Эта статья была опубликована в сборнике научных трудов "Актуальные проблемы современной науки" c материалами Восьмой Международной Телеконференции (28 - 31 мая 2012 года).

Расширение сфер влияния человека на окружающую среду актуализирует создание безопасных условий труда и защиты работника от нагретых поверхностей. Кроме того, востребованным направлением обеспечения безопасности человека является постоянное совершенствование средств индивидуальной защиты от теплового излучения. Постоянно растет количество инновационных материалов, позиционирующихся как защитные. При этом системных исследований по изучению теплозащитных характеристик инновационных материалов в сравнении со стандартными экранами нам не встретилось.

Цель исследования − оценить эффективность защиты от теплового излучения с помощью экранов из инновационных материалов, сравнить полученные данные со стандартными экранирующими материалами для совершенствования механизмов индивидуальной защиты человека от нагревающих поверхностей.

Известно, что лучистый теплообмен между телами представляет собой процесс распространения тепловой энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра. Длина волны видимого излучения - от 0,38 до 0,77 мкм, инфракрасного − от 0,77 до 1000 мкм. Такое излучение называется тепловым. С учетом особенности биологического действия по длинам волн ИК-излучения делятся на области: коротковолновую, с λ = 0,76 – 15 мкм, средневолновую, с λ = 16-100 мкм, длинноволновую, с λ > 100 мкм.

Производственные источники лучистого тепла по характеру излучения можно разделить на 4 группы:

• Источники с температурой поверхности до 500°С. Их спектр содержит исключительно длинные инфракрасные лучи с длиной волны l=3,7¸9,3мкм.
• Поверхности с температурой t=500¸1200°С. Их спектр содержит преимущественно длинные инфракрасные лучи, но появляются и видимые лучи.
• Поверхности с t=1200¸1800°С. Их спектр - ИК лучи вплоть до наиболее коротких, а также видимые, которые могут достигать высокой яркости.
• Источники с t>1800°С. Их спектр излучения содержит наряду с ИК и световыми лучами ультрафиолетовые лучи.

Воздух прозрачен (диатермичен) для теплового излучения, поэтому температура воздуха не повышается при прохождении через него лучистого тепла. Тепловые лучи поглощаются предметами, нагревают их и они становятся излучателями тепла. Воздух, соприкасаясь с нагретыми телами, также нагревается и температура воздушной среды в производственных помещениях возрастает. Все это в значительной степени ухудшает экологию работающего человека.

ИК-излучение, помимо усиления теплового воздействия окружающей среды на организм человека, обладает специфическим влиянием. С гигиенической точки зрения важной особенностью ИК-излучения является его способность проникать в живую ткань на разную глубину. Лучи длинноволнового диапазона (от 3 мкм до 1 мм) задерживаются в поверхностных слоях кожи уже на глубине 0,1 − 0,2 мм. Поэтому их физиологическое воздействие на организм проявляется, главным образом, в повышении температуры кожи и перегреве организма. Наибольшее воздействие на организм человека оказывает излучение коротковолнового диапазона (от 0,77 до 1,4 мкм), так как оно обладает наибольшей энергией фотонов и способно глубоко проникать в ткани организма и интенсивно поглощаться водой, содержащейся в тканях. В практических условиях тепловое излучение является интегральным, так как нагретые тела излучают одновременно в широком диапазоне длин волн.

Под действием высоких температур и теплового облучения людей происходят резкое нарушение теплового баланса в организме, биохи­мические сдвиги, появляются нарушения сердечно-сосудистой и нерв­ной систем, усиливается потоотделение, происходит потеря нужных организму солей, нарушение зрения. Все эти изменения могут про­явиться в виде судорожной болезни, вызванной нарушением водно-солевого баланса, перегревания (тепловая гипертермия), теплового удара (возникают в результате проникновения коротковолнового ин­фракрасного излучения (до 1,5 мкм) через покровы черепа в мягкие ткани головного мозга), катаракты (помутнение хрусталика, возни­кающее при длительном воздействии инфракрасных лучей с λ = 0,78-1,8 мкм).

Одним из самых распространенных способов борьбы с тепловым излучением является экранирование излучающих поверхностей. Различают экраны трех типов: непрозрачные, прозрачные и полупрозрачные. В непрозрачных экранах энергия электромагнитных колебаний взаимодействует с веществом экрана и превращается в тепловую энергию. Поглощая излучение, экран нагревается и, как всякое нагретое тело, становится источником теплового излучения. При этом излучение поверхностью экрана, противолежащей экранируемому источнику, условно рассматривается как пропущенное излучение источника. К непрозрачным экранам относятся, например, металлические (в т.ч. алюминиевые), альфолевые (алюминиевая фольга), футерованные (пенобетон, пеностекло, керамзит, пемза), асбестовые и др. В прозрачных экранах излучение, взаимодействуя с веществом экрана, минует стадию превращения   в   тепловую   энергию   и   распространяется   внутри   экрана   по   законам геометрической оптики, что и обеспечивает видимость через экран. Так ведут себя экраны, выполненные из различных стекол: силикатного, кварцевого, органического, металлизированного, а также пленочные водяные завесы (свободные и стекающие по стеклу), вододисперсные завесы. Полупрозрачные экраны объединяют в себе свойства прозрачных и непрозрачных экранов. К ним относятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из стекла, армированного металлической сеткой.

