Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Politechniki Wrocławskiej

Wrocław, dnia 07.11.2005 r.

WENTYLACJA I POŻARY

Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego

Wyznaczanie objętości i strumienia masy powietrza w wyrobisku korytarzowym i w rurociągu

Wykonali:		Prowadzący:
		Dr inż. Franciszek Rosiek

1. Wstęp

Pomiar prędkości średniej.

Podczas określania prędkości średniej w przekroju wyrobiska, w przypadku przepływu ustalonego, najczęściej stosuje się metody trawersu ciągłego lub punktowego. Metod tych nie można stosować w pomiarach przepływów nieustalonych.

Prędkość przepływu powietrza zmienia się w przekroju i najczęściej jest największa
w okolicach środka wyrobiska i maleje w kierunku jego ścian. Metody pomiaru:

• Metoda trawersu punktowego

W metodzie tej dzieli się przekrój poprzeczny wyrobiska za pomocą drutu lub sznurka na elementarne pola, najlepiej na równe i zwarte pola. Liczba pól na które dzielimy wyrobisko chodnikowe jest zależna od pola przekroju poprzecznego wyrobiska. Zaleca się żeby powierzchnia pola elementarnego nie przekraczała 0,5 m².

Metody trawersu punktowego

a, b) - sposoby podziału na pola cząstkowe, c) - podział na pola przewodu kołowego

• Metoda trawersu ciągłego

Do pomiaru używa się wszelkiego rodzaju anemometrów, które mają możliwość pomiaru prędkości w pewnym przedziale czasu. W anemometrach z mechanizmem zegarowym (tzw. anemometry skrzydełkowe, sumujące, automatyczne), które są najczęściej używane przez służby wentylacyjne kopalń, czas ten zazwyczaj wynosi 60 s.

W metodzie tej pomiar polega na obwodzeniu (trawersowaniu) anemometrem sumującym po przekroju wyrobiska. Obwodzić anemometrem należy ze stałą prędkością. Sposób obwodzenia przekroju wyrobiska może być dowolny, jednak musi spełniać zasadę, że „anemometr w czasie obwodzenia powinien przebywać jednakowo długo w każdym punkcie przekroju wyrobiska”.

Metody trawersowania ciągłego

a)- równoległa, b) - zygzakowa, c) - równoległa uproszczona

Strumień objętości powietrza
przepływający przez powierzchnię A (rys. 2.3.1) wyznacza się z zależności

gdzie w_n = |w| cos α jest rzutem wektora prędkości na normalną n do powierz­chni A, przy czym w_m oznacza prędkość średnią.

W przypadku wyrobiska powierzchnia A jest zwykle jego przekrojem poprzecznym o polu A.

Strumień masy powietrza (wydatek masowy)
wynosi

Z punktu widzenia pomiarowego istotne jest wyznaczenie kierunku wek­tora prędkości w względem powierzchni przekroju A. W celu wyznaczenia strumienia objętości lub masy powietrza należy określić moduł wektora |w| oraz kąt α zawarty między wektorem normalnym n do powierzchni A a wektorem prędkości w.

Strumień objętości powietrza sprowadzony do warunków normalnych
można wyznaczyć w oparciu o zależność:

Za warunki normalne w wentylacji kopalń przyjęto następujące parametry powietrza:

t_s = 20°C, p = 1 Atm (atmosfera fizyczna) = 760 Tr = 101325 Pa,
= 1,20 kg/m³.

2. Dane techniczne stanowiska pomiarowego i schemat ideowy

Stanowisko do wyznaczania strumieni powietrza

Stanowisko do cechowania anemometrów

3. Dane techniczne stosowanych przyrządów

Podczas wykonywania ćwiczenia korzystano z przyrządów zwanych anemometrami skrzydełkowymi.

Anemometr skrzydełkowy pozwala mierzyć prędkość średnią w pewnym czasie. Posiada wirnik utworzony z płaskich łopatek wykonanych z aluminium i ustawionych pod kątem 40-45^o do kierunku przepływającego powietrza. Na łopatki wirnika działa siła naporu dynamicznego, pod wpływem której wirnik obraca się. Prędkość obwodowa łopatek zależy od prędkości przepływającego powietrza. Wiatraczek przez specjalną przekładnię mechaniczną uruchamia licznik obrotów. Prędkość średnią powietrza uzyskuje się dzieląc wskazanie licznika przez czas pomiaru. Najczęściej czas pomiaru przyjmuje się od 0,5 minuty do co najwyżej kilku minut (często 1 minutę). W przypadku naszego ćwiczenia dla metody trawersu ciągłego była to 1 minuta. Anemometry tego typu (tzw. automatyczne) posiadają wbudowany mechanizm zegarowy, uruchamiający automatycznie licznik obrotów na określony czas. Zakres mierzonych prędkości przez anemometry skrzydełkowe stosowane w wentylacji kopalń wynosi najczęściej od 0,3 do 12-15 m/s.

