Курс лекций по предмету "Безопасность жизнедеятельности"

                                        Q _к = αS(T – T_В),                                           (4.1)

где α – коэффициент  конвекции, Вт/(м² · град);  S – площадь теплопередачи, м³;

     T  и T_В – температура источника и окружающего воздуха, K.

Источником теплового излучения как в производственных условиях, так и при экстремальных воздействиях является расплавленный или нагретый металл, открытое пламя, нагретые поверхности оборудования. Количество тепла, переданного посредством излучения (Q _и , Дж) от более нагретого тела с температурой T ₁ K к менее нагретому телу с температурой T ₂ K,  определяется по уравнению Стефана – Больцмана:

        Q _и = C _пр ε F ₁ ψ_{1 – 2}  {( T ₁ / 100 ⁴) – (T ₂ / 100 ⁴)},                    (4.2)

где C _пр – приведенный коэффициент излучения, Вт/(м² · К⁴); ε – степень черноты окружающих предметов; F ₁ – площадь поверхности, излучающий лучистый поток, м²;     ψ_{1 – 2} – коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей F ₁ и F ₂  и показывающий долю лучистого потока, приходящегося на поверхность F ₂ от всего потока, излучаемого поверхностью F ₁ ; T ₁ – средняя температура поверхности тела и одежды человека, К; T ₁ – средняя температура окружающих поверхностей, К,

при значениях параметров, приведенных ниже (см. раздел 12).                                 

  Человек в процессе  труда постоянно находится в  состоянии теплового взаимодействия  с окружающей средой. Для нормального  протекания физиологических процессов  в организме человека требуется  поддержание практически постоянной температуры его внутренних органов (приблизительно 36,6°С). Способность человеческого организма к поддержанию постоянной температуры носит название терморегуляции. Терморегуляция достигается отводом выделяемого организмом тепла в процессе жизнедеятельности в окружающее пространство.

Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени  его физического напряжения и  параметров микроклимата в производственном помещении и составляет в состоянии  покоя 85 Вт, возрастая до 500 Вт при тяжелой физической работе.

Теплопередача от организма  человека в окружающую среду происходит следующими путями: в результате теплопроводности через одежду (Q _т); конвекции тела (Q _к); излучения на окружающие поверхности (Q _и); испарения влаги с поверхности кожи (Q _исп); за счет нагрева выдыхаемого воздуха (Q _вв), то есть:

                            Q _общ = Q _т + Q _к + Q _и + Q _исп + Q _вв .                                (4.3)

Уравнение (4.3) есть уравнение теплового баланса. Вклад перечисленных выше путей передачи тепла непостоянен и зависит от параметров микроклимата в производственном помещении, а также от температуры окружающих человека поверхностей (стен, потолка, оборудования и др.). Если температура этих поверхностей ниже температуры человеческого тела, то теплообмен излучением идет от организма человека к холодным поверхностям. В противном случае теплообмен осуществляется в обратном направлении – от нагретых поверхностей к человеку. Теплоотдача конвекцией зависит от температуры воздуха в помещении и скорости его движения на рабочем месте, а отдача теплоты путем испарения - от относительной влажности и скорости движения воздуха. Основную долю в процессе отвода тепла от организма человека (порядка 90% общего количества тепла) вносят излучение, конвекция и испарение.

Нормальное тепловое самочувствие человека при выполнении им работы любой категории тяжести  достигается при соблюдении теплового  баланса, уравнение которого приведено  выше. Рассмотрим, как влияют основные параметры микроклимата на теплоотдачу от организма человека в окружающую среду.

Влияние температуры  окружающего воздуха на человеческий организм связано в первую очередь  с сужением или расширением кровеносных  сосудов кожи. Под действием низких температур воздуха кровеносные  сосуды кожи сужаются, в результате чего замедляется поток крови к поверхности тела и снижается теплоотдача от поверхности тела за счет конвекции и излучения. При высоких температурах окружающего воздуха наблюдается обратная картина: за счет расширения кровеносных сосудов кожи и увеличения притока крови существенно увеличивается теплоотдача в окружающую среду.

