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.

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)

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.

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.