Главная > Статьи > Анализ устройств по температуре на поверхности излучающего тела

Прямое газовое отопление больших пространствАнализ устройств по температуре на поверхности излучающего тела

На излучающей поверхности разных излучателей поддерживаются разные температуры.
Светлые: 800-1200 °С.
Темные: 300-550 °С (средняя около 350 °С).

Для понимания всех последствий, связанных с поверхностной температурой излучающего тела, необходимо упомянуть три важнейших закона: закон Вина, закон Стефана-Больцмана и закон Планка (см. в тексте предыдущих публикаций).

Часто производители ГИИ приводят в качестве главного аргумента эффективность светлых излучателей, а именно, мощность снимаемую с единицы площади излучателя, которая у "светлых" достигает порядка 100-140 кВт/м2 и которая на порядок больше чем у ИТГО (? 6-8 кВт/м2). Действительно это главное параметральное отличие между ними. Однако акцентирование внимания именно на эффективности излучения есть или заблуждением или сознательно рассчитано на введение заказчика в заблуждение. Практически всегда при этом замалчивается, что ГИИ имеют площадь равную = 0,3 м2, а ИТГО - = 5 м2 (в обоих случаях мы говорим о 50 кВт номинальной мощности горелки). Кроме этого повышенная эффективность лучеиспускания достигается за счет более высокой температуры излучающей керамики ГИИ и влечет за собой сдвиг спектра в сторону более вредного, жесткого, кратковолнового излучения. При использовании только параметра эффективности теряется или сознательно скрывается главный показатель: у одинаковых по номинальной мощности типов излучателей сопоставимы количества лучевой энергии! На рисунках (рис. 1 и 2) отражены спектральное распределение энергии ИТГО и ГИИ. Оценивая распределение энергии по спектру нельзя не отметить, что интегральная плотность излучения у ГИИ во всем диапазоне излучения примерно в 15-20 раз выше, чем у ИТГО, но при оценке излучателей по такому принципу: важно общее количество лучевой энергии*, а не плотность энергии, снимаемой с единицы площади излучателя. Общие же количества лучевой энергии обоих типов устройств близки по величине. Параметр интенсивности излучения является не главным, а вспомогательным. Куда важнее интенсивность облучения отапливаемых площадей и равномерность распределения плотности лучистого потока* попадающего на облучаемую площадь. Как известно, параметр плотности (интенсивности) облучения площадей нормируется по максимальному значению и не может превышать определенного уровня при определенных условиях труда. Чрезмерная концентрация лучистой энергии и, как следствие, нарушение норм облучённости площадей, приводит к многим негативным последствиям, как технологическим так и гигиеническим. О гигиенических последствиях поговорим несколько позже.

Справка: ГОСТ 12.1.005-88 устанавливает:
"Интенсивность теплового облучения работающих от открытых источников (нагретый металл, стекло, "открытое" пламя и др.) не должна превышать 140 Вт/м2, при этом облучению не должно подвергаться более 25% поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз".

* Примечание: поскольку размеры ИТГО на порядок больше (15-20 раз) количество излучаемой ними энергии сравнимо с количеством лучистой энергии ГИИ, а распределение её по отапливаемой площади более равномерное.

Анализ по длине волны максимума излучения (закон Вина) и спектру излучения (закон Планка)

Исходим из известного нам соотношения называемого законом Вина:
λmax*T=Const=2896*10-6
Применим его для анализа свойств ГИИ и ИТГО.

ГИИ: температура на поверхности излучающих керамических пластин стандартного изделия = 950 °С.
λmax*T=2896*10-6/T=2896/1223=2,36 (мкм)
ИТГО: средняя температура на поверхности 350 °С.
λmax*T=2896*10-6/T=2896/623=4,6 (мкм)

Из закона Вина следует, что имеются существенные различия относительно длины волны максимума излучения.

Справка: Светлые излучатели передают большую часть лучистой энергии волнами с длиной 1,55-2,55 мкм (см. закон Вина и книгу [1]). Согласно закона Вина, максимум излучения при температуре 950 °С на поверхности излучателя находится на длине волны 2,36 мкм. Темные излучатели передают большую часть лучистой энергии волнами с длиной 3,0-6,0 мкм. Максимум излучения при температуре ~ 350?400 °С находится на длине волны 4,3-4,8 мкм.

Гигиенический аспек

Закон Вина показывает, что излучатели отличаются длинами волн в зависимости от температуры на излучающей поверхности. Попробуем установить связь этого технического параметра с влиянием на организм человека.

Несмотря на то, что в портфеле предложений представляемой мною фирмы есть как ИТГО, так и ГИИ, как специалист по лучистому отоплению я являюсь искренним и категорическим противником использования ГИИ для отопления рабочих зон стандартных промышленных помещений. Для объяснения своей позиции относительно специфики реакции организма на ИК-излучение и для соблюдения гигиенических требований, в связи с различной длиной волны воспользуюсь несколькими публикациями в специальной литературе в т.ч. и академической.