Повышенная влажность (φ > 85%) затрудняет теплообмен между  организмом человека и внешней средой вследствие уменьшения испарения влаги  с поверхности кожи, а низкая влажность (φ < 20%) приводит к пересыханию слизистых оболочек дыхательных путей. Движение воздуха в производственном помещении улучшает теплообмен между телом человека и внешней средой, но излишняя скорость движения воздуха (сквозняки) повышает вероятность возникновения простудных заболеваний.

Постоянное отклонение от нормальных параметров микроклимата приводит к перегреву или переохлаждению человеческого организма и связанным  с ними негативным последствиям: при  перегреве - к обильному потоотделению, учащению пульса и дыхания, резкой слабости, головокружению, появлению судорог, а в тяжелых случаях - возникновению теплового удара. При переохлаждении возникают простудные заболевания, хронические воспаления суставов, мышц и др.

Температура тела человека характеризует процесс терморегуляции организма. Она зависит от скорости потери теплоты, которая, в свою очередь, зависит от температуры и влажности воздуха, скорости его движения, наличия тепловых излучений и теплозащитных свойств одежды. Выполнение работ средней тяжести и тяжелых (категорий IIб и III) сопровождается повышением температуры тела на 0,3...0,5 °С. При повышении температуры тела на 1 °С начинает ухудшаться самочувствие, появляются вялость, раздражительность, учащаются пульс и дыхание, снижается внимательность, растет вероятность несчастных случаев. При температуре 39 °С человек может упасть в обморок.

Температура кожного покрова человека, находящегося в состоянии покоя  в комфортных условиях, находится  в пределах 32...34 °С. С повышением температуры воздуха она также растет до 35 °С, после чего возникает потоотделение, ограничивающее дальнейшее увеличение температуры кожи, хотя в отдельных случаях (особенно при высокой влажности воздуха) она может достигать 36...37 "С. Установлено, что при разности температур на центральных и периферических участках поверхности тела менее 1,8 °С человек ощущает жару; 3...5 °С — комфорт; более 6 °С — холод. При увеличении температуры воздуха также уменьшается разница между температурой кожи на открытых и закрытых участках тела.

Теплоощущения человека чаще всего  оценивают по пяти- или семибалльной шкале: по  пятибалльной — «холодно», «прохладно», «комфорт», «тепло», «жарко»;

по семибалльной — «очень холодно», «холодно», «прохладно», «комфорт», «тепло», «жарко», «очень жарко».

Эти ощущения человека зависят  также от термического сопротивления R_Т, его одежды, представляющего собой отношение толщины слоя одежды (толщина хлопковых тканей колеблется в пределах 0,10...0,22 мм, а шелковых — 0,043...0,07 мм) к коэффициенту теплопроводности материала l, из которого она сделана. Для натурального шелка l = 0,043...0,053 Вт/(м · К), шерстяной ткани — 0,052, льняной ткани — 0,088, кожи — 0,15, для капрона l = 0,24 Вт//(м · К).

Для исключения перечисленных  выше негативных последствий необходимо правильно выбирать параметры микроклимата в производственных помещениях.

4.2. Оптимальные и допустимые микроклиматические условия

Факторы, влияющие на микроклимат, можно  разделить на две группы: нерегулируемые (комплекс климатообразующих факторов данной местности) и регулируемые (особенности и качество строительства зданий и сооружений, интенсивность теплового излучения от нагревательных приборов, кратность воздухообмена, количество людей в помещении и др.). Для поддержания параметров воздушной среды рабочих зон в пределах гигиенических норм решающее значение принадлежит факторам второй группы.

В ГОСТ 12.1.005 установлены оптимальные и допустимые микроклиматические условия. При длительном и систематическом пребывании человека в оптимальных микроклиматических условиях сохраняется нормальное функциональное и тепловое состояние организма без напряжения механизмов терморегуляции. При этом ощущается тепловой комфорт (состояние удовлетворения внешней средой), обеспечивается высокий уровень работоспособности. Такие условия предпочтительны на рабочих местах.

Допустимые микроклиматические условия при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма и напряжение механизмов терморегуляции, не выходящие за пределы физиологических приспособительных возможностей. При этом не нарушается состояние здоровья, но возможны дискомфортные теплоощущения, ухудшение самочувствия и снижение работоспособности.

