БЖД. Тема создание оптимальной
 Скачать 4.58 Mb.
|
|
Отопление 8 – вентилятор; 9 – отводной воздуховод а) б) Рис. 43. Устройства местной вентиляции: а – вытяжные шкафы (1 – с верхним отсосом; 2 – с нижним отсосом; 3 – с комбинированным отсосом); б – вытяжные шкафы (1 – прямой; 2 – наклонный) 18 Отопление предназначено для поддержания нормальных метеорологических условий в производственных помещениях. Система отопления необходима в помещении, где тепловые потери Q п превышают выделение теплоты от технологического оборудования Q, то есть Q п > Q. Для обогрева помещений используют паровые, воздушные, водяные, электрические системы отопления. В основе расчета системы отопления лежит уравнение теплового баланса: Q = Q п = (Q огр + Q в + Q м ), где Q – суммарное поступление тепла в помещение; Q п – суммарные потери теплоты в помещении, Дж; Q огр – потери теплоты в строительных элементах здания, Дж; Q в – потери теплоты на нагрев воздуха, Дж; Q м – потери теплоты на нагрев материалов, машин, завозимых в помещение, Дж. Потери теплоты в элементах здания Q огр = R · F · (t в · t н ), где R – сопротивление теплопередаче конструкции, (м о С)/Вт; F – площадь поверхности ограждений, м 2 ; t в , t н – температура наружного и внутреннего воздуха, °С. Потери теплоты на нагрев в помещении обычно принимаются Q в = (0,2 – 0,3)Q огр , на нагрев материалов и машин Q м = (0,05 – 0,1)Q огр Необходимая тепловая мощность (кВт) источника в системе отопления: 3 1,1 1,15 10 n W Q 19 Создание оптимальной световой среды Освещение – это использование световой энергии Солнца и искусственных источников света для обеспечения зрительного восприятия окружающего мира. Около 90% всей информации о внешнем мире человек получает зрительным путем, поэтому главной задачей производственного освещения является создание наилучших условий для видения. В производственных помещениях предусматривается естественное, искусственное и совмещенное освещение. Помещения с постоянным пребыванием персонала должны иметь естественное освещение. При работе в темное время в производственных помещениях используют искусственное освещение. В случаях выполнения работ наивысшей точности применяют совмещенное освещение. В свою очередь, естественное освещение в зависимости от расположения световых проемов (фонарей) может быть боковым, верхним и комбинированным. Искусственное освещение бывает общим (при равномерном освещении помещения, см. рис. 45,А), локализованным (при расположении источников света с учетом размещения рабочих мест), см. рис. 45,Б), комбинированным (сочетание общего и местного освещения, см. рис. 45,В). Помимо этого, выделяют аварийное освещение (включаемое при внезапном отключении рабочего освещения). Аварийное освещение должно обеспечивать освещенность не менее 2 лк внутри здания. В соответствии со строительными нормами и правилами СНиП 23–05–95* «Нормы проектирования. Естественное и искусственное освещение» освещение должно обеспечить: санитарные нормы освещенности на рабочих местах, равномерную яркость в поле зрения, отсутствие резких теней и блескости, постоянство освещенности по времени и правильность направления светового потока. Освещенность на рабочих местах и в производственных помещениях должна контролироваться не реже одного раза в год. Для измерения освещенности используется объективный люксметр. Принцип работы люксметра основан на измерении с помощью миллиамперметра тока от фотоэлемента, на который падает световой поток. Отклонение Рис. 45. Системы искусственного освещения: А – общее равномерное; Б – общее локализованное; В – комбинированное (общее и местное) 20 стрелки миллиамперметра пропорционально освещенности фотоэлемента. Миллиамперметр проградуирован в люксах. Фактическая освещенность в производственном помещении должна быть больше на 10–15% или строго равна нормативной освещенности. При несоблюдении требований к освещению развивается утомление зрения, понижается общая работоспособность и производительность труда, возрастает количество брака и опасность производственного травматизма. Низкая освещенность способствует развитию близорукости. Изменения освещенности вызывают частую переадаптацию, ведущую к развитию утомления зрения. Блескость вызывает ослепленность, утомление зрения и может привести к несчастным