Stanisław Nawrat
Jan Szlązak
Nikodem Szlązak

Akademia Górniczo-Hutnicza

Klimatyzacja centralna wyrobisk górniczych

KWK „Pniówek”

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 2 -

Streszczenie:

Kopalnia „Pniówek” eksploatuje pokłady grupy 300 zalegające na znacznej

głębokości pod powierzchnią ziemi, charakteryzujące się bardzo dużym
zagrożeniem metanowym oraz wysoką temperaturą pierwotną górotworu, która
dla poszczególnych poziomów wynosi: -poz. 705 m t

gp



od 29,5

0

C do 34,5

0

C;

t

gp śr

= 31,1

0

C, -poz. 830 m t

gp



od 33,4

0

C do 37,7

0

C; t

gp śr

= 35,0

0

C,

-poz. 1 000 m t

gp



od 38,6

0

C do 43,5

0

C; t

gp śr

= 40,3

0

C. Pogarszanie się

warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych w
KWK „Pniówek” skłoniły kierownictwo Kopalni i Spółki do budowy klimatyzacji
centralnej. Przeprowadzone obliczenia prognostyczne warunków klimatycznych
w wyrobiskach górniczych KWK „Pniówek” w latach 1995 do 2005 wykazały, że
w celu utrzymania temperatury powietrza na wylocie ze ścian poniżej
dopuszczalnej 28

0

C, niezbędne jest chłodzenie powietrza wlotowego do ścian.

Moc chłodnic powietrza koniecznych do zainstalowania na wlocie do ścian
wynosić winna około 5 000 kW. W wyniku przeprowadzonych analiz układów
klimatyzacji centralnej [1, 2] , wybrano do za

stosowania układ skojarzony

energetyczno-

chłodniczy oparty na silnikach gazowych i generatorach energii

elektrycznej oraz chłodziarkach absorpcyjnych i sprężarkowych. Silniki gazowe
zasilane będą metanem z odmetanowania kopalni. Ciepło wytworzone w tym
pro

cesie wykorzystane będzie do przemiany w chłodziarkach absorpcyjnych.

Cześć wytworzonej przez generator energii elektrycznej służyć będzie do
zasilania sprężarek śrubowych. Pozostała ilość energii elektrycznej i ciepła
wykorzystana będzie na potrzeby ruchowe kopalni. Przyjęty układ centralnej
klimatyzacji w warunkach kopalni „Pniówek” o docelowej mocy 5,0 MW będzie
realizowany w dwóch etapach. W pierwszym etapie przewidzianym na listopad
1999 roku zostanie uruchomiony system centralnej klimatyzacji dla mo

cy równej

2,5 MW. Natomiast docelową moc chłodniczą 5,0 MW system centralnej
klimatyzacji osiągnie w czerwcu 2000 roku.

Wstęp

Kopalnia „Pniówek” eksploatuje pokłady grupy 300 zalegające na znacznej

głębokości pod powierzchnią ziemi, charakteryzujące się bardzo dużym
zagrożeniem metanowym oraz wysoką temperaturą pierwotną. Kopalnia
„Pniówek” należy do kopalń o dużym zagrożeniu klimatycznym. Charakter oraz
intensywność wymiany ciepła pomiędzy powietrzem a otaczającym wyrobiska
kopalniane górotworem zależy od wielu czynników, z których główną rolę
odgrywa głębokość zalegania i związana z nią temperatura pierwotna skał.
Kopalnia „Pniówek” prowadzi roboty górnicze w warunkach wysokiej temperatury
pierwotnej górotworu, która dla poszczególnych poziomów wynosi:



-poz. 705 m t

gp



od 29,5

0

C do 34,5

0

C; t

gp śr

= 31,1

0

C,



-poz. 830 m t

gp



od 33,4

0

C do 37,7

0

C; t

gp śr

= 35,0

0

C,



-poz. 1 000 m t

gp



od 38,6

0

C do 43,5

0

C; t

gp śr

= 40,3

0

C.

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 3 -

Z analizy rozkładu temperatur pierwotnych skał wynika, że wyższe wartości

temp

eratur występują w kierunku południowo-wschodnim obszaru górniczego

kopalni w związku z głębszym zaleganiem pokładów węgla w tym kierunku.

Schodzenie z eksploatacją z poziomu 705 m na poziom 830 m

spowodowało wzrost zagrożenia temperaturowego na stanowiskach pracy
przewietrzanych prądami powietrza doprowadzanymi z poziomu 830 m.
pogarszanie się warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i
przygotowawczych w KWK „Pniówek” skłoniło kierownictwo Kopalni i Spółki do
budowy klimatyzacji centralnej. P

owodem podjęcia tej decyzji są między innymi

problemy w zapewnieniu właściwych warunków klimatycznych w wyrobiskach
przy stosowaniu lokalnych urządzeń chłodniczych. Ciepło skraplania z lokalnych
urządzeń chłodniczych musi być oddawane do powietrza w wyrobiskach
górniczych. Zastosowanie zbyt dużej mocy urządzeń chłodniczych uniemożliwia
odprowadzenie ciepła skraplania.


Zapotrzebowanie mocy chłodniczej

Przeprowadzone obliczenia prognostyczne warunków klimatycznych w

wyrobiskach górniczych KWK „Pniówek” w latach 1997 do 2005 wykazały, że w
celu utrzymania temperatury powietrza na wylocie ze ścian poniżej
dopuszczalnej 28

0

C, niezbędne jest chłodzenie powietrza wlotowego do ścian.

Moc chłodnic powietrza koniecznych do zainstalowania na wlocie do ścian
wynosi

ć winna około 5 000 kW. Z obliczeń wynika, że niezależnie od

posiadanych urządzeń klimatyzacji lokalnej w kopalni „Pniówek” występuje brak
mocy chłodniczej na poziomie 4 000 kW. Z tego też powodu niezbędne jest
wprowadzenie klimatyzacji centralnej z uwagi

na trudności w odprowadzaniu

ciepła do dróg zużytego powietrza od urządzeń lokalnego chłodzenia. W
wyrobiskach przygotowawczych o długości powyżej 500 m utrzymanie
temperatury poniżej 28

0

C nie jest realne, a przy bardzo długich wybiegach może

dojść do przekroczenia temperatury 33

0

C. Dlatego też wyrobiska

przygotowawcze o długich wybiegach winny mieć zainstalowane urządzenia
chłodnicze.

Wykorzystując wyniki prognozy temperatury dla wyrobisk eksploatacyjnych

zamieszczone w pracy [1] możliwe jest określenie zapotrzebowania mocy
chłodniczej dla rejonów wentylacyjnych. Wielkość mocy chłodniczej obrazuje
ilość ciepła jaką należy odebrać w ścianie, by zachować właściwe warunki
klimatyczne określone przepisami. W oparciu o prognozę zagrożenia
temperaturowego pod

ano zapotrzebowanie mocy chłodniczej dla ścian w

poszczególnych rejonach, które odpowiednio wynoszą:



Partia K-

3 w pokładzie 357/1 – 520 kW,



Partia C w pokładzie 360/1 – 470 kW,



Partia C w pokładzie 361 – 460 kW,



Partia B w pokładzie 401/1 – 340 kW,



Partia

N w pokładzie 401/1 – 440 kW,



Partia B w pokładzie 403/1 – 360 kW,



Partia W-2/P-

2 w pokładzie 361 – 600 kW,



Partia S w pokładzie 403/1 – 600 kW,

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 4 -



Partia N-

2 w pokładzie 363 – 450 kW,



Partia B w pokładzie 363 – 300 kW.

Wybór sposobu klimatyzacji wyrobisk dołowych

Analizując rozwój klimatyzacji centralnej zasadniczą uwagę zwrócono na

doświadczenia kopalń niemieckich oraz południowo-afrykańskich, w których to
krajach od dłuższego czasu jest stosowana klimatyzacja centralna. W polskich
kopalniach do tej pory

nie stosowano klimatyzacji centralnej dlatego też nie było

możliwości odniesienia się do doświadczeń polskich.

Przy konieczności chłodzenia znacznej ilości miejsc pracy na dole kopalni i

zapotrzebowaniu na większe moce chłodnicze stosuje się centralne urządzenia
chłodnicze, których agregaty chłodnicze są usytuowane na powierzchni lub pod
ziemią. Stosowane są podstawowe trzy systemy klimatyzacji centralnej:



centralne chłodzenie pod ziemią; ciepło odprowadzane poprzez wyparne
chłodnice wody instalowane w zużytych prądach powietrza,



kombinowane centralne chłodzenie na powierzchni i pod ziemią,



centralne chłodzenie na powierzchni.

W technice klimatyzacji kopalń występują obecnie dwie tendencje:

 stosowanie

klimatyzacji

centralnej

poprzez

instalowanie

maszyn

klimatyzacyjnych na powierzchni i transportujących „zimno” na dół,

 stosowanie klimatyzacji lokalnej lub centralnej kombinowanej i instalowanie

lekkich maszyn klimatyzacyjnych chłodzących bezpośrednio powietrze w
miejscu pracy. W miarę wzrostu ilości maszyn klimatyzacyjnych
instalowanych na dole w kopalni osiąga się również granicę, powyżej której
nie można już odprowadzić ciepła do prądu powietrza. W takiej sytuacji ciepło
odbierane z powietrza musi być odprowadzane rurociągami na powierzchnię
kopalni.

W

rozważaniach nad wprowadzeniem klimatyzacji zwrócono również uwagę

na wykorzystanie metanu z kopalni dla potrzeb klimatyzacji. Analiza
poszczególnych wariantów klimatyzacji została przedstawiona w pracy [1]. Z
rozważanych wariantów należy wymienić:



klimaty

zację centralną z powierzchniową instalacją do wytwarzania lodu z

chłodzeniem rejonowych prądów powietrza oraz wtórnie grupowych prądów
powietrza

– wariant 1,



klimatyzację centralną z agregatami chłodniczymi na powierzchni (z
zastosowaniem turbiny Peltona

lub systemu Siemag) i chłodzeniem

rejonowych oraz wtórnie grupowych prądów powietrza – wariant 2,



klimatyzację centralną etapową podziemną i kombinowaną; z chłodnicą
wyparną wody w zużytym prądzie powietrza i wykorzystaniem wody dołowej i
chłodzeniem powietrza w rejonach – wariant 3a, z wyprowadzeniem wody
ciepłej na powierzchnię i chłodzeniem powietrza w rejonach - wariant 3b i
kombinowaną z agregatami chłodniczymi na dole i powierzchni i chłodzeniem
powietrza w rejonach

– wariant 3c.

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 5 -

We wszystkich warian

tach klimatyzacji centralnej uwzględniano dodatkowo

chłodzenie lokalnymi urządzeniami chłodniczymi.

Najbardziej

korzystne

pod

względem

techniczno-ruchowym

dla

wprowadzenia klimatyzacji centralnej w kopalni „Pniówek” wydawało się
rozwiązanie z powierzchniową instalacją do wytwarzania lodu i chłodzeniem
rejonowym i wtórnie grupowych prądów powietrza. Wybór koncepcji klimatyzacji
centralnej został poprzedzony analizą techniczno-ekonomiczną poszczególnych
rozwiązań wariantowych,

ze szczególnym

uwzględnieniem

nakładów

inwestycyjnych i kosztów bieżących eksploatacji urządzeń chłodniczych.

W przeprowadzonej analizie techniczno-

ekonomicznej uwzględniono

niezbędne do poniesienia nakłady inwestycyjne na realizację wariantowego
rozwiązania klimatyzacji centralnej kopalni w okresach 5-letnich oraz
kształtowanie się kosztów bieżących eksploatacji całego systemu w
poszczególnych latach. W oparciu o przeprowadzoną analizę przedstawiono
szczegółowo założenia techniczno-ekonomiczne dla centralnego systemu
klimatyzacji.

Dla

docelowej zainstalowanej mocy chłodniczej 5 MW wskaźniki te

przedstawiać się będą następujące:

Wariant

Koszt zainstalowanej mocy chłodniczej

Udział w kosztach

wydobycia

zł/kWh

zł/Mg

%

1

0,1399+0,1405

1,3427+1,03486

1,39+1,40

2

0,1508+0,1632

1,4476+1,5669

1,50+1,62

3

0,1548+0,1596

1,4860+1,5323

1,54+1,59

Z powyższego zestawienia wynika, że ponoszone koszty na instalację

klimatyzacji centralnej są do siebie zbliżone jednak należy uwzględnić również
czynniki techniczne. Stosunek uzyskanej mocy chłodniczej do mocy pobieranej
dla klimatyzacji centralnej jest wysoki i wynosi 2,3

– 3,5, jednak energochłonność

klimatyzacji centralnej jest duża i obciąży każdą tonę wydobycia dodatkowo
kosztami energii w wysokości 4,1 – 5,6 kWh. W pierwszej kolejności wybrano
wariant oparty o produkcję lodu próżniowego. Realizacja nowatorskiego
rozwiązania technicznego z instalacją do wytwarzania lodu jest korzystna ze
względów ekologicznych w związku z możliwością wykorzystania tej produkcji
nośnika zimna zasolonej wody dołowej i metanu do opalania kotła produkującego
parę. Do ogłoszonego przetargu zgłosiła się tylko jedna firma, tj. INTEGRAL
(Niemcy), z którą nie uzyskano porozumienia zarówno w kwestiach
technicznych, jak i handlowych.

W związku z odstąpieniem od realizacji klimatyzacji opartej na produkcji

lodu próżniowego rozpatrzono układ skojarzony, w którym wykorzystuje się
metan z odmetanowania do zasilania silników gazowych i napędu generatorów
energii elektrycznej. Wytworzone ciepło przeznaczone jest do zasilania
c

hłodziarek absorpcyjnych, a część energii elektrycznej do napędzania

chłodziarek sprężarkowych w drugim stopniu chłodzenia.

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 6 -

Układ centralnej klimatyzacji w KWK „Pniówek”

W wyniku przeprowadzonych analiz układów klimatyzacji centralnej [1, 2]

wybrano do z

astosowania układ skojarzony energetyczno-chłodniczy oparty na

silnikach gazowych i generatorach energii elektrycznej oraz chłodziarkach
absorpcyjnych i sprężarkowych. Silniki gazowe zasilane będą metanem z
odmetanowania kopalni. Ciepło wytworzone w tym procesie wykorzystane będzie
do przemiany w chłodziarkach absorpcyjnych i ochłodzenia medium
chłodniczego do temperatury około 7

0

C. Część wytworzonej przez generator

energii elektrycznej służyć będzie do zasilania sprężarek śrubowych i uzyskania
dalszego o

chłodzenia medium do temperatury około 3

0

C. Pozostała ilość energii

elektrycznej i ciepła wykorzystana będzie na potrzeby ruchowe kopalni. Schemat
skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego przedstawiono na rysunku 1.

Taki skojarzony układ energetyczno-chłodniczy (rys.1), w porównaniu do

układów opartych na zastosowaniu wyłącznie chłodziarek sprężarkowych,
charakteryzuje się koniecznością poniesienia wyższych nakładów w pierwszej
fazie realizacji inwestycji, natomiast od momentu uruchomienia instalacji

wpływy

za sprzedaną energię elektryczną, ciepło i korzyści uzyskane z
zagospodarowania

metanu

są

wyższe

od

ponoszonych

kosztów

eksploatacyjnych instalacji.

Przyjęty układ centralnej klimatyzacji w warunkach kopalni „Pniówek” o

docelowej mocy 5,0 MW będzie realizowany w dwóch etapach. W pierwszym
etapie przewidzianym na listopad 1999 roku zostanie uruchomiony system
centralnej klimatyzacji dla mocy równej 2,5 MW. Natomiast docelową moc
chłodniczą 5,0 MW system centralnej klimatyzacji osiągnie w czerwcu 2000 roku
(rys.1). Parametry skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego zostały
przedstawione na rysunku 2. Natomiast na rysunku 3 zamieszczono realizację
płatności między SEJ a KWK „Pniówek” oraz obciążenie jednej tony węgla
kosztami klimatyzacji centralnej.

Aktualnie moc chłodnicza lokalnych urządzeń klimatyzacyjnych w

warunkach kopalni „Pniówek” osiągnęła wartość około 2,12 MW. Należy dodać,
że pomimo wprowadzenia centralnego systemu klimatyzacji nadal konieczne
będzie stosowanie lokalnych urządzeń chłodniczych w wyrobiskach ślepych
przewietrzanych wentylacją lutniową.

Na rysunku 1 przedstawiono system klimatyzacji skojarzonego układu

energetyczno-

chłodniczego na powierzchni. W pierwszym etapie zakładana moc

chłodnicza 2,5 MW zostanie osiągnięta poprzez agregat chłodniczy składający
się z dwóch chłodziarek absorpcyjnych oraz jednej chłodziarki sprężarkowej.
Sumaryczna moc agregatu chłodniczego wynosi 2 850 kW, przy przepływie wody
41,1 l/s. Woda powracająca z dołu kopalni o temperaturze 18,0

0

C będzie

ch

łodzona przez chłodziarki do temperatury 1,5

0

C.

W drugim etapie moc chłodnicza będzie wynosić 5,0 MW. Do istniejącego

układu chłodniczego o mocy 2,5 MW zostanie równolegle dołączony identyczny
układ chłodniczy o mocy 2,5 MW. Zimna woda o temperaturze 1,5

0

C będzie

sprowadzana izolowanym rurociągiem na poziom 830 m do trójkomorowej śluzy
ciśnieniowej.

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 7 -

Rys.1. Schemat skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 8 -

Rys.2. Parametry skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 9 -

KWK „Pniówek”

Energia elektryczna

Zakup 39 500 MWh/rok

Z SEJ S.A.

za kwotę 4 787 000 zł

( 1MWh = 121,19 zł )

dla kopaln

i „Pniówek”

zyskiem jest wartość

zakupu pomniejszona o

koszty przesyłu

tj. o ~ 25% wartości

SEJ Jastrzębie

KWK „Pniówek”

REALIZACJA PŁATNOŚCI

SEJ Jastrzębie

KWK „Pniówek”

Rok

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Obciążenie

jednej tony

klimatyzacją

centralną

2,26

2,85

2,86

2,18

1,78

1,77

0,65

0,52

0,53

Rys. 3. Schemat realizacji płatności między SEJ a KWK „Pniówek” oraz obciążenie

jednej tony węgla kosztami klimatyzacji centralnej

W pierwszym etapie moc chłodnicza 2,5 MW będzie przekazywana przez

wodę o masie równej 41,1 kg/s. Dla docelowej mocy chłodniczej 5,0 MW masa
wody będzie równa 82,2 kg/s. Natomiast dla perspektywicznej mocy chłodniczej
równej 10,0 MW masa wody wynosić będzie 164,4 kg/s.

Średnicę rurociągu w szybie dobrano zakładając, że średnia prędkość

przepływu wody zawiera się w przedziale 1 – 2 m/s. Z przeprowadzonych obliczeń
wynika, że w szybie należy zabudować rurociąg o średnicy 0,3 m.

Trójkomorowa śluza ciśnieniowa Siemag służy do transportu poddanej

wysokiemu ciśnieniu wody z rurociągu szybowego do wtórnego obiegu na poziomie
830 m o niskim ciśnieniu. Składa się z trzech komór wodnych, baterii armatury
sterowanej hydraulicznie z armaturą wyrównawczą oraz elektrycznej jednostki
sterującej. Poprzez cykliczne napełnianie komór zimną wodą i ciepłą wodą na
przemian realizowany jest transport zimnej wody chłodzącej do zasilania obiegu
wtórnego oraz ciepłej wody z obiegu wtórnego na powrót do obiegu pierwotnego.
Dzięki zastosowaniu trzech komór przepływ jest ciągły z niewielkimi pulsacjami
ciśnienia. Wymiary trójkomorowej śluzy ciśnieniowej odpowiednio wynoszą:
wysokość 2,2 m, długość 28 m przy szerokości maksymalnie 1,2 m. Dodatkowo
należy przewidzieć miejsce dla systemu hydraulicznego i sterowania elektrycznego
o długości około 2,0 m oraz wysokości 1,8 m.

Rok

Chłód

[t

ys. zł]

2000

6 867,0

2001

8 858,0

2002

8 845,0

2003

6 732,0

2004

6 254,0

2005

6 220,0

2006

2 407,0

2007

1 953,0

2008

1 943,0

Rok

Metan

[tys. zł]

2000

1 051,0

2001

1 404,0

2002

1 370,0

2003

1 417,0

2004

1 406,0

2005

1 335,0

2006

1 411,0

2007

1 404,0

2008

1 374,0

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 10 -

Wielkość przepływu przez trójkomorową śluzę ciśnieniową Siemag

(zamówioną przez kopalnię) maksymalnie wynosi 300 m

3

/h przy przenoszonej

mocy chłodniczej równej 6,1 MW. Ciśnienie nominalne w obiegu pierwotnym
wynosi 10,0 MPa, natomiast ciśnienie robocze wynosi 9,5 MPa. W obiegu wtórnym
ciśnienie nominalne jest równe 4,0 MPa, a ciśnienie robocze wynosi 2,0 MPa.
Przewidywany przyrost temperatury w trójkomorowej śluzie ciśnieniowej równy jest
około 0,5

0

C, natomiast strata ciśnienia jest równa około 0,05 MPa. Temperatura za

trójkomorową śluzą wynosi +3,0

0

C ze średniogodzinową tolerancją równą



1,0

0

C,

oraz z

tolerancją średniodobową równą



0,5

0

C. Należy dodać, że wymieniony

system charakteryzuje się niewielkim zużyciem energii elektrycznej oraz małymi
stratami ciepła.

Dysponując mocą chłodniczą dla rejonu wentylacyjnego możliwe jest

określenie parametrów chłodnic powietrza. Należy dodać, że układ chłodzenia
realizowany będzie przez umieszczenie baterii chłodnic połączonych równolegle
przed wlotem do ściany w odległości nie większej niż 200 m. Wraz z postępem
ściany chłodnice powietrza będą przebudowywane. Zastosowany sposób
charakteryzuje się tzw. głębokim schładzaniem powietrza przed ścianą. Szkic
układu chłodzenia został przedstawiony na rysunku 4.

Rys.4. Szkic układu chłodzenia. Rozprowadzenie rurociągów na poziomie 830 m

oraz w rejonach eksploatacyjnych - etap I

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 11 -

Na tym rysunku podano moc chłodnic powietrza niezbędną do zachowania

właściwych warunków klimatycznych w ścianie. Do obliczeń mocy chłodnic
powietrza przyjęto chłodnice powietrza typu GK o mocy chłodniczej 250 kW
i 350 kW. W pie

rwszym etapie niezbędne jest zainstalowanie czterech chłodnic

powietrza o mocy chłodniczej 250 kW oraz czterech chłodnic o mocy chłodniczej
350 kW. Natomiast dodatkowo w etapie drugim należy zainstalować dwie chłodnice
powietrza o mocy chłodniczej równej 250 kW oraz sześciu chłodnic powietrza o
mocy chłodniczej 350 kW.

Na poziomie 830 m zostanie utworzona sieć niskociśnieniowych izolowanych

rurociągów

rozprowadzających

zimną

wodę

do

chłodnic

powietrza

rozmieszczonych w rejonach eksploatacyjnych. Drogę powrotną od chłodnic
powietrza do trójkomorowej śluzy ciśnieniowej będą stanowić nieizolowane
rurociągi, które poprzez dodatkowy odbiór ciepła od płynącego powietrza do
rejonów eksploatacyjnych będą chłodzić powietrze.

Rurociągi projektuje się tak, by zapewniały średnią prędkość przepływu około

2 m/s. Bilansując masę wody w poszczególnych gałęziach rurociągów określamy
ich średnice.

Przeprowadzone rozważania pozwoliły określić średnice rurociągów w sieci. W

głównych wyrobiskach na poziomie 830 m prowadzone będą rurociągi o średnicy
200 mm i zasadniczo 150 mm, natomiast w wyrobiskach rejonowych
poprowadzone będą rurociągi o średnicy 80 mm.

W pierwszym etapie wprowadzania układu centralnej klimatyzacji moc

chłodnicza będzie wynosić 2,5 MW. Mając na uwadze rozłożenie eksploatacji i
zagrożenie klimatyczne rejonów optymalnym rozwiązaniem jest poprowadzenie
rurociągów do rejonów eksploatacyjnych zaznaczonych na rysunku 4. Na tym
rysunku zaznaczono długość odcinka rurociągu, średnicę, moc chłodnicy i
temperaturę na wlocie do chłodnicy. Dla pierwszego etapu całkowita długość
rurociągów izolowanych o średnicy 200 mm równa się około 1 050 m, natomiast o
średnicy 150 mm około 2 340 m oraz o średnicy 80 mm około 6 010 m. Należy
zaznaczyć, że są to długości rurociągów rozprowadzających zimną wodę do
chłodnic powietrza. Stąd należy zapewnić dokładnie taką samą długość rurociągów
nieizolowanych dla odprowadzenia ciepłej powrotnej wody.

