6 Badania oceny wpływu stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody
6.1.2 Zasada działania stanowiska
Zasada działania stanowiska badawczego została przedstawiona w pkt. 5.1.2. Jedyna różnicą jest zastosowany tutaj zespół pomiarowy. Zespół ten składa się z dwóch pyłomierzy
97 CIP–10, dla pyłów całkowitych i pyłów respirabilnych oraz z pyłomierza Hund TM Digital µP do pomiaru pyłów respirabilnych.
6.2 Metodyka badao.
W celu wyznaczenia zależności ( ̇ ⁄ ̇ ) zaproponowano przeprowadzenie eksperymentu polegającego na wyznaczeniu skuteczności redukcji zapylenia oraz pomiarów wartości ciśnienia i natężenia przepływu mediów zasilających układ zraszania powietrzno-wodnego. W celu wyznaczenia skuteczności redukcji zapylenia porównano pomiary stężenia zapylenia za komorą zraszającą przy działającej i wyłączonej instalacji zraszającej. Pomiarów stężenia zapylenia dokonano dwoma metodami badawczymi:
metodą grawimetryczną,
metodą fotometryczną.
W przypadku metody grawimetrycznej zastosowano pyłomierz osobisty CIP–10 (rys. 6.3). Pyłomierze te, przeznaczone do badao stężenia pyłu całkowitego jak i respirabilnego w wyrobiskach górniczych, składają się z:
korpusu z układem elektronicznym,
separatora pyłu (rys. 6.4),
miseczek pomiarowych (rys. 6.4).
98 Pyłomierze te zasadniczo przeznaczone są do pomiarów zapylenia przy ekspozycji układu oddechowego człowieka na zapylenie.
W ramach przeprowadzonych badao zaproponowano ich nieco inne zastosowanie, mając na uwadze ich budowę, własne zasilanie oraz możliwości zastosowania w warunkach zagrożenia metanowego co ma znaczenie przy dalszych pracach realizowanych w podziemiach kopalo w warunkach rzeczywistej eksploatacji górniczej.
Rys. 6.4. Elementy pyłomierza CIP–10 a)separator pyłu b) miseczka pomiarowa
Wyznaczenie stężenia pyłu metodą grawimetryczną polega na pomiarze masy filtra umieszczonego w miseczce pomiarowej. Pomiarów masy dokonuje się dwukrotnie, przed umieszczeniem w atmosferze zapylonej oraz po pewnym czasie, gdy na filtrze osadzi się pewna ilośd pyłu. Przed przystąpieniem do pomiaru masy filtra należy miseczki pomiarowe poddad kondycjonowaniu w czasie dwóch godzin w temperaturze 55 ○C a następnie kondycjonowaniu w eksykatorze w ciągu trzech godzin.
Do pomiarów stężenia pyłu metodą fotometryczną użyto pyłomierza Hund TM Digital µP. Pyłomierz ten przedstawiony na rysunku 6.5 charakteryzuje się ciągłym pomiarem frakcji respirabilnej. Pomiary stężenia pyłu zostały zarejestrowane i zarchiwizowane.
Dla porównania wyników uzyskanych przy pomocy metody grawimetrycznej oraz fotometrycznej, wyznaczono odpowiedni współczynnik korelacji.
99
Rys. 6.5. Pyłomierz fotometryczny Hund TM Digital µP
Pomiary ciśnienia i natężenia przepływu mediów zasilających zrealizowano konfigurując tor pomiarowy przedstawiony na rys. 6.6.
Rys. 6.6. Schemat układu pomiarowego
W celu precyzyjnej kontroli ciśnienia i przepływu wody układ zaopatrzono w przetwornik ciśnienia typu P3MB oraz przetwornik przepływu PMB–300A. Sygnał pomiarowy z czujnika ciśnienia podawano bezpośrednio na wejście wzmacniacza pomiarowego SPIDER 8 pracującego w trybie pełnego mostka tensometrycznego. Ze względu
100 na brak kompatybilności sygnału pomiarowego na wyjściu przetwornika przepływu z wejściami pomiarowymi wzmacniacza SPIDER 8, konieczne było zastosowanie dedykowanego wzmacniacza – konwertera typu WN–100. Zestawienie aparatury pomiarowej dla pomiarów parametrów (ciśnienia i natężenia przepływu) mediów zasilających dysze w komorze zraszającej podano w p.5.3.
