POLITECHNIKA WROCŁAWSKA 01.02.2000. WROCŁAW

WYDZIAŁ GÓRNICZY

EOP GR II

SPOSOBY ODPROWADZANIA CIEPŁA Z MASZYN KLIMATYZACYJNYCH

WYKONAŁ: PROWADZĄCY:

DARIUSZ SZLAKIEWICZ DR INŻ. F. ROSIEK

1.Maszyna klimatyzacyjna ( chłodnicza ) - jest to taka maszyna , która odbiera ciepło powietrzu dzięki procesom termodynamicznym zachodzącym przy obiegu wewnętrznym czynnika chłodzącego.

Sposób odprowadzania ciepła zależy od tego czy dana maszyna klimatyzacyjna jest maszyną dołową czy powierzchniową oraz od jej rozwiązań konstrukcyjnych.

2.Maszyny klimatyzacyjne dołowe.

2.1.Maszyny klimatyzacyjne o działaniu bezpośrednim.

Zwykle pierwsze trudności klimatyczne napotyka się w kopalniach przy prowadzeniu wyrobisk udostępniających i przygotowawczych na dużych głębokościach. Roboty są prowadzone przeważnie z dala od prądów powietrza świeżego , dlatego wymagają stosowania intensywnego przewietrzania za pomocą lutni. Konieczność doprowadzenia powietrza lutniami do odległych przodków wyklucza w zasadzie możliwość klimatyzowania powietrza w jednym węzłowym punkcie kopalni i zmusza do szukania sposobów klimatyzacji powietrza w drogach dolotowych do poszczególnych przodków. Konstrukcja maszyn klimatyzacyjnych o działaniu bezpośrednim i stosunkowo małych wydajnościach stała się możliwa dzięki wynalezieniu freonów. Zasadę działania tego typu maszyny ilustruje schemat pokazany na rysunku 1.

Linią przerywaną pokazano na rysunku obieg wody chłodniczej a linią przerywaną z kropkami obieg czynnika chłodniczego czyli freonu. Czynnik chłodniczy w postaci pary o niskim ciśnieniu przeważnie około 50 kPa , zostaje sprężony w sprężarce odśrodkowej S do ciśnienia około 250 kPa. Po sprężeniu czynnik zostaje przetłoczony do skraplacza Sk. Ciśnienie po sprężeniu jest kontrolowane manometrem. W skraplaczu , w skutek kontaktu z wodą chłodniczą obiegu zewnętrznego freon przepływający w rurach skraplacza w jego obiegu wewnętrznym zostaje skroplony. Temperatura wody chłodniczej skraplacza musi oczywiście ulec podwyższeniu. Przy doprowadzeniu do skraplacza większych ilości wody przyrost temperatury będzie mniejszy , natomiast przy mniejszych ilościach wody przyrost temperatury musi być większy , jeżeli chce się uzyskać ten sam efekt w wychłodzeniu i kondensacji freonu. Freon po skropleniu i wychłodzeniu przechodzi przez zawór redukcyjny Z do parownika Pr gdzie na skutek rozprężania się gwałtownie odparowuje odbierając jednocześnie ciepło powietrzu przepływającemu na zewnątrz rur parownika. Pary freonu o ciśnieniu około 50 kPa wracają z parownika do sprężarki , gdzie są ponownie sprężane i proces rozpoczyna się od nowa. Silnik elektryczny M umieszczony przeważnie na jednej osi z kompresorem napędza całe urządzenie. Dla pokonania oporów , jakie napotyka chłodzone powietrze przy przechodzeniu przez system rurociągów parownika , zabudowuje się wentylator lutniowy zwykle po stronie wlotowej. Przed wentylatorem w lutni umieszcza się filtry , które oczyszczają powietrze z pyłów. Depresja wentylatora jest obliczana tak aby w całości mogła pokonać opory parownika i filtrów , zapewniając przepływ właściwej ilości powietrza.

Tego typu maszyny są włączane w obieg powietrza płynącego do przodków , czyli w ciągi lutniowe.

Dla pracy maszyny niezbędne jest posiadanie w miejscu jej zainstalowania odpowiedniej ilości wody oraz doprowadzenie energii elektrycznej. Doprowadzenie do miejsca pracy maszyny odpowiedniej ilości wody jest bardziej kłopotliwe niż doprowadzenie energii elektrycznej.

Maszyny chłodnicze o działaniu bezpośrednim produkowane są o wydajnościach od 10 do 140 kW , z tym , że przeważająca ich większość ma wydajność od 45 do 70 kW. W przypadku znacznego zapylenia powietrza wymagają one częstych ale krótkich postojów w celu oczyszczenia filtrów i zespołu rur parownika. Zanieczyszczenie rur parownika powoduje znaczne straty cieplne maszyny chłodniczej na skutek zmniejszenia się ich przewodności cieplnej. Ciepło odbierane powietrzu płynącemu do przodka zostaje oddane przy tego typu urządzeniach do powietrza zużytego płynącego całym przekrojem wyrobiska oraz do wody chłodzącej kondensator. Taki stan rzeczy powoduje , że często w samym przodku są bardzo dobre warunki pracy ale złe na drodze do przodka.

Wymiary maszyn umożliwiają ich swobodny transport tak w urządzeniach szybowych jak i w przekopach i chodnikach.

Urządzenia klimatyzacyjne tego typu wymagają od kilku do kilkunastu m³ wody jako czynnika chłodzącego na godzinę a ilość chłodzonego powietrza wynosi do kilkuset m³/min. Różnica temperatur wody chłodzącej dopływającej i odpływającej wynosi na ogół około 10 °C .

W maszynach klimatyzacyjnych o działaniu bezpośrednim jak już wspomniano są dwa obiegi : freonu i wody. Obieg wody chłodniczej , który chłodzi sprężarkę a także skraplacz maszyny klimatyzacyjnej i unosi ciepło na zewnątrz może być zamknięty lub otwarty.

Zastosowanie zamkniętego obiegu wody , który jest połączony z jego skróceniem , jest stosunkowo nowym osiągnięciem w technologii schładzania powietrza , które jest obecnie stosowane na coraz to szerszą skalę.

Na rysunku 2 pokazano schematycznie zasadę działania maszyny chłodniczej z otwartym i zamkniętym obiegiem wody chłodzącej.

W tym drugim przypadku przedstawionym przykładowo na rysunku 2.b w obiegu wody chłodzącej pracuje chłodnica dołowa , w której woda zostaje ochłodzona powietrzem zużytym.

2.2Maszyny klimatyzacyjne o działaniu pośrednim.

Na skutek dalszej ewolucji maszyn klimatyzacyjnych stosowanych w górnictwie , szereg firm zaproponowało prawie jednocześnie wprowadzenie do eksploatacji maszyn o większych wydajnościach dostosowanych do obsługi nawet kilku chłodziarek. Na rysunku 3 pokazano schematycznie zasadę pracy zespołu maszyny chłodniczej z chłodziarką.

Zasadnicza różnica w stosunku do poprzednich maszyn polega na wprowadzeniu dodatkowego obiegu zamkniętego chłodziwa , przeważnie wody , który to obieg przenosi odebrane powietrzu chłodzonemu ciepło rurociągami izolowanymi do maszyny chłodniczej , gdzie w odparowaczu ciepło to zostaje oddane czynnikom ( freony ) odparowującym w parowniku.

Zaletą takich zestawów jest możliwość zabudowania samej maszyny w odpowiednim pomieszczeniu , łatwość obsługi oraz możliwość instalowania chłodziarek blisko przodku a nawet w samym przodku. Wadą ich są nieuniknione straty ciepła na izolacjach rurociągów chłodziwa , jak i na rurociągach powrotnych , oraz znaczny koszt ewentualnego przenoszenia samej maszyny w ślad za posuwającym się frontem robót. Nadmienić należy , że rurociągi chłodziwa , czyli wody krążącej pomiędzy chłodziarką a samą maszyną chłodniczą nie zawsze są izolowane. Przeważnie izolowany jest tylko rurociąg tzw. zimny , czyli podający chłodziwo do chłodziarek. Rurociągi powrotne są tylko wtedy izolowane , gdy temperatura chłodziwa jest wyższa od temperatury powietrza płynącego w kierunku przodka klimatyzowanego. Gdy temperatura ta jest niższa od temperatury powietrza płynącego chodnikami , w których zabudowany jest rurociąg , wtedy rurociąg pozostaje bez izolacji , a na całej powierzchni rurociągu odbywa się dodatkowy proces chłodzenia powietrza.

