиеся с телом человека предметы - QКОНД) и за счет испарения влаги с поверхности кожи человека (QИСП). Определенная часть тепла идет на нагревание воздуха, поступающего в легкие, воды и пищи, поступающих в желудочно-кишечный тракт.
|
|
Общее уравнение теплового баланса имеет вид:
.
При нулевом тепловом балансе обеспечивается постоянство температуры организма, при отрицательном идет охлаждение, положительном – перегревание. В неподвижном воздухе с температурой +18 °С и отсутствии контакта с нагретыми или холодными предметами за счет излучения отдается 45% тепла, за счет конвекции – 30% и за счет неощутимого испарения 25%.
Нормирование микроклимата проводят по комплексным показателям, учитывающим одновременное воздействие нескольких факторов (по Р2.2.013-94) или раздельно по каждому фактору ГОСТ 12.1.005-88. Различают оптимальные микроклиматические условия, т.е. не вызывающие напряжения системы терморегуляции; допустимые, вызывающие ее напряжение, но не ухудшающие здоровья работающих, и переносимые, которые обеспечивают выживание человека и учитываются при аварийных ситуациях. Первым признаком теплового дискомфорта в нагревающей среде будет увеличение испарения выше обычных 25…30 г/час (при очень высоких температурах потеря влаги может достигать 3…4 л/час), а в охлаждающей среде – появление «гусиной кожи» и озноба, усиливающих мышечный метаболизм в 9…10 раз.
|
|
В ГОСТе 12.1.005-88 ССБТ приведены оптимальные и допустимые нормы температуры, влажности и скорости движения воздуха. Различные нормы для каждой категории тяжести работы учитывают изменения энергетического обмена организма в зависимости от интенсивности выполняемого труда, которая составляет менее 139 и 140…170 Вт при легкой работе (соответственно категории Iа, Iб), 175…232 и 233…290 Вт при работе средней тяжести (соответственно категории IIа, IIб) и свыше 290 Вт при тяжелой работе (категория III). Нормы для холодного периода года (среднесуточная температура наружного воздуха ниже +10 °С) и теплого периода года (среднесуточная температура наружного воздуха +10 °С и выше) учитывают сезонные изменения энергетического обмена и вид одежды человека. В ГОСТе приведены так же допустимые нормы для непостоянных рабочих мест, на которых работающий находится менее 50% смены или менее 2 часов непрерывной работы.
Радиационная температура в ГОСТ 12.1.005-88 не нормируется. Однако она учитывается специальными нормами для помещений с избытками явной теплоты (23 Дж/м3× с и более), прежде всего той, которая поступает от нагретых поверхностей оборудования, материалов и т.д.
Более точная оценка микроклиматических условий с учетом радиационной температуры приведена в Р2.2.013-94; именно такая оценка предусмотрена для определения класса условий труда по эмпирическому интегральному показателю WBGT-индексу, отражающему сочетанное влияние температуры, влажности и скорости движения воздуха и теплового излучения на теплообмен с окружающей средой. При этом учитываются те же 5 категорий тяжести работы (Iа, Iб, IIа, IIб и III), и те же холодный и теплый периоды года. Для оптимальных и допустимых условий летом может быть использован ГОСТ 12.1.005-88. Для холодного периода года в Р.2.2.013-94 даны нормы для температур, ниже указанных в ГОСТе. Для открытых территорий и холодных помещений в такой же период года даны критерии оценки с учетом одежды с соответствующей теплоизоляцией. Кроме того в Р.2.2.013-94 предусмотрен еще один критерий оценки условий труда – величина теплового излучения превышающая 1200 Вт/м2, при которой условия расцениваются как вредные и опасные вне зависимости от величины WBGT-индекса.
Исследование микроклимата производственных помещений включает измерение микроклиматических факторов, оценку их соответствия требованиям ГОСТ 12.1.005-88 и Р.2.2.013-94, а так же в случаи необходимости – выбор обоснованных технических решений по нормализации микроклиматических условий. Измерению подлежат температура, влажность и скорость движения воздуха в рабочей зоне, а так же температура шарового термометра. Приборы и методы измерения температуры воздуха не должны иметь погрешность более ± 0,5 °С и при измерении влажности воздуха – более ± 5% при продолжительности измерений не более 5 мин. Если в местах измерения имеются источники инфракрасного излучения, то погрешность приборов не должна превышать ± 17%. Погрешность приборов и методов измерения подвижности воздуха не должна превышать ± 0,1 м/с.
|
|
Температуру воздуха измеряют в зонах пребывания человека на 2 уровнях – на высоте 20 и 150 см от пола и на расстоянии 1,5…2 м от наружных стен и отопительных приборов. Измерительный прибор должен быть защищен от лучистого тепла. Температуру воздуха измеряют жидкостными (ртутными и спиртовыми) и электрическими термометрами. Последние менее инерционны, позволяют проводить дистанционный контроль микроклиматических условий, но требуют систематической калибровки. Для определения температурных перепадов в течение смены на практике используют максимальные и минимальные ртутные термометры. Динамику температуры воздуха исследуют с помощью суточных и недельных термографов. Число замеров температуры воздуха на конкретных рабочих местах выбирают таким образом, чтобы получить полное представление об ее изменениях в течение суток при трехсменной работе, в течение 16 и 8 часов при двух- и односменной работе. При стабильных температурных условиях замеры делают через каждые 4 часа.
