Zaliczenie ćwiczeń laboratoryjnych z Wentylacji kopalń

ZSI IV rok

I. Przykładowe pytania do zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych

Ćwiczenie nr 1

1. Podać definicję potencjału i spadku całkowitego potencjału izentropowego. Czym się charakteryzuje atmosfera uwarstwiono izentropowo?

2. Dlaczego zmierzona między przekrojami (d) i (w) różnica ciśnień
   jest równa dyssypacji energii w bocznicy ?

3. Jednostkowy opór (właściwy) rurociągu (opór 1 m bieżącego rurociągu) wynosi 100 kg/m⁸. Ile będzie wynosiła różnica ciśnień całkowitych
   zmierzona w prostoosiowym, poziomym rurociągu o długości L = 5,0 m i średnicy D = 160 mm, jeśli płynie nim powietrze ze średnią prędkością w_m = 8 m/s. Gęstość średnia powietrza w bocznicy wynosi
   = 1,185 kg/m³. Jakie będzie wskazanie (w mm) mikromanometru kompensacyjnego MK-1 zastosowanego do pomiaru tej różnicy ciśnień całkowitych.

4. Dla poziomego prostoosiowego rurociągu wyznaczono w oparciu o pomiary:
   = 12,0 Pa,

= 0,15 m³/s,
= 1,1730 kg/m³, śr. rurociągu D = 160 mm, długość rurociągu L = 5 m.

Ile wynosi liczba oporu
.

5. a) Jak się nazywają przyrządy do pomiaru ciśnień bezwzględny i do pomiaru różnicy ciśnień,

b) 802,6 Tr ile to hPa

Ćwiczenie nr 2

1. Wyznaczyć gęstość powietrza mając dane: ts =24 ,2 °C, ϕ = 68,6 %, p = 1003,2 mbara.

2. Jaka jest generalna różnica między metodami punktową i trawersu punktowego wyznaczania w_m .

3. Na czyn polega metoda trawersu punktowego wyznaczania prędkości średniej

4. W metodzie trawersu punktowego w rurociągu zmierzono:

= 6 Pa,
= 9 Pa,
= 11 Pa,
= 12 Pa,
= 1,2185 kg/m³, D= 292 mm.

Ile wynosi strumień objętości i strumień masy powietrza

5. Zmierzono na mikromanometrze z rurką pochyłą
   (l = 140 mm, nach. = 1/10, alkohol). Stosunek prędkości średniej do maksymalnej wynosi 0,84, gęstość powietrza
   = 1,2064 kg/m³, średnica rurociągu D = 125 mm. Ile wynosi strumień objętości sprowadzony do warunków normalnych.

Ćwiczenie nr 3

1. Narysować schemat stanowiska. Podać mierzone na stanowisku parametry.

2. Ile wynosi strumień objętości powietrza jeśli na mikromanometrze z rurką pochyłą, podłączonym do rurki Prandtla umieszczonej w osi rurociągu, zmierzono: średnica rurociągu D = 125 mm, L = 120 mm, nachylenie = 1/25, ciecz manometryczna - woda, w_m/w_max = 0,83.

3. Jakie charakterystyki wchodzą w skład pełnej charakterystyki wentylatora. Ile trzeba mieć punktów pomiarowych do wykreślenia tych charakterystyk.

4. Wyznaczono w oparciu o pomiary:
   = 1200 N/m²,
   = 7,2 m³/min, N_el = 375 W. Ile wynosi sprawność urządzenia (wentylator + silnik), a ile sprawność wentylatora, jeśli sprawność silnika
   = 97 %

5. W jaki sposób uzyskano równomierne rozłożenie punktów pomiarowych na charakterystyce spiętrzenia wentylatora

Ćwiczenie nr 4

1. Ile musiałaby wynosić prędkość średnia powietrza w rurociągu o średnicy D = 0,1 m, jeśli w połączonym z nim rurociągu o średnicy = 292 mm liczba Reynoldsa ma wynosić 30 000.

