Stadia klimatyzacji kopalń

(wg A. Czaplińskiego)

Wprowadzenie

Proces klimatyzacji kopalni przechodzi zasadniczo przez trzy stadia. W pierwszym stadium kli­matyzacji stosuje się niestacjonarne ziębiarki bezpośredniego działania (chłodzące freonem). Ziębiarki te znajdują się najczęściej w przodku wyrobisk korytarzowych lub przed wlotem powietrza do wyrobisk ścianowych. Ciepło odprowadzone jest wodą bezpośrednio do ścieku w wyrobisku lub za pośrednictwem wyparnych chłodnic wody do prądu zużytego powietrza. W pierwszym stadium klimatyzacji zapotrzebowanie na moc chłodniczą w kopalni na ogół nie przekracza 2 MW.

W przypadku gdy poza przodkiem występuje więcej miejsc, w których przekroczone są dopuszczalne temperatury powietrza, stosuje się stacjonarne agregaty pośredniego działania (chłodzące wodą) o stosunkowo dużej mocy jednostkowej w układzie zdecentralizowanym (drugie stadium klimatyzacji). Moc chłodnicza poszczególnych agregatów rozdzielana jest przez instalowanie chłodnic powietrza w miejsca gdzie warunki tego wymagają. Ciepło z wyrobisk odprowadzone jest wodą za pośrednictwem zespołu wyparnych chłodnic wody do prądu powietrza zużytego lub za pośredni­ctwem płytowych wymienników ciepła do komory pomp. Zapotrzebowanie na moc chłodniczą w drugim stadium klimatyzacji zawiera się od 2 MW do 6 MW.

Jeśli zapotrzebowanie na moc chłodniczą przekracza 6 MW, kopalnia wkracza w trzecie sta­dium klimatyzacji tj. w klimatyzację centralną. Jest to połączenie agregatów, pracujących dotychczas w układzie zdecentralizowanym, w jeden system, który za pomocą sieci izolowanych rurociągów dostarcza zimną wodę do urządzeń chłodzących powietrze w całej kopalni. Ciepło z wyrobisk odprowadzone jest wodą do reduktora ciśnienia (zwykle jest to rurowy wymiennik ciepła albo trójkomorowy podajnik rurowy). Stąd rurociągiem szybowym za pośrednictwem powierzchniowych wież chłodniczych, ciepło oddawane jest do powietrza atmos­ferycznego. W przypadku niezbyt głębokich kopalni agregaty chłodzące wodę wyposaża się w skraplacze, których rurki wytrzymują ciśnienie słupa wody w rurociągu szybowym. W ten sposób unika się instalacji obiegu wody z reduktorem ciśnienia.

1 Pierwsze stadium - Klimatyzacja lokalna

W pierwszym stadium klimatyzacji kopalni stosuje się niestacjonarne urządzenia chłodnicze, których moc jednostkowa nie przekracza 300 kW. Są to dwuczęściowe agregaty chłodzące powietrze bezpośrednio freonem. Urządzenia te podwieszane są najczęściej na szynie kolejki i przemieszczane wraz z postępem wyrobiska.

Ziębiarkę stanowią dwa agregaty, tj. zespół maszynowy wraz ze skraplaczem oraz parowacz bezpośredniego działania. Dla zamknięcia obiegu freonu łączącego te dwa agregaty stosuje się opancerzone przewody giętkie.

Dostające się do parownika ziębiarki ciepło z wyrobiska zostaje przez sprężarkę pod­niesione do wyższego poziomu temperaturowego i przez strumień wody chłodzącej odprowad­zone jest ze skraplacza bezpośrednio do ścieku w wyrobisku (czasami do agregatu chłodzącego wodę) lub za pośrednictwem wyparnej chłodnicy wody do prądu powietrza zużytego. Schemat przepływowy takiego sposobu chłodzenia powietrza przedstawia rysunek 1.

Rys. 1. Urządzenie chłodnicze bezpośredniego działania z wyparną chłodnią wody

Jeżeli w kopalni znajdują się wyrobiska, które na drodze do przodka wymagają w wielu miejscach chłodzenia powietrza, rezygnuje się z maszyn chłodzących bezpośrednio freonem na rzecz stacjonarnych agregatów chłodzących wodę, dostarczaną najczęściej do chłodnic powie­trza. Kopalnia wkracza w drugie stadium klimatyzacji, tj. klimatyzację zdecentralizowaną.

2 Drugie stadium - Klimatyzacja zdecentralizowana

Dla wytworzenia większej mocy chłodniczej stosuje się jeden lub czasami dwa stacjonarne agre­gaty chłodzące wodę, która. rurociągami izolowanymi przesyłana jest do chłodnic powietrza znajdujących się w wyrobiskach korytarzowych oraz chłodnic podwieszonych na sekcjach obu­dowy w wyrobiskach ścianowych. Woda z agregatów może być wykorzystana do chłodzenia skraplaczy ziębiarek powietrza bezpośredniego działania lub skraplaczy agregatów wytwarzających lód, który przesyłany jest gumowymi wężami do chłodnic umocowanych na sek­cjach obudowy w wyrobisku ścianowym. W tym przypadku rurociągi przesyłające wodę nie wymagają izolacji.

Rys.2. System chłodzenia wyrobisk eksploatacyjnych

Rys.3. Schemat klimatyzacji wyrobisk eksploatacyjnych z chłodnicami wyparnymi RK

Skraplacze agregatów chłodzone są wodą pochodzącą z zespołu chłodnic wyparnych RK, umiesz­czonych w prądach powietrza zużytego (rys.2). Odprowadzenie poprzez szyby wydechowe po­wietrza pochodzącego z chłodnic wyparnych powoduje rdzewienie rurociągów oraz lin i zawiesi urządzeń wyciągowych. Ponadto adiabatyczne ochłodzenie wznoszącego się powietrza prowadzi do wytracenia wilgoci w postaci deszczu w konsekwencji czego następuje zakłócenie stabilnego prądu powietrza.. W skrajnym przypadku może dojść do odwrócenia prądu powietrza. Stąd też jeśli powietrze w zużytym prądzie jest bardzo wilgotne, skraplacze chłodzi się wodą pochodzącą z płytowego wymiennika ciepła (rys.4).

Rys. 4. Płytowy wymiennik ciepła

Wymiennik ten równocześnie oddziela obieg wody z wyrobisk od obiegu uzdatnionej wody bezpośrednio chłodzącej skraplacz. W ten sposób zabezpieczone są wewnętrzne ścianki miedzianych rurek skraplacza przed odkładaniem się kamienia oraz przed agresywnym działaniem wody kopalnianej.

2.1 Sposób klimatyzacji z płytowym wymiennikiem ciepła PWC

Dwa agregaty chłodzące wodę KM 1600 wraz z płytowymi wymiennikami ciepła PWC ze względu na skrócenie długości rurociągów izolowanych umiejscowione są w sąsiedztwie rejonów eksploatacyjnych. Natomiast chłodnice powietrza GK oraz agregat lodowy EWK znajdują się w rejonach roboczych. Transport ciepła z rejonów roboczych na powierzchnię kopalni reali­zowany jest za pomocy trzech odrębnych obiegów wodnych. Rysunek 5 przedstawia schemat przepływowy takiego sposobu klimatyzacji.

Strumień wody powracający z urządzeń chłodniczych rejonów roboczych wpływa przy tem­peraturze około 27°C do płaszcza pierwszego parowacza agregatu KM 1600.

Odparowujący w rurkach skraplacza freon odbiera ciepło wodzie powodując jej ochłodzenie do temperatury­ 13°C. Następnie strumień wody kierowany jest do parowacza drugiego agregatu gdzie ulega ochłodzeniu do temperatury 3 °C. Schłodzona do tej wartości woda izolowanym rurociągiem z powrotem kierowana jest do chłodnic powietrza GK oraz rurociągiem nieizolowanym do skraplacza agregatu lodowego EWK 350 umieszczonych w rejonach roboczych (obieg 1).

Rys. 5. Schemat klimatyzacji wyrobisk eksploatacyjnych z płytowym wymiennikiem ciepła PWC

Natomiast ciepło, które wraz z wodą dostarczone jest do parowaczy agregatów KM 1600, zostaje przez sprężarki podniesione do wyższego poziomu temperaturowego (45°C) i przez strumień wody chłodzącej odprowadzane jest z rurek skraplaczy tych agregatów do płytowych wymienników ciepła (rys.4). W wymiennikach woda zostaje ochłodzona do temperatury około 36°C i kierowana jest z powrotem do skraplaczy agregatów KM 1600 (obieg 2).

Z wymiennika płytowego ciepło przenoszone jest strumieniem wody do komory pomp, skąd transportowane jest na powierzchnię (obieg 3).

Jeżeli w obszarze kopalni jest więcej rejonów z tzw. klimatyzacją zdecentralizowaną, rezygnuje się z zespołów wyparnych chłodnic wody lub płytowych wymienników ciepła na rzecz wież chłodniczych na powierzchni kopalni. W tym przypadku konieczna jest instalacja dodatkowego obiegu wody z reduktorem ciśnienia. Reduktor w postaci trójkomorowego podajnika rurowego łączy rurociągami decentralnie pracujące agregaty chłodzące wodę w jeden system centralnej klimatyzacji kopalni.

3. Trzecie stadium - Klimatyzacja scentralizowana

Jeżeli zapotrzebowanie na, moc chłodniczą w kopalni przekracza wartość 4÷6 MW, korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie klimatyzacji centralnej. Jest to połączenie usytuowanych na powierzchni, pod ziemią, względnie na powierzchni oraz pod ziemią dwóch lub więcej agregatów chłodzących wodę, która za pomocą sieci izolowanych rurociągów jest przesyłana do urządzeni chłodzących powietrze w rejonach roboczych. Natomiast woda odbierająca ciepło skraplania kierowana jest rurociągiem szybowym najczęściej za pośrednictwem reduktora ciśnienia do wież chłodniczych znajdujących się na powierzchni kopalni.

3.1. Sposób klimatyzacji z trójkomorowym podajnikiem rurowym

A. Agregaty chłodzące wodę na dole kopalni

Z dotychczas stosowanych systemów klimatyzacji, sposób z zastosowaniem trójkomorowego podajnika rurowego wykazuje najwyższą sprawność w przekazywaniu.

Urządzenia stosowane w tym sposobie klimatyzacji, to:

• wieżowe chłodnice wody, na powierzchni kopalni,

• urządzenia obiegu wysokiego ciśnienia wody w szybie,

• trójkomorowy podajnik rurowy na dole kopalni,

• agregaty chłodzące wodę KM na dole kopalni,

• urządzenie obiegu niskiego ciśnienia wody na dole kopalni,

• urządzenia chłodzące powietrze GK 250 oraz EWK 350 w wyrobiskach,

• pompy obiegu wysokiego i niskiego ciśnienia wody.

Charakterystyczne dla tego rodzaju klimatyzacji jest to, że ochłodzona na powierzchni woda jest doprowadzona rurociągiem szybowym, bez pośrednictwa wymiennika ciepła, do skraplaczy agregatów KM. Tego rodzaju transport wody - a wraz z nią "zimna" - podwyższa zdolność chłodniczą systemu klimatyzacji ale do redukcji ciśnienia wody winien być użyty trójkomorowy podajnik rurowy.

Zasada działania podajnika w odniesieniu do jednej z komór przedstawiona została na rys. 6.

