SYSTEMY KLIMATYZACJI STOSOWANE W GÓRNICTWIE RPA

WPROWADZENIE

Powszechnie wiadomo, że wiele kopalń nie może działać bez zastosowania jakiejkolwiek formy chłodzenia. Bieżący postęp praktyk chłodzenia kopalń umożliwił eksploatację złóż kopalin na dużych głębokościach (do 5000 m.) technicznie możliwą.

Owa duża głębokość cechuje niektóre kopalnie złota w RPA. Trudne warunki geologiczno-górnicze występujące w tych kopalniach wymagają stosowania specjalnych technik klimatyzacyjnych, które przedstawię w swoim referacie.

OGÓLNE ZAGADNIENIA KLIMATYZACJI KOPALŃ ZŁOTA W RPA

Wydobycie kopaliny z głębokości 3500 i większej jest możliwe dzięki dużej wartości stopnia geotermicznego, przekraczającej na ogół 100 m/K.

Obecnie w RPA czynnych jest około 50 kopalń złota. W połowie tych kopalń stosowane są urządzenia klimatyzacyjne. Ich moc waha się od 100 Kw do 70 MW. Duże zróżnicowanie mocy chłodniczej wynika między innymi z rozmaitych wielkości i głębokości poszczególnych kopalń.

Przykładami kopalń wydobywających złoto z dużych głębokości są:

Western Deep Levels (najgłębsza kopalnia świata), East Rand Proprietary Mine, Robinson Deep Mine, Crown Mine.

Dla poprawy warunków klimatycznych w głębokich kopalniach złota stosuje się metodę bezpośredniego chłodzenia przepływającego powietrza. Chłodzenie przeprowadza się na powierzchni albo pod ziemią. Stosuje się też dwustopniowe chłodzenie powietrza.

OPIS TECHNIK CHŁODZENIA

Sam proces chłodzenia przeprowadzany jest najczęściej w komorach zraszania o dużej pojemności i przy możliwie małej prędkości przepływu powietrza, w których przeciwprądowo rozpyla się ochłodzoną wodę. Zasada działania urządzenia polega na tym, że powietrze, które powinno być dość suche, ochładzane jest przez bezpośredni kontakt z drobnymi cząsteczkami wody o temperaturze znacznie niższej od temperatury powietrza Woda powinna być bardzo rozdrobniona, najlepiej w postaci mgły wodnej. Wymiana ciepła odbywa się na zasadzie konwekcji i przewodzenia. Niezależnie od wspomnianego poprzednio oddziaływania zimnej wody na suche i ciepłe powietrze, zachodzi prawie zawsze dodatkowy proces chłodzenia, polegający na odbieraniu od przepływającego powietrza ciepła potrzebnego do odparowania wody. Zjawisku temu towarzyszy zawsze wzrost wilgotności względnej powietrza.

Do chłodzenia wody używane są klasyczne urządzenia chłodnicze, działające na zasadzie rozprężania i skraplania różnych czynników chłodniczych w zależności od tego, czy są to urządzenia powierzchniowe czy dołowe.

Przy projektowaniu przewietrzania i klimatyzacji kopalni Wester Deep Levels zastosowano różne techniki.

Stwierdzono istnienie dwóch głębokości krytycznych dzielących kopalnię na trzy strefy (rys 1).

Pierwsza strefa zaczyna się na powierzchni ziemi i sięga do głębokości 2000 m., na której temperatura pierwotna skał wynosi około 38°C. W tej strefie nie stosuje się klimatyzacji, osiągając zadowalające warunki klimatyczne środkami wentylacyjnymi. Strefa druga rozpościera się między głębokościami krytycznymi 2000 i 3000 m. Na dolnym poziomie temperatura pierwotna skał wynosi około 48°C. Ze wzrostem głębokości w tej strefie należy zwiększać moc chłodniczą urządzeń klimatyzacyjnych stosowanych w przodkach. Jednocześnie, ponieważ jedną z głównych przyczyn wzrostu mocy chłodniczej jest autokompresja, stopniowo redukuje się wydatek powietrza. Trzecia strefa znajduje się poniżej poziomu 3000 m. Przewiduje się eksploatację złoża rudy do głębokości 4000 m., gdzie temperatura pierwotna skał przekracza 59°C. W omawianym przedziale głębokości parametry powietra: temperatura na termometrze suchym i temperatura na termometrze mokrym, mogą przekraczać wartości, przy których powietrze nie ma już możliwości odbioru ciepła z organizmu ludzkiego.