4. Wyniki pomiarów i obliczenia

Część I.
Wyznaczenie strumienia objętości i strumienia masy powietrza w wyrobisku korytarzowym

1. Wyznaczenie pola przekroju poprzecznego korytarza

Pole przekroju poprzecznego korytarza

2. Pomiary prędkości średniej powietrza w wytypowanym przekroju

• Metoda trawersu punktowego

	I pomiar [m/s]	II pomiar [m/s]	III pomiar [m/s]	IV pomiar [m/s]	V pomiar [m/s]
1.	0,5	0,5	0,8	0,6	0,8
2.	0,5	0,5	0,7	0,7	0,5
3.	0,3	0,4	0,5	0,6	0,5
4.	0,4	0,6	0,7	0,8	0,6
5.	0,5	0,6	0,6	0,7	0,6
6.	0,6	0,6	0,6	0,7	0,5
7.	0,8	0,7	0,6	0,6	0,5
8.	0,7	0,6	0,6	0,6	0,5
9.	0,7	0,6	0,6	0,6	0,5
10.	0,7	0,7	0,6	0,5	0,6
11.	0,7	0,7	0,6	0,5	0,6
12.	0,8	0,7	0,7	0,6	0,8
13.	0,6	0,6	0,7	0,6	0,8
14.	0,5	0,5	0,7	0,6	0,8
15.	0,6	0,5	0,6	0,6	0,8
Średnia	0,59	0,59	0,64	0,62	0,63

Odrzucono skrajne wyniki: Średnią z pomiaru I i średnia z pomiaru III. Z pozostałych obliczono średnią arytmetyczną.

• Metoda trawersu ciągłego

Wykonano 5 pomiarów:

1. 19 m/min = 0,32 m/s

2. 29 m/min = 0,48 m/s

3. 48 m/min = 0,8 m/s

4. 50 m/min = 0,83 m/s

5. 35 m/min = 0,58 m/s

Przeliczenie otrzymanych wyników na prędkość rzeczywistą (wykorzystując charakterystykę anemometru:
):

1. 0,26 m/s

2. 0,43m/s

3. 0,75 m/s

4. 0,78 m/s

5. 0,53 m/s

Odrzucono skrajne wyniki: pomiar 1 i pomiar 3. Z pozostałych obliczono średnią arytmetyczną.

3. Pomiary temperatury suchej i wilgotnej powietrza psychrometrem Assmanna

Temperatura sucha, t_s = 16,2°C

Temperatura wilgotna, tw = 11°C

4. Pomiar ciśnienia statycznego, bezwzględnego powietrza baroluksem

p = 987 hPa = 98700 Pa

5. Obliczenie strumieni objętości powietrza, strumieni powietrza sprowadzonego do warunków normalnych oraz strumieni masy powietrza

• Dla pomiaru metodą trawersu punktowego

• Dla pomiaru metodą trawersu ciągłego

Strumień powietrza sprowadzony do warunków normalnych

Wyznaczenie gęstości powietrza o składzie standardowym

Dane:

p = 98700 Pa

t_s = 16,2°C = T = 289,33 K

t_w = 11°C= T=284,15

R_a = 287,04 J/(kgK)

• Obliczenie ciśnienia cząstkowego pary wodnej

=982,4Pa

• Obliczenie stopnia zawilżenia

0,0067kg/kg

• Obliczenie temperatury wirtualnej

= 290,49K

• Obliczenie gęstości powietrza

kg/m³

• Obliczenie strumienia powietrza sprowadzonego do warunków normalnych

= 1,6m³/s - dla metody trawersu punktowego

= 1,09m³/s - dla metody trawersu ciągłego

Strumienie masy powietrza

= 1,184kg/m³⋅0,84 m/s⋅1,93 m² = 1,99 kg/s - dla metody trawersu punktowego

= 1,184 kg/m³⋅0,57 m/s⋅1,93 m² = 0,67 kg/s - dla metody trawersu ciągłego

Część II.
Wyznaczenie strumienia objętości i strumienia masy powietrza w rurociągu

Metoda trawersu punktowego (dla przekroju II)

1. Wyznaczenie pola przekroju poprzecznego rurociągu

2. Podział przekroju na pola elementarne

,gdzie:

R - promień rurociągu = 146mm

n - liczba pierścieni = 3

k - numer kolejnego pierścienia =1; 2; 3.