Например, интересна такая информация: "...кроме этого, как известно, длина волны 2,4 мкм полностью задерживается кожей. Более краткие волны проникая под кожу и оболочку глаза воздействуют на белковые соединения, что может приводить к экземам, катаракте глаз и т.д." [2].

Это только маленький фрагмент знаний, которыми должны уже обладать студенты вузов. И чем больше мы знакомимся с теорией защиты от электромагнитных излучений, тем в худшее положение попадают светлые горелки.
Хотя все же это только теория. Имея большой опыт общения с техническими менеджерами предприятий - главными инженерами и энергетиками, я понимаю, что "практиков чаще всего убеждает информация полученная практическим путем". Поэтому, буду опираться на практически полученные данные, подтвержденные опытом.

В статье Л.А. Гвозденко "Обоснование допустимых нормативов облученности инфракрасным излучением в зависимости от его спектрального состава" [3] приводятся следующие аргументы, которые опираются на практические исследования и которые подтверждают мою позицию и аргументацию. 
Статья описывает работу по изучению влияния инфракрасного излучения на здоровье человека, которая практически проводилась на группе добровольцев и ссылается на другие серьезные работы в этой области.

Все кому интересна работа Л.А. Гвозденко могут ознакомиться с ней самостоятельно. Я сокращённо привожу её результаты и выводы:

  1. ИК-излучение имеет специфические особенности формирования реакции организма, которые в значительной степени связаны с особенностями физической природы фактора.
  2. Анализ температурных характеристик и спектрального состава излучения позволяет выделить несколько групп ИК-излучения:
    • группу источников с температурой 35-300 °С и максимальной энергией в диапазоне 5,8-9 мкм (темное свечение) группа 1а;
    • группу источников с температурой 300-700 °С и максимумом энергии в диапазоне 3,5-5 мкм (темное - красное свечение) группа 16;
    • группу источников с температурой 700-1000 °С и максимумом энергии в диапазоне 2,3-3,5 мкм (красное свечение) группа 1в; группу источников с температурой 1000-1500 °С и максимумом энергии в диапазоне 0,76-2,5 мкм (белое свечение) группа 1г.
  3. Лабораторные исследования показали, что влияние ИК-излучения на организм определяется интенсивностью потока энергии и его спектральным составом. Эти параметры определяют направленность их реакций на различный уровень облучения
  4. Лабораторные исследования в зависимости от интенсивности и спектра действующего излучения, позволили выделить три типа реакций организма, которые были классифицированы как реакции "адаптационные", "компенсаторные" и "повреждающие":
    • Повреждающие реакции ИК-излучения сопровождались снижением антимикробной резистентности организма, активности антиоксидантных систем, нарушением сократительной функции миокарда, сосудистого тонуса.
    • Распределение частоты регистрации тех или иных реакций зависело от интенсивности и длины волны максимума энергии облучения:
      1. λ макс = 1.5 мкм, порог повреждающего действия находится на уровне 50 Вт/м²
      2. λ макс = 3 мкм
      3. λ макс = 6 мкм, порог повреждающего действия находится на уровне 100 Вт/м²
      4. λ макс = 4,5 мкм, порог повреждающего действия на ходится на уровне 150 Вт/м²

Анализ закона Планка

Проанализируем также формулу Планка и физические процессы описываемые ею. Как известно, инфракрасные нагревательные приборы эффективно излучают в диапазоне длин волн
λmin=0,76 мкм - λmax = 10 мкм

С помощью компьютерных программ была проинтегрирована формула Планка.

 в этом диапазоне волн.

Гигиенический аспектзакона Планка

Как видно из расчетов спектры излучений разных устройств значительно отличаются. Например, в кратковол-новой области 0,76-2,4 мкм (проникающее под кожу человека излучение) между излучателями наблюдается количественное отличие излучаемой энергии в 16 раз. Да и в безопасном диапазоне 5-10 мкм наблюдаемая разница в 3 раза, как и в предыдущем случае, делает предпочтительнее применение ИТГО. Относительная интенсивность облучения показывает абсолютную величину энергии определенной части диапазона в общем количестве из установленного ГОСТ 12.1.005-88 максимально допустимого уровня облучения и также говорит сама за себя.

Охарактеризуем влияние на организм человека инфракрасных излучений разных диапазонов. Исследования показывают, что всем участкам спектра присущ эффект возбуждения свободных радикалов, образование перекисей и накопление продуктов перекисного окисления липоидов. Понятно, что в условиях выполнения санитарных норм по уровню облучения, развиваемые в организме реакции являются реакциями адаптации. Повреждающее же действие возникает в условиях повышенных уровней облучения, интенсивность которых зависит от длины волны.

Поскольку тело человека излучает инфракрасную энергию в диапазоне приблизительно 3-50 мкм с максимумом излучения в 9,6 мкм, охарактеризуем существующие представления о воздействии на организм человека излучений преимущественно этого диапазона, тем более, что генерируемые разными ГСЛО излучения находятся в его пределах.

