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Verfahren zur Steigerung der Kühlwirkung und Wirtschaftlichkeit von
Druckluft in Grubenbetrieben Neben der Wetterluft ist trotz einiger im Bergbau aufgestellter,
mit zugeführtem Kühlwasser betriebener Kaltdampfmaschinen bis heute die Druckluft
der wichtigste Träger nicht nur für die Energiezufuhr, sondern auch für den Abtransport
von Wärme aus den Grubenbauen zur Erreichung eines erträglichen Arbeitsklimas. Betrachtet
man die bei Druckluft angewandten Verfahren im Hinblick auf ihre Leistungs- oder
Kühlziffer, d. h. auf das Verhältnis der geförderten Wärmemenge und geleisteten
Arbeit zu dem dafür aufzuwendenden Energieanteil, so zeigt sich, daß diese Ziffer
bei allen Verfahren, die mit dem normalen Druck von etwa 7 ata am Kompressor und
vollständiger Expansion in einer Stufe arbeiten, im Vergleich zu der Kühlziffer,
die man hei der Bewetterung erreicht, sehr niedrig ist. Es wurde bereits vorgeschlagen,
die Expansion, ausgehend vom normalen Netzdruck, in zwei Stufen mit Zwischenerwärmung
durchzuführen. Dabei läßt sich schon eine bessere Ausnutzung der Druckluftenergie
und damit auch eine günstigere Kühlziffer, insbesondere beim Blasversatz, erreichen.
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Ferner hat man etwas über den Netzdruck hinaus verdichtete Druckluft
zuerst in einer vorgeschalteten Turbine bis auf den Netzdruck und dann in nachgeschalteten
Maschinen weiter entspannt. Bei einem dahingehenden, bekannten Vorschlag erfolgt
die erste Teilentspannung -über Tage im Anschluß an einen Verdichter mit Zwischenschaltung
von Wärmeaustauschern und eines Wasserabscheiders; dabei kommt es in erster Linie
auf die Entfeuchtung der Druckluft an, da die
fühlbare Kälte auf
dem langen Weg in die Grubenbaue ohnehin zum größten Teil wieder verlorengeht, sofern
nicht eine mit erheblichen zusätzlichen Kosten verbundene Isolierung der Schacht-und
Streckenleitungen vorgesehen ist. Die bis auf den Netzdruck entspannte Druckluft
wird dann unter Tage Expansionswerkzeugen, deren Abluft zur Grubenklimatisierung
ausgenutzt wird, und einer Turbine zugeleitet, die zum Antrieb eines Verdichters
und einer Entspannungsturbine dient, welche gemeinsam in einen Kältekreislauf eingeschaltet
sind.
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Leitet man dagegen die höhergespannte und auf Umgebungstemperatur
rückgekühlte Druckluft bis zu den heißen Betriebspunkten unter Tage und entspannt
sie erst dort zur Gewinnung von freier Kälte auf den Netzdruck in zwei oder mehr
Stufen mit jeweiliger Zwischenerwärmung, so ergeben sich verschiedene Vorteile,
nämlich kleinere Abmessungen des Endkühlers und Wasserabscheiders über Tage und
eventueller Wärmetauscher unter Tage, kleinerer Wassergehalt der Druckluft nach
dem Endkühler bei gleicher Temperatur, geringere Leitungswiderstände, höhere Selbstverdichtung
der Luft, Einstellbarkeit des günstigsten Arbeitsdruckes getrennt für jedes Revier
durch Regelung der Vorschaltmaschine, Wegfall sämtlicher elektrisch angetriebener
Zwischenverdichter und schließlich Steigerung der Speicherfähigkeit des Druckluftnetzes.
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Alle diese Vorteile konnten jedoch bisher den Bergbau nicht veranlassen,
die praktische Anwendung einer wesentlichen Steigerung des üblichen Kompressionsenddruckes
zu erwägen, da z. B. ein Abbauhammer mit Wärmetauscher undenkbar und eine zweistufige
Entspannung zum Antrieb hintereinandergeschalteter, verschiedenartiger Arbeitsmaschinen
wegen der unterschiedlichen Einsatzzeiten derselben kaum durchführbar ist, die Aufstellung
eines Generators zur Stromerzeugung und die Ableitung der Wärme auf dem Umweg über
die elektrische Energie aber aus Gründen der Sicherheit und Einfachheit nicht immer
angebracht ist.
