Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie warunków mikroklimatycznych w 4 komorach:

• W komorze suchej

• W komorze wilgotnej

• W komorze suchej – ogrzewanej

• W komorze wilgotnej – ogrzewanej

W dalszej kolejności określenie warunków pracy na podstawie pomiarów i obliczonych parametrów.

Przebieg ćwiczenia

Aby określić warunki mikroklimatyczne panujące w komorze suchej i wilgotnej trzeba wyznaczyć szereg parametrów takich jak: prędkość przepływu powietrza; intensywność chłodzenia; wilgotność względną powietrza; ciśnienie, temperatura efektywna.

• Prędkość przepływu powietrza – jest ściśle związana z warunkami przewietrzenia, które projektuje się tak tak, aby zapewnić:

- świeże powietrze pracownikom,

- rozrzedzać metan i inne gazy,

- odprowadzać ciepło.

Prędkość przepływu powietrza mierzymy anemometrem. Zbudowany jest z wiatraczka i podziałki; badanie polega na utworzeniu strumienia przepływu powietrza i określenia jego prędkości, która wyrażana jest w metrach na minutę.

• Intensywność chłodzenia wyraża stratę ciepła z 1cm² ciała w ciągu 1 sekundy. Pomiarów dokonujemy katatermometrem. Składa się z dwóch termometrów: jednego suchego i drugiego wilgotnego owiniętego mokrą bawełnianą tkaniną przy zbiorniczku. Pomiaru dokonujemy poprzez ogrzanie dolnego zbiorniczka do pewnej temperatury, a następnie mierzymy czas spadku temperatury z 38°C do 35°C. Pozwala nam to na określenie łącznego wpływu na ciało człowieka temperatury i wiatru.

• Wilgotność względną powietrza obliczmy na podstawie pomiarów wykonanych psychrometrem. Psychrometr wykorzystuje zjawisko hamowania parowania przez powietrze wilgotne i przyspieszania go przez powietrze suche. Przyrząd składa się z dwóch identycznych termometrów, z czego pojemniczek z rtęcią jednego z nich owinięty jest wilgotnym muślinem, zanurzony jest w wodzie - dzięki temu muślin okalający zbiorniczek jest ciągle wilgotny. Termometr wilgotny zawsze wskazuje temperaturę niższą niż suchy. Różnica pomiędzy wskazaniami obu termometrów, zwana różnicą psychrometryczną, pozwala na określenie (za pomocą tablic psychrometrycznych) względnej wilgotności powietrza.

• Do pomiaru przepływu powietrza w sposób pośredni służy Rurka Pitota Prandtla , oparta na zastosowaniu równania Bernoulliego. Zbudowana z dwóch rurek (zewnętrznej i wewnętrznej), do rurki podłączony jest manometr.

• Manometr - (podłączony do z rurki pochyłej) – przyrząd do pomiaru różnicy ciśnień. Pomiar odczytujemy poprzez wychylenie gęstości cieczy na rurce pochyłej.

• Barometr – przyrząd służący do pomiaru ciśnienia atmosferycznego wyrażonego w kPa.

• Wskaźnik E_t – temperatura efektywna powietrza wyznaczona z monogramu na podstawie pomiaru na termometrze suchym i wilgotnym oraz wyników z pomiaru prędkości przepływu powietrza.

Wyniki pomiarów

Przyrząd	Pomiar	Komora sucha	Komora wilgotna	Komora sucha ogrzewana	Komora wilgotna ogrzewana
Anemometr	prędkość przepływu v [m/min]	59,5	62	66	65
Katatermometr	suchy [s]	113,9	80,8	489	150,7
	wilgotny [s]	32,2	40,2	46,7	47,7
Psychrometr	suchy [^0C]	29,2	28,2	34	30,8
	wilgotny [^0C]	19,8	20,6	23	22,2
	różnica psychrometryczna [^0C]	9,4	7,6	11	8,6
	wilgotność [%]	41	50	39	47
Rurka Pitota-Prandtla + Manometr	wychylenie rurki l [mm]	65	48	65	46
Barometr	ciśnienie [hPa]	994

