Pytanie nr.13

Współczynnik wyrównania temp. „a”-jest zmienny i zależy od wsp. przewodzenia ciepła
,gęstości przestrzennej
i właściwej pojemności cieplnej „c”

Stopień geotermiczny- liczba metrów o jaką temp. wzrasta o 1 stopień .Zależny jest od przewodności cieplnej skał.

Współczynnik przewodzenia ciepła „
”-ma określoną wartość w danym stanie termicznym skały i jest fizycznym jej parametrem , charakteryzującym zdolność przewodzenia ciepła/wyrażającą całkowity strumień przewodzenia ciepła przez jednostkę powierzchni skały, o jednostkowej długości przy jednostkowej różnicy temp. między dwoma ściankami ograniczającymi skałę. Wartość „
”zmienia się w zależności od rodzaju skały i głębokości zalegania.

Przewodzenie ciepła-podczas przewodzenia ciepła natężenie strumienia cieplnego jest proporcjonalne do spadku temp. mierzonego w kierunku przepływu ciepła. Sformułowanie to stanowi prawo Fouriera,

gdzie: wielkość dT/dX ,zwana gradientem temp., jest miarą spadku temp. w kierunku przepływu ciepła.

-współczynnik proporcjonalności (wsp. przewodzenia ciepła albo przewodnością cieplną)

Pyt.14. Wpływ zmian temperatury powietrza atmosferycznego na temperaturę powietrza na podszybiach szybów wdechowych

Do przewietrzania kopalni korzysta się z powietrza atmosferycznego, którego parametry ule­ga­ją znacznym wahaniom w ciągu roku. Sezonowe (dobowe, miesięczne, roczne) zmiany tempera­tury powietrza wpływającego do szybu znacznie komplikują proces wymiany ciepła między skałami i powie­trzem, tworząc pulsacje temperatury powietrza i skał [4].

Do określenia zmian temperatury powietrza, jakie zachodzą podczas przepływu powietrza wzdłuż wyrobiska kopalnianego, większość metod prognozowania korzysta z różniczkowego równania energii. W celu jego rozwiązania zakłada się, że temperatura powietrza zależy od jednej współrzędnej bieżącej i nie zmienia się w przekroju poprzecznym wyrobiska. Ponadto zakłada się, że strumień masy powietrza przepływającego wyrobiskiem jest stały i pomija się zmiany energii kinetycznej wzdłwiż osi wyrobiska. Przyjmuje się jednorodność górotworu i niezmienność wszystkich parametrów w czasie. Dotyczy to zwłaszcza niezmienności temperatury powietrza na początku wyrobiska (na wlocie do kopalni). Dlatego też wyniki prognozy odnoszą się jedynie do przyjętych w niej parametrów powietrza na wlocie do kopalni, a podawane przez autorów zależności pozwalają określić średnią temperaturę powietrza. Jeżeli temperatura powietrza na wlocie do kopalni będzie się zmieniać, należy dodatkowo wyznaczać sezono­wą jej odchyłkę.

Zazwyczaj w wyrobiskach górniczych powinno się prognozować warunki klimatyczne dla okresu letniego. Przyjęcie temperatury lipca jako temperatury powietrza wpływającego do kopalni - przy założeniu, że parametry te występują przez cały czas istnienia wyrobiska - spowoduje zawyżenie pro­gno­zowanej temperatury w wyrobiskach górniczych. Należy zatem prognozować temperaturę powie­trza w kopalni z uwzględnieniem średniej wieloletniej temperatury na powierzchni [6] i dodatkowo wy­znaczać amplitudę sezonowych odchyłek temperatury przenoszonych wzdłuż dróg przepływu powietrza.

Drogi powietrza świeżego w kopalni stanowią swego rodzaju akumulator ciepła. Ciepłe powie­trze wchodzące latem do kopalni ogrzewa skały chłodząc się. Zimą natomiast powietrze chłodzi skały od­­bierając od nich ciepło [2]. Skały otaczające wyrobisko, biorące udział w tych procesach, noszą wg. [16] nazwę "strefy (warstwy) wyrównującej temperaturę", a wg. [2] nazwę "regeneratora ciepła". Grubość tej warstwy w zależności od rodzaju skał sięga od kilku do kilkunastu metrów w głąb góro­tworu. Zasięg strefy wyrównującej wahania temperatury zależy natomiast głównie od ilości przepły­wającego powietrza. Dla płytkich kopalń, przewietrzanych dużymi ilościami powietrza może ona sięgać nawet do szybów wydechowych [16]. W głębokich, gorących kopalniach strefa ta obejmuje zazwyczaj grupowe prądy powietrza świeżego i sięga do miejsca, do którego następuje obniżanie temperatury ciepłego powietrza płynącego w lecie od szybów wdechowych. Od tego miejsca temperatura skał jest stale wyższa od temperatury powietrza i ogrzewa się ono od skał wzdłuż drogi jego przepływu.

