Микроклиматические ФПС

Тема 7

Микроклиматические ФПС.

Они относятся к наиболее значительным физическим факторам, влияющим на здоровье и работоспособность человека в процессе труда. Почти 50% профзаболеваний связано с параметрами неблагоприятных условий микроклимата (перегревании, переохлаждении, загазованность, запылённость). Производительность труда при этом может снизиться на 40%.

Пример: Сколько может человек не есть? Больше месяца!

Сколько может обходиться без Н₂О? Около недели!

А сколько может жить без кислорода? Пять минут!

Вот какое значение имеет воздушная среда.

В металлургии преимущественно используются пирометаллургические методы (пур (греч.)-огонь) с высокими температурами до 2000°С, здесь распространены «горячие цеха». Создание оптимальных микроклиматических условий труда на металлургических производствах сопряжено с большими трудностями и имеет особое значение.

I. Характеристики.

Микроклимат – климат на рабочем месте в производственной среде.

Микроклиматическими факторами производственной среды являются:

- температура воздуха, t_в, °C;

- влажность воздуха, У_в, %;

- скорость движения воздуха, υ_в, м/с;

- температура поверхности машины, t_п.м., °C.

t_п.м. необходима для оценки лучистого и конвективного теплообмена, который характеризуется конвективным тепловым потоком – q_к, кВт и лучистым (радиационным) тепловым потоком – q_р, кВт.

При конвекции перенос тепла осуществляется воздушными потоками и он пропорционален разнице температур:

q_к = α·∆t = α·(t_п.м. - t_в) - закон Ньютона,

α – коэффициент теплопередачи.

При лучистом теплообмене пространственный перенос энергии осуществляется электромагнитным излучением в инфракрасной области спектра и он пропорционален абсолютной температуре в четвёртой степени:

q_p = σ·T⁴ - закон Стефана-Больцмана,

σ – постоянная Больцмана (индекс затемнённости поверхности тела).

Тепло, поступающее в рабочие помещения от оборудования, отопительных приборов, нагретых тел и других источников тепла и воздействующее на температуру воздуха помещения – называется явным теплом.

Согласно СН 245-71 производственные помещения в зависимости от тепловыделений подразделяются на «холодные » (Q_яв не превышает 23 Дж/м³·с = 82,8 кДж/м³·час) и «горячие цехи », в которых величина явных тепловыделений больше.

Тело, испускающее излучение, называется излучателем, оно характеризуется спектральными и энергетическими параметрами.

К спектральным относятся:

λ, мкм – длина волны электромагнитных колебаний;

спектр излучений в инфракрасном диапазоне λ от 0,76 до 10⁴ мкм.

К энергетическим относятся:

F, кВт – лучистый поток,

W, кДж – энергия излучения,

Е, кВт/м² – поверхностная плотность излучения (или облучённость).

Излучение достигающее какой-либо поверхности, называется падающим, а сама поверхность – облучаемой.

II. Источники.

Все тела металлургического производства с температурой поверхности от +50°С до +2000°С – излучатели инфракрасного (теплового) излучения, спектральный состав которых изменяется в зависимости от температуры.

При температуре тел меньше +300°С преобладает конвекция, при температуре выше +300°С преобладает радиация.

q_к (конвекция) < t_п.м. = +300°С < q_p (радиация)

Пример: Человек является приёмником излучения, его эффективная внешняя поверхность тела составляет 1,8 м² (50-80% от геометрической поверхности) – является облучаемой поверхностью.

Так как источников тепла может быть множество, и не целесообразно их перечислять, постараемся выявить общие закономерности в системе «ЧМ» при поступлении тепла.

Посмотрим, чем отличается радиация от конвекции?

Таблица 1.

Контактная передача происходит следующим образом – воздух внутри помещения, соприкасаясь с горячими поверхностями излучателей, поднимается вверх, а его место занимает более тяжёлый холодный воздух, который в свою очередь нагревается и поднимается вверх. В результате возникают тепловые потоки, которые обогревают помещения не только в месте излучения тепла, но и более отдалённые участки.

Источниками электромагнитных колебаний являются нагретые тела с температурой выше 300°С. Электромагнитные излучения со скоростью света переносят лучистую энергию, которая попадая на тело, нагревает его. Это важная особенность. В этом случае человек должен иметь защиту иную, чем при контактной передаче энергии.

Различается функциональная зависимость у радиационной энергии, она значительно сильнее зависит от колебаний температуры (∆t и T⁴).

Инженерные расчёты достаточно сложные, их можно посмотреть в соответствующей литературе.

