Расчет технических средств защиты от тепловых излучений

Наиболее распространёнными методами защиты от тепловых лучей (ИК) являются: теплоизоляция (рис. 5.10); экранирование (рис. 5.11); воздушное ду-

ширование.

Экраны для защиты от тепловых излучений могут быть изготовлены из листового алюминия, белой жести, алюминиевой фольги (альфоля), асбестовых щитов, огнеупорного кирпича или могут представлять собой сварные конст­рукции, охлаждаемые водой.

Виды теплоизоляции

V

V

мастичная

оберточная

записная

Из штучных изделий

Рис. 5.10. Виды теплоизоляции

Рис. 5.11. Классификация экранов [28]

Защита от ионизирующих излучений осуществляется в основном экрани­рованием. Применяется также «защита временем» (ограничение времени рабо­ты с радиоактивными излучениями) и «защита расстоянием» (удаление рабоче­го места от источника радиоактивных излучений).

Эффективность экранирования определяется из выражения (дБ)

(5.9)

где Е1 - интенсивность облучения без экрана, Вт/м;

2- интенсивность облучения с экраном. Заданное снижение температуры ju рассчитывается по формуле

ц = Т_и/Т_э,

где Т_и - температура источника, ° С;

₃ - температура экрана, ° С. Температура экрана определяете» из выражения

(5.10)

,

(5.11)

где t_в - температура внутри помещения, °С;

а -коэффициент теплопоглощения;

Е₂- интенсивность облучения с экраном, Вт/м²;

а2 - удельная теплоотдача, Вт/м2 °С.

Интенсивность облучения с экраном можно рассчитать по формуле

Е₂-=Е₁-е^б-^е (5.12)

где 5 - коэффициент ослабления (для воды 5 = 1,3);

l -толщина экрана, м;

Е1- интенсивность источника, Вт/м2.

Пример 5.2. Определить эффективность экранирования поста управления завалочной машины напольного типа для мартеновской печи, если известна ин­тенсивность теплового облучения без защитного экрана Я/= 360 Вт/м2 и интен­сивность облучения с экраном Е, = 29Вт/м².

Решение. Определим интенсивность экранирования из выражения (5.9):

g

E₂ 29

Вывод. Интенсивность экранирования 11 дБ

Пример 5.3. Определить интенсивность облучения рабочего при исполь­зовании защитного экрана, охлаждаемого водой. Толщина экрана 0,05 м, интен­сивность облучения без экрана 355 Вт/м².

Решение. Интенсивность облучения с экраном можно рассчитаем по фор­муле (5.12)

Е₇ =Е, -е-^бе =355-<Г^и-°'⁰⁵ =355 ¹—- = 33\Вт/м²

2 1 ⁰⁰⁶⁵

Вывод. Интенсивность облучения с экраном составит

Интенсивность излучения источника (Вт/м) рассчитывается по формуле

= s-C

Т

100

где s - степень черноты полного излучения материала (табл. 5.3};

С0 - коэффициент излучения, (С0 = 4,5 - металл; С0 = 5,3 - огнеупорный ма­териал; С0 = 5,67 -абсолютно черное тело), Вт/(м².К⁴); Т- температура излучае­мого тела, °К.

Таблица 5.3 - Степень черноты полного излучения

Интенсивность облучения от нагретой поверхности в зависимости от рас­стояния определяется по формулам [30].

f-T-f

0,91-

ООП

100 д

ТдУ

(5.14)

г <

(5.15)

где r - расстояние от источника облучения до рабочего места, м;

F - площадь издучаемой поверхности, м; T- температура излучаемой по­верхности. К; Тдоп - допускаемая температура на поверхности оборудования, Тд_о„ < 318°К.

Количество теплоты, отдаваемой единицей поверхности в единицу време­ни в окружающую среду, определяется по формуле

g = <*(**-О

где а-суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К); t_из- температура на изолированной поверхности, °С; t_в- температура воздуха в помещении, °С. Суммарный коэффициент теплоотдачи определяют из выражения

(5.16)

a_л

(5.17)

где а_к Вт/(м²-К);

- коэффициент теплоотдачи от изолированной стенки к воздуху,

а_л - коэффициент теплоотдачи от изолированной стенки к воздуху путем лучеиспускания, Вт/(м2 -К).

Коэффициент а_л рассчитывают по формуле

а. =

Г -г.

(5.18)

где С0 - коэффициент, излучения, абсолютно черного тела,. Вт/(м -К);^;

С0 = 5,7

s -степень черноты тела;

Т_вн - температуравнутри аппарата, °К; Т_вн = 273 + t_вн,

где t_вн -температура внутри аппарата, °С;

Т_из - температура надаолиррванной поверхности, °К; Т_из = 273 + t_из,

где t_m - температура на изолированной поверхности, °С, (не более 45 °С).