2. Jaka jest różnica między przepływem laminarnym a turbulentnym. Kiedy występuje przepływ laminarny, a kiedy z turbulentny. Co mówi pierwsza a co druga liczba krytyczna

3. Dlaczego nie mierzono na stanowisku prędkości w przekroju, w którym obserwowano przepływ powietrza

4. Jaką krytyczną liczbę Reynoldsa wyznaczono na stanowisku.

5. Jeśli prędkość średnia powietrza w rurze o średnicy 100 mm wynosi 0,8 m/s, to ile będzie wynosić krytyczna liczba Reynoldsa w połączonej z nią rurze o średnicy 292 mm

II. Materiał obowiązujący do zaliczenia obejmuje materiał zawarty w sprawozdaniach z poszczególnych ćwiczeń, a w tym również następujące zagadnienia:

1. Wyznaczenie gęstości powietrza w różnych wariantach: ρ(p, t_s, t_w), ρ(p, t_s, ϕ), ρ(p, t_s, x),

2. Pomiary ciśnień: przeliczanie jednostek, rodzaje ciśnień, czujniki ciśnień, przyrządy do pomiaru ciśnień bezwzględnych i różnicy ciśnień stosowane w czasie pomiarów,

3. Pomiary prędkości powietrza: metody pomiaru prędkości średniej (metoda. trawersu ciągłego, metoda trawersu punktowego w wyrobisku i w rurociągu, metoda punktowa, metoda izotach), prawo Murgue'a, przyrządy do pomiaru prędkości (tylko anemometry dynamiczne mechaniczne),

4. Pomiary wilgotności powietrza: Rodzaje wilgotności ( definicje wilgotności bezwzględnej, względnej i właściwej), przyrządy do pomiaru wilgotności (wyłącznie psychrometry), wzór Sprunga na ciśnienie cząstkowe pary wodnej i wyznaczenie w oparciu o niego wilgotności względnej, rodzaje psychrometrów.

5. Zdejmowanie charakterystyki wentylatora: pełna charakterystyka wentylatora, moc użyteczna wentylatora, sprawność wentylatora i sprawność urządzenia (wentylator + silnik).

6. Teoria potencjału izentropowego (potencjał całkowity izentropowy, spadek całkowitego potencjału izentropowego, wyznaczanie potencjału i spadku potencjału w kopalni i w sieci rurociągów, własności atmosfery uwarstwionej izentropowo, dyssypacja energii w bocznicy, opór bocznicy (wyrobiska), współczynnik i liczba oporu).

Zestaw będzie obejmował 4 ćwiczenia zaliczane niezależnie. Do każdego ćwiczenia będą podane dwa (wyjątkowo 3) pytania. Zaliczenie ćwiczeń otrzymuje student który otrzyma z każdego ćwiczenia ocenę co najmniej =3. Ponadto musi mieć przyjęte wszystkie sprawozdania.

Zaliczenie ćwiczeń przewiduję w formie pisemnej. Proszę się do tego przygotować, bo każdy ma zgodnie z regulaminem studiów dwa podejścia i nie zamierzam robić więcej terminów zaliczeń. Ewentualne uwagi proszę przesłać mailem. F. Rosiek.

Materiały pomocnicze

III. Gęstość powietrza kopalnianego

Gęstością powietrza kopalnianego nazywamy stosunek masy powietrza do jego objętości. Można ją wyznaczyć z termicznego równania stanu (równania Clapeyrona) w postaci:

(2.1.1)

gdzie: - ciśnienie statyczne, bezwzględne powietrza kopalnianego, Pa,

- stała gazowa powietrza kopalnianego, J/(kgK),

- temperatura (bezwzględna) powietrza kopalnianego mierzona termometrem suchym, K,

- objętość właściwa powietrza kopalnianego, m³/kg, przy czym

(2.1.2)

- gęstość powietrza kopalnianego, kg/m³.

Wstawiając zależność (2.1.2) do równania (2.1.1) otrzymamy

(2.1.3)

Jeśli dla powietrza kopalnianego możemy przyjąć, że jego skład chemiczny nie odbiega od standardowego, a zmienia się w nim tylko zawartość pary wodnej, to do wyznaczenia jego gęstości równanie (2.1.3) przekształcamy do postaci:

(2.1.4)

Dla wyznaczenia temperatury wirtualnej powietrza kopalnianego korzysta się najczęściej z przybliżonego wzoru

(2.1.5)