Sprawnośd redukcji zapylenia wyznaczono korzystając ze wzoru:
1 2 1 S S S zap red
(55) gdzie: 1S – stężenie pyłu bez stosowania instalacji zraszającej,
2
S – stężenie pyłu przy stosowaniu instalacji zraszającej,
Stężenie pyłu przy włączonej instalacji zraszającej wyznaczano dla wartości ciśnienia mediów zasilających w granicach od 0,5 do 0,6 MPa oraz przy różnych stosunkach natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody. Stosunek Qp/Qw wynosił od 40 do 180.
Badania przeprowadzono przy stałej prędkości zapylonego powietrza wynoszącej 2 m/s. Pomiarów prędkośd dokonano za pomocą anemometru skrzydełkowego przy użyciu metody „Log-Czybyszewa” wg PN-ISO 5221:1994
6.3 Przebieg i wyniki badao.
Badania przeprowadzono w Laboratorium Badao Stosowanych ITG KOMAG zgodnie z metodyką opisaną w p. 6.2.
W celu wyznaczenia stężenia pyłu przeprowadzono pomiary zapylenia pyłomierzami typu CIP–10 frakcji całkowitej i respirabilnej, pomiary pyłomierzem fotometrycznym typu Hund TM Digital µP z ciągłym pomiarem frakcji w zakresie do 8 μm.
W pierwszej kolejności wykonano próbę wstępną, która posłużyła do określenia niezbędnej ilości pomiarów w próbie. Do oszacowania ilości potrzebnych pomiarów
101 wykorzystano wartości stężenia pyłu. Ilośd niezbędnych pomiarów wyznaczono według wzoru [42]:
( ) (56)
gdzie:
– całkowita liczba pomiarów w próbie,
( ) – wartośd statystyki t – Studenta, – założony poziom istotności,
– liczba stopni swobody,
– wariancja danej cechy określona na podstawie wyników pomiarów próby wstępnej,
– dokładnośd oceny równa połowie zadanego przedziału dokładności.
W wyniku wstępnych pomiarów po przeliczeniu wg wzoru 57 uzyskano wartości stężenia pyłu, które podano w tabeli 6.1.
Tabela 6.1. Zestawienie wartości stężenia pyłu dla próby wstępnej.
Rodzaj frakcji
pyłu Nr pomiaru Czas pomiaru
Masa filtra przed pomiarem Masa filtra po pomiarem Średnie stężenie pyłu – – [min] [mg] [mg] [mg/m3] całkowity Pomiar 1 60 5862,81 5911,43 81,03 Pomiar 2 60 5927,73 5976,91 81,97 Pomiar 3 60 5912,17 5961,14 81,62 respirabilny Pomiar 1 120 5877,71 5896,82 15,92 Pomiar 2 120 5938,98 5958,67 16,41 Pomiar 3 120 5966,42 5986,69 16,89
Z tablic odczytano wartośd statystyki t–Studenta t = 4,303 dla poziomu istotności α = 0,05 i liczby stopni swobody f = 2. Przyjęto dokładnośd oceny ε = 1 [mg/m3]. Wobec powyższego dla próby wstępnej wyznaczono całkowitą liczbę pomiarów w próbie.
Procedurę wyznaczania całkowitej liczby pomiarów w próbie powtórzono dla pomiarów pyłomierzem fotometrycznym typu Hund TM Digital µP. Wyniki zestawiono w tabeli 6.2.Wyniki pomiaru stężenia pyłu pyłomierzem typu Hund TM posłużyły również do
102 wyznaczenia współczynnika korekcji pomiędzy pyłomierzem Hund TM a pyłomierzem CIP– 10, gdzie pyłomierz typu CIP–10 był przyrządem wzorcowym.
Czas
pomiaru Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4 Pomiar 5
Wartośd średnia pomiarów Współczynnik korekcji [min] – – – – – – k[–] 20 34,15 34,13 34,10 33,93 34,05 34,07 2,08
W tabeli 6.3 przedstawiono wyniki obliczeo całkowitej ilości pomiarów.
Tabela 6.3. Zestawienie wartości całkowitej ilości pomiarów w próbie
Przyrząd pomiarowy Rodzaj frakcji pyłu Poziom istotności Wartośd statystyki t– Studenta Wariancja Dokładnośd oceny Całkowita liczba pomiarów w próbie – [–] [–] [–] [mg/m3] [–] CIP–10 całkowity 0,05 4,303 0,22 1 4 respirabilny 0,05 4,303 0,23 1 4 Hund 0,05 4,303 0,57 1,5 5
Następnie wykonano próby w celu wyznaczenia stężenia pyłu przy wyłączonej instalacji zraszającej. Pomiarów dokonano przy pomocy pyłomierzy CIP–10 oraz wyznaczono stężenie pyłu wg wzoru:
( )
̇ (57)
gdzie:
– stężenie wyznaczone pyłomierzem CIP–10, – masa miseczki pomiarowej przed badaniami, – masa miseczki pomiarowej po badaniach,
̇ – natężenie przepływu powietrza przez pyłomierz CIP–10, – czas pomiaru
103
Tabela 6.4. Wyniki badao stężenia pyłu pyłomierzach CIP–10 przy wyłączonej instalacji zraszającej
Nr próby Rodzaj frakcji
pyłu Nr pomiaru Czas pomiaru Masa filtra przed pomiarem Masa filtra po pomiarze Stężenie pyłu – – – [min] [mg] [mg] [mg/m3 ] A1 całkowity Pomiar 1 40 5837,57 5867,70 75,33 Pomiar 2 40 6014,44 6044,42 74,95 Pomiar 3 40 6065,28 6095,12 74,60 Pomiar 4 40 5993,99 6024,19 75,50 respirabilny Pomiar 1 180 6062,95 6089,58 14,79 Pomiar 2 180 5903,69 5931,51 15,46 Pomiar 3 180 5887,37 5915,58 15,67 Pomiar 4 180 5908,05 5934,21 14,53
Wykonano również pomiar stężenia pyłomierzem typu Hund TM Digital µP przy wyłączonej instalacji zraszającej. Wyniki wartości średnich stężenia pyłu z uwzględnieniem współczynnika korekcji przedstawiono w tabeli 6.5.
Tabela 6.5. Wyniki badao pomiaru stężenia pyłu pyłomierzem fotometrycznym typu Hund TM Digital µP przy wyłączonej powietrzno–wodnej instalacji zraszającej
Nr próby
Czas
pomiaru Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4 Pomiar 5
Wartośd średnia pomiarów
– [min] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3]– [mg/m3]– [mg/m3]– [mg/m3]–
A1 20 15,20 15,63 15,61 15,48 15,63 15,51
Następnie pomiary powtórzono przy działającej instalacji zraszającej. Wykonano sześd prób oznaczone odpowiednio od B1 do B6 dla odpowiednich ilorazów wartości natężenia przepływu powietrza do wartości natężenia przepływu wody. Zestawienie wartości średnich parametrów mediów zasilających instalację zraszającą przedstawiono w tabeli 6.6.
104
Tabela 6.6. Parametry mediów zasilających zraszająca instalację powietrzno–wodną
Nr próby Czas pomiaru Ciśnienie powietrza Natężenie przepływu powietrza Ciśnienie wody Natężenie przepływu wody
– [min] [MPa] ̇ [Ndm3/min] [MPa] ̇ [dm3/min]
B1 140 0,50 262,2 0,55 6,4 B2 140 0,56 368,8 0,56 4,3 B3 140 0,59 405,6 0,56 4,2 B4 140 0,60 413,4 0,55 3,5 B5 140 0,62 424,9 0,55 2,9 B6 140 0,64 487,0 0,54 2,7
Wyniki badao pyłomierzami typu CIP–10 zostały przedstawione w załączniku 2. W tab.6.7÷6.8 przedstawiono zestawienie średnich wartości stężenia pyłu całkowitego i respirabilnego uzyskanych przy pomiarach pyłomierzem typu CIP–10.