Коэффициент а_к рассчитывают по формуле

а_к =

N-X

L

где N_u - критерий Нуссельта;

Я- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м²-°С (табл. 5.4); L - характерный размер тела (цилиндр - диаметр, горизонтальный па­раллелепипед - ширина, вертикальный параллелепипед - высота).

Таблица 5.4 - Коэффициенты теплопроводности, кинематической вязкости и критерий Прандтля

Критерий Нуссельта определяют по формуле

N_u=c{G_r-P_r)^h

где с и h. - эмпирические коэффициенты, выбираются по табл. 5.5; G_r - критерий Грасгофта;

Р_r - критерий Прандтля, приведен в табл. 5.4. Таблица 5.5-Значениекоэффициентов c и h для воздуха (5.20)

Критерий Грасгофта определяют по: формуле

v

где р - коэффициент объемного расширения, °С;

(5.21)

273 + t

t_в - температура воздуха в помещении, °С; g - ускорение свободного падения, м/с² (g=9,81 м/с²);

v - коэффициент кинематической вязкости, м /(с-10-⁶), выбираемый по табл.5.3.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формулам

К =

¹ _|

а

изол

5.22)

где а - суммарный коэффициент теплоотдачи, (м2. 0С) 5_ст,5_изол - толщина изолируемой стенки и изоляционного материала, м; К_тЛ_изол- коэффициент теплопроводности стенки и материала, Вт/(м. °С), выби­раем по табл. 5.6. в зависимости от температуры.

Таблица 5.6 - Коэффициенты теплопроводности материалов

к =

(5.23)

где q - количество теплоты, отдаваемой единицей поверхности тела в еди­ницу времени, Вт/м²;

t_вн - температура внутри аппарата, °С;

U - температура воздуха в помещении, °С.

Толщину изоляции можно определить, преобразовав выражение (5.22), по формуле

изол

= Я,

К а Л_ст

(5.24)

Пример 5.4. Рассчитать толщину теплоизоляции вакуум-аппарата, изго­товленного из стали. Толщина стенки 10 мм. Температура среды в аппарате 118°С. В соответствии с санитарными нормами температура воздуха в помеще­нии не должна превышать 23 С, а температура на поверхности изоляции долж­на быть не более 45°С. В качестве теплоизоляции используется войлок шерстя­ной. Характерным размером цилиндрического аппарата является его диаметр, равный 1,5 м.

Решение. Рассчитаем коэффициент теплопередачи от изолируемой стенки к воздуху путем лучеиспускания по формуле (5.18), приняв коэффициент излу-чения абсолютно черного тела равным С„ =5,7 Вт/(м К); степень черноты тела для стали е = 0,61 (табл. 5.3)

л

С_о-8

Т -Т.

V

100 J

(273+ 118)-(273+ 45)

= 6,096

Определим по формуле (5.21) критерий Грасгофта, приняв за характерный размер тела диаметр аппарата L =1, 5 м

1 _ 1,5³

-(45-23) = 0,104-10

■9,81-

273 + 23 (15,3-10"

Критерий Прандтля для температуры 23° выберем из табл. 5.4: Р_г = 0,702. Произведение: G_r ■ P_r = 0,104 • ю¹¹ • 0,702 = 0,73 • 10¹⁰

Определим критерий Нуссельта по формуле (5.20), выбрав значения коэф­фициентов с и А для воздуха по табл. 5.5

N_u =c(G_r-P_r)^h =0,135(0,73-10¹⁰)з =262,4

Определим коэффициент теплопередачи от изолированной стенки к возду­ху путем конвекции по формуле (5.19), выбрав по табл. 5.4 коэффициент теп­лопроводности Л =0,0259

N_u -Л 262,4-0,0259 _{и g}

,40,

L 1,5

Рассчитаем суммарный коэффициент теплоотдачи по формуле (5.17)

а =а_к+а_л = 6,0096 + 4,5 = 10,59

Определим количество теплоты, отдаваемой единицей поверхности тела в
единицу времени по формуле (5.16);

Определим коэффициент теплопередачи по формуле (5.23)

t_m-t_U3 118-23

Определим толщину теплоизоляции аппарата (м) по формуле (5.24), вы­брав по табл. 5:6 коэффициенты теплопроводности стенки (сталь) и ц,_а ^АРиала изоляции (войлок) Л_ст,Л_изол,Вт/(м°с)

изол изол

л а Я

2,43 10,59 45,4

ству