Различаются следующие виды влажности воздуха:
· абсолютная, которая выражается величиной парциального давления, создаваемого водяными парами (единица измерения - Па) или массой водяных паров в единице объема (единица измерения - г/м3);
· максимальная, т.е. наибольшее количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе при данных температуре и давлении;
· относительная, представляющая собой отношение абсолютной влажности к максимальной, выраженное в процентах.
Измерения влажности воздуха проводят с помощью психрометров Августа и Ассмана, электрических гигрометров и влагомеров, суточных и недельных гигрографов. В психрометрах имеются по два термометра с ртутным или спиртовым резервуаром, один из которых обернут кусочком гигроскопичной влажной ткани. Из-за испарения воды температура мокрого термометра по сравнению с температурой сухого термометра будет тем ниже, чем меньше водяных паров содержится в воздухе помещения. Психрометр Ассмана более точен, так как в нем обеспечивается равномерный и одинаковый поток воздуха у ртутных резервуаров, а сами резервуары надежно защищены от лучистого тепла. По показаниям сухого и влажного термометров с помощью расчетов находят абсолютную влажность воздуха, которую затем используют для определения относительной влажности. Для оперативного определения относительной влажности воздуха разработаны также психрометрические таблицы. Недостатками психрометров являются их инерционность и необходимость проведения ряда расчетов. Меньшая инерционность и большая точность - у электрических гигрометров и влагомеров. Суточные и недельные гигрографы, принцип работы которых заключается в изменениях степени натяжения конского волоса в зависимости от влагосодержания окружающего воздуха, позволяют изучать динамику влажности воздуха, обеспечивая достаточную точность измерений для инженерных расчетов.
|
|
Скорость движения воздуха измеряют крыльчатыми (диапазон 0,5...5 м/с) и чашечными (диапазон 1...20 м/с) анемометрами, принцип действия которых состоит в определении числа оборотов крыльчатки в единицу времени с последующим нахождением по графику скорости движения воздуха с м/с. Для измерения скорости движения воздуха применяют также кататермометры, действие которых основано на измерении скорости охлаждения нагретого тела в зависимости от температуры и подвижности окружающего воздуха, при этом диапазон измеряемых скоростей составляет 0,1...10,0 м/с.
Одним из современных средств измерения температуры, скорости и направления воздушных потоков является применение термоанемометров. Принцип работы термоанемометра основан на изменении сопротивления и температуры подогреваемого терморезистора в зависимости от подвижности воздуха. Диапазон измеряемой скорости, температуры и направления воздушного потока соответственно составляют от 0...5 м/с, 10...60 °C и 0...360 град.
Подвижность разнонаправленных потоков воздуха и малых его скоростей определяется с помощью кататермометра (спиртового термометра со значительным размером резервуара, расширенным капилляром в верхней части). Кататермометр нагревается в водяной бане, до заполнения половины верхнего расширения, затем его тщательно вытирают и помещают в точку измерения. С помощью секундомера находят время Т охлаждения шкалы кататермометра от верхнего до нижнего значений его шкалы (соответственно tВ и tН). Затем рассчитывают охлаждающую силу среды – f по формуле:
, (1)
где – константа кататермометра, мДж/см2 × с;
F – фактор прибора (F=612); Т- время падения столбика спирта (от 44 до 33 °С)
Скорость движения воздуха рассчитывают по формуле:
, (2)
где U – скорость движения воздуха, м/с;
Dt – разность между средней температурой кататермометра 36,5 °С и температурой воздуха в момент исследования, °С;
А и В – коэффициенты, соответственно 0,14 и 0,49.
При наличии в помещениях источников интенсивных тепловых излучений среднюю радиационную температуру измеряют с помощью цилиндрических и шаровых термометров, представляющих собой зачерненные металлические цилиндры или шары диаметром 15 см, в центре которых размещены резервуары ртутных термометров. Для измерения средней радиационной температуры шаровым термометром его помещают в точку измерения и через 15 мин считывают показания.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Материально-техническое обеспечение лабораторной работы
Исследования микроклиматических условий осуществляются на лабораторном стенде конструкции кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология» ТГТУ. Стенд оснащен комплектом метеорологический приборов: термометром, психрометрами Августа и Ассмана, крыльчатым анемометром – АСО–3, термоанемометром типа ЭА–2М, барометром-анероидом, а также вентилятором, кататермометром и радиационным термометром.