Tabela 6.7. Wyniki badao pomiaru stężenia pyłu całkowitego pyłomierzem grawimetrycznym typu CIP-10
Nr próby
Czas
pomiaru Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4
Wartośd średnia pomiarów – [min] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] B1 140 21,18 22,12 20,37 21,37 21,26 B2 140 14,56 15,17 14,41 14,39 14,63 B3 140 14,14 14,31 14,97 13,95 14,34 B4 140 11,03 11,56 10,68 10,35 10,91 B5 140 12,25 12,08 12,73 12,94 12,50 B6 140 14,49 13,82 13,39 14,67 14,09
105
Tabela 6.8. Wyniki badao pomiaru stężenia pyłu respirabilnego pyłomierzem grawimetrycznym typu CIP-10
Nr próby
Czas
pomiaru Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4
Wartośd średnia pomiarów – [min] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] B1 140 4,21 4,25 4,59 4,54 4,40 B2 140 4,77 4,52 5,15 3,42 4,47 B3 140 4,04 5,75 4,53 4,19 4,63 B4 140 4,73 3,95 5,94 4,64 4,81 B5 140 3,67 4,52 5,15 3,42 4,19 B6 140 4,74 3,07 4,48 4,06 4,09
W tabeli 6.9 przedstawiono wartości średnie pomiarów z uwzględnieniem korekcji pyłomierzem fotometrycznym typu Hund. Pomiar był realizowany w tym samym miejscu i czasie co za pomocą przyrządu CIP–10.
Tabela 6.9. Wyniki badao pomiaru stężenia pyłu pyłomierzem fotometrycznym typu Hund TM Digital µP
Nr próby
Czas
pomiaru Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 Pomiar 4 Pomiar 5
Wartośd średnia pomiarów – [min] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] B1 20 4,70 4,56 4,24 4,53 4,59 4,52 B2 20 5,21 5,56 5,20 5,55 5,13 5,33 B3 20 4,04 4,49 4,50 4,48 4,46 4,39 B4 20 4,28 4,15 4,07 4,17 4,44 4,22 B5 20 4,77 4,53 4,81 4,93 4,89 4,79 B6 20 4,71 4,61 4,96 4,67 4,97 4,78
W tabeli 6.10 przedstawiono wyniki pomiarów parametrów mediów zasilających tj. ciśnienia i natężenia przepływu wody oraz powietrza.
106
6.4 Analiza wyników badao
Zarówno dla metody grawimetrycznej jak i metody fotometrycznej skutecznośd redukcji zapylenia określona jest wzorem:
(58)
Wyniki obliczeo przedstawiono w tabeli 6.11.
Tabela 6.11. Skutecznośd redukcji zapylenia z wykorzystaniem powietrzno–wodnej instalacji zraszającej mierzona metodą grawimetryczną oraz metodą fotometryczną
Metoda grawimetryczna Metoda fotometryczna
Nr próby Skutecznośd (pył całkowity) Skutecznośd (pył respirabilny) Skutecznośd (pył respirabilny) [%] [%] [%] B1 71,8 68,4 70,8 B2 80,6 66,9 65,6 B3 81,0 67,2 71,7 B4 85,5 67,3 72,8 B5 83,4 68,6 69,1 B6 81,3 68,3 69,2
Dla serii pomiarowej ze zraszaniem powietrzno–wodnym obliczono stosunek natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody oraz różnicę pomiędzy ciśnieniem powietrza i wody (tab. 6.12).
107
Tabela 6.12. Stosunek wartości natężenia przepływu powietrza do natężenia wody oraz różnica wartości powietrza i wody
Nr próby ̇ ̇ ⁄ [–] [MPa] B1 41 –0,05 B2 86 0,00 B3 97 0,03 B4 118 0,05 B5 147 0,07 B6 180 0,10
Rys. 6.7. Zależnośd ilorazu natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody w funkcji różnicy ciśnieo powietrza i wody – wartości średnie , – krzywa aproksymująca
Zależnośd przedstawiona na rysunku 6.7 pokazuje wpływ różnicy wartości ciśnienia powietrza i wody zraszającej na iloraz wartości natężenia przepływu powietrza do wartości natężenia przepływu wody.
