Wstęp teoretyczny

1. Mikroklimat konkretnego pomieszczenia

Jest kształtowany współoddziaływaniem naturalnych czynników klimatycznych takich jak:

• temperatura,

• ciśnienie,

• wilgotność,

• prędkość przepływu powietrza,

2. Komfort cieplny

Stan zadowolenia z warunków mikroklimatu, w którym nie odczuwa się ciepła ani chłodu. Przyjmuje się, że w komforcie cieplnym temperatury człowieka powinna wynosić 32,2°C- 33,3°C, temperatura wewnętrzna ciała człowieka 36,7°C - 37°C, strata ciepła na skutek parowania na powierzchni skóry 10% - 25% maksymalnej wielkości straty ciepła przez parowanie. Na komfort pracy wpływają:

• temperatura powietrza,

• wilgotność powietrza,

• prędkość przepływu powietrza,

• promieniowanie cieplne,

• ciśnienie powietrza,

• skład chemiczny powietrza,

• zanieczyszczenia mechaniczne powietrza,

3. Temperatura powietrza

Zmiany temperatury powietrza na powierzchni Ziemi nie mają wpływu na temperaturę górotworu w głębszych partiach. Przyjmuje się, że do głębokości 25 - 30 m.p.p.t. temperatura górotworu jest równa średniej rocznej temperaturze dla danej miejscowości. Poniżej tej głębokości temperatura wzrasta. Przyrost temperatury określa się w °C/100 m (gradient geotermiczny) lub m/1°C (stopień geotermiczny). Na kształtowanie się temperatury powietrza w kopalniach głębokich wpływają m.in.:

• zdolność wymiany ciepła między skałami a powietrzem w wyrobisku,

• zmiany ciśnienia powietrza,

• ilości ciepła wydzielane przez maszyny,

• ruch i zmiany zawartości wody w górotworze i w powietrzu w wyrobiskach,

• wydzielanie się ciepła w procesach utleniania węgla i skał,

Do pomiaru temperatury wykorzystuje się dwóch rodzajów termometrów:

• bazujące na odmiennych własnościach termicznych różnych ciał - m.in. termometry rtęciowe, alkoholowe, ciśnieniowe, mechaniczne, bimetaliczne. W praktyce kopalnianej stosuje się termometry cieczowe, ciśnieniowe i bimetaliczne,

• bazujące na temperaturowych zmianach parametrów elektrycznych materiałów - termometry oporowe, półprzewodnikowe, termoelektryczne. Pierwsze 2 rodzaje stosuje się w praktyce kopalnianej,

4. Wilgotność powietrza

Jest to zawartość pary wodnej w jednostce objętości powietrza. Wilgotność powietrza charakteryzuje się zazwyczaj jako;

• wilgotność bezwzględną - ilość pary wodnej w g lub kg w 1 m³ powietrza,

• wilgotność właściwą - ilość pary wodnej w g lub kg na jednostkę masy powietrza suchego, najczęściej 1 kg,

• wilgotność względną - stosunek wilgotności względnej do wilgotności bezwzględnej powietrza nasyconego przy danym ciśnieniu i temperaturze,

• temperaturę punktu rosy - temperatura, w której ilość pary wodnej aktualnie zawartej w powietrzu wystarcza do nasycenia go,

• niedosyt wilgotności powietrza,

• fizjologiczną wilgotność powietrza,

Na wilgotność powietrza wpływ mają:

• wilgotność i temperatura powietrza atmosferycznego,

• wilgotność i zdolność filtracyjna górotworu,

• system odwadniania w kopalni,

• wydatek powietrza,

• temperatura skał,

• ciśnienie barometryczne,

• procesy utleniania,

• zjawiska fizykochemiczne,

5. Ciśnienie powietrza

Ciśnienie wywierane przez atmosferę na powierzchnię Ziemi. Za normalne uważa się ciśnienie o wartości 101325 Pa (760 mm Hg). Ciśnienie powietrza mierzy się barometrami rtęciowymi, sprowadzając wyniki do warunków normalnych w celu możliwości porównania.