2.2. Порядок проведения эксперимента
2.2.1. Ознакомиться с лабораторным стендом и комплектом размещенных на нем приборов, изучить задание на исследование по лабораторной работе, вариант которого указывает преподаватель. Снять показания термометров и барометра-анероида и записать их в протокол отчета (перед таблицей 1).
Измерение относительной влажности воздуха
2.2.2. Проверить наличие контакта гигроскопической ткани мокрого термометра психрометра Августа с поверхностью воды в подпитывающей ванночке (глубокое окунание ткани в воду недопустимо, т.к. это приведет к неправильным отсчетам показаний по термометру). Набрать в резиновую пипетку воду и смочить ткань правого термометра психрометра Ассмана, после чего подключить прибор к электрической сети.
2.2.3. По истечении времени (не менее 4 мин) снять показания сухого и влажного термометров психрометров Августа и Ассмана. Результаты измерения занести в соответствующие графы табл.1 протокола к лабораторной работе.
Измерение скорости движения воздуха крыльчатки
анемометром - АСО - 3
2.2.4. До начала измерения снять показания со шкал счетного механизма анемометра АСО-3 (шкалы тысяч, сотен, десятков и единиц делений) и занести в табл. 2 протокола отчета.
2.2.5. Установить переносной вентилятор против анемометра АСО-3 на расстоянии, указанном в варианте задания, и, включив его, дать возможность крыльчатке анемометра вращаться 2 мин вхолостую. Затем включить арретиром счетный механизм анемометра с одновременным включением секундомера (наручных часов) на время, указанное в варианте задания, после истечения которого выключить арретиром счетный механизм анемометра, и вновь снять показания после измерения. Опыт повторить трижды и данные занести в табл.2 протокола отчета.
Измерение скорости и температуры воздуха
термоанемометром ЭА-2М
2.2.6. Ознакомиться с термоанемометром ЭА-2М, который выполнен в виде портативного переносного прибора с выносным датчиком (два терморезистора, защищенных цилиндрической обечайкой) и блоком питания. Принцип действия термоанемометра основан на изменении температуры и сопротивления подогреваемого терморезистора, включенного в схему дифференциального моста. Отсчет величины тока осуществляется по стрелочному прибору.
2.2.7. Для измерения скорости воздушного потока необходимо, используя разъем, подключить датчик к прибору и установить его в зоне измерения (см. вариант задания).
2.2.8. Включить прибор в розетку электросети и провести настройку прибора, в следующей последовательности:
· переключатель П2 поставить в положение "А", а переключатель ПI - в положение "контроль";
· ручкой "напряжение" установить стрелку прибора на максимальное деление шкалы (при этом датчик должен быть закрыт колпачком и расположен горизонтально);
· переключатель ПI - установить в положение "измерение", плавным поворотом ручки "подогрев" вывести стрелку прибора на максимальное деление шкалы, сдвинуть с датчика защитный колпачок и провести отсчет тока (в мА) по шкале прибора, на датчик надвинуть защитный колпачок. Результат измерения величины тока записать в протокол и по градировочной зависимости определить величину скорости воздушного потока (градировочный график находится на рабочем столе).
2.2.9. Для измерения температуры воздуха, не выключая прибор, поставить переключатель П2 в положение "Т", а ПI в положение "Контроль", ручку "Подогрев" повернуть против часовой стрелки до упора. Установить стрелку прибора на максимальное деление шкалы, используя ручку "регулировка напряжения". Переключатель ПI установить в положение "измерение", после чего сдвинуть защитный колпачок с датчика и провести отсчет величины тока по шкале прибора. Фактическое значение температуры воздуха определяется по графику температурной градировочной зависимости и записывается в протокол отчета.
После проведенных измерений выключить вентилятор и термоанемометр из электросети. Ручки настройки прибора "напряжение" и "подогрев" повернуть против часовой стрелки до упора, а датчик убрать в футляр.
Измерение скорости движения воздуха кататермометром
2.2.10. Для определения скорости движения воздуха с помощью кататермометра необходимо погрузить шаровую часть прибора в водяную баню с температурой 60...80 °С и держать до того момента, пока спирт не поднимется по капилляру в верхнее расширение и не заполнит его примерно наполовину. После этого кататермометр тщательно вытирают и устанавливают в исследуемом месте. При помощи секундомера измеряют время охлаждения кататермометра с 40 °С до 33 °С. Опыт повторяют 3…5 раз, причем первое измерение не принимается во внимание. Время охлаждения заносится в табл.3 протокола данной работы.
