Politechnika Wrocławska Wrocław :1999-12-17

Wydział Górniczy

Specjalność EPO

Rok V

PROJEKT

Z KLIMATYZACJI KOPALŃ

1. Prognozowanie temperatury powietrza w szybie wdechowym metodą

J. Wacławika

2. Prognozowanie temperatury powietrza metodą J. Vossa - w wyrobiskach korytarzowych i wyrobisku ścianowym

3. Obliczenie zdolności chłodniczej MK i propozycja rozwiązania klimatyzacji dla projektowanych wyrobisk

4. Analiza warunków klimatycznych

Wykonał : Arkadiusz Snopkowski

Prowadzący : dr inż. F. Rosiek

1. Obliczanie temperatury powietrza

1. Temperatura sucha powietrza na podszybiu

Zastosowano do obliczeń metodę J. Wacławika [1].

Zgodnie z tą metodą temperatura sucha powietrza na podszybiu szybu wdechowego jest równa:

(1)

gdzie:

T_os - średnioroczna temperatura powietrza atmosferycznego, °C,

- gradient geotermiczny, °C/m., przy czym

- stopień geotermiczny, m/°C,

s - współrzędna bieżąca, m,

- współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K),

- bezwymiarowy strumień cieplny, wyznaczany z wzoru:

W/(m K),

c_p - ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu,

c_p = c_pa = 1005 J/(kg K)

g - przyspieszenie ziemskie,

g = 9,80665 m/s²

Ki - liczba Kirpiczewa charakteryzująca ochłodzenie się górotworu wyznaczana z nomogramów lub wzorów empirycznych jako funkcja liczb Fouriera i Biota,

Ki = f (F_o, Bi) [2]

jeżeli:

(2)

(3)

jeżeli:

(4)

gdzie:

(5)

(6)

F_o - liczba Fouriera dana wzorem:

(7)

- czas przewietrzania wyrobiska, s,

- współczynnik wyrównywania temperatury, m²/s, równy:

m²/s, (8)

c_s - pojemność cieplna skał, J/(kg K),

- gęstość pozorna skał otaczających wyrobisko, kg/m³,

Bi - liczba Biota dana wzorem:

(9)

- współczynnik przejmowania ciepła z górotworu, W/(m²K),

W/(m²K), (10)

- strumień objętości powietrza, m³/s,

- gęstość powietrza, kg/m³, liczona ze wzoru:

kg/m³ (11)

- ciśnienie statyczne bezwzględne powietrza w miejscu pomiaru prędkości, Pa, które można wyznaczyć z przybliżonego wzoru:

111510,02 Pa (12)

p_o - ciśnienie powietrza na zrębie szybu wdechowego, (przyjmuję p_o=750 Tr),

H- głębokość szybu liczona od powierzchni ziemi, m,

R_a- indywidualna stała gazowa powietrza suchego,

R_a = 287,04 J/(kg K)

T_V - temperatura wirtualna powietrza, K,

=(1+0,6^.0,0094) ^.291,60 = 293,24 K (13)

T_s = 273,15 + T_s(s)=273,15 + 18,45 = 291,60 K (14)

T_s - temperatura sucha powietrza w miejscu pomiaru prędkości, K,

T_s(s) - temperatura powietrza w przekroju wylotu szybu wdechowego,°C,

x - stopień zawilżenia powietrza, kg/kg,

2. Temperatura wilgotna na podszybiu

Wyznacza się iteracyjnie z zależności na ciśnienie cząstkowe pary wodnej w postaci:
T_ww=16,07^oC (15)

p_pn - ciśnienie cząstkowe pary w stanie nasycenia, Pa,

Pa (17)

(16)

przy czym:

=0,78 ^. 2122,07 = 1655,22 Pa

gdzie:

- ciśnienie cząstkowe pary wodnej, Pa,

- ciśnienie cząstkowe pary wodnej w stanie nasycenia w temperaturze

t_{s. pod}, Pa ,

- wilgotność względna powietrza, %,

- odpowiednio temperatury powietrza mierzone termometrem suchym i wilgotnym, ^oC.