Ciśnienie wykazuje zmienność okresową lub nieokresową. Do zmian okresowych zalicza się zmiany dobowe i sezonowe. Wykazano, że zmiany ciśnienia wywierają wpływ na stan bezpieczeństwa, zwłaszcza tam, gdzie ze starych zrobów wydzielają się gazy, a także istnieją otamowane pola pożarowe. Gwałtowne i szybkie zmiany ciśnienia barometrycznego wpływają negatywnie na organizm ludzki.

Pomiary laboratoryjne: komora sucha, nawiew na stopniu III

1. Pomiar prędkości przepływu powietrza V_p

Do pomiaru prędkości przepływu powietrza wykorzystano komorę suchą z zainstalowanym anemometrem skrzydełkowym. Mierzy on prędkości w zakresie 1 m/s - 12 m/s. Liczba obrotów wirnika w jednostce czasu jest proporcjonalna do prędkości przepływu powietrza.

W badaniu wykonano zliczenia obrotów wirnika w czasie 60 sekund, następnie zamieniono uzyskane wyniki z m/min. do m/s. Wyniki są następujące:

V₁ = 64 m/min = 1,067 m/s

V₂ = 63 m/min = 1,050 m/s

V₃ = 67 m/min = 1,117 m/s

V_śr = (1,067 + 1,050 + 1,117)/3 = 1,078 m/s

Wnioski: Pomierzone prędkości przepływu powietrza i wyliczona średnia prędkość przepływu pozwalają na stwierdzenie, że przepływ z taka prędkością jest dopuszczalny
w polach metanowych, w wyrobiskach z elektryczną trakcją przewodową, w ścianach
i zabierkach, w wyrobiskach korytarzowych, w szybach i szybikach zjazdowych.

2. Pomiar intensywności chłodzenia

Pomiaru dokonano w komorze suchej za pomocą katatermometrów alkoholowych cylindrycznych. Najpierw podgrzano katatermometry do ok. 60°C, następnie mierzono czas opadania cieczy w przedziale 38°C - 35°C. Im dłuższy czas opadania alkoholu, tym mniejsze chłodzenie i odwrotnie. Otrzymano następujące wyniki:

katatermometr suchy: t_s = 91,6 s

katatermometr wilgotny: t_w = 28,9 s

stała katatermometru: F = 402 mcal/cm²

Natężenie chłodzenia - strata ciepła z 1 cm² powierzchni w ciągu 1 sekundy, wyrażana
w katastopniach. Obliczono ja wg wzoru:

K_s/w = F/t_s/w

katatermometr suchy: K_s = F/t_s = 402/91,6 = 4,388 mcal/cm² * s

katatermometr wilgotny: K_w = F/t_w = 402/28,9 = 13,910 mcal/cm² * s

Wnioski: Jeżeli intensywność chłodzenia jest mniejsza niż 11 katastopni wilgotnych, czas pracy załogi nie może przekraczać 6 godzin. Z badań wynika, że K_w > 11, więc załoga może pracować w normalnym czasie pracy.

3. Pomiar temperatury powietrza

Badanie wykonano za pomocą psychometru Asmana. Odczytano temperatury dla termometru suchego i wilgotnego (t_s i t_w) z dokładnością 0,2°C. Wartości te posłużą do dalszych obliczeń temperatury efektywnej ET. Wyniki są następujące:

termometr suchy: t_s = 26°C

termometr wilgotny: t_w = 15,2°C

4. Określenie temperatury efektywnej ET oraz ciśnienia dynamicznego związanego z przepływem powietrza

Na początku obliczono różnicę temperatur między wskazaniami termometru suchego
i wilgotnego:

Δt = t_s - t_w = 28,9°C - 15,2°C = 10,8°C

Następnie na podstawie wartości stałej katatermometru i Δt odczytano z tablic wilgotność względną powietrza. Wyniosła ona 30%.

Z nomogramu dla wyznaczania temperatur efektywnych ET [1], na podstawie wskazań termometrów: suchego i wilgotnego, wyznaczono temperaturę efektywną ET = 20°C. Temperatura efektywna ET to wskaźnik odczucia cech fizycznych powietrza: temperatury, wilgotności, prędkości ruchu powietrza.

Zmianę ciśnienia dynamicznego obliczono ze wzoru:

Δp_d = Δl * ρ_w * sinα = 8,3 * 10^-3 * 9,81 * 1 * 1000 * 1/50 = 16,2846 [Pa]

Wnioski: Odczytana wartość ET mieści się w strefie komfortu dobrego samopoczucia.