1. r_k = 59,60 mm

2. r_k = 103,24 mm

3. r_k = 133,28 mm

1.

2.

3.

3. Wyznaczenie prędkości średniej w lutniociągu

,gdzie: p_{d i} - ciśnienie dynamiczne w i-tym punkcie, Pa,

- gęstość powietrza, kg/m³

=3,7m/s

4. Pomiary temperatury suchej i wilgotnej powietrza psychrometrem Assmanna

Temperatura sucha, t_s = 26,8°C

Temperatura wilgotna, t_w = 19,6°C

5. Pomiary ciśnienia statycznego, bezwzględnego powietrza baroluksem

p = 1012 hPa = 101200 Pa

6. Obliczenia strumienia objętości powietrza, strumienia objętości powietrza sprowadzonego do warunków normalnych oraz strumienia masy powietrza

Wyznaczenie gęstości powietrza o składzie standardowym

Dane:

p = 101200 Pa

t_s = 26,8°C = T = 299,95 K

t_w = 19,6°C

R_a = 287,04 J/(kgK)

• Obliczenie ciśnienia cząstkowego pary wodnej

=1810,6 Pa

• Obliczenie stopnia zawilżenia

kg/kg

• Obliczenie temperatury wirtualnej

= 302,1 K

• Obliczenie gęstości powietrza

kg/m³

• Obliczenie strumienia powietrza

• Obliczenie strumienia powietrza sprowadzonego do warunków normalnych

= 0,2m³/s

• Strumień masy powietrza

= 1,1670 kg/m³⋅3,7 m/s⋅0,067 m² = 0,3 kg/s

Metoda punktowa (dla przekroju I)

1. Wyznaczenie pola przekroju poprzecznego rurociągu

2. Wyznaczenie prędkości średniej powietrza, korzystając z nomogramu

Ciśnienie dynamiczne w środku rurociągu

Prędkość powietrza w środku rurociągu

Wyznaczenie liczby Reynoldsa

=131200

lgRe = 5,12

Rys. Stosunek prędkości średniej do maksymalnej
w przewodzie kołowym w funkcji liczby Reynoldsa

, dla w_max=12,3m/s w_śr = 12,3^.0,84 = 10,3m/s

6. Wnioski i dyskusje błędów

Wykonanie ćwiczenia przebiegło bez większych problemów.

W I części ćwiczenia widoczne są różnice w prędkości powietrza wyznaczonych metodą trawersu punktowego i ciągłego. Różnice te mogą wynikać z faktu, że dla obu metod stosowano 2 różne anemometry, a podczas obliczeń wprowadzono zmiany wynikające z charakterystyki przyrządu tylko dla metody trawersu ciągłego. Innym czynnikiem wpływającym na otrzymane wyniki, mogła być zmiana warunków panujących na korytarzu gdzie dokonywano pomiarów.

W II części ćwiczenia zauważono fakt zwiększania prędkości powietrza wraz ze zbliżaniem się do osi rurociągu co jest zjawiskiem normalnym - ściany rurociągu stanowią opór przepływającemu powietrzu zmniejszając jego prędkość.

Wszystkie pomiary obarczone są błędem wynikającym z niedoskonałości przyrządów pomiarowych, oraz stosowanej metody pomiaru. Ostateczne wyniki podane w sprawozdaniu podane są z najmniejszą dokładnością jaką stosowano w danym obliczeniu.

7. Charakterystyka cechowania anemometru

	Prędkość rzeczywista [m/s]	Prędkość odczytana [m/s]
1.	0,60	0,65
2.	7,20	7,10

Przy tworzeniu Wstępu teoretycznego wykorzystano opracowania i schematy znajdujące się w instrukcjach i materiałach, których autorem jest dr inż. Franciszek Rosiek.

8

99cm

195cm

33cm

39cm

1 2 3

4 5 6

7 8 9

10 11 12

13 14 15

---