Ze względu na głębokość eksploatacji zachodzi zatem konieczność ochłodzenia powietrza na podszybiu lub w grupowym prądzie dolotowym, zanim dopłynie ono do wyrobiska eksploatacyjnego. Klimatyzacja w tych wyrobiskach staje się warunkiem wstępnym eksploatacji.

Układy klimatyzacyjne chłodzące powietrze wpływające do kopalni instaluje się na nadszybiu w pobliżu wlotu do szybu wdechowego. Schemat powierzchniowego urządzenia klimatyzacyjnego pracującego w kopalni Robinson Deep przedstawiony jest na rys.2

Moc chłodnicza wynosi 10.2 MW i przeznaczona jest przede wszystkim do ochłodzenia powietrza wpływającego do szybu od temperatury 26.6 do 3°C. Cztery ziębiarki zainstalowane są w dużym budynku zlokalizowanym w pobliżu szybu. W dwóch ziębiarkach z freonem R 11 pracują sprężarki odśrodkowe o mocy 650 i 540 kW. Woda ochłodzona w parownikach ziębiarek a i b obniża temperaturę i wilgotność powietrza w komorze zraszania c. Wydatek wody zraszającej wynosi 0.2 m.³/s, a woda rozpylana jest w ilości 0.025-0.03 kg/(cm²s). W pozostałych dwóch ziębiarkach d i e czynnikiem chłodniczym jest amoniak, przepływający dzięki pracy sprężarek tłokowych napędzanych silnikiem synchronicznym o mocy 820 kW. Zimna woda krążąca między parownikami a przeponowymi wymiennikami ciepła f, zainstalowanymi w kanale wlotowym między komorą zraszania a wlotem do szybu wdechowego, chłodzi powietrze i obniża jego wilgotność .

Podobnie urządzenia zainstalowane są w innych kopalniach. Jednakże znaczna część efektu ochłodzenia na wlocie do szybu zmniejszona jest przez dopływ ciepła na drogach dolotowych, co wiąże się z dużą głębokością i wysoką temperaturą pierwotną skał. Jedynym rozwiązaniem zapewniającym znośne warunki jest zainstalowanie urządzeń klimatyzacyjnych chłodzących powietrze na dole, blisko miejsc pracy.

Ziębiarki rozmieszczone na dole:

1. instalacje rozproszone

Gdy wymagane są niskie wydajności chłodzenia stosuje się instalacje lokalne (miejscowe). Wydajność tych maszyn sięga od około 250 kW do 1750 kW, a nawet 3500 kW.

Zalety rozproszonego systemu to:

• niski koszt inwestycji,

• dobra pozycyjna wydajność

Wady:

• brak elastyczności (instalacje przenośne są kosztowne),

• trudne do utrzymania z powodu ograniczonego dostępu,

• wytracanie ciepła jest często ograniczone przez brak powrotu powietrza

Zdjęcie 1 pokazuje 250 kW chłodziarkę miejscową. To urządzenie wytwarza schłodzoną wodę do chłodzenia powietrza w zamkniętym obiegu. Zastosowanie jest pokazane na rys.3

Zdjęcie 2 pokazuje 1750 kW chłodziarkę.

2. instalacje zcentralizowane

Największe instalowane systemy mają moc 35 MW.

Jedna z 10 maszyn z wielu instalacji jest pokazana na zdjęciu 3.

Opis działania maszyn

Jednym z rozwiązań klimatyzacji z chłodzeniem powietrza w wyrobiskach podziemnych jest układ ziębiarek zainstalowanych na dole. Schemat ideowy układu przedstawia schemat . Główną trudność w pracy układu stanowi przekazanie ciepła od wody chłodzącej skraplacz do prądu zużytego powietrza. W związku z tym miejsce ustawienia podziemnej stacji ziębiarek i ogólna jej moc oraz inne rozwiązania przyjęte w projektowaniu i podczas pracy układu zależą od wielkości wydatku, a także odpowiednich parametrów zużytego powietrza. W szczególności urządzenie zlokalizowane w pobliżu szybu wydechowego ma możliwość przekazania ciepła w przeciwprądowej wyparnej wieży chłodniczej.

