Rozwiązania klimatyzacji dla robót przygotowawczych i eksploatacyjnych

Rozwiązania klimatyzacji dla robót przygotowawczych i eksploatacyjnych są skomplikowaną bardzo kosztowną technologią, nad którą od dziesiątków lat prowadzone są różnego rodzaju badania w wielu krajach górniczych. Niniejsze opracowanie opiera się na posiadanym w GIG rozeznaniu literaturowym stanu tego zagadnienia w górnictwie światowym.

1. Podstawowe obiegi chłodnicze

Najważniejszymi częściami składowymi współcześnie działających urządzeń chłodniczych są: sprężarka, skraplacz, zawór redukcyjny i parownik. W parowniku odparowuje czynnik chłodniczy (zazwyczaj freon) przy określonym ciśnieniu i temperaturze. Ciepło potrzebne do odparowania tego czynnika pobierane jest z otoczenia, tj. bądź z powietrza płynącego przez parownik (w tzw. urządzeniach chłodniczych o bezpośrednim działaniu), bądź z obiegu wody zimnej (w tzw. urządzeniach chłodniczych o pośrednim działaniu).

Czynnik chłodniczy w fazie parowej zasysany jest przez sprężarkę i sprężany do odpowiedniego ciśnienia. Sprężony i ogrzany czynnik tłoczony jest do skraplacza chłodzonego wodą lub powietrzem. W kontakcie z chłodzonymi powierzchniami skraplacza, czynnik chłodzący ulega skropleniu. Skroplony czynnik płynie przez zawór redukcyjny do parownika, gdzie rozpręża się, po czym cykl przemian zaczyna się od nowa.

Jak wiadomo, w każdym urządzeniu chłodniczym potrzebne są dwa obiegi: obieg czynnika chłodniczego (np. freonu) oraz czynnika chłodzącego (np. wody). Obieg czynnika chłodzącego może być otwarty lub zamknięty. I tak np. otwarty obieg wody chłodzącej mają przodkowe chłodziarki górnicze typu WK-120S/Sch/d produkcji dawnej NRD, stosowane również w polskim przemyśle węglowym, a zamknięty obieg wody chłodzącej - chłodziarki górnicze typu EWK-250-T-By produkcji RFN, działające w kopalniach LGOM.

Przy otwartym obiegu wody chłodzącej do skraplacza doprowadzana jest woda z rurociągu wody użytkowej, a odprowadzana - bądź do ścieku, bądź do rurociągów wód kopalnianych. Przy zamkniętym obiegu odpowiednio uzdatniona woda krąży między skraplaczem a chłodnicą recyrkulacyjną, usytuowaną zazwyczaj w prądzie powietrza zużytego, lub też w prądzie powietrza świeżego, nie płynącym do miejsc pracy.

Wymienione dwa obiegi, tj. obieg czynnika chłodniczego i chłodzącego charakteryzują urządzenie chłodnicze o bezpośrednim działaniu. Urządzenia natomiast o pośrednim działaniu mają trzeci obieg, tj. obieg medium zimnego, którym najczęściej jest woda, a niekiedy płyn o temperaturze zamarzania niższej od zera. Zadaniem trzeciego obiegu jest dostarczenie zimnego medium blisko miejsc, w których należy obniżyć temperaturę powietrza kopalnianego, co następuje podczas przepływu tego powietrza przez wymiennik ciepła (chłodnicę końcową).

Do zrealizowania obiegów chłodniczych, jak również uzyskania przepływu powietrza przez wymienniki ciepła potrzebne są rurociągi (w dużej mierze izolowane), pompy i wentylatory. Praca poszczególnych elementów powinna być kontrolowana i sterowana odpowiednimi urządzeniami.

Wymienione i przedstawione na rysunku obiegi chłodnicze należą do obiegów stosowanych w przypadku chłodzenia powietrza w pojedynczych przodkach lub oddziałach. W innych przypadkach obiegi te są bardziej skomplikowane, w zależności m.in. od miejsc zlokalizowania poszczególnych elementów urządzenia chłodniczego. Wybór miejsca zależy w dużej mierze od potrzebnej wydajności chłodniczej urządzeń, zależnej z kolei od zamierzonego efektu chłodzenia.

Przy zapotrzebowaniu na duże wydajności chłodnicze zazwyczaj stosuje się centralne urządzenia chłodnicze, a przy zapotrzebowaniu na małe wydajności chłodnicze - dołowe urządzenia o działaniu lokalnym.

2. Rozwiązania klimatyzacji dla robót przygotowawczych

W latach sześdziesiątych i siedemdziesiątych w niektórych polskich kopalniach węgla kamiennego zastosowano urządzenia chłodnicze WK-120S/Sch/d produkcji NRD. Były to urządzenia chłodnicze o działaniu bezpośrednim z otwartym obiegiem wody chłodzącej. Z uwagi na obowiązujące przepisy parownik chłodziarki zwykle zainstalowany był na początku lutniociągu tłoczącego, a wyjątkowo w boczniku lutniociągu.

W przypadku, gdy parownik zabudowany był na początku lutniociągu, zwykle stosowano osobny wentylator (lub wentylatory) dla parownika oraz osobny wentylator w równoległym rozgałęzieniu lutniociągu. Układ taki wynikał z potrzeby pokonania dużego oporu parownika przewidzianego dla przepływu około 5m3/s powietrza. W przypadku zlokalizowania parownika w boczniku lutniociągu w pobliżu przodku konieczne okazało się zastosowanie dodatkowego wentylatora lutniowego, zabudowanego na wlocie lub wylocie parownika, na co jednak należało uzyskać zezwolenia OUG.

Podobna lokalizacja urządzeń chłodniczych stosowana była również w górnictwie zagranicznym. Na skutek jednak małej efektywności chłodzenia powietrza w przodkach wyrobisk drążonych coraz częściej podwieszano całe urządzenie chłodnicze na kolejce liniowej i przesuwano je wraz z postępem przodku. Przy tym sposobie chłodzenia powietrza do skraplacza i kompresora trzeba było prowadzić wodę rurociągami zlokalizowanymi w drążonym wyrobisku. Konieczne również było odpowiednie zabezpieczenie całej instalacji urządzeniami kontrolno-wyłączającymi. Stosowanie dużej liczby takich urządzeń chłodniczych w kopalni jest na ogół niemożliwe, a to ze względu na potrzebę przygotowania dużych ilości uzdatnionej wody i wydajność kopalnianej sieci rurociągów wodnych. Stąd też obecnie stosuje się urządzenia chłodnicze o zamkniętym obiegu wody chłodzącej. Również w tym przypadku rurociągi ciepłej wody znajdują się w drążonym wyrobisku.

Przy stosowaniu kombajnów lub kompleksów chodnikowych coraz liczniejsza załoga zatrudniona jest w strefie pozaprzodkowej. Dlatego też należy dążyć do utrzymania znośnych warunków klimatycznych nie tylko w przodku drążonego wyrobiska, lecz także na całej jego długości. W związku z tym przeprowadzenie rurociągów z ciepłą wodą w wyrobisku jest w tym przypadku bardziej szkodliwe niż przy konwencjonalnych sposobach drążenia. Korzystne wówczas jest stosowanie urządzeń chłodniczych o pośrednim działaniu. W tym przypadku kompresor, skraplacz i parownik urządzenia chłodniczego łącznie z obiegiem wody chłodzącej można umieścić poza drążonym wyrobiskiem, a wodę ochłodzoną w parowniku można prowadzić nieizolowanym rurociągiem do chłodnicy zlokalizowanej w sąsiedztwie przodku wyrobiska. Woda po przepłynięciu przez chłodnicę wraca z powrotem do parownika. Wymieniony nieizolowany rurociąg o średnicy 0,1 m i długości 1 km może mieć wydajność chłodniczą do około 120 kW. W kopalni posiadającej centralne urządzenie chłodnicze do chłodzenia powietrza w drążonych wyrobiskach można również wykorzystać wodę z sieci wody zimnej (ochłodzonej).