2. Prognozowanie temperatury suchej powietrza w wyrobiskach górniczych

Obliczenia wykonano metodą J. Vossa [1]

Jako dane wyjściowe na dopływie przyjmujemy parametry powietrza na wypływie wyrobiska poprzedniego.

Wyznacza się kolejno: (przykładowe obliczenia dla przekopu przewozowego)

Liczbę Fouriera ze wzoru:

=132,05 (18)

gdzie:

- czas przewietrzania wyrobiska, s,

- ekwiwalentny współczynnik wyrównywania temperatury, m²/s, równy:

m²/s, (19)

c_s - pojemność cieplna skał, J/(kg K),

- gęstość pozorna skał otaczających wyrobisko, kg/m³,

Bi - liczba Biota dana wzorem:

(20)

- współczynnik przejmowania ciepła z górotworu - dla wyrobisk

chodnikowych może być wyznaczony z wzoru przybliżonego, W/(m²K),

W/(m²K),

Temperaturę suchą powietrza na wypływie wyznacza się ze wzoru:

(21)

przy czym :

(22)

gdzie:

- średnia temperatura pierwotna skał otaczających wyrobisko, °C, przy czym

=0,5^.(40,33+40,33)=40,33 ^oC (23)

- odpowiednio temperatura pierwotna skał w przekroju dopływu i wypływu,°C, liczona ze wzoru:

°C (24)

gdzie:

t₀ - temperatura skał na głębokości
,°C,

- stopień geotermiczny, m/°C,

r_o - promień równoważny wyrobiska, m. :

r_o =
=2 ^. 17/17,15 = 1,98 m, (25)

- współczynnik ciepła konwekcyjnego ogrzewającego powietrze suche, równy ilorazowi ciepła konwekcyjnego do ciepła całkowitego [1],

-ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła w wilgotnym masywie

skalnym, W/(m K),

A - pole przekroju, m²,

B - obwód wyrobiska, m.,

L - długość wyrobiska, m.,

c_pa- właściwa pojemność cieplna powietrza suchego, c_pa = 1005 J/(kgK)

- strumień masy powietrza suchego, kg/s,

= 1,315^.17^.4 = 90,086 kg/s, (26)

- prędkość średnia powietrza w przekroju, dla którego wyznacza się strumień masy powietrza, m/s,

- odpowiednio wysokości niwelacyjne przekroju dopływu i wypływu

wyrobiska, dla którego wykonuje się prognozę temperatury powietrza, m,

- zagęszczenie strumienia od dodatkowych źródeł ciepła, W/m, przy

czym:

=0,6^.(1000^.190^.0,22^.1/1430)= 17,54 W/m, (27)

N_z - moc dodatkowych źródeł ciepła, kW,

cz_s- współczynnik określający jaka część energii z dodatkowych źródeł wpływa na podwyższenie temperatury mierzonej termometrem suchym.

1. Prognozowanie temperatury wilgotnej powietrza w wyrobiskach górniczych

Prognozowanie temperatury powietrza mierzonej termometrem wilgotnym w wyrobisku górniczym prowadzić możemy dopiero po prognostycznym wyznaczeniu temperatury mierzonej termometrem suchym.

Temperaturę wilgotną w wyrobisku górniczym wyznaczamy tą samą metodą jak na podszybiu z tą różnicą, że x_w≠x_d . Do wyznaczenia stopnia zwilżenia na wypływie z wyrobiska korzysta się z wzoru :

(28)

gdzie:

x_d - stopień zawilżenia powietrza na dopływie wyrobiska, kg/kg,

x_w - stopień zawilżenia powietrza na wypływie z wyrobiska, kg/kg,

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

c_pw - pojemność cieplna pary wodnej przy stałym ciśnieniu, c_pw = 1927 J/(kg K).

Ciśnienie statyczne bezwzględne powietrza p_w na końcu wyrobiska wyznacza się z przybliżonego wzoru:

(29)

gdzie:

- liczba oporu wyrobiska [3]

- gęstość powietrza dla warunków normalnych,

.