случаям. В современных осветительных установках, предназначенных для освещения производственных помещений, в качестве источников света применяют лампы накаливания, галогенные и газоразрядные. Лампы накаливания. Свечение в этих лампах возникает в результате нагрева вольфрамовой нити до высокой температуры (рис. 46). Промышленность выпускает различные типы ламп накаливания: вакуумные (маркируются буквой В), газонаполненные (Г) (наполнитель – смесь аргона и азота), биспиральные (Б), с криптоновым наполнением (К). Лампы накаливания просты в изготовлении, удобны в эксплуатации, не требуют дополнительных устройств для включения в сеть. Недостатки этих ламп: малая световая отдача – от 7 до 20 лм/Вт при большой яркости нити накала; низкий КПД, равный 10–13%; срок службы – 1500 ч. Лампы дают непрерывный спектр, отличающийся от спектра дневного света преобладанием желтых и красных лучей, что в какой-то степени искажает восприятие человеком цветов окружающих предметов. В силу перечисленных недостатков лампы накаливания имеют ограниченное применение. В частности, на производстве лампы накаливания применяют: для аварийного и эвакуационного освещения; в помещениях, для питания освещения которых допускается напряжение не более 42 В; в помещениях с кратковременным пребыванием людей; для местного освещения; в случаях, когда применение газоразрядных ламп невозможно по технологическим причинам (высокая температура воздуха, вибрация). Галогенные лампынакаливания наряду с вольфрамовой нитью содержат в колбе пары того или иного галогена (например, йода), который повышает температуру накала нити и практически исключает испарение. Они имеют более продолжительный срок службы (до 3000 ч) и более высокую светоотдачу (до 30 лм/Вт). Рис. 46. Устройство лампы накаливания 21 Газоразрядные лампыизлучают свет в результате электрических разрядов в парах газа. На внутреннюю поверхность колбы нанесен слой светящегося вещества – люминофора, трансформирующего электрические разряды в видимый свет. Различают газоразрядные лампы низкого (люминесцентные) и высокого давления. Люминесцентные лампы представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых ультрафиолетовое (УФ) излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в видимое излучение (рис. 47). Колба лампы заполнена инертным газом – аргон-криптоновой смесью. В качестве люминофора, как правило, применяется галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем. Подбирая состав люминофоров, можно создать излучение любого спектра. Люминесцентные лампысоздают в производственных и других помещениях искусственный свет, приближающийся к естественному, более экономичны в сравнении с другими лампами и создают освещение, более благоприятное с гигиенической точки зрения. К другим преимуществам люминесцентных ламп относятся больший срок службы (12 000 ч) и высокая световая отдача, достигающая для ламп некоторых видов 75 лм/Вт, то есть они в 2,5–3 раза экономичнее ламп накаливания. Свечение происходит со всей поверхности трубки, а следовательно, яркость и слепящее действие люминесцентных ламп значительно ниже, чем у ламп накаливания. Низкая температура поверхности колбы (около 5°С) делает лампу относительно пожаробезопасной. Несмотря на ряд преимуществ, люминесцентное освещение имеет и некоторые недостатки. К ним относятся: пульсация светового потока, вызывающая стробоскопический эффект (искажение зрительного восприятия объектов различения, когда вместо одного предмета видны изображения нескольких и искажается направление и скорость движения); дорогостоящая и относительно сложная схема включения, требующая регулирующих пусковых устройств (дросселей, стартеров); значительная отраженная блесткость; чувствительность к колебаниям температуры окружающей среды (оптимальная температура 20–25°С) – понижение и повышение температуры вызывает уменьшение светового потока. В зависимости от состава люминофора и особенностей конструкции различают несколько типов люминесцентных ламп, с соответствующей маркировкой: ЛБ – лампы белого света, ЛД – лампы дневного света, ЛТБ – лампы тепло-белого света, ЛХБ – лампы холодного света, ЛДЦ – лампы дневного света правильной цветопередачи. Наиболее универсальны лампы ЛБ. Лампы ЛХБ, ЛД и особенно ЛДЦ применяются в случаях, когда