• Krok 0 - wszystkie zawory zamknięte. Pozycja neutralna

• Krok 1 - na skutek otwarcia zaworów głównych 2 i 4 następuje napełnienie komory wodą ciepłą pod niskim ciśnieniem (pochodzącą z chłodnic powietrza), a zalegająca w komorze woda zimna pod niskim ciśnieniem tłoczona, jest do skraplaczy agregatów KM.

Rys. 6. Zasada działania trójkomorowego podajnika rurowego

• Krok 2 - główne zawory 2 i 4 zostały zamknięte. Na skutek otwarcia zaworu ciśnieniowo- wyrównawczego 6 w komorze powstaje wysokie ciśnienie.

• Krok 3 - po otwarciu zaworów głównych 1 i 3 komora napełniana jest z rurociągu zimną wodą pod wysokim ciśnieniem, a zalegająca w komorze woda ciepła pod wysokim ciśnieniem (w poprzednim cyklu dostarczona z chłodnic powietrza) tłoczona jest równocześnie do wieży chłodniczej znajdującej się na powierzchni kopalni.

• Krok 4 - po zamknięciu zaworów głównych 1 i 3 oraz otwarciu zaworu ciśnieniowo-wyrównawczego 5 w komorze powstaje niskie ciśnienie.

• Krok 5 - krok 5 odpowiada sytuacji przedstawionej w kroku 1.

Na skutek odpowiedniego sterowania zaworami wszystkich trzech komór podajnika, uzyskuje się nieprzerwany proces wymiany wody i ciepła.

Rysunek 7 przedstawia schemat przepływowy takiego sposobu klimatyzacji. Powracający z urządzeń chłodniczych rejonów roboczych strumień wody wpływa przy temperaturze około 26°C do płaszcza parowaczy agregatów KM. Odparowujący w rurkach skraplaczach freon odbiera ciepło wodzie powodując jej ochłodzenie do temperatury 3 °C. Następnie strumień wody za pośrednictwem stacji pomp i filtrów kierowany jest rurociągami izolowanymi z powrotem do urządzeń chłodzących powietrze, znajdujących się w rejonach roboczych.

Ciepło, które wraz z wodą dostarczane jest do parowaczy agregatów KM, zostaje przez sprężarki podniesione do wyższego poziomu temperaturowego i przez strumień wody chłodzącej kierowane jest z rurek skraplaczy tych urządzeń do jednej z komór podajnika rurowego, skąd następnie wypierane jest z rurociągu szybowego do wież chłodniczych znajdujących się na, powierzchni kopalni. Tutaj zostaje ono bezpośrednio odprowadzone do powietrza atmosferycznego. Ochłodzony w ten sposób strumień wody trafia z powrotem do jednej z komór podajnika rurowego.

Rys. 7. Schemat klimatyzacji z trójkomorowym podajnikiem rurowym i agregatami chłodzącymi wodę na dole kopalni

B. agregaty chłodzące wodę na powierzchni kopalni

Jeżeli umieszczenie agregatów chłodniczych pod ziemią jest mało korzystne, a na powierzchni kopalni istnieje pomieszczenie, w którym można te agregaty usytuować, sposób klimatyzacji centralnej będzie odbywał się wg. schematu zamieszczonego na rys.8

Należy nadmienić, że sposób ten wymaga zainstalowania izolowanego rurociągu wody zim­nej z powierzchni kopalni do przodków wyrobisk, co podraża koszty inwestycyjne tego rozwiązania.

Z wieży chłodniczej woda o wydatku 280 m³/h i temperaturze 22.0 °C rurociągiem nieizolowa­nym wpływa do rurek skraplacza agregatu KM 3000 (agregat 1). W wyniku odebrania ciepła skraplania freonu temperatura wody wzrasta do 34.2 °C. Z taką temperaturą woda wpływa do skraplacza agregatu KM 2000 (agregat 2). W wyniku przepływu przez drugi skraplacz temperatura wody wzrasta do 40.9 °C i z tą wartością jest kierowana do wieży chłodniczej.