Pomiary laboratoryjne: komora wilgotna, nawiew na stopniu III

1. Pomiar prędkości przepływu powietrza V_p

Metodyka pomiaru prędkości przepływu powietrza jest identyczna jak w przypadku pomiarów w komorze suchej.

Wyniki są następujące:

V₁ = 72 m/min = 1,200 m/s

V₂ = 74 m/min = 1,233m/s

V₃ = 72 m/min = 1,200 m/s

V_śr = (1,200 + 1,233 + 1,200)/3 = 1,211 m/s

Wnioski: Pomierzone prędkości przepływu powietrza i wyliczona średnia prędkość przepływu pozwalają na stwierdzenie, że przepływ z taka prędkością jest dopuszczalny
w polach metanowych, w wyrobiskach z elektryczną trakcją przewodową, w ścianach
i zabierkach, w wyrobiskach korytarzowych, w szybach i szybikach zjazdowych.

2. Pomiar intensywności chłodzenia

Metodyka pomiaru intensywności chłodzenia jest identyczny jak w przypadku pomiarów w komorze suchej.

Otrzymano następujące wyniki:

katatermometr suchy: t_s = 86,3 s

katatermometr wilgotny: t_w = 30,3 s

stała katatermometru: F = 402 mcal/cm²

katatermometr suchy: K_s = F/t_s = 402/86,3 = 4,658 mcal/cm² * s

katatermometr wilgotny: K_w = F/t_w = 402/30,3 = 13,267 mcal/cm² * s

Wnioski: Jeżeli intensywność chłodzenia jest mniejsza niż 11 katastopni wilgotnych, czas pracy załogi nie może przekraczać 6 godzin. Z badań wynika, że K_w > 11, więc załoga może pracować w normalnym czasie pracy.

3. Pomiar temperatury powietrza

Metodyka pomiaru prędkości przepływu powietrza jest identyczna jak w przypadku pomiarów w komorze suchej. Wartości pomierzone posłużą do dalszych obliczeń temperatury efektywnej ET.

Wyniki są następujące:

termometr suchy: t_s = 24,6°C

termometr wilgotny: t_w = 16°C

4. Określenie temperatury efektywnej ET oraz ciśnienia dynamicznego związanego z przepływem powietrza

Na początku obliczono różnicę temperatur między wskazaniami termometru suchego
i wilgotnego:

Δt = t_s - t_w = 24,6°C - 16°C = 8,6°C

Następnie na podstawie wartości stałej katatermometru i Δt odczytano z tablic wilgotność względną powietrza. Wyniosła ona 40%.

Z nomogramu dla wyznaczania temperatur efektywnych ET [1], na podstawie wskazań termometrów: suchego i wilgotnego, wyznaczono temperaturę efektywną ET = 19°C. Temperatura efektywna ET to wskaźnik odczucia cech fizycznych powietrza: temperatury, wilgotności, prędkości ruchu powietrza.

Zmianę ciśnienia dynamicznego obliczono ze wzoru:

Δp_d = Δl * ρ_w * sinα = 44 * 10^-3 * 9,81 * 1 * 1000 * 1/50 = 8,6328 [Pa]

Wnioski: Odczytana wartość ET mieści się w strefie komfortu dobrego samopoczucia.

Wnioski uogólnione

Prędkość przepływu powietrza jest nieznacznie większa w przypadku komory wilgotnej.
W obydwu komorach intensywność chłodzenia jest znacznie wyższa dla powietrza wilgotnego, przy czym dla wartości są nieznacznie wyższe w komorze suchej. Wilgotność względna powietrza jest wyższa o 10% od wilgotności względnej powietrza w komorze suchej. Temperatura efektywna jest wyższa dla komory suchej, natomiast zmiana ciśnienia dynamicznego jest prawie 2 razy niższa dla komory wilgotnej w porównaniu z komorą suchą.

Bibliografia:

[1] Z. Kwiecień, K. Mruk, J. Rydlewski, T. Szponder, Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych
z przedmiotu Bezpieczeństwo i higiena pracy, Kraków 1986

---