В соответствии с этим ГОСТом различают холодный и переходный периоды года (со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +10°С), а также теплый период года (с температурой + 10°С и выше). Все категории выполняемых работ подразделяются на: легкие (энергозатраты до 172 Вт), средней тяжести (энергозатраты до 172-293 Вт) и тяжелые (энергозатраты более 293 Вт). По количеству избыточного тепла все производственные помещения делятся на помещения с незначительными избытками явной теплоты (Q < 23,2Дж/м3-с) и помещения со значительным избытком явной теплоты (Q > 23,2Дж/м3-с). Производственные помещения с незначительными избытками явной теплоты относятся к "холодным цехам", а со значительными - к "горячим". При постоянном тепловом облучении человеческого организма наступают нарушения в деятельности его основных систем и в первую очередь сердечно-сосудистой и нервной систем. Предельно допустимый уровень (нормируемое значение) интенсивности теплового излучения при облучении поверхности тела: 50% и более - 35,0 Вт/м²; от 25 до 50% - 70,0 Вт/м²; не более 25% - 100 Вт/м².

В качестве примера определим  оптимальные и допустимые параметры  микроклимата на постоянных рабочих  местах исходя из следующих показателей: категория работ - тяжелая, период года - холодный, помещения - с незначительным избытком явной теплоты. Явная теплота - это теплота, поступающая в производственное помещение от оборудования, отопительных приборов, солнечного нагрева, людей и других источников воздействия на температуру воздуха в этом помещении, Таблица 4.1.

По ГОСТу 12.1.005 находим  следующие параметры микроклимата:

Таблица 4.1.

4.3. Поддержание нормальных параметров микроклимата

Для поддержания нормальных параметров микроклимата в рабочей  зоне применяют следующие основные мероприятия: механизацию и автоматизацию технологических процессов, защиту от источников теплового излучения, устройство систем вентиляции, кондиционирования воздуха и отопления.

Кроме того, важное значение имеет правильная организация труда  и отдыха работников, выполняющих трудоемкие работы или работы в горячих цехах. Для этих категорий работников устраивают специальные места отдыха в помещениях с нормальной температурой, оснащенных системой вентиляции и снабжения питьевой водой.

Рассмотрим более подробно перечисленные мероприятия. Механизация и автоматизация производственного процесса позволяют либо резко снизить трудовую нагрузку на работающих (массу поднимаемого и перемещаемого вручную груза, расстояние перемещения груза, уменьшить переходы, обусловленные технологическим процессом, и др.), либо вовсе убрать человека из производственной среды, переложив его трудовые функции на автоматизированные машины и оборудование. Однако автоматизация технологических процессов требует значительных экономических затрат, что затрудняет внедрение указанных мероприятий в производственную практику.

Для защиты от теплового  излучения используют различные  теплоизолирующие материалы, устраивают теплозащитные экраны и специальные  системы вентиляции (воздушное душирование). Перечисленные выше средства защиты носят обобщающее понятие теплозащитных средств. Теплозащитные средства должны обеспечивать тепловую облученность на рабочих местах не более 350 Вт/м² и температуру поверхности оборудования не выше 35°С при температуре внутри источника тепла до 100°С и не выше 45°С - при температуре внутри источника тепла выше 100°С.

Основным показателем, характеризующим эффективность  теплоизоляционных материалов, является низкий коэффициент теплопроводности, который составляет для большинства из них   0,025…0,2 Вт/м·К.

Для теплоизоляции используют различные материалы, например, асбестовую ткань и картон, специальные бетон  и кирпич, минеральную и шлаковую вату, стеклоткань, углеродный войлок и др. Так, в качестве теплоизоляционных  материалов для трубопроводов пара и горячей воды, а также для трубопроводов холодоснабжения, используемых в промышленных холодильниках, могут быть использованы материалы из минеральной ваты.

Теплозащитные экраны используют для локализации источников теплового  излучения, снижения облученности на рабочих местах, а также для снижения температуры поверхностей, окружающих рабочее место. Часть теплового излучения экраны отражают, а часть поглощают.