Temat : Maszyny nawilżające i osuszające. Dobór i zastosowanie

Wykonał : Tomasz Jeger

1. Maszyny klimatyzacyjne nawilżające powietrze

W kopalniach głębokich i suchych, a w szczególności w kopal­inach soli, może się często zdarzyć, że powietrze wpływające do lutniociągu jest chłodne i mało wilgotne. Do przodku dopływa ono jednak ogrzane wskutek tego, że sam lutniociąg ogrzany jest przez promieniowanie i konwekcję od strony ociosów chodnika i przez powietrze zużyte, płynące chodnikiem. Powietrze świeże jest więc ciepłe i bardzo suche. Znane są sposoby zwykłego nawilżania po­wietrza możliwie drobno rozpryskaną wodą, dzięki czemu można uzyskać jego przemianę zbliżoną do adiabatycznej. Uzyskuje się wtedy obniżenie temperatury :powietrza mierzonej termometrem suchym, z jednoczesnym wzrostem temperatury mierzonej termo­metrem wilgotnym i wilgotności powietrza, co nie zawsze jest korzystne z punktu widzenia potrzeb klimatycznych i komfortu pracy w przodku. Przeprowadzono jednak próby z nawilżaniem powietrza w specjalnych urządzeniach w taki sposób, by część po­wietrza, płynącego do przodku nie została nawilżona, tylko ochło­dzona. Pozostała część powietrza, po .nawilżeniu w maszynie klimatyzacyjnej zostaje odprowadzana do prądu powietrza zużytego.

Na rysunku poniższym pokazano maszynę klimatyzacyjną o działaniu na­wilżającym. Powietrze suche doprowadzone lutniami do przodku jest podawane przez specjalny wentylator wprost na wymiennik cieplny, przedstawiony na rysunku linią falistą. W tym wymien­niku ciepła powietrze wlotowe zostaje ochłodzone przez zetknięcie się z zimnymi powierzchniami wymiennika. Po ochłodzeniu część powietrza skierowana zastaje do przodku, a część do komory zra­szania, znajdującej się przed wymiennikiem ciepła. W komorze zraszania następuje silne nawilżenie powietrza wylotowego, połą­czone ze znacznym obniżeniem jego temperatury. Tak ochłodzone powietrze wylotowe przepływa przez wymiennik ciepła, gdzie od­biera ciepło powietrzu płynącemu w kierunku przodku. Przed wylotem z wymiennika cieplnego do lutni wydechowej zabudo­wane są zwykle odwadniacze dla częściowego uchwycenia nad­miaru wody porywanej z powietrzem.

Schemat urządzenia klimatyzacyjnego działającego na zasadzie nawilżania powietrza

Na rysunku poniższym, na bazie wykresu i-x pokazano przemianę, jakiej podlega powietrze przy przejściu przez maszynę od punktu 1 do 2. W tym przypadku powietrze doprowadzane do maszyny miało temperaturę 35 °C i 40 % wilgotności.

Przemiana termodynamiczna powietrza w obiegu urządzenia klimatyzacyjnego

W wymien­niku ciepła przy stałej zawartości wody w powietrzu x, przy bar­dzo długim i skutecznym wymienniku można by .teoretycznie osią­gnąć punkt 2 w temperaturze 19 °C i 100 % wilgotności (patrz rysunki powyższe). Prąd wylotowy, przyjmujący ciepło i jednocześnie nawilżony, teoretycznie osiągnie stan odpowiadający punktowi 3 w temperaturze 35 °C i 100 % wilgotności. Skuteczność działania tego układu zależy od parametrów powietrza doprowadzanego do wymiennika, a w szczególności od wielkości jego nawilżenia. Im nawilżenie jest większe, tym skuteczność działania układu mniej­sza. Ponieważ przemiany termodynamiczne nie przebiegają i tu bez strat, przeto osiągnięto temperaturę wylotową 26 °C; zamiast teoretycznej 19 °C.

Dalsze badania wykazały, że sprawność urządzeń o działaniu nawilżającym powietrze wynosi przeważnie od 50 do 60 %. Zużycie energii przez wentylator i pompę wodną jest małe. Maszyna klimatyzacyjna tego typu o wydajności 35 kW i przy wzroście ental­pii Δi = 8,4 kJ/kg chłodziła około 300 m³ powietrza na minutę, z czego 200 m³/min było skierowane do przodku, a 100 m³/min wprost do komory zraszania, a więc i do wymienników ciepła. De­presja wentylatorów potrzebna do pokonania oporów wymiennika wynosiła 1471,5 Pa.

Moc silników potrzebną dla wentylatorów można więc wyli­czyć ,za pomocą wzoru

N₁=

N₂=

Moc pompy tłoczącej wodę wynosiła 2 kW, więc razem moc zain­stalowana

10,5+3,5+2=16kW

czyli
a współczynnik wydajności chłodniczej obiegu ε = 2,2 .