выполняемая работа предполагает цветоразличение. Наиболее приближаются к солнечному свету по цветопередаче лампы ЛДЦ – лампы дневного света с улучшенной цветопередачей и ЛЕ – лампы естественного света. После марки на лампе указывается числовое значение потребляемой электрической мощности этой лампы в Вт, например ЛБ40, ЛДЦ80. Уже к 2013 году США планируют полностью отказаться от ламп накаливания (их просто не будут производить и продавать) и перейти на энергосберегающие (компактные люминесцентные лампы – КЛЛ). Чуть позже это ждёт и остальные страны. «Переход на новые лампы позволит только в Москве снизить расход электроэнергии на 2,5 млрд. кВт/ч», – подсчитал Юлиан Айзенберг, доктор технических наук, профессор, главный редактор Рис. 47. Принцип люминесцентной лампы 22 журнала «Светотехника». Он утверждает, что за час работы лампа накаливания 100 Вт использует 100 Вт электроэнергии, а энергосберегающая – 20 Вт и при этом даёт больше света. За срок службы она генерирует в 60–80 раз больше световой энергии, чем «лампочка Ильича». Не говоря уже о том, что за время службы одной КЛЛ перегорят 10 обычных. По данным Ю. Айзенберга, мы существенно отстаём от остального мира: если сегодня в Китае на 100 жителей уже приходится 80 энергосберегающих ламп, а в Европе – 35–40, то на 100 россиян – всего 2–3 (статья из номера: АИФ № 21 от 20 мая 2009 г.). Всемирная организация здравоохранения, со ссылкой на министерства здравоохранения Канады и Великобритании, заявила, что энергосберегающие лампы вовсе не безопасны: в них содержится высокотоксичная ртуть, а радиационный фон и электромагнитное излучение равны тем, что возникают при свете ультрафиолета. В Европе, например, отработавшие своё энергосберегающие лампы собирают в специальные контейнеры для токсичных отходов. Светодиодные панели еще долговечнее и экономичнее, чем люминесцентные лампы. При этом они не содержат опасной ртути, не боятся частых включений, гибко регулируются по яркости и совершенно не мерцают (рис. 47а). На освещение в развитых странах тратится 15–20% производимой электроэнергии. Переход на светодиоды позволит в несколько раз сократить затраты энергии в этом секторе (рис. 47б). Центральный элемент полупроводникового диода p-n- переход. С одной стороны от него, в области n, ток переносят электроны, а с другой стороны в области p – дырки, то есть свободные места в кристаллической структуре полупроводника, где электрона не хватает. При пропускании тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу. В области p-n-перехода электроны попадают в дырки, заполняют и нейтрализуют их. В этом процессе рекомбинации выделяется энергия. Далеко не всегда эта энергия испускается в виде света, то есть фотонов. Например, кремний, основной материал электроники, устроен так, что свободные электроны и дырки Рис. 47а. Схема светодиодного светильника Рис. 47б. Лидеры по производству светодиодных ламп 23 рекомбинируют, порождая слабенькую акустическую волну – фотон, которая быстро рассеивается, переходя в тепло. Поэтому микросхемы греются, а не светятся. Но в некоторых полупроводниках рекомбинация сопровождается испусканием кванта света, энергия которого зависит от разности энергий электрона и дырки – она примерно постоянна для каждого полупроводника. Например, арсенид галлия служит для создания инфракрасных и красных светодиодов. Тройное соединение галлия, мышьяка и фосфора дает более яркие красные светодиоды, а также желто-зеленые. Различные соединения, содержащие алюминий, индий, галлий и фосфор, стали основой для ярких светодиодов красного, оранжевого и желтого свечения. Фосфид галлия со специальными оптически активными примесями дает зеленое свечение. Нитрид галлия – основной современный материал для ультрафиолетовых, синих и зеленых светодиодов. Единичный светодиод не может излучать белый свет, поскольку энергия выпускаемых им фотонов примерно одинакова. Поэтому для имитации естественного дневного света обычно используют либо матрицы из разноцветных диодов, либо явление люминесценции. Сегодня большинство белых светодиодов – синие и даже ультрафиолетовые, но благодаря слою люминофора их излучение трансформируется в свет, близкий к белому. Внутренний квантовый выход современных полупроводниковых светящихся кристаллов близок к 100%. То