W każdym przypadku chłodzenia powietrza celowy jest zamknięty obieg wody chłodzącej, a w wyrobiskach drążonych kombajnami lub kompleksami chodnikowymi - stosowanie urządzeń chłodniczych o działaniu pośrednim.

Dobór urządzenia chłodniczego do drążonego wyrobiska powinien być oparty na prognostycznych obliczeniach warunków klimatycznych w przypadku tego wyrobiska i wzdłuż trasy lutniociągu.

Dla uzyskania dobrych efektów chłodniczych i bezpiecznej eksploatacji urządzeń chłodniczych konieczna jest duża dbałość o prawidłową wentylację lutniową, bardziej postępową niż dotychczas, np. przez zastosowanie lutni Coanda, stosowanie selektywnego wyłączania poszczególnych urządzeń przodkowych i wentylacyjnych itp.

3. Rozwiązania klimatyzacji dla robót eksploatacyjnych

Potrzeba chłodzenia powietrza w oddziałach produkcyjnych pojawia się zwykle najpierw w przodkach wyrobisk przygotowawczych. Wraz ze wzrostem głębokości eksploatacji i temperatury pierwotnej masywu skalnego, w określonych warunkach konieczne jest chłodzenie powietrza płynącego przez ściany eksploatacyjne. Wówczas potrzebne wydajności chłodnicze uzyskuje się przez zastosowanie lokalnych lub centralnych urządzeń chłodniczych o działaniu pośrednim, przy czym wykorzystanie zimnego medium chłodniczego może odbywać się przy różnej lokalizacji chłodnic końcowych.

3.1. Lokalizacja chłodnic końcowych w chodniku przyścianowym

Lokalizacja chłodnic przyścianowych w chodniku przyścianowym powietrza świeżego jest najprostszą możliwością. Przez chłodnicę (lub chłodnice) przepływa bądź cały prąd powietrza świeżego, bądź tylko jego część mieszająca się po ochłodzeniu z pozostałą częścią powietrza świeżego. Ochłodzone powietrze kierowane jest do ściany, w której nie ma żadnych urządzeń chłodniczych, co jest jedną z podstawowych zalet chłodzenia powietrza w chodniku przyścianowym. Przy realizacji tego sposobu należy uzyskać duże obniżenie temperatury powietrza w wyrobisku dolotowym. Żądany efekt chłodniczy w ścianie osiągany jest przy stosowaniu urządzeń o stosunkowo dużej wydajności chłodniczej (kilkuset i więcej kW). Warunkiem koniecznym stosowania tego sposobu chłodzenia powietrza jest zapewnienie wystarczająco dużego strumienia masy powietrza w ścianie, gdyż jest ono nośnikiem chłodu.

Dlatego też omawiany sposób może być z pożytkiem stosowany w pokładach grubych, w cienkich natomiast nie jest odpowiednim środkiem klimatyzacji ścian.

W pokładach cienkich niekorzystne warunki klimatyczne usiłuje się poprawić przez głębokie osuszenie powietrza. W tym celu powietrze w chodniku przyścianowym ochładza się do ok. 10C, a następnie dla uniknięcia ujemnych skutków fizjologicznych - ogrzewa się do ok. 20C.

3.2. Lokalizacja chłodnic końcowych w ścianie eksploatacyjnej

Wysoka temperatura pierwotna masywu skalnego może doprowadzić do tego, że ze względu na niemożliwość uzyskania bardzo dużych wydajności chłodniczych, chłodzenie powietrza w przyścianowym chodniku dolotowym może okazać się niewystarczające. W takich przypadkach chłodnice lokalizuje się w przestrzeni roboczej ściany. Wówczas uzyskuje się największy stopień wykorzystania urządzenia chłodniczego, jak również małe przyrosty temperatury powietrza między wlotem i wylotem ze ściany. Chłodzenie powietrza w ścianie ma zatem istotne zalety ekonomiczne i ergonomiczne. Ponadto począwszy od określonych warunków górniczo-geologicznych stanowi ono jedyny wypróbowany sposób klimatyzacji ścian.

Wydajność chłodnicza obecnie stosowanych chłodnic ścianowych wynosi 10 lub 20 kW. Dla uzyskania odpowiedniego efektu chłodzenia konieczne jest zastosowanie kilkunastu do kilkudziesięciu takich chłodnic w jednej ścianie eksploatacyjnej. Chłodnice te należy stale czyścić, gdyż w przeciwnym razie zmniejsza się wydatnie ich wydajność chłodnicza. Czyszczenie to wymaga dużego nakładu pracy. Kłopotliwe jest również stosowanie wielu wentylatorów wymuszających przepływ powietrza przez chłodnice ścianowe. Dlatego też dla wyeliminowania trudności związanych ze stosowaniem wymienionych chłodnic, prowadzone są badania nad sposobami klimatyzacji ścian nie wymagającymi chłodnic z wentylatorkami. Wymienić tu należy próby z rurociągami chłodniczymi ułożonymi bezpośrednio w ścianie oraz zastosowanie w ścianach eksploatacyjnych lutni perforowanych z silnie ochłodzonym powietrzem. Efekty chłodzenia uzyskane tymi sposobami są jak dotąd wciąż jeszcze niewystarczające.

Dodać należy, że w celu niezawężania przekroju użytecznego ściany przeprowadza się również próby scalania chłodnic powietrza z innymi urządzeniami ścianowymi.

3.3. Lokalizacja agregatów chłodniczych

Jak wiadomo, chłodzenie powietrza można uzyskać przez zastosowanie urządzeń chłodniczych

o lokalnym działaniu lub też centralnych urządzeń chłodniczych.

Potrzebne wydajności urządzeń chłodniczych wyznaczone są na podstawie odpowiednich wyliczeń prognostycznych. Podstawowymi danymi wejściowymi do obliczeń jest temperatura powietrza żądana w miejscach pracy i poza nimi. W warunkach przemysłu węglowego uzasadnione jest żądanie nieprzekroczenia w miejscach pracy temperatury powietrza 28C, a poza nimi 33C. Ochłodzenie powietrza do tych temperatur można uzyskać przy różnej lokalizacji chłodnic końcowych, co wpływa na potrzebną wydajność chłodniczą agregatów.

Przy wydajnościach chłodniczych do około 700 kW, potrzebnych w środowisku ściany, wystarczające mogą się okazać urządzenia chłodnicze o działaniu lokalnym. Jeśli jednak istnieje potrzeba chłodzenia powietrza w większej liczbie oddziałów, a wymagana łączna wydajność chłodnicza wynosi ok. 2,5 MW lub więcej, wówczas należy rozważyć celowość stosowania centralnego urządzenia o działaniu lokalnym.

Zaletą urządzeń chłodniczych o działaniu lokalnym są ich niższe koszty instalacji w porównaniu z odpowiednimi kosztami centralnych urządzeń chłodniczych, wyższe natomiast są koszty energii, napraw, utrzymania i kontroli, co jest wadą tego sposobu chłodzenia powietrza. Ze wzrostem wymaganej wydajności chłodniczej wymienione wady coraz bardziej przeważają zalety stosowania urządzeń o działaniu lokalnym, co łącznie z innymi jeszcze trudnościami skłania do budowania centralnych urządzeń chłodniczych. Z centralnego urządzenia chłodniczego ochłodzone medium prowadzone jest rurociągami o dużej długości (kilku do kilkunastu km) do chłodnic końcowych usytuowanych w pobliżu miejsc pracy załogi.

Agregaty chłodnicze centralnych urządzeń chłodniczych budowane są bądź pod ziemią, bądź na powierzchni i pod ziemią. Przy lokalizacji agregatów chłodniczych na powierzchni kopalni konieczne jest utrzymywanie pod ziemią wysokociśnieniowego wymiennika ciepła o dużych wymiarach. Wymiennik wysokociśnieniowy bywa niekiedy zastępowany turbiną Peltona, umożliwiającą odzyskanie części energii potencjalnej zimnego medium chłodzącego prowadzonego w szybie oraz redukcję ciśnienia tego medium bez wyraźnego wzrostu jego temperatury.

Zaletą lokalizacji agregatów chłodniczych pod ziemią jest to, że nie zachodzi potrzeba stosowania instalacji wysokociśnieniowej w szybie i na podszybiu. Wadą natomiast jest wzrost kosztów energii wywołany koniecznością stosowania wyższych niż na powierzchni temperatur kondensacji czynnika chłodniczego. Ponadto ograniczone są możliwości odprowadzenia ciepła kondensacji do powietrza kopalnianego. Powoduje to, że po przekroczeniu określonej wydajności chłodniczej, konieczne byłoby zabudowanie w szybie rurociągów wysokociśnieniowych do odprowadzenia wody ciepłej do chłodnic na powierzchni.

Nadmienić należy, że wg doświadczeń RPA, z uwagi na koszty klimatyzacji kopalń, należy instalować urządzenie chłodnicze na powierzchni wtedy, gdy eksploatacja prowadzona jest do głębokości około 2400 m. Stąd wynikałoby, że w naszych kopalniach węgla kamiennego centralne urządzenia chłodnicze należałoby budować tylko na powierzchni.

Przy kombinowanej lokalizacji agregatów chłodniczych co najmniej jeden z agregatów znajduje się pod ziemią. Przy takim usytuowaniu agregatów chłodniczych i dobrej izolacji termicznej rurociągów wody zimnej, do chłodnic można doprowadzić wodę o niskiej temperaturze. W tym też przypadku ciepło kondensacji z podziemnego agregatu chłodniczego odprowadzone jest do powierzchniowych agregatów chłodniczych, co nie jest korzystne z uwagi na potrzebne wydajności chłodnicze agregatów powierzchniowych. Ciepło to może jednak w dużej mierze zostać odprowadzone do atmosfery zewnętrznej ze wstępnej chłodnicy wody. Ponieważ zaletą kombinowanej lokalizacji agregatów chłodniczych jest możliwość ograniczenia strumienia medium zimnego w szybie, co prowadzi do zmniejszenia potrzebnych średnic rurociągów wysokociśnieniowych.

Uzyskanie żądanego efektu chłodniczego w ścianie eksploatacyjnej uzależnione jest w dużej mierze od temperatury czynnika chłodzącego przepływającego przez chłodnice końcowe. Niskie temperatury (ok. 5C) tego czynnika można zapewnić przy stosowaniu izolowanych termicznie rurociągów doprowadzających go do chłodnic. Uzyskanie skutecznej i trwałej izolacji rurociągów w chodnikach przyścianowych jest jednak bardzo trudne. Dlatego też stosuje się niekiedy przed wlotem do ściany dodatkowe tzw. satelitarne urządzenia chłodnicze, które chłodzą odrębny zamknięty obieg wody, służący wyłącznie dla ściany eksploatacyjnej.

W ostatnich latach wzmożono próby racjonalizacji chłodzenia przez:

- budowanie na powierzchni urządzeń chłodniczych do wstępnego chłodzenia całego

strumienia powietrza świeżego wpływajacego do kopalni

- wykonanie komór zraszających z zimną wodą chłodzącą grupowe prądy powietrza świeżego

- używanie wody zimnej jako wody użytkowej

- stoswanie strumienic powietrza zimnego

- wykorzystanie ciepła odpadowego powstającego w agregatach chłodniczych do celów

grzewczych.

---