W czerwcu 2000 roku moc chłodnicza będzie wynosić 5,0 MW. Pozwoli to

objąć chłodzeniem powietrza wszystkie rejony prowadzące eksploatację. Rurociągi
z zimną wodą w drugim etapie należy poprowadzić zgodnie z rysunkiem 5, gdzie
zaznaczono sieć rurociągów z zimną i z ciepłą powrotną wodą, uwzględniając
średnicę rurociągu. Sumaryczne długość zabudowanych rurociągów w drugim
etapie będzie wynosić około 7 000 m.


Bilans ciepła w dołowej sieci rurociągów

Obliczenia dotyczące systemu klimatyzacji oparte są na bilansach cieplnych.

Moc Q

o

centralnego systemu klimatyzacyjnego z agregatami chłodniczymi

zl

okalizowanymi na powierzchni zwykle określa się po stronie wody i wyznacza się

z zależności:
Q

o

= m

w

c

w



T kW

(1)

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 12 -

Rys.5. Szkic układu chłodzenia. Rozprowadzenie rurociągów na poziomie 830 m oraz w rejonach eksploatacyjnych – etap II

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 13 -

gdzie:

m

w

– strumień masy chłodziwa, kg/s,

c

w

– ciepło właściwe chłodziwa, kJ (kgK),



T

– różnica temperatur wody wypływającej z parownika i powracającej z

dołu kopalni,

0

C.

W rurociągu szybowym występują straty ciepła i temperatura wody płynącej w

dół podnosi się. Straty ciepła Q

1

wywołane przenikaniem ciepła przez ściankę

rurociągu w tym obiegu są równe:

Q

1

=



·d·k·h·



T

1

kW

(2)

gdzie:

d

– średnica rurociągu, m,

k

– współczynnik wymiany ciepła miedzy powietrzem płynącym przez

wyrobisko a wodą w rurociągu, kW (m

2

K),

h

– pionowa długość rurociągu w szybie, m,



T

1

– średnia wartość różnicy temperatur powietrza płynącego w dół w

obiegu szybowym i wody

0

C.

W przypadku rurociągu izolowanego termicznie współczynnik wymiany ciepła

wynosi k



3 W/(m

2

K), natomiast dla ruroc

iągu nieizolowanego k



30 W/(m

2

K).

Przyjmuje się, że w przypadku rurociągów izolowanych straty ciepła wyniosą około
10 % wartości wyznaczonych dla rurociągów bez izolacji cieplnej. Wartość
współczynnika k



3 W/(m

2

K) w przybliżeniu odpowiada współczynnikowi

przenikalności cieplnej





0,07 W/m.

Podczas ruchu wody w dół następuje konwersja jego energii potencjalnej na

energię wewnętrzną. Przyrost temperatury odpowiadający wzrostowi głębokości o
1 m jest równy [3]:

ds

c

dz

w

g



(3)

gdzie:

g = 9,80665 m/s

2

– przyśpieszenie ziemskie,

z

– oś pionowa zwrócona do góry, m,

s

– oś rurociągu o zwrocie zgodnym z kierunkiem przepływu chłodziwa, m.

W przypadku wody ciepło właściwe c

w

= 4,18 kJ/(kgK) i w związku z tym

przyrost temperatury wody na jednostkową głębokość wynosi:

K/m

10

x

346

,

2

10

x

4,18

80665

,

9

3

3





(4)

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 14 -

Zatem efektem konwersji energii jest przyrost temperatury wody o 2,346

0

C na

1 000 m głębokości. Efekt ten, z przeciwnym znakiem, zachodzi podczas przepływu
wody do góry i w związku z tym nie musi być uwzględniany przy obliczeniach mocy
cieplnej

agregatów chłodniczych. Jednak podczas dokonywania obliczeń

temperatury na trasie w izolowanych rurociągach efekt ten powinien być
uwzględniony.

Należy również przyjąć, że wydatek wody po stronie obiegu pierwotnego i

wtórnego jest jednakowy. Zatem straty ciepła Q

2

w izolowanych rurociągach

rozprowadzających zimną wodę między śluzą ciśnieniową a wodnymi chłodnicami
powietrza są równe:

Q

2

= m

w

c

w

(T

wa

– T

wb

) = kF



F

2

(5)

gdzie:

T

wa

– temperatura ochłodzonej wody wypływającej z trójkomorowej sluzy

ciśnieniowej,

0

C,

T

wb

– temperatura wody wpływającej do wodnej chłodnicy powietrza,

0

C,



T

2

– różnica między średnimi temperaturami powietrza w wyrobisku i wody

w rurociągu,

0

C,

F

– pole powierzchni wymiany ciepła, m

2

.

Podobnie można wyznaczyć straty ciepła Q

3

w rurociągu z powrotną wodą

między chłodnicami powietrza a trójkomorową śluzą ciśnieniową:

Q

3

= m

w

c

w

(T

wc

– T

wd

) = kF



F

3

(6)

Całkowita moc chłodnicza Q

0

układu klimatycznego jest sumą mocy chłodnic

powietrza Q

ch

oraz strat ciepła na drodze wody:

Q

0

= Q

ch

+



Q

str

(7)

gdzie:



Q

str

– suma strat ciepła na drodze przepływu wody, kW.