W przypadku gdy odległość chłodziarki od maszyny chłodniczej jest znaczna , chłodzenie powietrza przez jego kontakt bezpośredni z powierzchnią rurociągu powrotnego jest wysoce skuteczne i podnosi sprawność działania całego systemu klimatyzacyjnego. Sama chłodziarka A , czyli wymiennik ciepła , składa się zwykle z trzech zasadniczych części a mianowicie z filtra , wentylatora i zespołu rur wymiennika cieplnego. Doprowadzenie chłodziwa do zespołu rur wymiennika Ch jest tak wykonane , że powietrze chłodzone jest stopniowo przeciwprądowo na całej drodze przepływu przez zespół wymiennika cieplnego. Dzięki zastąpieniu obiegu czynnika chłodziwem , zmniejszono w znacznym stopniu awaryjność samej maszyny klimatyzacyjnej , bowiem ubytek chłodziwa można łatwo uzupełnić. Niemniej jednak z powodu wprowadzenia dodatkowej wymiany cieplnej pomiędzy czynnikiem a chłodziwem , sprawność maszyn klimatyzacyjnych o działaniu pośrednim nie jest wysoka.

W przypadku maszyn klimatyzacyjnych o działaniu pośrednim istnieje wiele sposobów odprowadzania ciepła.

Rozwiązania dawniejsze polegały na oddawaniu ciepła do zbiorników wodnych i z wodą na powierzchnie albo przy niewielkich wydajnościach maszyny tracono ciepło w drogach powietrza zużytego , częściowo oddając je do powietrza a częściowo do wody ściekowej.

W późniejszym okresie ,gdy zaczęto stosować na dole maszyny o znacznie większych wydajnościach ( od 600 do 1500 kW ) , ciepło z kondensacji oddawano do wody obiegu chłodzącego maszynę. Rurociągi wodne , jeżeli były umieszczone w szybie wdechowym musiały być izolowane. Ciepło tracone było w chłodniach kominowych na powierzchni.

Ostatnio coraz częściej stosuje się chłodnie wody instalowane na dole. Same wymienniki ciepła , czyli chłodnice wchodzące w skład urządzeń nazwanych chłodziarkami przeszły również ewolucję i w efekcie są dziś mniejsze , lżejsze oraz bardziej wydajne.

Jedną z nowości jest próba wyniesienia ciepła odebranego maszynie klimatyzacyjnej aż na powierzchnię i zużycie go do podgrzania wody w łaźniach oraz ogrzewania budynków w zimie. W tym przypadku stosuje się jednak normalne skraplacze chłodzone wodą , z tym , że tak reguluje się ciśnienie parowania i skraplania w maszynie , że woda chłodząca oddawana w rurociągach izolowanych na powierzchnię ma temperaturę około 80 °C. Woda chłodząca wracająca z powierzchni do maszyny klimatyzacyjnej na poziomie 1100 m ma temperaturę około 30°C. Zachodzi tu konieczność utrzymywania rurociągów w szybie i pomp do przetłaczania wody z dołu na powierzchnię. Budowa rurociągów w szybie nie nastręcza jednak trudności , a utylizacja ciepła w węzłach sanitarnych na powierzchni kopalni znacznie podnosi sprawność całego układu chłodzenia. Jest to pomysł szczególnie godny uwagi , tym bardziej , że wdrożenie jego zostało przeprowadzone z dobrym skutkiem w latach 1977-78 a instalacja o której mowa pracuje z dużą sprawnością i całkowitą niezawodnością zarówno na dole jak i na powierzchni.

W kopalniach głębokich rud bardzo często wprowadza się przy zastosowaniu na dole maszyn klimatyzacyjnych o działaniu pośrednim schładzanie wody chłodzącej kompresory i kondensatory w dołowych chłodnicach , czyli oddawanie ciepła do powietrza zużytego. W RPA wdrożono z powodzeniem chłodzenie wody dołowej zlokalizowane w szybikach pionowych - rysunek 4.