W dołowych ziębiarkach stosowane są zarówno odśrodkowe, jak i tłokowe sprężarki. W przypadku dużych instalacji o mocy chłodniczej ponad 10 MW z regóły stosowane są sprężarki odśrodkowe. Gdy konieczne jest utrzymanie dużej różnicy temperatur, a zatem i dużej różnicy ciśnień parowania i skraplania czynnika chłodniczego, sprężanie jest wielostopniowe z międzystopniowym ochładzaniem.

Przykładem może być ziębiarka ze sprężarką odśrodkową, której obieg przedstawiony jest na rys. 4

Woda w obiegu chłodzonym w parowniku transportowana jest rurociągami do komór zraszania w celu ochłodzenia powietrza płynącego w kierunku miejsc pracy. Woda chłodzona w parowniku przepływa w obiegu zamkniętym. Ubytki wody w obiegu skraplacza muszą być ciągle uzupełniane uzdatnianą wodą, a rurki skraplacza poddawane systematycznemu oczyszczaniu.

Parowniki i skraplacze podziemnych stacji ziębiarek są z reguły wymiennikami ciepła typu płaszczowo-rurowego. Rurki wykonane są ze stopu miedzioniklowego.

Zimna woda pompowana jest z parownika ziębiarki do wodnych chłodnic powietrza przez sieć rurociągów. Liczba komór zraszania i przeponowych chłodnic powietrza zależy od rozległości kopalni, rozmieszczenia wyrobisk, ilości i temperatury chłodzonego powietrza oraz od mocy chłodniczej stacji klimatyzacyjnej. Moc wodnych chłodnic powietrza wynosi przeważnie od 100 do 750 kW. Niektóre wodne chłodnice powietrza (zarówno przeponowe, jak i komory zraszania) zbudowane są w taki sposób, że w celu uzyskania potrzebnej mocy chłodniczej łączy się ze sobą elementy powtarzalne (segmenty). Przepływ powietrza przez wymiennik ciepła jest wymuszany przez wentylator.

Zimna woda może być stosowana do obsługi chłodnic powietrza pracujących znacznie niżej poziomu ziębiarek. W takim przypadku ciśnienie wody redukuje się za pomocą wysokociśnieniowego wymiennika ciepła, znajdującego się na głębokości eksploatacji lub na poziomie pośrednim.

Ciepło przejęte w skraplaczu ziębiarki przez chłodzącą wodę transportowane jest do wież chłodniczych, skąd przekazywane jest do otoczenia, którym jest prąd powietrza zużytego lub otaczająca atmosfera. W przypadku podziemnych stacji klimatyzacyjnych bardzo głebokich kopalń wieże chłodnicze buduje się w grupowych prądach powietrza zużytego w wyrobiskach korytarzowych, w szybach wydechowych lub specjalnie wydrążonych wyrobiskach. Stosowane są zarówno poziome, jak i pionowe otwarte wymienniki ciepła.

Prędkość powietrza przepływającego przez wierzę wynosi 2,5-7,5 m/s. Podczas opadu w wieży woda ochładza się zwykle o 7-9°C.

Typowe układy dysz zraszających stosowane w RPA nazywają się dyszami Hamsprayer. Pracują one przez długi okres, zapewniając krople jednakowej wielkości, co sprzyja wysokiej sprawności wymiany ciepła. Długi okres opadania kropel w komorze wieży zapewnia 2-milimetrowa średnica kropel. Wskutek unoszenia kropel do obszaru położonego powyżej komory rozbryzgowej i odpływem rozdrobnionej wody z prądem powietrza oraz wskutek parowania kropel zmniejsza się wydatek wody w obiegu między skraplaczem i wieżą wyparną. Regułą jest, że wycieki wody są tego samego rzędu co ubytki parowania. Ubytek ten powinien być uzupełniany świeżą wodą. Zbiornik wody powinien być systematycznie oczyszczany.