Izolowane termicznie rurociągi z zimną wodą biegną z prądem świeżego

powietrza przez wyrobiska k

orytarzowe do miejsc lokalizacji wodnych chłodnic

powietrza. Tworzą sieć przewodów, w których przepływ wymuszony jest za pomocą
pompy. Przy sporządzaniu łącznego bilansu strat ciepła (2), (5), (6) uwzględnia się
sumaryczne pole powierzchni wymiany ciepła oraz średnią wartość różnicy
temperatur. Przy określaniu przybliżonych wartości przyrostów temperatur zakłada
się stałość parametrów fizycznych czynników przenoszących ciepło.

Długość rurociągu doprowadzającego wodę w szybie jest równa h = 830 m.

Straty ci

epła (2) w pierwszym obiegu wody sprowadzanej na poziom 830 m po

stronie rurociągu szybowego Q

1

= 25,3 kW. Przyrost temperatury wody w rurociągu

szybowym po uwzględnieniu wzrostu temperatury związanej z głębokością wynosi
dla mocy chłodniczej 2,5 MW 2,1

0

C

. Natomiast dla mocy chłodniczej równej

5,0 MW przyrost temperatury będzie równy 2,0

0

C. Stąd temperatura wody na

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 15 -

poziomie 830 m za trójkomorową śluzą ciśnieniową Siemag dla mocy chłodniczej
równej 2,5 MW będzie wynosić 4,1

0

C. Natomiast dla mocy

chłodniczej 5,0 MW

temperatura wody wynosić będzie 4,0

0

C.

Obieg niskociśnieniowy stanowi sieć izolowanych termicznie rurociągów z

zimną wodą płynącą do chłodnic powietrza oraz nie izolowanych z wodą powrotną.
Na podstawie zamieszczonych parametrów rurociągów i obliczonych strat ciepła
obliczono temperaturę na końcu rozgałęzienia i dla miejsca rozgałęzienia i dla
miejsca podłączenia każdej wolnej chłodnicy powietrza. Najniższa temperatura
wody doprowadzonej do chłodnicy powietrza wynosi 4,9

0

C dla partii

C w pokładzie

360/1. Natomiast najwyższa temperatura wody doprowadzonej do chłodnicy
powietrza wynosi 4,9

0

C dla partii B w pokładzie 401/1. Temperatura powrotnej

wody przed trójkomorową śluzą ciśnieniową Siemag wynosi około 19,9

0

C,

natomiast na powierzchni jej temperatura wynosi 16,9

0

C. Na rysunku 4

zamieszczono sieć rurociągów wraz z temperaturami odpowiadającymi
rozprowadzanej wodzie. Przeprowadzono również obliczenia dla etapu drugiego.
Wyniki obliczeń zostały zamieszczone na rysunku 5. Najniższa temperatura wody
doprowadzonej do chłodnicy powietrza była równa 4,8

0

C dla partii C w pokładzie

360/1, natomiast największa wynosiła 5,7

0

C dla partii B w pokładzie 403/1.

Temperatura wody powracającej na powierzchni przed agregatami chłodniczymi
wyniosła 20,2

0

C, a na powierzchni wynosi ona 17,7

0

C.

Należy zauważyć, że przyrost temperatury w obiegu niskociśnieniowym jest w

przybliżeniu równy obiegowi wysokociśnieniowemu. Stąd powracająca woda do
trójkomorowej śluzy ciśnieniowej będzie miała około 20,0

0

C. Na powierzchni na

wejściu do chłodziarki absorpcyjnej temperatura wody będzie równa około 17,0

0

C.

Nieizolowane rurociągi z powracającą wodą z chłodnic powietrza będą

stanowić dodatkowe źródło chłodzenia powietrza w rejonach, ponieważ
temperatura wody powro

tnej będzie kształtować się na poziomie około 19

0

C, a

temperatura powietrza w rejonach eksploatacyjnych i w głównych wyrobiskach na
poziomie 830 m waha się w granicach od 22 do 27

0

C.

Należy dodać, że rurociągi będą wyposażone w zawory zwrotne służące do

regulacji rozpływu wody w sieci rurociągów. Znajdują się zasadniczo za każdym
rozgałęzieniem rejonowym oraz w niektórych odgałęzieniach rurociągów głównych.
Lokalizację zasuw odcinających zamieszczono na rysunkach 4 i 5 odpowiednio dla
każdego etapu.

Pr

zeprowadzono obliczenia strat ciśnienia wskutek występowania oporów

liniowych w sieci rurociągów dołowych. Przyjęto do obliczeń, że wielkość strat
ciśnienia przy przepływie przez chłodnicę powietrza wyniesie 100 kPa. Obliczenia
wykonano dla nowych rur o ch

ropowatości bezwzględnej k = 0,1 mm. Mając na

uwadze wzrost oporów przepływu wody wskutek zużycia należy się liczyć z około
10 % wzrostem oporów przepływu w rurociągach rozprowadzających wodę. Nie
uwzględniono również występujących oporów lokalnych związanych ze
zmniejszaniem i zwiększaniem średnicy rurociągów, zmianą kierunku prowadzenia
rurociągu (kolana) i zaworów zwrotnych. Przyjęto, że lokalne opory przepływu
stanowią około 10 % całości oporów przepływu w rurociągach.

Dysponując stratami ciśnienia na poszczególnych drogach przepływu do

rejonów wentylacyjnych sporządzono schematy straty ciśnienia w rurociągach
rozprowadzających wodę na trasie od trójkomorowej śluzy ciśnieniowej do chłodnic

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 16 -

powietrza i na powrót do śluzy ciśnieniowej. Schematy odpowiednio dla etapu I i II
przedstawiono na rysunkach 6 i 7.

Rys.6. Schemat strat ciśnienia w rurociągach rozprowadzających wodę – etap I

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 17 -

Rys.7. Schemat strat ciśnienia w rurociągach rozprowadzających wodę – etap II

Przerywaną linią zaznaczono wielkość straty ciśnienia jaką należy uzyskać na

zasuwie dławiącej, by zapewnić właściwą ilość wody dla chłodnic powietrza w
rejonach eksploatacyjnych.

Dysponując maksymalną stratą ciśnienia oraz ilością wody dla chłodnic

powietrza możliwe jest wyznaczenie punktu pracy pompy służącej na pokonanie
oporów przepływu w rurociągach rozprowadzających wodę do chłodnic powietrza.
Wielkość strat ciśnienia dla etapu I wynosi 1 540 kPa przy wydatku wody równym
41,1 kg/s. Natomiast dla etapu II maksymalna strata ciśnienia wynosi 1 633 kPa dla
masy wody równej 82,2 kg/s.


Podsumowanie

1.

W warunkach kopalni „Pniówek” przyjęto system centralnej klimatyzacji z
agregatami chłodniczymi na powierzchni i trójkomorową śluzą ciśnieniową typu
Siemag na poziomie 830 m. System ten będzie stanowił skojarzony układ
energetyczno-

chłodniczy wytwarzający oprócz energii chłodniczej również

energię elektryczną.

2.

Przyjęty układ centralnej klimatyzacji w warunkach kopalni „Pniówek” o
docelowej mocy 5,0 MW będzie realizowany w dwóch etapach. W pierwszym
etapie przewidzianym na listopad 1999 roku zostanie uruchomiony system
centralnej klimatyzacji dla mocy chłodniczej równej 2,5 MW. Natomiast
docelową moc chłodniczą 5,0 MW system centralnej klimatyzacji osiągnie w
czerwcu 2000 roku.

3. Woda o temperaturze 1,5

0

C będzie sprowadzana izolowanym rurociągiem o

średnicy 300 mm na poziom 830 m, do trójkomorowej śluzy ciśnieniowej.
Natomiast powrotna woda z poziomu 830 m na powierzchnię do agregatu
chłodniczego transportowana będzie nieizolowanym rurociągiem o średnicy
300 mm.

4.

Trójkomorowa śluza ciśnieniowa Siemag (zamówiona przez kopalnię)
charakteryzuje się maksymalną wydajnością równą 300 m

3

/h przenosząc moc

chłodniczą równą 6,1 MW. Przyrost temperatury w trójkomorowej śluzie
ciśnieniowej wynosi około 0,5

0

C.

5.

Na poziomie 830 m zostanie utworzona sieć niskociśnieniowych izolowanych
rurociągów rozprowadzających zimną wodę do chłodnic powietrza
rozmieszczonych w rejonach eksploatacyjnych. Drogę powrotną od chłodnic
powietrza do trójkomorowej śluzy ciśnieniowej będą stanowić nieizolowane
rurociągi, które poprzez dodatkowy odbiór ciepła od płynącego powietrza do
rejonów eksploatacyjnych będą chłodzić powietrze.

6.

Chłodzenie powietrza w wyrobisku eksploatacyjnym będzie realizowane przez
umieszczenie baterii chłodnic połączonych równolegle przed wlotem do ściany w
odległości nie większej niż 200 m. Wraz z postępem ściany chłodnice powietrza
będą przebudowywane. W pierwszym etapie niezbędne jest zainstalowanie
czterech chłodnic powietrza o mocy chłodniczej 350 kW. Natomiast dodatkowo
w etapie drugim należy zainstalować dwie chłodnice powietrza o mocy

I Szkoła Aerologii Górniczej 1999

- 18 -

chłodniczej równej 250 kW oraz sześć chłodnic powietrza o mocy chłodniczej
350 kW.

Literatura



1.

Badania nad doborem technologii poprawy warunków klimatycznych w
wyrobiskach

górniczych w oparciu o klimatyzację centralną. Akademia Górniczo-

Hutnicza, Katedra Górnictwa Podziemnego, Kraków 1997 (niepublikowana).

2.

Opracowanie dokumentacji technicznej skojarzonego układu energetyczno-
chłodniczego dla potrzeb centralnej klimatyzacji KWK „Pniówek” na lata 1999-
2000.

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Górnictwa Podziemnego, Kraków

1999 (niepublikowana).

3.

Wacławik J., Cygankiewicz J., Knechel J.: Warunki klimatyczne w kopalniach
głębokich. Wyd. CPPGSMiE PAN, Kraków 1995.