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Die vorerwähnten Schwierigkeiten sollen nun gemäß der Erfindung im
wesentlichen dadurch beseitigt werden, daß die bei einer unter Tage durchgeführten
Teilentspannung von Luft höheren Druckes bis auf den Netzdruck in einer Vorschaltmaschine
frei werdende Arbeitsenergie zum Antrieb eines ein- oder mehrstufigen Verdichters
und die dabei frei werdende Kälte mindestens teilweise zur indirekten Abkühlung
der aus der Umgebung angesaugten Wetterluft verwendet werden. Die Arbeitsleistung
des Untertageverdichters wird zur Erzeugung zusätzlicher Druckluft aus angesaugter
Wetterluft als Antriebsmittel für entsprechende Maschinen oder Geräte verwendet;
sie kann aber auch in an sich bekannter Weise zur Verdichtung eines im Kreislauf
geführten Kälteträgers dienen, sofern das dazu erforderliche Kühlwasser in ausreichender
Menge und Beschaffenheit vorhanden ist. Die Teilentspannung der Druckluft erfolgt
bei größeren Luftmengen zweckmäßig in einer Turbine, die auf der gleichen Welle
einen Kreiselverdichter antreibt; gegebenenfalls läßt sich dafür aber auch eine
Kolbenmaschine in Verbindung mit einem Zellenradverdichter od. dgl. vorsehen.
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Grundsätzlich ist zur Erreichung einer günstigen Leistungsziffer ein
möglichst geringes Druckverhältnis in der Entspannungsturbine anzustreben. Ein Druck
vor der Turbine von 5o ata, wie er für den Generatorantrieb vorgeschlagen wurde,
ergibt zwar eine große Kälteleistung, erfordert aber einen zu höhen Energieaufwand
am Kompressor und eine unbequeme Vielstufigkeit bei der Expansion. Wählt man dagegen
vor der Turbine einen Druck zwischen io und 15 ata, der auf den Netzdruck von 5
bis 6 ata entspannt wird, so erhält man eine Leistungsziffer, die etwa dreimal so
groß ist wie bei der üblichen und bisher günstigsten Kälteerzeugung durch Druckluftmaschinen,
die Hubarbeit leisten.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die in zwei oder
mehr Stufen teilweise entspannte Druckluft ihre Kälte in Wärmeaustauschern direkt
an die Wetterluft oder an einen Zwischenträger abgibt, wobei die Luft jeweils so
weit wieder erwärmt wird, daß der Gefrierpunkt für das Kondenswasser nicht oder
nicht wesentlich unterschritten wird. Ferner empfiehlt es sich, die Kälte der entspannten
Druckluft nur teilweise, und zwar im tieferen Temperaturbereich, an die unverdichtete
Wetterluft zu übertragen, im höheren Bereich dagegen zur Zwischenkühlung der aus
dem Wetterstrom abgezweigten und in mehreren Stufen verdichteten Luft oder zur Rückkühlung
des im Kreislauf geführten Kälteträgers zu verwenden.
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Die Arbeitsweise einer derartigen Druckluftanlage für Grubenbetriebe
geht aus zwei in der Zeichnung in je einem Schaltschema dargestellten Ausführungsmöglichkeiten
der Erfindung hervor.
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In der Anlage gemäß Fig. i wird die in einem Kompressor i über Tage
auf einen Druck von beispielsweise 15 ata verdichtete, in einem nicht dargestellten
Nachkühler auf etwa 2o° C abgekühlte und entwässerte Druckluft unter Tage entsprechend
dem ausgezogenen Linienzug geführt, wobei sie eine als Kühlaggregat dienende zweistufige
Turbine 2, 3 und zur Abgabe der bei der Teilentspannung in jeder Turbinenstufe entstehenden
Kälte vier Wärmeaustauscher 4 bis 7 durchströmt, von denen je zwei Austauscher 4,
5 bzw. 6, 7 zwischen und hinter den beiden Turbinenstufen angeordnet sind. Im Anschluß
daran wird die Druckluft bei 8 den in Betracht kommenden Verbrauchern, wie Bohrhämmern,
Haspeln usw., zugeführt.
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Der durch einen gestrichelten Linienzug bezeichnete Wetterstrom tritt
bei 9 ein und teilt sich dann in der Weise, daß zwei Zweigströme durch je einen
der beiden Wärmeaustauscher 4, 6 geführt und anschließend wieder vereinigt werden,
während der dritte Zweigstrom durch einen von der Turbine 2, 3 angetriebenen dreistufigen
Kompressor io bis 12 und zwischen den einzelnen Stufen desselben
durch
die Wärmeaustauscher 5, 7 geführt wird. Durch die in den letzteren erfolgende Zwischenkühlung
wird der Arbeitsaufwand für die Verdichtung der zusätzlichen Druckluft verringert.
Die in den Austauschern 4, 6 durch die entspannte Druckluft gekühlte Wetterluft
wird anschließend bei 13 den heißen Betriebspunkten zugeführt.