Obliczenia

Wskaźnik ET	TE [˚C]	23,7	24,5	23,3	24,9
Katastopnie	suche [ mcal/cm^2·s]	3,53	4,98	0,82	2,67
	wilgotne [ mcal/cm^2·s]	12,48	10	8,61	8,43
Ciśnienie dynamiczne	[Pa]	12,75	9,42	12,75	9,03
Prędkość przepływu powietrza	w komorach [m/s]	0,99	1,03	1,1	1,08
	w przewodach [m/s]	4,45	3,82	4,45	3,74

KOMORA SUCHA:

Prędkość przepływu powietrza zmierzona na wlocie metodą bezpośrednią za pomocą anemometru:

V= 59,5 [m/min]= 0,99 [m/s]

Wilgotność względna powietrza określona za pomocą metody psychrometrycznej (W_w odczytana z tabel).

Δt = t_s - t_w

Δt -różnica psyhrometryczna

t_s - temperatura zmierzona na termometrze suchym t_s = 29,2 °C

t_w - temperatura zmierzona na termometrze mokrym t_w = 19,8 °C

Δt = 9,4⁰C

W_w = 41 %

TEMPERATURA EFEKTYWNA (odczytana ze skryptu nr 814)

Te=23,7°C

Natężenie chłodzenia K

[mcal/cm²·s]

F – stała katatermometru, F = 402 [mcal/cm²]

t – czas czas opadania słupa alkoholu [s]

Katatermometr suchy: t = 113,9 [s]

K = 402/113,9

K_S= 3,53 [mcal/cm²·s]

Katatermometr wilgotny: t = 32,2 [s]

K = 402/32,2

K_W= 12,48 [mcal/cm² •s]

Pomiar prędkości przepływu powietrza w przewodach.

P_d = ρ_c· g · l · sinα [Pa]

gdzie:

P_d - ciśnienie dynamiczne
ρ_c - gęstość cieczy w rurce pochyłej = 1000 [kg/m³]
α -kąt nachylenia rurki pochyłej, sin α = 1/50
g - przyspieszenie ziemskie = 9,81 [m/s^2]
l - odczyt na rurce pochyłej [m] – 0,065 [m]

p_d= 12,75 [Pa]

V=$\sqrt{\frac{\mathbf{2*Pd}}{\mathbf{\gamma}}}$ = 4,45 [m/s]

gdzie:
P_d – ciśnienie dynamiczne
γ- gęstość ośrodka (dla powietrza 1,29 [kg/m³])

KOMORA WILGOTNA:

Prędkość przepływu powietrza zmierzona na wlocie metodą bezpośrednią za pomocą anemometru:

V= 62 [m/min]= 1,03 [m/s]

Wilgotność względna powietrza

Δt = t_s - t_w

Δt -różnica psyhrometryczna

t_s - temperatura zmierzona na termometrze suchym t_s = 28,2 °C

t_w - temperatura zmierzona na termometrze mokrym t_w = 20,6 °C

Δt = 7,6⁰C

W_w = 50 %

TEMPERATURA EFEKTYWNA (odczytana ze skryptu nr 814)

Te = 23,3°C

Natężenie chłodzenia K

[mcal/cm²·s]

F – stała katatermometru, F = 402 [mcal/cm²]

t – czas czas opadania słupa alkoholu [s]

Katatermometr suchy: t = 80,8 [s]

K = 402/80,8

K_S= 4,98 [mcal/cm²·s]

Katatermometr wilgotny: t = 40,2 [s]

K = 402/40,2

K_W= 10 [mcal/cm² •s]

Pomiar prędkości przepływu powietrza w przewodach.

P_d = ρ_c· g · l · sinα [Pa]

gdzie:

P_d - ciśnienie dynamiczne
ρ_c - gęstość cieczy w rurce pochyłej = 1000 [kg/m³]
α -kąt nachylenia rurki pochyłej, sin α = 1/50
g - przyspieszenie ziemskie = 9,81 [m/s^2]
l - odczyt na rurce pochyłej [m] – 0,048 [m]

p_d= 9,42 [Pa]

V=$\sqrt{\frac{\mathbf{2*Pd}}{\mathbf{\gamma}}}$ = 3,82 [m/s]

gdzie:
P_d – ciśnienie dynamiczne
γ- gęstość ośrodka (dla powietrza 1,29 [kg/m³])