III. Действие на человека.

Таблица 2.

Все биологически жизненные процессы в человеческом организме, как теплокровном (гомойотермном) существе протекают при температуре от +35°С до +41°С.

Пример: нормальная температура внутренних органов («ядра»), например, мозга, сохраняется на уровне +37±0,5°С, за пределами которого человек становится больным и не работоспособным. Нормальное тепловое состояние человека саморегулируется рефлекторным аппаратом терморегуляции организма, но его возможности не беспредельны.

Пример: Зарегистрированные крайние значения температуры климатической среды составляют: максимальные +58°С в Африке (Триполи), минимальные -88°С на Заполярном круге (Антарктида).

Диапазон экстремальных температур, с которыми встречается человек на производстве, ещё шире: от +300°С (при ремонте печи) до -270°С (в криогенном производстве).

Вопрос защиты человека в техносфере значительно сложнее. Нужно ещё учитывать тепло, которое выделяется при механической работе, его нужно отводить, иначе будет перегрев.

Пример: Пр. с костюмами химзащиты в Иране.

Пример: Организм человека отдаёт тепло во внешнюю среду: конвекцией – 30%, излучением – 45%, потом – 20%, дыханием – 5%.

(5-7 л. воды у металлурга, но 10 л. у космонавта Леонова в скафандре).

Посмотрим, как долго может находиться человек в воздушной среде, одетый в лёгкую одежду.

Терморегуляционные возможности человека ограничены, поэтому помимо СИЗ, зимней одежды, нужно применять инженерные средства БЖД. Нужно учитывать также категорию тяжести физической работы.

IV. Нормирование.

Параметры микроклимата достаточно подробно изучены, легко определяются экспериментально, поддаются прямому и косвенному расчёту и регулированию. Нормирование сводится к решению трёх этапов. Первый этап решения задачи сводится к определению оптимальных, допустимых и переносимых параметров теплового микроклимата для типовых условий работы (в СНиПах). Также нормируются другие параметры (У_в, υ_в), но мы более подробно останавливаемся на температурных параметрах, чтобы лучше понять механизм. Второй этап нормирования – определение действительных, конкретных параметров на рабочем месте. Третий этап – приведение в соответствие с помощью инженерных методов реальных параметров к параметрам, требуемых нормативно-технической документации. Оптимальные и допустимые параметры микроклимата рабочей среды связаны с энергозатратами, величина которых разграничивает различные категории тяжести физической работы. Указанная взаимосвязь положена в основу нормирования параметров микроклимата в ССБТ (ГОСТ 12.1.005-88)(Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны).

Таблица 3.

(ГОСТ 12.1.005-88)

В металлургии работа преимущественно относится к III категории тяжести (высокие температуры, большие энергозатраты, тяжёлая физическая работа). Нужна какая-то инженерная компенсация для получения оптимальных параметров микроклимата. Это и есть нормирование.

V. Защита.

Защита от тепловых излучений должна учитывать специфику, место, роль, взаимосвязь всех элементов системы «человек-машина-система», пространственные размеры защищаемого объекта, механизм теплообменных процессов.

Средства промышленной теплозащиты относятся к трём группам решаемых задач:

1. Оптимизация радиационного и конвективного теплообменов;

2. Снижение радиации и конвективных потоков в системе ЧМС;

3. Нормализация параметров микроклимата на рабочем месте.

Защита от излучения может быть пассивной и активной. Активная предусматривает воздействие на источник неблагоприятного фактора. Пассивная защита – защита на пути распространения его. Активная защита от высокотемпературных источников тепловыделений сталкивается с принципиальными трудностями замены горячей обработки металлов на холодную, что не всегда возможно для современной пирометаллургической технологии. Поэтому промышленная теплозащита строится главным образом на пассивной защите.

Классификация системы промышленной теплозащиты основана на использовании общей защиты при сложных радиационно-конвективных теплообменных процессах и частной защиты при преобладании радиационного или конвективного теплообмена.

Общая защита включает следующие инженерные методы:

- механизация труда;

- дистанционное управление и наблюдение;

- АСУТП (автоматическая система управления технологическим процессом).

Частная защита при лучистом теплообмене:

- теплоизоляция;

- экранирование;

- радиационное охлаждение.

Частная защита при конвективном теплообмене:

- теплоизоляция;

- вентиляция (искусственная и естественная);

- воздушное душирование;

- распыление воды;

- кондиционирование.

Целесообразность выбора того или иного инженерного средства определяется рекомендациями НТД (ГОСТ, СНиП, СН).

Более подробная защита освещена в соответствующей литературе, справочниках.