Występujący w tym wzorze stopień zawilżenia wyznacza się z zależności

(2.1.6)

gdzie: - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu kopalnianym, Pa, którego wartość można odczytać z tablic lub częściej wyznaczyć z zależności empirycznej

(2.1.7)

p - ciśnienie statyczne bezwzględne powietrza, Pa,

- temperatura powietrza kopalnianego mierzona termometrem suchym,°C,

- temperatura powietrza kopalnianego mierzona termometrem wilgotnym,°C,

Jeśli skład powietrza kopalnianego odbiega od standardowego, to dla wyznaczenia jego gęstości równanie (2.1.3) przekształca się do postaci:

(2.1.8)

gdzie: - stała gazowa zastępcza powietrza kopalnianego, J/(kgK), przy czym można ją wyznaczyć z zależności:

(2.1.9)

- uniwersalna stała gazowa; = 8314.7 J/(kmol K),

- udział objętościowy i-tego składnika powietrza kopalnianego,

- masa drobinowa i-tego składnika powietrza kopalnianego.

IV. Strumień objętości i strumień masy powietrza kopalnianego

Strumień objętości powietrza (objętościowe natężenie przepływu) w wyrobisku górniczym wyznacza się z zależności

(2.2.1)

gdzie: - pole przekroju poprzecznego wyrobiska, m²,

- prędkość średnia powietrza w tym przekroju, m/s.

Strumień masy powietrza kopalnianego jest natomiast równy

(2.2.2)

- gęstość powietrza kopalnianego, kg/m³.

Z zależności (2.22) można wyznaczyć strumień objętości powietrza sprowadzony do warunków normalnych. Jest on równy

(2.2.3)

V. Pomiar wilgotności powietrza

Pojęcia podstawowe

Powietrze atmosferyczne i kopalniane można uważać za mieszaninę powietrza suchego oraz pary wodnej. Udział objętościowy pary wodnej w powietrzu atmosferycznym w naszym klimacie waha się na ogół w granicach od 0,08 do 2,5%. Mieszaninę powietrza suchego i pary wodnej nazywa się powietrzem wilgotnym. Zakłada się, że powietrze wilgotne jest gazem doskonałym. Parametry powietrza wilgotnego spełniają zatem równanie stanu Clapeyrona

(1)

gdzie:

p - ciśnienie barometryczne powietrza, Pa,

R - indywidualna stała gazowa powietrza wilgotnego, J/(kg K),

ρ - gęstość powietrza wilgotnego, kg/m³,

T - temperatura, K.

Parametry poszczególnych składników powietrza wilgotnego również spełniają równanie Clapeyrona. W tym przypadku wielkości występujące we wzorze (1) należy zastąpić odpowiednio ciśnieniem parcjalnym, gęstością, indywidualną stałą gazową powietrza suchego lub pary wodnej. Niektóre parametry powietrza suchego i pary wodnej podano w tabl. 10.1.

Wilgotnością bezwzględną
nazywamy stosunek masy pary
do objętości powietrza

kg/m³ (2)

Wilgotnością względną powietrza nazywa się stosunek wilgotności bezwzględnej do wilgotności bezwzględnej powietrza nasyconego parą wodną w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem

kg/kg (3)

gdzie:

p_p - ciśnienie cząstkowe pary wodnej, Pa,

p_pn - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w stanie nasycenia w temperaturze T, Pa.

Wilgotność względna powietrza równa jest zatem stosunkowi prężności pary wodnej nienasyconej do prężności pary nasyconej w danej temperaturze.

Wilgotnością właściwą (zawartością wilgoci, stopniem zawilżenia) powietrza nazywa się masę pary wodnej zawartą w jednostce masy powietrza suchego.

kg/kg (4)

Entalpią h powietrza wilgotnego o wilgotności właściwej x nazywa się entalpię mieszaniny 1 kg powietrza suchego i x kg pary wodnej, określonej przy założeniu, że w temperaturze 0°C woda znajduje się w postaci cieczy i entalpia równa jest zeru.

Wielkość tę można obliczyć ze wzoru

h = 1,005 t_s + (2500 + 1,86 t_s)x kJ/kg (5)

gdzie t_s oznacza temperaturę powietrza mierzoną termometrem suchym, °C.

Zależność pomiędzy omówionymi wielkościami przedstawia wykres Molliera na rys. 10.2.