Komora sucha ogrzewana

Prędkość przepływu powietrza zmierzona na wlocie metodą bezpośrednią za pomocą anemometru:

V= 66 [m/min]= 1,1 [m/s]

Wilgotność względna powietrza

Δt = t_s - t_w

Δt -różnica psyhrometryczna

t_s - temperatura zmierzona na termometrze suchym t_s = 34 °C

t_w - temperatura zmierzona na termometrze mokrym t_w = 23 °C

Δt = 11⁰C

W_w = 65 %

TEMPERATURA EFEKTYWNA (odczytana ze skryptu nr 814)

Te = 26,7°C

Natężenie chłodzenia K

[mcal/cm²·s]

F – stała katatermometru, F = 402 [mcal/cm²]

t – czas czas opadania słupa alkoholu [s]

Katatermometr suchy: t = 489 [s]

K = 402/489

K_S= 0,82 [mcal/cm²·s]

Katatermometr wilgotny: t = 46,7 [s]

K = 402/46,7

K_W= 8,61 [mcal/cm² •s]

Pomiar prędkości przepływu powietrza w przewodach.

P_d = ρ_c· g · l · sinα [Pa]

gdzie:

P_d - ciśnienie dynamiczne
ρ_c - gęstość cieczy w rurce pochyłej = 1000 [kg/m³]
α -kąt nachylenia rurki pochyłej, sin α = 1/50
g - przyspieszenie ziemskie = 9,81 [m/s^2]
l - odczyt na rurce pochyłej [m] – 0,065 [m]

p_d= 12,75 [Pa]

V=$\sqrt{\frac{\mathbf{2*Pd}}{\mathbf{\gamma}}}$ = 4,45 [m/s]

gdzie:
P_d – ciśnienie dynamiczne
γ- gęstość ośrodka (dla powietrza 1,29 [kg/m³])

Komora wilgotna ogrzewana

Prędkość przepływu powietrza zmierzona na wlocie metodą bezpośrednią za pomocą anemometru:

V= 65 [m/min]= 1,08 [m/s]

Wilgotność względna powietrza

Δt = t_s - t_w

Δt -różnica psyhrometryczna

t_s - temperatura zmierzona na termometrze suchym t_s = 30,8 °C

t_w - temperatura zmierzona na termometrze mokrym t_w = 22,2 °C

Δt = 8,6⁰C

W_w = 47 %

TEMPERATURA EFEKTYWNA (odczytana ze skryptu nr 814)

Te = 24,9°C

Natężenie chłodzenia K

[mcal/cm²·s]

F – stała katatermometru, F = 402 [mcal/cm²]

t – czas czas opadania słupa alkoholu [s]

Katatermometr suchy: t = 150,7 [s]

K = 402/150,7

K_S= 2,67 [mcal/cm²·s]

Katatermometr wilgotny: t = 46,7 [s]

K = 402/47,7

K_W= 8,43 [mcal/cm² •s]

Pomiar prędkości przepływu powietrza w przewodach.

P_d = ρ_c· g · l · sinα [Pa]

gdzie:

P_d - ciśnienie dynamiczne
ρ_c - gęstość cieczy w rurce pochyłej = 1000 [kg/m³]
α -kąt nachylenia rurki pochyłej, sin α = 1/50
g - przyspieszenie ziemskie = 9,81 [m/s^2]
l - odczyt na rurce pochyłej [m] – 0,046 [m]

p_d = 9,03 [Pa]

V=$\sqrt{\frac{\mathbf{2*Pd}}{\mathbf{\gamma}}}$ = 3,74 [m/s]

gdzie:
P_d – ciśnienie dynamiczne
γ- gęstość ośrodka (dla powietrza 1,29 [kg/m³])

Wnioski

Prowadzenie eksploatacji górniczej na coraz większej głębokości powoduje wzrost zagrożeń naturalnych, w tym zagrożenia klimatycznego. Przepisy stanowią, że pracownik powinien mieć zapewniony tzw. komfort cieplny (równowagę cieplną). Zgodnie z tymi przepisami prędkość przepływu powietrza nie może przekraczać 5 m/s w wyrobisku wybierkowym, 8 m/s w korytarzowym oraz 12 m/s w szybie. We wszystkich badanych komorach prędkość przepływu powietrza mieści się w zakresie określonym przepisami (największa prędkość przepływu powietrza występuje w komorze suchej, ogrzewanej – 1,1 m/s).