Koszty eksploatacji tych maszyn w porównaniu z kosztami eks­ploatacji innych maszyn powietrznych były niskie, ale ich gabaryt jest znacznie większy, a zakres stosowalności ograniczony wyłącz­nie do przodków przewietrzanych bardzo suchym powietrzem.

2. Maszyny klimatyzacyjne osuszające powietrze

Większość maszyn chłodniczych stosowanych w górnictwie ma na celu obniżenie temperatury powietrza przepływającego przez maszynę, które ulega częściowemu osuszeniu w wymienniku cie­pła na skutek przekroczenia punktu rosy. Na warunki klimatyczne powietrza ma ogromny wpływ nie tylko obniżenie temperatury powietrza, ale i jego osuszenie. Należy jeszcze wziąć pod uwagę fakt, że chłodzenie powietrza ograniczano względami zdrowotny­mi, ponieważ nie można dopuścić do gwałtownych zmian tempe­ratury w przodkach. Poza tym obniżenie temperatury powietrza znacznie poniżej przeciętnej temperatury ośrodka powoduje szyb­kie ogrzanie powietrza, a więc efekt klimatyzacji też jest ogra­niczony.

Wymienionym tu ujemnym skutkom chłodzenia powietrza można zaradzić stosując osuszanie powietrza, co ma szczególnie istotne znaczenie w przypadku konieczności dokonania kondycjonowania powietrza w dużej odległości od przodków.

W urządzeniach klimatyzacyjnych osuszających powietrze, a pracujących na powierzchni, stosuje się różne odczynniki che­miczne, powodujące wiązanie pary wodnej; wyzwalające się przy tym ciepło zostaje odebrane powietrzu środkami chłodzącymi i od­prowadzane na zewnątrz obiegu. Konieczna jest jednak wymiana lub regeneracja środków osuszających, co jest niedogodnością przy urządzeniach tego typu.

Na rysunku poniższym pokazano prototypowe urządzenie klimatyzacyjne, pracujące na dole jednej z kopalń soli potasowych w RFN. W urzą­dzeniu tym wszelkie efekty wynikające z osuszania powietrza wy­korzystano umiejętnie w połączeniu z nawilżaniem części powie­trza, skierowanej wprost na stronę wylotową przez wymiennik ciepła. Jako środka wiążącego wilgoć użyto chlorku magnezu, któ­ry jest produktem ubocznym przy wydobywaniu soli potasowych. Regeneracja samego osuszacza była tu zbędna.

Schemat urządzenia klimatyzacyjnego osu­szającego powietrze dolotowe

Zasada działania urządzenia jest następująca: Cały prąd po­wietrza wprowadza się do komory osuszającej, do której dyszami wtryskiwany jest wodny roztwór chlorku magnezu. Powietrze osusza się w niej i ogrzewa. Następnie doprowadzone zostaje do wymiennika ciepła, w którym się chłodzi i przez odwadniacz wy­pływa w kierunku przodku. Część powietrza, podobnie jak w ma­szynach nawilżających, zostaje skierowana wprost na stronę wylotową, gdzie zostaje nawilżona i tym samym dalej ochłodzona. Wymiennik ciepła chłodzony jest więc powietrzem powrotnym, dochładzanym przez nawilżanie go wtryskiwaną przez dyszę wodą. Wentylator zainstalowany w lutni po stronie wydechowej i wentylator główny w lutni wlotowej pokonują opory ruchu po­wietrza przez całe urządzenie klimatyzacyjne. Ciepło odebrane powietrzu wlotowemu do maszyny zostaje odprowadzone do po­wietrza wylotowego.

Na rysunku poniższym na podstawie wykresu i-x przedstawiono przebieg przemian termodynamicznych powietrza w tej maszynie. Powie­trze w stanie odpowiadającym punktowi 1 ma temperaturę równą 30 °C i wilgotność ϕ = 90 %. W komorze osuszającej następuje osuszanie powietrza przy i = constans do 40 % wilgotności (punkt 2). W wymienniku ciepła powietrze zostaje ochłodzone przy stałej wilgotności równej 40 % i osiąga stan odpowiadający punktowi 2.

Przemiany termodynamiczne powietrza w obiegu urządzenia klimatyzacyjnego z rys. poprzedniego

Położenie na wykresie punktu 2 zależy od stosunku ilości powietrza skierowanego do przodku i do prądu wylotowego. Im większa ilość powietrza płynie bezpośrednio do prądu zużytego powietrza w stosunku do powietrza skierowanego do przodku, tym punkt 2 będzie niżej położony na wykresie i-x. Powietrze zużyte osiąga teoretycznie temperaturę 41 °C i 100 % wilgotności (punkt 3). Do tej pory brak jeszcze danych dotyczących wyników doświadczeń z tego typu maszyną. Wiadomo tylko, że zajmuje ona dużo miejsca, co w kopalniach soli nie jest istotną przeszkodą.

Literatura:

Frycz A.: Klimatyzacja kopalń. Wyd. „Śląsk”, Katowice 1981

---