Wartości temperatur powietrza w kopalni zależą jednak głównie od temperatury powietrza na wlocie do szybu. Zgodnie z przepisami temperatura powietrza wpływającego do kopalni nie powinna być niższa niż +2 °C. Stosowana metoda prognozowania temperatury powietrza w wyro­biskach górniczych pozwala prognozować temperaturę średnią (średnioroczną) powietrza.

Pytanie 15

Określenie współczynników interweniujących w metodzie J. Vossa prognozowania temperatury

Metoda prognozowania J. Vossa wymaga znajomości trzech dla niej specyficznych współczynników. Są to współczynnik ciepła konwekcyjnego , ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła w wilgotnym górotworze oraz współczynnik określający jaka część mocy maszyn idzie na podwyższenie temperatury mierzonej termometrem suchym. Współczynniki te można wyznaczyć w oparciu o pomiary kopalniane.

1. Wyznaczanie współczynnika ciepła konwekcyjnego

Współczynnik ciepła konwekcyjnego określa jaka część ciepła dopływającego z górotworu do powietrza idzie na podwyższenie temperatury na termometrze suchym. Chcąc wyznaczyć współczynnik ciepła konwekcyjnego przeprowadza się pomiary parametrów powietrza na początku i końcu wyro­biska kopalnianego. Mając pomierzoną temperaturę powietrza termometrem suchym i wilgotnym , oraz ciśnienie statyczne, bezwzględne powietrza na początku i końcu wyrobiska i współczynnik ten można obliczyć z zależności

(1)

gdzie:

- odpowiednio temperatura mierzona termometrem suchym na początku i końcu

wyrobiska, °C,

- ciepło parowania wody w temperaturze 0 °C; = 2500000 J/kg,

- pojemność cieplna pary wodnej pod stałym ciśnieniem; =1927 J/(kgK),

- odpowiednio stopień zawilżenia powietrza na początku i końcu wyrobiska, kg/kg,

przy czym

(2)

- ciśnienie cząstkowe pary wodnej, Pa.

Ciśnienie cząstkowe pary wodnej dla przekroju dopływu (d) i wypływu (w) można obliczyć z przybliżonego wzoru w postaci

(3)

W oparciu o zależność (1) można wyznaczyć współczynnik ciepła konwekcyjnego dla każdego wyrobiska (bocznicy) sieci wentylacyjnej.

2. Wyznaczanie ekwiwalentnego współczynnika przewodzenia ciepła w wilgotnym górotworze.

Po wyznaczeniu współczynnika można przystąpić do obliczenia współczynnika oraz liczby Kirpiczewa, przy czym dokonuje się tego metodą iteracyjną. W metodzie tej przyjmujemy w przybliżeniu zerowym wartość współczynnika równą współczynnikowi przewodzenia ciepła , którego wartość dla danego typu skał, wyznaczoną laboratoryjnie, dobiera się np. w oparciu o dane literaturowe. Znając zerowe przybliżenie współczynnika

(4)

obliczamy zerowe przybliżenie ekwiwalentnego współczynnika wyrównywania temperatury

(5)

gdzie:

- pojemność cieplna skał, J/(kgK),

- gęstość pozorna skał, kg/m³,

- średni współczynnik przewodzenia ciepła dla skał otaczających wyrobisko, W/ (mK).

Następnie wyznacza się zerowe przybliżenie liczby Fouriera i liczby Biota ze wzorów

(6)

(7)

gdzie:

- czas przewietrzania wyrobiska, s,

- współczynnik wnikania ciepła z górotworu, W/(m²K), przy czym dla wyrobisk chodnikowych może on być wyznaczony z przybliżonego wzoru

(8)

Po obliczeniu zerowego przybliżenia liczb i wyznacza się zerowe przybliżenie liczby Kirpiczewa korzystając np. z zależności empirycznych. Mając zerowe przybliżenie liczby Kirpiczewa oblicza się pierwsze przybliżenie ekwiwalentnego współczynnika przewodzenia ciepła z zależności

(9)

gdzie:

i - oznacza numer iteracji.

Współczynnik i liczbę Kirpiczewa wyznacza się iteracyjnie tak długo, aż spełniona będzie nierówność

(10)

Po zakończeniu procesu iteracyjnego otrzymamy wartości współczynników i dla badanego wyrobiska. Chcąc uzyskać wartości współczynników i , które będzie można wykorzystywać przy prognozowaniu temperatury powietrza np. w wyrobiskach kopalń LGOM, współczynniki te wyznacza się dla większej liczby wyrobisk. Następnie, po analizie uzyskanych wartości współczynników, dzieli się wyrobiska na grupy (klasy), dla których wartości wyznaczonych współczynników wykazują małe zróżnicowanie. Do obliczeń prognostycznych przyjmuje się uśrednione wartości współczynników i dla odpowiednich grup wyrobisk.