3. Dobór maszyny klimatyzacyjnej

1. Wyznaczenie temperatury powietrza na wlocie do wyrobisk po zastosowaniu jego chłodzenia

Temperaturę na wlocie do wyrobiska określamy przy założeniu, że temperatura sucha powietrza w całym wyrobisku nie powinna przekraczać 28°C.

Korzystając z tego założenia, że temperatura sucha na wylocie z wyrobiska nie powinna przekraczać 28°C oraz przekształcając wzór (21) można otrzymać zależność na temperaturę suchą powietrza na dopływie do tego wyrobiska w postaci:

(30)

Wyznaczona z powyższego wzoru temperatura powietrza t_sd jest temperaturą, którą otrzymamy po wymieszaniu strumieni powietrza przepływających przez maszynę klimatyzacyjną i wyrobiskiem obok maszyny klimatyzacyjnej.

2. Wyznaczenie parametrów powietrza na wypływie i wlocie do maszyny

klimatyzacyjnej ( przykładowe obliczenia dla chodnika odstawczego)

Zakłada się, że powietrze wypływające z maszyny klimatyzacyjnej będzie miało wilgotność względną ϕ = 100 %. Wobec tego t_sMK = t_wMK.

Chcąc wyznaczyć żądane parametry powietrza na wylocie z maszyny klimatyzacyjnej przyjmuje się wstępnie temperaturę powietrza na wypływie z maszyny równą t_sMK.

Obliczenia prowadzi się iteracyjnie, wyznaczając kolejno:

• ciśnienie cząstkowe pary wodnej p_pd, Pa,

(31)

• ciśnienie cząstkowe pary wodnej w stanie nasycenia p_pnd, Pa,

(32)

- stopień zawilżenia powietrza x_d, kg/kg,

kg/kg, (33)

• entalpię 1+x kg powietrza wilgotnego h_d, kJ/kg,

=1,005 ^. 26,07+(2500+1,926 ^. 26,07) ^.
.0,0133 = 60,12 kJ/kg, (34)

• gęstość powietrza wilgotnego
  , kg/m³,

(35)

• strumień masy powietrza wilgotnego
  , kg/s,

= 7,67 ^.1,295 = 9,927 kg/s, (36)

- strumień masy powietrza suchego
, kg/s,

kg/s, (37)

• ciśnienie cząstkowe pary w stanie nasycenia w temperaturze t_sw dla powietrza wylotowego z maszyny klimatyzacyjnej p_pnw, Pa,

Pa (38)

• stopień zawilżenia powietrza x_nw na wylocie z maszyny klimatyzacyjnej dla stanu nasycenia powietrza w temperaturze t_sw, kg/kg,

kg/kg, (39)

• entalpia 1+x kg powietrza zamglonego na wylocie z maszyny klimatyzacyjnej h_w, kJ/kg,

(40)

h_w=1,005^.19,89+(2500+1,926^.19,89)^.0,0132+ 4,19^.(0,0133-0,0132)^.19,89=53,39 kJ/kg,

Następnie wyznacza się temperaturę powietrza po zmieszaniu strumieni powietrza płynących przez maszynę klimatyzacyjną i wyrobisko (obok MK).

- strumień masy powietrza płynącego wyrobiskiem (obok MK) m₁, kg/s,

= (18 - 7,67)^. 1,295 = 13,379 kg/s, (41)

• strumień masy powietrza płynącego przez maszynę klimatyzacyjną m_MK, kg/s,

= 7,67 ^. 1,295 = 9,927 kg/s, (42)

• stopień zawilżenia powietrza po zmieszaniu strumieni
  , kg/kg,

kg/kg, (43)

• entalpię powietrza po zmieszaniu strumieni powietrza
  , kJ/kg,

kJ/kg, (44)

Entalpię poszczególnych strumieni liczymy ze wzoru:

= 1,005^.26,07+(2500+1,927).0,0133 (45)

h₁= 60,12 kJ/kg,

gdzie: h₁- entalpia powietrza wilgotnego, J/kg,

h_a- entalpia powietrza suchego, J/kg,

h_w- entalpia pary wodnej, J/kg,

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

c_pw - pojemność cieplna pary wodnej przy stałym ciśnien., c_pw = 1927 J/(kg K),

x - stopień zwilżenia, kg/kg.