Okazało się , że takie wykonanie doskonale znosi nawet znaczne ciśnienia górotworu , co na tych głębokościach było trudnym problemem. Chłodzenie wody odbywa się tutaj na zasadzie bezpośredniego kontaktu z powietrzem płynącym szybikiem do góry. Powietrze to jednak ogrzewa się i nawilża i w efekcie temperatura i wilgotność powietrza w chodniku doprowadzającym je z rejonu szybiku - chłodni uniemożliwia praktycznie ruch ludzi w tym wyrobisku. Powstała więc konieczność wydzielania w kopalniach specjalnego wyrobiska , które proponuje się nazywać kanałem cieplnym. W wyrobisku tym nie może się odbywać ruch ludzi. Takie wyrobisko można łatwo wydzielić w kopalniach rud , gdzie jest dużo wyrobisk udostępniających i innych nadających się do przejęcia tej funkcji ( RPA , w Polsce LGOM ).

W silnie gazowych kopalniach w RFN zastosowano z powodzeniem maszyny klimatyzacyjne powietrzne , pracujące bez obiegu wody chłodzącej. Ten typ maszyn nadaje się szczególnie do klimatyzowania odległych przodków robót przygotowawczych w kopalniach o małej ilości wody a silnie metanowych. Ciepło odebrane powietrzu przy adiabatycznym rozprężaniu odprowadza się lutniami z pewną jego częścią wprost do prądu wydechowego. Odpada więc konieczność stosowania wody chłodzącej. Uruchomienie maszyny wymaga odcięcia jej od przodku tamami wentylacyjnymi i utrzymywania w przodku podciśnienia.

3.Maszyny klimatyzacyjne powierzchniowe

Rozwój techniki chłodniczej w górnictwie umożliwił zaprojektowanie dużych urządzeń klimatyzacyjnych o wielkich wydajnościach , zainstalowanych na powierzchni kopalń. Projektanci słusznie przewidywali szereg korzyści płynących z takiego rozwiązania , takich jak : możliwość stosowania taniego , a bardzo wydajnego czynnika chłodniczego , jakim jest amoniak , możliwość odprowadzania do atmosfery dowolnych ilości ciepła z kopalń , łatwość obsługi i konserwacji urządzeń. Użytkownicy urządzeń obawiali się trudności w rozprowadzaniu rurociągami chłodziwa z powierzchni do przodków i z powrotem. Urządzenia klimatyzacyjne z obiegiem freonowym , pracujące w podziemiach kopalń , ulegały często awariom ,a koszt ich eksploatacji był stosunkowo duży przy raczej niskich wydajnościach.

W urządzeniach klimatyzacyjnych powierzchniowych ciepło odebrane powietrzu kopalnianemu w przodkach zostaje odprowadzone na powierzchnię za pomocą jednego lub dwóch obiegów chłodziwa i oddane do atmosfery. W rozwiązaniach , w których już na powierzchni klimatyzowaniu poddaje się cały prąd powietrza skierowany do kopalni , ciepło odebrane powietrzu jest też oddawane do atmosfery. W nich jednak stosuje się albo bezpośrednie systemy chłodzenia ( głównie w krajach tropikalnych ) albo co najwyżej jeden obieg chłodziwa.

Wszystkie maszyny klimatyzacyjne powierzchniowe są zwykle projektowane o wydajności kilku milionów kW.

3.1 Maszyna klimatyzacyjna powierzchniowa z jednym obiegiem wody slodkiej jako chłodziwa.

Ten typ urządzenia specjalnie nadaje się do klimatyzowania części kopalń. Koncepcja technologiczna urządzenia klimatyzacyjnego polega na zaprojektowaniu na powierzchni właściwej centrali klimatyzacyjnej a obiegiem amoniakalnym dla chłodzenia chłodziwa , sprowadzanego następnie rurociągami izolowanymi do chłodziarek zainstalowanych możliwie blisko przodków. Odebrane przepływającemu przez chłodziarki powietrzu ciepło odprowadzone zostaje rurociągami powrotnymi na powierzchnię i oddane do atmosfery przez maszynę chłodniczą. Na rysunku 5 pokazano całość urządzenia klimatyzacyjnego pracującego z jednym obiegiem amoniaku jako chłodziwa.