Rys. 8. Schemat klimatyzacji z agregatami chłodzącymi wodę na powierzchni - wariant 2 dla KWK „Pniówek”

Powracająca, z umieszczonych w wyrobiskach chłodnic, woda o wydatku 245 m³/h i temper­aturze 21.0 °C wpływa do jednej z komór podajnika rurowego. Po przejściu komory woda z temperaturą o pół stopnia niższą nieizolowanym rurociągiem szybowym wprowadzana jest do płaszcza parownika agregatu KM 3000. Odparowujący w rurkach parownika freon odbiera ciepło wodzie, powodując obniżenie jej temperatury do 8.9 °C. Z taką temperaturą woda wpływa do parownika agregatu KM 2000. W wyniku przepływu przez drugi parownik tem­peratura wody obniża się do 3.0 °C i z tą wartością jest kierowana izolowanym rurociągiem szybowym do znajdującego się na poziomie kopalni trójkomorowego podajnika rurowego. Z podajnika woda z temperaturą o pół stopnia wyższą rurociągami izolowanymi kierowana jest do chłodnic powietrza w wyrobiskach.

3.2. Sposób klimatyzacji z wykorzystaniem wysokociśnieniowych skraplaczy

W przypadku gdy kopalnia jest stosunkowo niegłęboka można zrezygnować z urządzenia re­dukującego ciśnienie wody stosując agregaty chłodzące wodę wyposażone w wysokociśnieniowe skraplacze. Sposób ten polega na umieszczeniu agregatów chłodzących wodę KM w niedalekim sąsiedztwie podszybia ze względu na uniknięcie stosowania dłuższych odcinków armatury wod­nej będącej pod wysokim ciśnieniem słupa wody w szybie. Natomiast rurki skraplacza agre­gatów wytrzymują ciśnienie statyczne słupa wody w rurociągu szybowym (do 1.6 MPa). W ten sposób unika się instalacji dodatkowego obiegu wody z reduktorem ciśnienia. Schemat ideowy ­tego sposobu przedstawia rysunek 9.

Rys. 9. Schemat klimatyzacji z wykorzystaniem wysokociśnieniowych skraplaczy - wariant 1 dla KWK „Pniówek”

Z wieży chłodniczej woda o wydatku 280 m³/h i temperaturze 22.0 °C rurociągiem nieizolowa­nym wpływa do rurek skraplacza agregatu KM 3000 (agregat 1) z temperaturą 23.0 °C. W wyniku odebra­nia ciepła skraplania freonu temperatura wody wzrasta do 35.4 °C. Z taką temperaturą woda wpływa do skraplacza agregatu KM 2000 (agregat 2). W wyniku przepływu przez drugi skraplacz tem­peratura wody wzrasta do 42.1 °C i z tą wartością kierowana jest nieizolowanym rurociągiem szybowym do wieży chłodniczej.

Powracająca, z umieszczonych w wyrobiskach chłodnic, woda o wydatku 240 m³/h. i temper­aturze 21.0 °C wpływa do płaszcza parownika agregatu KM 3000. Odparowujący w rurkach parownika freon odbiera ciepło wodzie powodując obniżenie jej temperatury do 9.1 °C. Z taką temperaturą woda wpływa do parownika agregatu KM 2000. W wyniku przepływu przez drugi parownik temperatura wody obniża się do 3.0 °C i z tą wartością jest kierowana izolowanymi rurociągami do chłodnic powietrza w wyrobiskach.

Zasadniczą zaletą tego rozwiązania jest niski koszt inwestycji stacji centralnej klimatyzacji z racji braku obiegu wtórnego wody w którego skład wchodzi urządzenie redukujące ciśnienie, zespół pomp i za­worów oraz braku izolacji termicznej rurociągu w szybie.

---