Jeżeli chodzi o intensywność chłodzenia to przepisy mówią, że powinna wynosić powyżej 11 K_w (katastopnie wilgotne). Spośród badanych komór tylko w komorze suchej ta wartość została osiągnięta (12,48 K_w). W przypadku pozostałych komór należałoby skrócić czas pracy do 6 godzin lub obniżyć temperaturę.

Biorąc pod uwagę temperaturę powietrza mierzoną za pomocą psychometru (termometr suchy) we wszystkich czterech komorach zostały przekroczone dopuszczalne wartości. W komorze suchej, wilgotnej oraz wilgotnej ogrzewanej temperatura powietrza mieści się w zakresie 28-33. Oznacza to, że pracę należy skrócić do 6 godzin. W komorze suchej, ogrzewanej temperatura powietrza przekracza 33 (wynosi 34 ). W tym wypadku przepisy mówią, że: gdy temperatura powietrza mierzona termometrem suchym przekracza 33°C ludzi można zatrudnić tylko w akcji ratowniczej.

Strefa komfortu dobrego samopoczucia dla okresu zimowego mieści się w przedziale wartości E_T : 17,1 -21,6 , dla okresu letniego: 18,9 – 24 . Tylko komora sucha oraz sucha ogrzewana mieszczą się w podanym przedziale dla okresu letniego. Dla okresu zimowego wszystkie komory przekraczają wartości strefy komfortu dobrego samopoczucia.

Profilaktyka

Przy projektowaniu i wykonywaniu robót górniczych należy prowadzić rozpoznanie

pierwotnej temperatury skał, zaś w przypadku temperatury wyższej niż 30° C należy

opracować prognozę warunków klimatycznych oraz ustalić środki zapewniające utrzymanie

właściwych warunków klimatycznych, między innymi poprzez:

• stosowanie właściwych urządzeń pomiarowych,

• zapewnienie właściwego zakresu i częstotliwości kontroli przez osoby dozoru ruchu górniczego, energomechanicznego i wentylacji.

• stosowanie procesów produkcyjnych nie emitujących dużych ilości ciepła,

• stosowanie podwieszonych, wentylowanych stropów,

• stosowanie maszyn i urządzeń, które nie pogarszają parametrów środowiska powietrznego, nie stanowią źródeł emisji ciepła (np. palniki można zastąpić grzaniem indukcyjnym),

•      automatyzacja procesów technologicznych lub poszczególnych urządzeń (np. spawania),

•      izolowanie lub chłodzenie urządzeń będących źródłami ciepła,

•      umieszczanie urządzeń będących źródłami ciepła w oddzielnych pomieszczeniach (gdzie stały pobyt ludzi byłby zbyteczny) lub na zewnątrz pomieszczeń,

•      ekranowanie źródeł promieniowania cieplnego (ekrany wodne, osłony z materiałów izolacyjnych lub chłodzących, z płyt aluminiowych lub metalowych z folią aluminiową, szkła absorpcyjnego),

•      zmniejszanie lub likwidowanie powierzchni o wysokiej temperaturze,

•      stosowanie obudów maszyn i urządzeń odprowadzających gorące powietrze na zewnątrz (możliwość odzysku energii),

•      stosowanie ekranowania urządzeń, emitujących promieniowanie cieplne, w postaci:

-         ekranów odblaskowych,

-         ekranów z wymiennikiem ciepła (chłodzenie wewnętrzne ekranu powietrzem lub wodą),

-         ekranów filtrujących  (szkło pochłaniające podczerwień),

-         ekranów zraszanych  (siatki lub łańcuchy zroszone wodą),

•      stosowanie hermetyzacji lub wentylacji miejscowej wywiewnej, odprowadzającej parę wodną i gorące powietrze.

•      zmniejszenie czasu pracy (zmianowość, tworzenie brygad),

•      zapewnienie zatrudnionym w warunkach niewłaściwego mikroklimatu odpoczynku w klimatyzowanych kabinach,

•      odzież wentylowaną lub schładzaną,

•      miejscową wentylację nawiewną lub klimatyzację