есть каждая пара «электрон–дырка» дает фотон. Если бы все эти фотоны, рожденные в глубине светодиода, выходили наружу, такой источник практически не нагревался бы и всю подведенную энергию превращал в свет. Но, конечно, часть фотонов поглощается внутри кристалла, не успевая дойти до его поверхности. Снижение таких потерь – одно из основных направлений совершенствования светодиодов. Для этого осваивают новые материалы, используют так называемые гетероструктуры, состоящие из множества тончайших слоев различных полупроводников, чередующихся в определенной последовательности. В результате КПД светодиодов, который у первых промышленных устройств был меньше 1%, удалось поднять до 50%, а световая отдача выросла с 1 до 150 люмен на ватт, что вдвое больше, чем у энергосберегающих люминесцентных ламп. Теоретический максимум светоотдачи для совершенно идеального источника белого света около 250 лм/Вт, так что до предела осталось не так уж и далеко. По прогнозам, к 2020 году в патронах ламп появятся «холодные» светодиоды, испускающие поток излучения благодаря тончайшему слою квантовых точек. Это позволит получить действительно приятный для глаза спектр, не теряя в эффективности. Другое не менее важное направление развития – получение максимального количества света с минимальной активной площади кристалла. И здесь многое зависит уже не только от базовых свойств полупроводникового материала, но и той степени дефектности кристаллической структуры, которая возникает в процессе выращивания рабочих гетероструктур. Чем меньше рабочий объем светодиода, тем больше их можно изготовить за один цикл технологического процесса и тем дешевле будет светодиодная лампочка. Но с уменьшением размеров становится труднее отводить от светодиода тепло, поэтому увеличение поверхности яркости напрямую связано с повышением КПД (статья Владимира Решетова, кандидата физико-математических наук, журнал «Вокруг Света» № 10 (2841) октябрь 2010 года). Сравнительные характеристики ламп накаливания, люминесцентных ламп и светодиодных ламп представлены на рис. 47в. Для производственных целей широко используются также ртутные лампы (РЛ) высокого давления, такие как ДРЛ – дуговые ртутные люминесцентные и ДРИ – дуговые ртутные лампы с излучающими добавками (иодида натрия, индия, теллурия). Принцип действия лампы ДРЛ основан на преобразовании УФ излучения ртутного разряда высокого давления при помощи люминофора в видимое излучение. ДРЛ могут использоваться без люминофора, поскольку в спектре более 50% излучения составляет видимое излучение, 24 около 40% – УФ. Однако это приводит к сильному искажению цвета предметов, особенно человеческой кожи, вследствие отсутствия излучения в оранжево-красной части спектра. Недостатком ламп ДРЛ является присутствие в спектре некоторой доли УФ излучения, что может неблагоприятно сказаться на состоянии здоровья работающих. Качество цветопередачи ламп типа ДРЛ намного хуже, чем у ЛЛ. Световая отдача составляет 50– 60 лм/Вт. Кроме того, лампы ДРЛ вызывают большую пульсацию светового потока (63–74%). На их зажигание влияет температура окружающей среды и снижение напряжения сети. Также стоит проблема утилизации этих ламп. Основные области применения: наружное освещение, освещение промышленных предприятий высотой 3–5 м, не требующих высокого качества цветопередачи. Ведутся разработки по созданию мощных ламп, дающих спектр, близкий к спектру естественного света. Такими источниками являются дуговая кварцевая лампа ДКсТ, выполненная из кварцевого стекла и наполненная ксеноном под большим давлением, и натриевые лампы (ДНаТ). Это лампы с цветопередачей, их мощность составляет 1–2 кВт. Такие лампы можно применять для освещения производственных помещений высотой более 10 м. Для освещения помещений, как правило, следует предусматривать газоразрядные лампы низкого и высокого давления. В случае необходимости допускается использование ламп накаливания. Источники света выбирают с учетом рекомендаций СНиП. Для искусственного освещения нормируемый параметр – освещенность. СНиП устанавливают минимальные уровни освещенности рабочих поверхностей в зависимости от точности зрительной работы, контраста объекта и фона, яркости фона, системы освещения и типа используемых ламп. Рис. 47в. Сравнительные характеристики ламп |