Wykres Molliera przedstawia relacje między następującymi parametrami powietrza wilgotnego: p, t_s, t_w, ϕ, x i h.

Wykres sporządza się dla określonej wartości ciśnienia i można z niego korzystać jeśli ciśnienie powietrza, którego parametry chcemy z wykresu odczytać, nie różni się więcej niż ± 3%. Chcąc wyznaczyć z wykresu Molliera parametry powietrza wilgotnego trzeba znać dwa z nich, a trzy pozostałe można wyznaczyć z wykresu.

Rys. 10.2. Wykres Molliera

Metoda psychrometryczna pomiaru wilgotności powietrza

W metodzie tej mierzy się temperaturę dwoma identycznymi termometrami. Jeden z termometrów, zwany suchym, mierzy temperaturę powietrza, drugi, zwany mokrym, wskazuje temperaturę zależną od wilgotności powietrza. Naczynie termometru mokrego jest owinięte koszulką wykonaną z tkaniny i nasyconą wodą destylowaną. Przy wilgotności względnej powietrza mniejszej niż 100 % woda odparowuje ze zwilżonego naczynia termometru powodując spadek jego temperatury. W powietrzu graniczącym bezpośrednio z naczyniem termometru mokrego powstaje stan nasycenia parą wodną i wskazywana temperatura ustala się przy niezmiennych warunkach otoczenia. Pod wpływem różnicy ciśnień parcjalnych w powietrzu graniczącym bezpośrednio z naczyniem termometru i w prądzie powietrza woda z koszulki naczynia paruje i utrzymuje się niższa temperatura termometru. Stopień ochłodzenia cieczy termometrycznej jest miarą wilgotności powietrza. Różnica temperatur wskazywanych przez termometr suchy i mokry (t_s - t_w) nazywana jest różnicą psychometryczną.

Prężność pary wodnej e w powietrzu podaje wzór empiryczny Sprunga w postaci funkcji różnicy psychrometrycznej

Pa (6)

gdzie

- prężność pary wodnej nasyconej w temperaturze termometru mokrego,

A_p - stała psychrometryczna, 1/°C.

Podstawiając wyrażenie (6) do (3) można obliczyć wilgotność względną

100% (7)

gdzie
oznacza prężność pary wodnej nasyconej w temperaturze termometru suchego
.

Wartości liczbowe
i
można znaleźć w stosownych tablicach. Ciśnienie barometryczne p, podobnie jak prężność pary wodnej, wyrażone jest w Pa.

W praktyce stosuje się psychrometry:

• Assmanna,

• rotacyjne, np. Cassela,

• Augusta.

W psychrometrze Assmanna (psychroaspiratorze) termometry umieszczone są w obudowie (rys. 10.5a). Naczynia termometrów znajdujące się w dolnej części obudowy mają kształt walca o średnicy od 4 do 4,5 mm i długości od 8 do 12 mm.

Kanalikami obudowy następuje ruch powietrza wymuszony przez wentylator napędzany silnikiem elektrycznym lub mechanizmem sprężynowym. W celu zmniejszenia wpływu promieniowania naczynia termometrów są ekranowane.

Na podstawie zmierzonej różnicy psychometrycznej
i ciśnienia barometrycznego p można obliczyć prężność pary wodnej
, a także gęstość powietrza wilgotnego.

W pomiarach i obliczeniach wentylacyjnych wyznacza się gęstość powietrza z dokładnością nie mniejszą niż 0,l%.

Psychrometr Assmanna pokazano na rys.10.5a,b, natomiast psychrometr rotacyjny, dostosowany do warunków pomiarów w kopalni, przedstawiono na rys. l0.5c.

Z uwagi na brak wymuszenia stałej prędkości powietrza wokół termometrów psychrometrów Augusta nie stosuje się do pomiarów wilgotności powietrza w kopalniach. Wynika to z faktu, że stała psychrometru znacznie zmienia się ze zmianą prędkości (rys. 2.17).

Rys. 2.17. Stała psychrometryczna w funkcji prędkości przepływu powietrza

Stałe psychrometryczne dla psychrometrów wynoszą:

- dla psychrometru Augusta ; A_p ≅ 8⋅10^-4,

- dla psychrometru Assmanna ; A_p ≅ 6.67⋅10^-4.

---