Temperatura sucha wymieszanego strumienia powietrza:

^oC, (46)

Dla wyznaczenia temperatury wilgotnej powietrza t_wm po zmieszaniu strumieni oblicza się kolejno:

- ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wylotowym p_pw, Pa,

(47)

• temperaturę wilgotną powietrza t_wm dla zmieszanych strumieni wyznacza się przy znanych wartościach p, p_pw i t_sw z równania:

t_{wm =}21,12 ^oC (48)

W dalszej kolejności porównuje się czy wyznaczona temperatura t_sm jest równa temperaturze t_sd określonej w punkcie 3.1 (ze wzoru (29)). Jeżeli temperatury te są różne, to przyjmujemy nową wartość temperatury t_sMK na wylocie z maszyny klimatyzacyjnej i powtarzamy tok obliczeń. Obliczenia kończymy, gdy t_sm = t_sd. Wyznaczona w ten sposób temperatura t_sMK = t_wMK jest temperaturą szukaną, która pozwala wyznaczyć zdolność chłodniczą maszyny klimatyzacyjnej.

Wyznaczenie temperatury wilgotnej na wypływie z wyrobiska :

- ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wylotowym z wyrobiska p_p, Pa,

• temperaturę wilgotną powietrza na wypływie z wyrobiska t_ww dla zmieszanych strumieni wyznacza się przy znanych wartościach p, p_pw i t_sw z równania:

, t_{ww =}24,81 ^oC

1. Obliczenie zdolności chłodniczej maszyny klimatyzacyjnej

Zdolnością chłodniczą maszyny klimatyzacyjnej jest ilość ciepła, jaką maszyna odbiera od powietrza w parowniku w jednostce czasu.

Dla wyznaczenia zdolności chłodniczej MK wyznacza się różnicę entalpii powietrza przepływającego przez maszynę
, kJ/kg,

= 60,12 - 53,39 = 6,73 kJ/kg, (49)

Zdolność chłodniczą maszyny klimatyzacyjnej wyznacza się ze wzoru:

= 9,796 ^. 6,73 = 65,95 kW (50)

gdzie:

Q - zdolność chłodnicza maszyny klimatyzacyjnej, kW.

0

(5)

ściana

chodnik odstawczy

(3) (4)

przekop

polowy

(1) podszybie przekop przewozowy (2)

Schemat wyrobisk kopalni „Tychy”

Współczynniki wykorzystane w projekcie zostały dobrane na podstawie literatury [1,3] i przedstawiono je w poniższych tabelach:

Tabela 1. Temperatura średnia powietrza atmosferycznego

Temperatura średnia powietrza na zrębie szybu
Miejscowość	Tos, °C
Katowice	7,5
Bytom	8,0
Gliwice	7,8
Legnica	8,4

Tabela 2. Współczynniki przewodzenia ciepła
dla skał

Współczynnik przewodzenia ciepła
Rodzaj skał	Górny Śląsk
Zlepieńce i żwirowce	3,4
Piaskowiec gruboziarnisty	3,5
Piaskowiec drobnoziarnisty	3,1
Łupek piaszczysty	2,2
Łupek ilasty	2,1
Węgiel kamienny	0,6

Tabela 3. Ciepło właściwe i gęstość skał c_s i

Ciepło właściwe skał i ich gęstości cs i
Rodzaj skał	, kg/m^3	cs , J/(kg K)
Piaskowiec gruboziarnisty	2400	696
Piaskowiec drobnoziarnisty	2500	705
Łupek piaszczysty	2550	850
Łupek ilasty	2600	1000
Węgiel kamienny	1300	439