По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Однако это деление достаточно условно, так как каждый экран обладает одновременно способностью отражать, поглощать и отводить тепло. Отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая его способность выражена сильнее.

Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхностей, вследствие чего они значительную часть падающей на них лучистой энергии отражают в обратном направлении. В качестве теплоотражающих материалов в конструкции экранов широко используют альфоль, листовой алюминий, оцинкованную сталь, алюминиевую краску.

Теплопоглощающими называют экраны, выполненные из материалов с высоким термическим сопротивлением (малым коэффициентом теплопроводности). В качестве теплопоглощающих материалов применяют огнеупорный и теплоизоляционный кирпич, асбест, шлаковату.

В качестве теплоотводящих экранов наиболее широко используются водяные завесы, свободно падающие в виде пленки, орошающие другую экранирующую поверхность (например, металлическую), либо заключенные в специальный кожух из стекла (акварильные экраны), металла (змеевики) и др.

Для решения поставленной цели применены инновационные материалы, созданные в ИГХТУ совместно с ИГТА, где разработана принципиально новая технология обработки тканей на основе ионно-плазменного воздействия, позволяющая наносить на поверхность ткани и каждое волокно в отдельности металлы и их сплавы с высокой степенью адгезии. Опытные образцы различных видов тканей с нанесенными пленками алюминия в количестве 4 образцов были использованы в эксперименте по изучению специальных экранирующих свойств.

В качестве метода использован стандартный лабораторный стенд для изучения механизмов защиты от теплового излучения. Стенд представляет собой стол со столешницей 1, на которой размещаются бытовой электрокамин 2, индикаторный блок 3, линейка 4, стойки 5 для установки сменных экранов 6, стойка 9 для установки измерительной головки 7 измерителя тепловых потоков, вентилятора  8, водяного насоса 14, душ 10, емкость с водой 11.

Сменные экраны 6 имеют одинаковый размер, что позволяет поочередно устанавливать их между стойками 5. Металлические экраны выполнены в виде листов металла с направляющими. Для стандартизации эксперимента был выполнен аналогичный экран с возможностью крепления в нем образцов тканей. Экраны с цепями и брезентом выполнены в виде металлических рамок, в которых закреплены стальные цепи или брезент.

На левой боковой поверхности стола расположены выключатели, которые позволяют подключать к сети переменного тока электрокамин 2, вентилятор 8, измеритель теплового потока ИПП-2М и водяную помпу 14.

Для крепления новых материалов была изготовлена рамка из аналогичных стандартным материала. Серия измерений включала 5 точек на каждом расстоянии, шаг которого составил 2 см (максимальное расстояние от экрана 42 см, минимальное - 0 см). Перед началом исследования экран нагревался 5 минут. Полученные результаты измерений представлены на диаграмме1.

 Рис.1. Гистограмма распределения плотности теплового потока (сс – ткань светлой, металлизированной  стороной к излучателю, тс – темной стороной к излучателю)

Для наглядной демонстрации экранирующих свойств представленных образцов взяты два крайних случая: вплотную к экрану и на максимальном расстоянии (42 см). Характеристики материала в первом случае показывают возможность применения его непосредственно для защиты человека, например, в качестве термозащитного костюма, во втором случае – для экранирования источника излучения, например, нагретого оборудования.

Убедительно продемонстрировано, что наилучшие экранирующие свойства при измерениях вплотную к экрану показал образец №1 светлой стороной к источнику, при работах в удалении от экранируемого источника предпочтительнее использовать экраны №2 и №1 тёмной стороной. В общем случае, защитные харак­теристики первого образца намного выше, чем у конкурентов, сопоставимы с алюминиевой пластиной, и возможно его применение в качестве универсального защитного материала от теплового излучения.

Сравнение инновационных образцов с уже известными материалами: металл, брезент, стекло показало, что теплозащитные характеристики при экранировании у чёрного металла и брезента значительно выше, чем у выбранного нами образца №1. При этом следует учитывать, что применение металла в качестве экранов возможно только в стационарном варианте, а брезент под воздействием высоких температур недолговечен и быстро потеряет свои потребительские и теплозащитные свойства. В случае с минимальным расстоянием защитные показатели материала образца №1 намного выше, чем у конкурентов.

Таким образом, представленные образцы инновационных материалов продемонстрировали хорошие экранирующие свойства, при этом образец №1 светлой (металлизированной) стороной к источнику излучения наиболее универсален.

Библиографический список:

1.Королева С.В., Веселов В.В., Горберг Б.Л. Нанотехнологии в арсенале спецподразде­лений // Материалы Международной научно-тех­нической конференции «Со­временные наукоемкие инно­вационные технологии разви­тия промышленности региона (ЛЕН – 2008). − Кострома: КГТУ, 2008. − С. 84 − 85.

2. Горберг Б.Л., Веселов В.В., Белова И.Ю., Васильев Д.М., Королева С.В. Материал, отражающий инфракрасное излучение / Патент на изобретение № 2403328 по заявке №2009117931/12 (024691), приоритет от 12.05.2009, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10.10.2010 г.

3. http:// www. printsip. Ru /cgi/ index/Biblioteka/Stati_o_priborah/ izm_okr_ sredy/ izmerenie_plotnosti_ potokov·

4.ГОСТ 25380-82. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции.