Artur Drozdek
Odprowadzanie ciepła z urządzeń klimatyzacyjnych
· wynalezienia odpowiedniego czynnika chłodzącego,
· konstrukcyjnego rozwiązania maszyny klimatyzacyjnej dostosowanej do trudnych warunków górniczych,
· odprowadzenia ciepła odebranego powietrzu oraz doprowadzenia wody chłodzącej do maszyny.
Problem odprowadzenia ciepła rozwiązano w ten sposób, że ciepło odebrane powietrzu odprowadza się przeważnie z wodą chłodzącą albo powietrzem chłodzącym do prądów powietrza zużytego, często w przewodach izolowanych.
Urządzenia klimatyzacyjne stosowane na dole w kopalni można podzielić na dwie grupy:
- maszyny chłodnicze są to takie maszyny, które odbierają ciepło powietrzu dzięki procesom termodynamicznym, zachodzącym przy obiegu wewnętrznym czynnika chłodzącego, tzn. że odparowujący czynnik chłodzi wprost powietrze.
- chłodziarki są to maszyny, które odbierają ciepło powietrzu tylko dzięki różnicy temperatur pomiędzy powietrzem a chłodziwem drugiego obiegu maszyny chłodniczej.
Konstrukcja maszyn klimatyzacyjnych o działaniu bezpośrednim i stosunkowo małych wydajnościach stała się możliwa dzięki wynalezieniu freonów. Zasadę działania tego typu maszyny oraz sposób odprowadzania ciepła ilustruje rys.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 zostaje sprężony w sprężarce odśrodkowej S. Po sprężeniu czynnik zostaje przetłoczony do skraplacza Sk. Ciśnienie po sprężeniu jest kontrolowane manometrem. W skraplaczu, wskutek 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, jeżli 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 rozprężenia się gwałtownie odparowuje, odbierając jednocześnie ciepło powietrzu przepływającemu na zewnątrz rur parownika. Pary freonu wracają z parownika do srężarki, gdzie są ponownie spreżane i proces rozpoczyna się od nowa.
Tego typu maszyny są włączane w obieg powietrza płynącego do przodków, czyli w ciągi lutniowe.
Rys.1. Schemat maszyny chłodniczej o działaniu bezpośrednim
Sk - skraplacz, Pr - parownik, M - silnik, Z - zawór redukcyjny,
S - sprężarka odśrodkowa.
Zasadnicza różnica w stosunku do maszyn klimatyzacyjnych o działaniu bezpośrednim 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. 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 chłodzeni 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.
Chłodziarka A (rys.2), czyli wymiennik ciepła, składa się z trzech zasadniczych części, a mianowicie z filtra, wentylatora i zespołu rur wymiennika cieplnego. Doprowadzenie 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.
Rys.2. Schemat maszyny chłodniczej o działaniu pośrednim
A - chłodziarka, Fl - filtr, W - wentylator, Ch - chłodnica powietrza,
B - właściwa maszyna chłodząca, Z - zawór dławiący, P - pompa dla obiegu chłodziwa, Pr - parownik, Sk - skraplacz, S - srężarka odśrodkowa, M - silnik.
Oddawanie ciepła do powietrza zużytego
W głębokich kopalniach rud 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. Taki system chłodzenia wody dołowej lokalizuje się w szybikach pionowych (rys.3). Takie wykonanie doskonale znosi nawet znaczne ciśnienia górotworu, co na dużych głębokościach jest trudnym problemem. Chłodzenie wody odbywa się tu zasadzie bezpośredniego kontaktu z powietrzem płynącym szybikiem do góry. Powietrze to jednak ogrzewa się i nawilża znacznie 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 wydzielenia w kopalniach specjalnego wyrobiska, które nazywać można kanałem cieplnym.
W wyrobisku tym nie może odbywać się ruch ludzi. Takie wyrobisko można łatwo wydzielić w kopalniach rud, gdzie jest dużo wyrobisk udostępniających i innych nadających się do przejęcia tej funkcji.
Rys. 3. Szkic pionowy chłodni wody zlokalizowany w szybiku
Odprowadzenie ciepła z urządzenia niestacjonarnego-ziębiarki
Urządzenie chłodnicze -ziębiarka-jest urządzeniem niestacjonarnym o mocy jednostkowej do 300 kW. Jest ono podwieszane najczęściej na szynie kolejki i przemieszczane wraz z postępem wyrobiska Ziębiarka składa się z dwóch agregatów, tzn. z zespołu maszynowego wraz ze skraplaczem oraz parowaczem 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 pośrednicm wyparnej chłodnicy wody do prądu powietrza zużytego. Schemat przepływowy takiego sposobu chłodzenia powietrza przedstawia rysunek 4.
Rys. 4. Urządzenie chłodnicze bezpośredniego działania z wyparną chłodnią wody
Odprowadzanie ciepła w centralnych układach klimatyzacji
Do układów takich należą :
1) centralne układy klimatyczne z blokami ziębiarek i wyparnych chłodni wody na powierzchni oraz rozproszonymi w wyrobiskach podziemnych wodnymi chłodnicami powietrza, połączonymi z ziębiarkami siecią rurociągów,
2) zdecentralizowany układ ziębiarek i wyparnych chłodni wody, zlokalizowanych w wyrobiskach podziemnych w pobliżu klimatyzowanych miejsc pracy przy małych długościach rurociągów transportujących zimne płyny.
Istnieją rozwiązania pośrednie, które mają pewne cechy pierwszego i pewne drugiego układu. Przy dużej mocy chłodniczej, wyższej lub znacznie wyższej od paru MW, układ zdecentralizowany w zasadzie nie jest stosowany przede wszystkim ze względu na trudności z odprowadzeniem ciepła skraplania czynnika chłodniczego do prądu powietrza zużytego. Jednak układ zdecentralizowany jest rozwiązaniem między klimatyzacją pojedynczych wyrobisk a układem centralnym o średniej mocy.
Przykłady:
1) Ziębiarki zlokalizowane na powierzchni
Układ centralny, z ziębiarkami rozmieszczonymi na powierzchni, jest wielokrotnie sprawdzonym rozwiązaniem klimatyzacji, w przypadku gdy chłodzenie powietrza ma być prowadzone w dużej liczbie wyrobisk w całej kopalni lub w znacznej jej części. Szkic takiego układu centralnego przedstawia rys.5.
Rys.5. Centralny system klimatyzacji z ziębiarkami rozmieszczonymi na
powierzchni:
a – ziębiarka, b – chłodnia kominowa, c – wysokociśnieniowy wymiennik ciepła,
d – chłodnice powietrza
Blok ziębiarek, oznaczony literą a, i wyparne chłodnie wody b zlokalizowane są na powierzchni, wysokociśnieniowy wymiennik ciepła c oraz wodne chłodnice powietrza d znajdują się na dole kopalni.
Czynnikiem chłodniczym w ziębiarce powierzchniowej zwykle jest amoniak. Ciepło skroplenia czynnika chłodniczego przekazywane jest bezpośrednio do powietrza atmosferycznego. Proces chłodzenia zimnej wody 4-1 następuje w parowniku. W szybie wdechowym zabudowane są rurociągi 1-2 i 3-4, przez które przepływa chłodziwo w obiegu wysokoprężnym. Na klimatyzowanym poziomie znajduje się urządzenie, w którym następuje obniżenie ciśnienia chłodziwa. W urządzeniach tych odzyskuje się znaczną część energii związanej z różnicą wysokości transportowanego chłodziwa. Między układem zmniejszającym ciśnienie i chłodnicami powietrza zimna woda przepływa w obiegu niskociśnieniowym 7-8-9-10-7.
2) Ziębiarki zlokalizowane w wyrobiskach kopalni
Urządzenia zabudowane na dole wymagają odpowiedniego miejsca w wyrobiskach korytarzowych o dużym przekroju poprzecznym, wydrążonych w dostatecznie mocnych skałach, nie poddanych działaniom naprężeń eksploatacyjnych. Konieczne jest dostarczenie na dół znacznej mocy do napędu sprężarek, w przybliżeniu równej 1/3 mocy chłodniczej układu ziębiarek. Utrzymanie urządzeń w wyrobiskach podziemnych stwarza wiele różnego rodzaju trudności i jest bardziej kosztowne niż w przypadku lokalizacji ich na powierzchni.
W wielu kopalniach nie ma możliwości odbioru ciepła od wody chłodzącej skraplacze w pobliżu miejsca ustawienia ziębiarek. Zachodzi wtedy konieczność budowy i utrzymania sieci rurociągów między ziębiarkami a wyrobiskami, którymi przepływają dostatecznie duże wydatki zużytego powietrza o parostopniowej różnicy między temperaturami na termometrach suchym i wilgotnym. W wyrobiskach tych instaluje się wyparne chłodnie wody, celem odrzucenia ciepła kondensacji. Gdy nie ma możliwości odprowadzenia ciepła kondensacji do zużytego prądu powietrza na dole kopalni ziębiarki mogą być połączone z rurociągiem szybowym, biegnącym do wyparnej chłodni wody zlokalizowanej na powierzchni. Schemat ideowy układu klimatycznego z wyparną chłodnią wody zlokalizowaną na powierzchni przedstawia rys.6, zaś schemat z chłodniami wody odrzucającymi ciepło skraplania do zużytego prądu powietrza, rys.7. W parownikach ziębiarek może być chłodzona zimna woda transportowana następnie do wodnych chłodnic powietrza lub niekiedy bezpośrednio powietrze. Podstawowym agregatem układu klimatycznego przedstawionego na rys.6 są ziębiarki a chłodzące zimną wodę (lub bezpośrednio powietrze) w parowniku b. Obiegi 5-6-7-8-5 oraz 1-2-3-4-1 przenoszą ciepło odebrane w skraplaczu ziębiarki wyparnej chłodni wody d, znajdującej się na powierzchni.
Rys.6. Centralny system klimatyzacji kopalni z ziębiarkami rozmieszczonymi na dole i z powierzchniową chłodnią wody odbierającej ciepło od skraplaczy
a – ziębiarka, b – parownik chłodzący wodę obiegu dołowego,
c – wysokociśnieniowy wymiennik ciepła, d – chłodnia kominowa.
Rys.7. Centralny system klimatyzacji kopalni z ziębiarkami na dole i z wyparną chłodnią wody w prądzie zużytego powietrza
a - ziębiarka, b - dołowy obieg wody zimnej, c – wodna chłodnica powietrza, d - obieg wody chłodzącej skraplacz, e - wyparna chłodnia wody w prądzie zużytego powietrza, f - szyb wydechowy
Między obiegami wody znajduje się wysokociśnieniowy wymiennik ciepła c. Układ klimatyczny zaznaczony schematycznie na rys. 3 składa się z ziębiarki a, obiegu zimnej wody b, z chłodnic powietrza c oraz z obiegu wody chłodzącej skraplacz d z wyparną chłodnią wody e znajdującą się w prądzie zużytego powietrza lub w szybie f.
3) Ziębiarki zlokalizowane na powierzchni i w wyrobiskach kopalnianych
System kombinowany (rys.8) z ziębiarkami rozmieszczonymi na dole a i na powierzchni g wymaga zabudowy rurociągów w szybie dla obiegu wody od ziębiarek powierzchniowych do wysokoprężnego wymiennika ciepła i do skraplaczy ziębiarek dołowych 1-2-3-10-11-12-13-1.
Rys.8. Centralny system klimatyzacji kopalni z ziębiarkami umieszczonymi na powierzchni i na dole
a - ziębiarka na dole, b - wysokociśnieniowy wymiennik ciepła, c - obieg dołowy zimnej wody, d - wodna chłodnica powietrza, e - opływ skraplacza ziębiarki dołowej, f – wstępna chłodnia wody, g - ziębiarka na powierzchni, h - wieża chłodnicza
Instalacja powinna być zaprojektowana w taki sposób, by w rurociągu obiegu dołowego zapewnić za parownikiem 5-6 temperaturę wody równą 2¸4 °C i na wlocie rurociągu tego obiegu do wysokociśnieniowego wymiennika ciepła temperaturę wody 22¸24 °C.
W przeciętnych warunkach w wysokociśnieniowym wymienniku ciepła (9-4) następuje obniżenie temperatury wody obiegu dołowego o połowę podanej różnicy temperatur. Dalsze obniżenie temperatury o taką samą wartość zachodzi w parownikach ziębiarek (5-6).
W chłodnicach powietrza c, d następuje wzrost temperatury wody o około 15 °C. Za wysokociśnieniowym wymiennikiem ciepła woda obiegu szybowego przepływa do skraplacza ziębiarek dołowych e i odbiera ciepło kondensacji. Temperatura wody chłodzącej skraplacz wzrośnie o około 15¸20 °C i w szybowym rurociągu powrotnym wynosi w przybliżeniu 35 °C. Na powierzchni znajdują się ziębiarki, które powinny ochłodzić wodę obiegu szybowego do temperatury 3¸4°C. W celu obniżenia potrzebnej do tego mocy chłodniczej stosuje się wstępną wyparną chłodnię wody f, otwartą lub natryskową 12-13. Temperatura wody na wylocie z tej chłodni w dużym stopniu zależy od warunków pogodowych. Przy dostatecznie wysokiej temperaturze wody recyrkulacyjnej chłodnia może być czynna przez cały rok. Woda chłodząca skraplacz ziębiarki powierzchniowej jest ochładzana w wieży h.
Jussy_S