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Die übrige Wetterluft wird in dem Kompressor 1o bis 12 auf einen für
den Antrieb der vorhandenen Arbeitsmaschinen erforderlichen Druck verdichtet und
diesen Maschinen bei 14 zugeführt. Wenn die zusätzlich erzeugte Druckluft zu dem
gleichen Zweck wie die zur Bildung und Abgabe von Kälte teilentspannte Druckluft
verwendet wird, können die beiden betreffenden Austrittsleitungen 14, 8 zu einer
einzigen Leitung vereinigt werden.
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Wenn die teilentspannte Druckluft und die verdichtete Teilmenge des
Wetterstromes getrennt zu den Arbeitsmaschinen geführt werden, braucht nur die Leitung
der letzteren isoliert zu werden. Diese Luft wird wegen ihrer höheren Temperatur
zweckmäßig den größeren, stationären Arbeitsmaschinen zugeführt, bei denen sich
die Mehrleistung infolge des größeren Anteiles an Expansionsarbeit stärker bemerkbar
macht. Auch sind die betreffenden Maschinen unempfindlicher gegen Verunreinigungen
der Luft, die beim Wetterstrom möglich sind.
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Bei Vereinigung der beiden betreffenden Luftströme stellt sich eine
Mischtemperatur ein, die höher als die Temperatur der Umgebungsluft ist und dadurch
die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad aller von ihr angetriebenen Arbeitsmaschinen
und Werkzeuge verbessert; deshalb ist es zweckmäßig, diese Mischleitung gegen Wärmeverluste
zu isolieren.
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In der anderen Anlage gemäß Fig. 2 wird übereinstimmend mit der ersten
Ausführung die über Tage in dem Kompressor i erzeugte Druckluft von etwa 15
ata unter Tage in der zweistufigen Turbine 2, 3 bis auf den normalen Netzdruck entspannt
und in diesem Zustand hei 8 den verschiedenen Verbrauchern zugeführt. Der ganze
Weg dieses Luftstromes ist durch einen dick ausgezogenen Linienzug bezeichnet. In
den Weg der bei 9 eintretenden und längs des dick gestrichelten Linienzuges geführten
Wetterluft sind drei Wärmeaustauscher 4, 6, 15 parallel zueinander eingeschaltet;
nach entsprechender Kühlung in diesen Austauschern wird der Wetterstrom bei 13 den
heißen Betriebspunkten zugeleitet.
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Außerdem sind in diesem Schema noch zwei weitere Linienzüge eingetragen,
von denen der dünn ausgezogene den geschlossenen Kreislauf eines geeigneten Kälteträgers,
z. B. Frigen, darstellt. In diesen Kreislauf sind ein mit der Turbine 2, 3 gleichachsig
angeordneter und von dieser angetriebener einstufiger Verdichter 16 und ein Drosselventil
17 eingeschaltet. Auf dem Wege vom Drosselventil zum Verdichter wird der Kälteträger
durch den im Zuge des Wetterstromes liegenden Wärmeaustauscher 15 und auf dem Wege
vom Verdichter zum Drosselorgan durch drei weitere Wärmeaustauscher 18 bis 2o geleitet,
von denen die Austauscher 18, i9 in die (stark ausgezogene) Leitung der teilentspannten
Druckluft hinter der ersten bzw. zweiten Turbinenstufe eingeschaltet sind, während
der Austauscher 2o an eine dünn gestrichelte Kühlwasserleitung angeschlossen ist.
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Bei der zweiten Ausführung wird also keine zusätzliche Druckluft erzeugt,
sondern eine Kälteanlage betrieben und dadurch mittelbar die Kühlwirkung der mit
höherem als dem Netzdruck zugeführten Druckluft auf die Wetterluft noch mehr gesteigert.
Nachdem der Kälteträger die durch seine Entspannung im Drosselventil 17 frei werdende
Kälte bei gleichzeitiger Verdampfung im Austauscher 15 an die Wetterluft abgegeben
hat, wird er im Verdichter 16 wieder auf höheren Druck gebracht. In den Austauschern
18 bis 20 findet eine Rückkühlung des Kälteträgers statt, dessen Temperatur durch
die Wärmeaufnahme aus der Wetterluft und die nachfolgende Verdichtung gestiegen
ist. Da die teilentspannte Druckluft vorher bereits in den Austauschern 4 und 6
zur Kühlung der Wetterluft ausgenutzt worden ist, kann sie den Kälteträger in den
nachgeschalteten Austauschern 18, i9 nicht mehr so stark abkühlen, daß er kondensiert.
Um diese Kondensation zu erreichen, muß deshalb zur Rückkühlung des Kälteträgers
noch der dritte Austauscher 20 Vorgesehen werden.