Определение класса условий труда по показателям микроклимата и тяжести работы
2.2.11. Для оценки оптимального и нагревающего микроклимата в помещении по интегральному показателю WBGT-индексу необходимо:
а) Снять показания температуры tСУХ и tВЛ по психрометру Ассмана и температуру по радиационному цилиндрическому термометру. Результаты измерения внести табл.4 протокола;
б) Включить имитатор теплового излучения (электрообогреватель) на 15 мин. По истечении времени результаты внести в табл.4.
Протокол отчета по лабораторной работе №1
___________________________________________________________________
(название лабораторной работы)
Конечная цель ______________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Дата исследования и период года ______________________________________
I. Определение температуры, барометрического давления, абсолютной и относительной влажности воздуха в рабочей зоне.
T= °C Pa= мм.рт.ст.
Таблица 1
Наименование психрометра | Показания термометра | Абсолютная влажность PВЛ, Па | Относительная влажность j,% | ||
tСУХ | tВЛ | По таблице | По расчету | ||
Ассмана |
Расчеты абсолютной и относительной влажности воздуха.
II. Определение скорости воздушного потока крыльчатым анемометром типа АСО-3.
Таблица 2
№ п.п | Время измерения, с | Показания шкалы | Разность отсчетов, делений | Число делений за 1 с | Среднее число делений за 1с | U, м/с | |
До измер. | После измер. | ||||||
III. Определение скорости воздушного потока и температуры воздуха термоанемометром ЭА-2М.
Скорость воздушного потока I = мА U = м/с
Температура воздуха I = мА t = °C
IV. Определение скорости воздушного потока с помощью кататермометра.
Таблица 3
Фактор кататермометра, F | Время падения температуры по прибору от 44 до 33°С, с | Среднее значение времени падения,с | Скорость движения воздуха, м/с Формула (2) | |||
Т1 | Т2 | Т3 | Т4 | |||
- |
V. Определение показателя WBGT-индекса.
Таблица 4
Режим измерения | Показания приборов, °С | Температурный индекс WBGT | ||
Психрометр Ассмана | Радиационный термометр | |||
tСУХ | tВЛ | tР | ||
В помещении при отсутствии теплового излучения | ||||
В помещении при тепловом излучении |
VI. Оценка микроклимата в рабочей зоне помещения.
Таблица 5
Параметры микроклимата | |||||
Фактические | Нормативные (ГОСТ 12.1.005-88) | ||||
t, °C | j, % | U, м/с | t, °C | j, % | U, м/с |
Класс условий труда по показателю WBGT-индекса для производственного помещения и его характеристика по Р2.2.013-94 (для заданных категорий тяжести труда по варианту).
Выводы по VI разделу________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Рекомендации по нормализации микроклимата___________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Оценка по допуску_________________по зачету__________________________
Ф.И.О. студента и дата:_______________________________________________
Работу проверил преподаватель, дата:__________________________________
4. Методика обработки и анализа экспериментальных данных.
4.1. По результату измерений определить относительную влажность воздуха по номограмме (для психрометра Ассмана), а также рассчитать абсолютную влажность РАБ в Па по формуле:
(3)
где РВЛ – максимальная влажность при температуре влажного термометра, мм.рт.ст. (по таблице упругости водяных паров); a - психрометрический коэффициент зависящий от скорости воздуха около прибора (определяется по графику на лабораторном столе); tСУХ и tВЛ – показания сухого и влажного термометров, °С; Ра – атмосферное давление, мм.рт.ст.
4.2. Рассчитать относительную влажность воздуха j, % по формуле:
(4)
где РСУХ – максимальная влажность или упругость насыщенного пара при температуре сухого термометра, Па (значение РСУХ в мм.рт.ст. умножить на 133,322).
4.3. По результатам измерений на анемометре типа АСО-3 найти разности отсчетов в показаниях анемометра за время каждого опыта в отдельности, определить среднее из трех замеров число делений за 1секунду. По графику, прилагаемому к анемометру, найти скорость движения воздуха, м/с и результаты расчетов занести в протокол.
4.4. По результатам измерения табл.4 рассчитать WBGT-индекс по уравнениям:
(при отсутствии теплового излучения)
(при тепловом излучении)
4.5. Сравнить параметры микроклимата с нормативами ГОСТ 12.1.005-88 и Р2.2.013-94 и сделать вывод о соответствии (не соответствии). Выход значений микроклиматических факторов за пределы, установленные этими факторами, является недопустимым. Не допускается и усреднение результатов измерений за смену или сутки. При несоответствии параметров микроклимата ГОСТу 12.1.005-88 и Р2.2.013-94 необходимо установить причину зарегистрированных нарушений и предложить техническое решение по нормализации микроклиматических факторов. При снижении температуры воздуха меняют режим работы систем вентиляции, отопления, при повышении – используют кондиционеры, воздушное душирование и т.д.