Wysokość wież chłodniczych od linii zraszania do rząpia wynosi od 12-25m. Średnica powinna być określona stosownie do pożądanej prędkości powietrza i do ilości wody. Typowa średnica wieży w RPA wynosi 5-8m. W wieży chłodniczej znajdują się co najmniej 2 poziomy sitowe. Rozbijają one spadające krople i pomagają utrzymać jednorodny strumień powietrza. Sita wykonane są z tłoczonej, nierdzewnej stali lub z pokrytego plastikiem 3-milimetrowego drutu o siatce z odstępem około 20mm.

Typowa wieża pionowa przedstawiona jest na rys. 5 , a rys.6 przedstawia dwu i pół stopniowy poziomy wymiennik ciepła.

Stacja klimatyzacji z lodem jako chłodziwem

Około 13 lat temu w kopalniach RPA do transportu mocy chłodniczej z powierzchni do wyrobisk dołowych zastosowano lód.

Korzyści związane ze stosowaniem lodu są wielorakie. Do przeniesienia dużej mocy chłodniczej służy rurociąg szybowy o mniejszej średnicy niż do przepływu zimnej wody. Jest to korzystne w szybach wdechowych, gdzie zazwyczaj jest mało miejsca. Zamocowanie i utrzymanie w szybie przewodu o mniejszej średnicy jest łatwiejsze i prostsze. Zmniejsza się ilość urządzeń służących klimatyzacji na dole kopalni. Następuje redukcja zapotrzebowania na energię elektryczną w porównaniu z przypadkiem, gdy ziębiarki znajdują się na dole.

Lód stosuje się do chłodzenia wody recyrkulującej w podziemnym drugim obiegu przez bezpośredni kontakt i topnienie w centralnym podziemnym zbiorniku wody w temperaturze zbliżonej do 0°C.

Schemat ideowy instalacji przedstawia rys.7

SYSTEMY KLIMATYZACJI STOSOWANE W GÓRNICTWIE NIEMIECKIM

Systemy klimatyzacji kopalń węgla kamiennego w RFN charakteryzują się dużą różnorodnością w zakresie lokalizacji i mocy stosowanych ziębiarek, środków do transportu chłodziwa, sposobu redukcji ciśnienia, rodzaju i mocy chłodnic powietrza, typu urządzeń przekazujących ciepło kondensacji czynnika chłodniczego ze skraplacza do otaczającego środowiska.

Urządzeniami chłodniczymi obniżającymi temperaturę powietrza w całej kopalni lub w dużej jej części są przeważnie centralne systemy klimatyzacji. Główną część systemu stanowi układ kilku (3,4) ziębiarek dużej mocy. Transport chłodziwa, którym głównie jest woda, przez wyrobiska kopalniane następuje w sieci rurociągów. Powietrze zwykle ochładzane jest w wyrobiskach bezpośrednio sąsiadujących z miejscami pracy. W celu obniżenia temperatury powietrza stosuje się przeponowe chłodnice wodne, komory zraszania oraz bezpośrednie chłodzenie powietrza w parownikach ziębiarek.

Ciepło ze skraplacza ziębiarki przejmuje na ogół woda, transportowana w rurociągu do wyparnej chłodni wody. Stosowane są również wyparne skraplacze przekazujące ciepło kondensacji do otaczającego środowiska.

W rejonie robót stosowane są różne typy chłodnic powietrza. Należą do nich między innymi chłodnice przeponowe, w których ruch powietrza wymuszony jest przez wentylator. Podczas drążenia wyrobisk korytarzowych chłodnice zainstalowane są w lutniociągach.

W celu uzyskania większych wydajności chłodniczych stosuje się komory zraszania i chłodnice kombinowane.

Komory zraszania buduje się w postaci urządzeń stacjonarnych, o mocy chłodniczej 800-1300 kW. W komorach zraszania i innych chłodnicach zamontowane są filtry wyłapujące pyły i oczyszczające wodę, zbierającą się w dolnej częsci urządzenia.

Wśród systemów chłodzenia powietrza z obiegiem zimnej wody na dole można wyróżnić systemy z ziębiarkami na powierzchni, na dole oraz na powierzchni i na dole.

LITERATURA

1. Environmental engineering in South African Mines

2. Frycz - Klimatyzacja kopalń

3. Wacławik, Cygankiewicz, Knechtel - Warunki klimatyczne w kopalniach głębokich

---