3. Wyznaczenie współczynnika

Dla wyrobisk, w których występują dodatkowe źródła ciepła konieczne jest ponadto wyznaczenie współczynnika , określającego jaka część ciepła z tych źródeł wpływa na podwyższenie temperatury powietrza mierzonej termometrem suchym. Aby wyznaczyć współczynnik dla danego wyrobiska (oddziału), proponuje się wykonać pomiary parametrów powietrza na początku i końcu wyrobiska przy nieczynnych dodatkowych źródłach ciepła. Nadmienić należy, że czas wyłączenia dodatkowych źródeł ciepła powinien być na tyle długi, żeby nastąpiło ustalenie się wymiany ciepła między górotworem a przepływającym powietrzem. Następnie wyznacza się dla tego stanu współczynniki i zgodnie z tokiem obliczeń przedstawionym w punktach 1 i 2. Współczynnik wyznaczamy przyjmując założenie upraszczające, że strumień ciepła dopływający z górotworu do powietrza nie zależy od występujących w wyrobisku dodatkowych źródeł ciepła. W związku z takim założeniem współczynniki i , wyznaczone przy niepracujących maszynach, będą równe tym współczynnikom dla stanu, gdy maszyny pracują.

Mając wyznaczone współczynniki i z pomiarów wykonanych przy wyłączonych maszynach współczynnik oblicza się w oparciu o pomiary wykonane przy pracujących maszynach z zależności

(11)

przy czym zagęszczenie strumienia ciepła otrzymujemy rozwiązując równania nieliniowe (4.34) i (4.40) (patrz opis metody Voss'a), w których jest jedyną niewiadomą, np. metodą siecznych.

Wyznaczone w taki sposób współczynniki dla różnych wyrobisk, w których pracują maszyny, uśredniać dla danych grup wyrobisk, np. oddziałów eksploatacyjnych, przygotowawczych, komór itp.

Pyt.16. Pomiędzy powierzchnią wewnętrzną chodnika a przepływającym powietrzem następuje wymiana ciepła na drodze konwekcji.

Ilość ciepła jaką wymieni górotwór z powietrzem zgodnie z prawem Newtona, zależy od różnicy temperatur powierzchni skał i powietrza oraz kształtu powierzchni i prędkości przepływającego powietrza.

q =

gdzie:

- wspól. Przejmowani ciepła

- temp. Powierzchni skał

t
- temp. Powietrza ( sucha)

Pyt17.Konstrukcje (budowa) urządzeń chłodniczych wykorzystują efekty chłod­nicze następujących procesów fizycznych:

a) zmian stanu skupienia połączonych z pochłanianiem ciepła, do których należą:

• przejście ze stanu stałego w ciekły (topnienie),

• przejście ze stanu stałego w gazowy (sublimacja),

• przejście ze stanu ciekłego w gazowy (parowanie),

• rozpuszczanie soli;

b) rozprężania gazów połączonego z wykonywaniem pracy zewnętrznej lub ekspansji gazu połączonej z dławieniem przepływu (efekt Joule'a-Thom­sona);

c) zjawiska chłodniczego wirowego (rurka Ranque'a),

d) efektu termoelektrycznego Peltiera,

e) rozmagnesowania ciała stałego (zjawisko magnetotermiczne),

f) desorpcji gazów.

18. Efekt chłodniczy wirowy - rurka Ranque'a

Do równoczesnego ochłodzenia (do temperatur od -10 do -60°C) oraz ogrzania gazu (do temperatur od 50 do 100°C) służy rurka Ranque'a, zwana też niekiedy dynamiczną chło­dziarką powietrzną. Przepływ wirowy, któremu towarzyszy temperaturowe rozdzielenie gazu, przebiega w ru­rze 1 (rys. 4.6).

Doprowadzony z zewnątrz sprężony gaz rozpręża się w dyszy 2 i następnie wpływa z prędkością 200÷400 m/s stycznie do ścianki rury. Przepływ w przewodzie charakteryzuje się dużymi prędkościami zarówno stycznymi, jak też osiowymi. Warstwy zewnętrzne gazu płynące do iglicowego zaworu regulacyjnego 3 mają większą prędkość i temperaturę. Warstwy wewnętrzne przemieszczające się w kierunku przeciwnym charakteryzują się mniejszą prędkością i niższą temperaturą. Wielkość ochłodzenia jednego strumienia i ogrzania drugiego zależy od udziału chłodzonego strumienia
, wyrażonego stosunkiem ma­sowego wydatku zimnego prądu
do wydatku wlotowego strumienia powietrza
wpływającego z dyszy 2 do rurki wirowej:

Opracowane zostały konstrukcje rurek wirowych o zwiększonych w po­równaniu z rurkami o najprostszej budowie mocach chłodniczych, a także chłodzone wodą. Rurki Ranque'a charakteryzują się prostotą konstrukcji i niezawodnością działania. Jednak ich zastosowanie ogranicza niska spraw­ność energetyczna.

---