108 Zwiększanie ciśnienia powietrza w stosunku do ciśnienia wody pokazuje proporcjonalny wzrost natężenia przepływu powietrza w stosunku do natężenia przepływu wody. Współczynnik determinacji R2=0,971 wskazuje silną zależnośd liniową pomiędzy tymi parametrami.
Na kolejnych wykresach (rys. 6.8 – 6.10) przedstawiono zależnośd skuteczności redukcji zapylenia w funkcji ilorazu natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody.
Rys. 6.8. Zależnośd skuteczności redukcji zapylenia w funkcji ilorazu natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody – pył całkowity (metoda grawimetryczna)
– wartości średnie , – krzywa aproksymująca
Porównując skutecznośd redukcji zapylenia frakcji całkowitej z wykorzystaniem powietrzno-wodnego systemu zraszającego możemy zaobserwowad (rys.6.8), że największa wartośd skuteczności redukcji zapylenia równa ok. 86 % została osiągnięta przy ilorazie natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody równym ok. 120. Dalszy wzrost ilorazu powoduje nieznaczny spadek skuteczności redukcji zapylenia do wartości 81 % przy ilorazie równym 180. Spadek ilorazu powoduje spadek skuteczności redukcji zapylenia do wartości 72 % przy ilorazie równym 40.
109 Dla pyłu respirabilnego (rys 6.9) skutecznośd redukcji zapylenia określona na podstawie pomiarów wykonanych metodą grawimetryczną na charakter liniowy i nie zmienia się, niezależnie od wielkości ilorazu natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody i wynosi 65 %.
Rys. 6.9. Zależnośd skuteczności redukcji zapylenia w funkcji ilorazu natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody – pył respirabilny (metoda grawimetryczna)
110
Rys. 6.10. Zależnośd skuteczności redukcji zapylenia w funkcji ilorazu natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody – pył respirabilny (metoda fotometryczna)
– wartości średnie , – krzywa aproksymująca
Podobną relację obserwuje się w przypadku pomiarów skuteczności redukcji zapylenia metodą fotometryczną, z tym że skutecznośd redukcji zapylenia określona wg tej metody wyniosła 70%.
Układ zraszania powietrzno-wodnego w przypadku badanej frakcji całkowitej wykazuje dużą wrażliwośd na stosunek natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody. W przypadku fakcji respirabilnej w badanym zakresie nie wykazano większego wpływu stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody, co potwierdzono poprzez pomiary dwoma metodami badawczymi.
Przeprowadzono analizę korelacji skuteczności redukcji zapylenia zraszaniem powietrzno–wodnym i stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody wykorzystując współczynnik korelacji liniowej Pearsona określonej wg zależności (45). Do oceny istotności współczynnika dopasowania R2 zastosowano statystykę t wg zależności (46). Wyniki analizy statystycznej przedstawiono w tabelach 6.12.-6.15
111
Tabela 6.12. Wyniki analizy korelacji skuteczności redukcji zapylenia całkowitego zraszaniem powietrzno–wodnym w funkcji stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody
Wielkośd Oznaczenie Wartośd
współczynnik korelacji liniowej Pearsona
R 0,97
Współczynnik determinacji R2 0,94
Wartośd statystyki t tR 18,67
Wartośd statystyki tkr 2,07
- H0 ODRZUCONA
Tabela 6.13. Wyniki analizy korelacji skuteczności redukcji zapylenia respirabilnego zraszaniem powietrzno–wodnym w funkcji stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody (metoda grawimetryczna)
Wielkośd Oznaczenie Wartośd
współczynnik korelacji liniowej Pearsona
R 0,28
Współczynnik determinacji R2 0,08
Wartośd statystyki t tR 1,35
Wartośd statystyki tkr 2,07
- H0 PRZYJĘTA
Tabela 6.14. Wyniki analizy korelacji skuteczności redukcji zapylenia respirabilnego zraszaniem powietrzno–wodnym w funkcji stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody (metoda fotometryczna)
Wielkośd Oznaczenie Wartośd
współczynnik korelacji liniowej Pearsona
R 0,44362
Współczynnik determinacji R2 0,1968
Wartośd statystyki t tR 2,32
Wartośd statystyki tkr 2,07
112