Całość urządzenia składa się a trzech głównych części :

A - urządzenie klimatyzacyjne powierzchniowe ,

B₁ - obieg chłodziwa wysokoprężny ,

B₂ - niskoprężny obieg chłodziwa łącznie z chłodziarkami

oraz z :

CH - chłodni kominowej ,

P , P₁ , P₂ , P₃ - pompy ,

S₁ - obieg chłodzenia stopnia I ,

S₂ - obieg chłodzenia stopnia II ,

Tb - turbina ,

M - silnik ,

Zb₁ , Zb₂ - zbiorniki przelewowe ,

Ch₁ , Ch₂ - chłodziarki.

3.2 Maszyna klimatyzacyjna powierzchniowa pracująca z dwoma rodzajami obiegu chłodziwa : solanki i wody słodkiej.

Dzięki wprowadzeniu solanki do obiegu chłodziwa uzyskano możliwość obniżenia temperatury chłodziwa na powierzchni poniżej 0°C bez obawy spowodowania zamarznięcia rurociągów. Zabieg ten pozwolił na dalsze podniesienie wydajności całego urządzenia klimatyzacyjnego praktycznie bez większych nakładów inwestycyjnych i energetycznych. Dalszą nowością było zastąpienie urządzenia Peltona wymiennikiem cieplnym wysokoprężnym , w którym solanka będąca pod dużym ciśnieniem hydrostatycznym odbiera ciepło z wtórnego obiegu chłodziwa ( tzw. obieg dołowy ) , jakim jest woda słodka. Na rysunku 6 pokazano schemat urządzenia klimatyzacyjnego powierzchniowego pracującego z dwoma obiegami chłodziwa :solanką i wodą słodką.

Jego podstawowe części składowe to :

S₁ , S₂ - sprężarki ,

P₁ , P₂ - pompy ,

Ch₁ , Ch₂ - chłodziarki ,

Ch_w - wymiennik wysokoprężny.

3.3 Maszyny klimatyzacyjne powierzchniowe służące do chłodzenia całego prądu powietrza skierowanego do kopalni.

Ten typ urządzeń jest szeroko stosowany w krajach tropikalnych , gdzie wilgotność i temperatura już na powierzchni jest często wysoka i trudna do zniesienia. Sam proces klimatyzacji przeprowadza się zwykle przy użyciu sprężarek amoniakalnych , analogicznie jak w uprzednio przedstawionych systemach. Wymienniki cieplne umieszczone są zwykle w kanale wentylacyjnym i włączone wprost do obiegu chłodziwa maszyny klimatyzacyjnej. Chłodziwem jest woda albo solanka. Wody używa się wtedy , gdy stosuje się ochładzanie powietrza przez bezpośredni jego kontakt z drobno rozpyloną wodą w specjalnych komorach zraszania. W przypadku użycia solanki jako chłodziwa doprowadza się ją wprost do wymienników ciepła umieszczonych w kanale wentylatora i w nich odbiera się ciepło powietrzu , jednocześnie je osuszając. Często stosuje się w jednym urządzeniu szeregowe

Połączenie obydwóch opisanych systemów. W kanale wentylacyjnym wpierw poddaje się powietrze obróbce wody w komorach zraszania , a następnie ochładza i osusza w zwykłych wymiennikach cieplnych chłodzonych solanką. Takie rozwiązania znajdują częste zastosowanie w Afryce i Indiach. Na rysunku 7 pokazano schemat takiego urządzenia klimatyzacyjnego , dostosowanego do ochładzania i osuszania całego prądu powietrza świeżego.

Jego główne części składowe to :

S₁ , S₂ , S₃ - sprężarki ,

Ch - rurowy wymiennik ciepła ,

Zr₁ , Zr₂ - komory zraszania.

LITERATURA:

A. FRYCZ ,, KLIMATYZACJA KOPALŃ `'

---