злучения внешних источников с максимумом энергии в области 3 мкм и 6 мкм интенсивно поглощается в эпидермисе (молекулами белков, холестерином и другими органическими веществами, входящими в состав кожи) и водой организма. Причем, отмечается, что по физико-химическим эффектам влияние таких излучений сопоставимо с влиянием коротковолнового излучения ( &lambda ? 1,5 мкм). Наименее активно излучение с максимумом находящимся на длине волны 4,5 мкм, так как этот участок спектра в наименьшей степени поглощается структурными элементами тканей. В силу небольшой энергии фотоны проникают в ткани на незначительную глубину и поглощаются в основном в поверхностных слоях эпидермиса. Повышение температуры кожи они вызывают, но физико-химические процессы в организме наименее выражены и протекают более благоприятно.

Воздействие инфракрасной энергией с длиной волны 9,6 мкм вызывает явление, называемое "резонансным поглощением", при котором внешняя энергия будет активно поглощаться телом. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клеток организма, и из них будет уходить несвязанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие благоприятные биохимические реакции. Это характерно для всех типов клеток организма и крови. Еще в начале XIX века немецкий ученый Хэтчер, используя трехгранное зеркало для изучения спектра солнечного света, обнаружил, что инфракрасные лучи с 5,6-15 мкм легко усваиваются человеком. В клетках под действием этих лучей активизируюся обменные процессы, они поглощают большее количество кислорода, что способствует их обновлению и оздоровлению организма в целом. В ряде научных лабораторий США (Dr. Masao Nakamura, О&Р Medical Clinic, Dr. Mikkel Aland Infrared Therapy Researches и др.), занимающихся исследованием возможности применения инфракрасных излучателей, получены данные о том, что в результате воздействия на организм инфракрасного излучения может происходить подавление роста раковых клеток, уничтожение некоторых видов вируса гепатита, нейтрализация вредного воздействия электромагнитных полей, излечение дистрофии, повышение количества вырабатываемого инсулина у больных диабетом, нейтрализация последствий радиоактивного облучения, излечение или значительное улучшение состояния при псориазе. Описанный эффект применяется в современной медицине - в так называемой инфракрасной терапии.

Иначе обстоит дело с излучением, имеющим длину волны &lambda < 1,5-2,5 мкм. Негативное влияние этого излучения обусловлено его глубоким проникающим действием и низким значением интенсивности повреждающего эффекта (50 Вт/м2, см. табл. 1).

Общий эффект влияния инфракрасного излучения с интенсивностью, превышающей предельно допустимые значения проявляются в следующем:

  • зменения в сердечно-сосудистой системе (нарушение сократительной функции миокарда, сосудистого тонуса, учащение сердцебиения, повышение систолического и уменьшение диастолического давления);
  • нарушение иммунной системы (снижение общей резистентности организма, активности антиоксидантных систем);
  • отклонение в функционировании желудочно-кишечного тракта (снижение моторики желудка);
  • возникновение заболеваний глаз (коньюктивиты, помутнение и васкуляризация роговицы, депиг ментация радужки, спазм зрачков, помутнение хрусталика, ожог сетчатки).

Общий эффект влияния инфракрасного излучения с интенсивностью, превышающей предельно допустимые значения проявляются в следующем:

  • изменения в сердечно-сосудистой системе (нарушение сократительной функции миокарда, сосудистого тонуса, учащение сердцебиения, повышение систолического и уменьшение диастолического давления);
  • нарушение иммунной системы (снижение общей резистентности организма, активности антиоксидантных систем);
  • отклонение в функционировании желудочно-кишечного тракта (снижение моторики желудка);
  • возникновение заболеваний глаз (коньюктивиты, помутнение и васкуляризация роговицы, депиг ментация радужки, спазм зрачков, помутнение хрусталика, ожог сетчатки).

Таким образом, проведенный анализ позволяет более обоснованно подходить к выбору характеристик излучателей. Исходя из вышесказанного позволю себе утверждение, что применяемая в настоящее время в качестве одного из нормируемых параметров микроклимата величина плотности потока инфракрасного излучения (140 Вт/м² - ГОСТ 12.1.005-88 и Санитарными правилами и нормами СН 2.2.4.548-96 "Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений") не отражает в полной мере воздей ствие излучения на организм человека. Представляется целесообразным учитывать спектральные характеристики излучения генерируемого тем или иным источником (нагревательным прибором) по предлагаемой методике.

Вытекающим практическим следствием из материалов, исследований и расчетов с которыми Вы познакомились в последних 5 номерах нашего журнала является:

  • безоговорочная энергетическая и экономическая выгодность применения излучателей для отопления зданий большого объема;
  • знание, что характер спектра излучений обогревателей подобен солнечному, но при этом имеются значительные различия в спектрах разных типов ГСЛО с принципиальными преимуществами ИТГО перед ГИИ;
  • положение ГОСТ 12.1.005-88 относительно интенсивности разрешенного облучения строже (разрешенные уровни ниже) соответствующего европейского стандарта. ? ограниченность применения ГИИ для целей создания комфортного микроклимата, в том числе обязательность выполнения требования п. 6.92 ДБН В.2.5-20-2001.

В следующих номерах журнала полезную для себя информацию найдут проектанты, монтажники, энергетики, пользователи, контролирующие органы.