Tabela 4. Ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła w wilgotnym masywie

skalnym

Ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła w wilgotnym masywie skalnym
Nazwa wyrobiska	, W/(mK)
Chodniki kamienne	5,8
Ściany prowadzone na zawał gdy są zainstalowane MK	7
Ściany prowadzone na zawał gdy nie są zainstalowane MK	7

Tabela 5. Współczynnik ciepła konwekcyjnego

Współczynnik ciepła konwekcyjnego
Nazwa wyrobiska	,
Chodniki kamienne	0,35
Ściany prowadzone na zawał gdy są zainstalowane MK	0,25
Ściany prowadzone na zawał gdy nie są zainstalowane MK	0,15

Tabela 6. Liczba oporu wyrobiska

Liczba oporu wyrobiska
Dla szybów w obudowie murowej		Dla wyrobisk korytarzowych w obudowie ŁP
Średnica D, m		Pole przekroju A, m^2
4,5	0,819001	7,0	0,050936
5,0	0,693493	8,7	0,049120
6,0	0,549065	10,9	0,051166
7,0	0,423838	14,5	0,052849
7,5	0,408202	18,0	0,049687

4. Analiza warunków klimatycznych

Dla chodnika odstawczego i ściany sprawdzono warunki klimatyczne przed i po zastosowaniu klimatyzowania powietrza.

Dla określenia czy w tych wyrobiskach panują odpowiednie warunki klimatyczne zbadano zgodność wyznaczonych dla tych wyrobisk parametrów z obowiązującymi w Polsce i na świecie normami.

Określono warunki klimatyczne wg norm:

1. polskiej,

2. francuskiej,

3. „Cuprum”,

4. belgijskiej,

5. australijskiej,

6. bułgarskiej,

7. amerykańskiej,

8. niemieckiej.

Przed zastosowaniem klimatyzacji w chodniku odstawczym i na ścianie nie są spełnione żadne normy klimatyczne. Praca w tych wyrobiskach jest zabroniona. Norma polska dopuszcza wykonywanie pracy w tych wyrobiskach jedynie w czasie akcji ratowniczych.

Normy	Chodnik odstawczy		Ściana
	Przed klimatyzacją	Po zastosowaniu klimatyzacji	Przed klimatyzacją	Po zastosowaniu klimatyzacji
polska	praca 6 h	praca 8 h	praca zabroniona	praca 8 h
francuska	praca 8 h	praca 8 h	praca niemożliwa	praca 8 h
cuprum	praca 8 h	praca 8 h	praca zabroniona	praca 8 h
belgijska	praca 8 h	praca 8 h	praca zabroniona	praca 8 h
australijska	praca 7,5 h	praca 7,5 h	praca zabroniona	praca 7,5 h
bułgarska	praca 8 h	praca 8 h	praca zabroniona	praca 8 h
amerykańska	praca 8 h	praca 8 h	praca zabroniona	praca 8 h
niemiecka	praca 8 h	praca 8 h	praca zabroniona	praca 8 h

Szkic rozmieszczenia urządzeń klimatyzacyjnych w wyrobiskach

1. 
   chłodnica wody chłodzącej - skraplacz

2. tama z przejściem dla ludzi i oknem regulacyjnym

3. maszyna klimatyzacyjna

4. chłodnica powietrza (chłodziarka) 65,95 kW

5. chłodnica powietrza (chłodziarka) 117,78 kW

Literatura:

[1] Wacławik J., Cygankiewicz J., Knechtel J. : Poradnik „ Warunki klimatyczne w

kopalniach głębokich ”, PAN, Kraków 1995.

[2] Holek S. „Opracowanie potencjału ruchu wilgoci i opartych na nich metod

prognozowania mikroklimatu wyrobisk górniczych”

[3] Z. Nędza, F. Rosiek „Wentylacja kopalń”, Wrocław 1981

[4] A. Czapliński, Zwolan „Górnictwo, Materiały pomocnicze do ćwiczeń”, Lublin

1984r.

---