DE19829552A1 - Verfahren zur zentralen Kälteversorgung von untertägigen Betriebspunkten in Tiefbaubetrieben des Bergbaus - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zentralen Kälteversorgung von untertägigen Betriebspunkten in Tiefbaubetrieben des Bergbaus mit einer übertage eingerichteten Kühlanlage zur Bereitstellung eines Kühlwassers und mit wenigstens einer nachgeschalteten, einen Kondensatorteil und einen Verdampferteil aufweisenden Kältemaschine zur Bereitstellung eines den Betriebspunkten zuzuleitenden Kaltwassers, bei welchem das in einer sinkenden Lufttemperatur begründete Energieeinsparungspotential dadurch ausnutzbar ist, daß Kühlkreis und Kaltwasserkreis in verschiedenen Betriebszuständen aneinander koppelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zentralen Kälteversorgung von untertägigen Betriebspunkten in Tiefbaubetrieben des Bergbaus mit einer übertage eingerichteten Kühlanlage zur Bereitstellung eines Kühlwassers und mit wenigstens einer nachgeschalteten, einen Kondensatorteil und einen Verdampferteil aufweisenden Kältemaschine zur Bereitstellung eines den Betriebspunkten zuzuleitenden Kaltwassers.

Ein derartiges Verfahren ist durch Benutzung auf zahlreichen Bergwerken, insbesondere des Steinkohlentiefbaus, bekannt; dabei wird üblicherweise die Kaltwasserversorgung der Betriebspunkte dadurch sichergestellt, daß das Kühlwasser über den Kondensatorteil der untertage aufgestellten Kältemaschinen in einem Kühlkreis zurück zur Schachtförderleitung und von dort zur übertägigen Kühlanlage geführt wird, wobei das den Betriebspunkten zuzuführende Kaltwasser in einem von dem Kühlkreis getrennten Kaltwasserkreis über die Verdampfer der Kältemaschinen geführt wird. Der Kühlwasserkreis und der Kaltwasserkreis werden somit als eigenständige Kreisläufe betrieben, wobei die dem Kaltwasser in den Verdampferteilen der Kältemaschinen entzogene Wärme über deren Kondensatorteile dem Kühlwasser zugeführt wird. Die Rückkühlung des Kühlwassers erfolgt in den übertage installierten Kühlanlagen, insbesondere in Kühltürmen oder geeigneten Rückkühlern.

Mit einem derartigen Verfahren ist der Nachteil verbunden, daß die Kühlanlagen wie auch die untertage aufgestellten Kältemaschinen auf sommerliche Betriebsbedingungen mit entsprechend hohen für die Rückkühlung des Kühlwassers nur zur Verfügung stehenden Lufttemperaturen ausgelegt sein müssen, um die erforderliche Rückkühlleistung zu erbringen. Bei sinkenden Außentemperaturen kann aufgrund der sich dadurch einstellenden niedrigeren Temperatur des Kühlwassers allenfalls die Kondensationstemperatur beziehungsweise der Kondensationsdruck abgesenkt werden, so daß eine Einsparung von Antriebsenergie für die erforderlichen Aggregate in begrenztem Umfang gegeben ist. Kommt es im Winterbetrieb zu noch stärker absinkenden Außentemperaturen mit der folge einer zu starken Abkühlung des Kühlwassers, so werden entweder die in den Kühltürmen beziehungsweise Rückkühlern eingesetzten Ventilatoren in ihrer Drehzahl heruntergeregelt, oder die Kühlwasserpumpen werden auf eine geringere Förderleistung gedrosselt und leiten somit den Kondensatorteilen der untertägigen Kältemaschinen eine geringere Wassermenge zu, um einen störungsfreien Betrieb der Kältemaschinen zu gewährleisten. In jedem Fall ist die bei wechselnden Außentemperaturen durch die vorstehenden Regelungen der einzelnen Maschinen zu erzielende Energieeinsparung vergleichsweise gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zentralen Kälteversorgung von untertägigen Betriebspunkten in Tiefbaubetrieben des Bergbaus so auszugestalten, daß das in einer sinkenden Lufttemperatur begründete Einsparungspotential an für die Kälteversorgung insgesamt aufzuwendender Energie besser ausnutzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem dieser Beschreibung nachgestellten Patentanspruch und ist darauf gerichtet, daß neben dem an sich bekannten Betriebszustand, wonach das Kühlwasser über den Kondensatorteil der Kältemaschinen in einem Kühlkreis zurück zur Kühlanlage geführt wird und das den Betriebspunkten zuzuführende Kaltwasser im Kaltwasserkreis über den Verdampferteil der Kältemaschine geführt wird, in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Außentemperatur zwei weitere Betriebszustände der Führung des Kühlwassers und/oder des Kaltwassers eingerichtet werden können. So ist der für den sogenannten Winterbetrieb mit tiefen Lufttemperaturen ausgelegte erste alternative Betriebszustand dadurch gekennzeichnet, daß das von der übertägigen Kühlanlage her kommende Kühlwasser unter Ausschaltung der Kältemaschine über einen den Kühlkreis mit dem Kaltwasserkreis verbindenden Bypaß unmittelbar den Betriebspunkten zugeführt und von den Betriebspunkten in den Kühlkreis rückgeführt wird, während in einem zweiten alternativen Betriebszustand für die sogenannte Übergangszeit mit etwas höheren Außentemperaturen vorgesehen ist, daß das von der Kälteanlage herkommende Kühlwasser über den Verdampferteil der Kältemaschine geleitet und als Kaltwasser den Betriebspunkten zugeführt und von hier aus über den Kondensatorteil der Kältemaschine als Kühlwasser zu der übertage installierten Kühlanlage rückgeführt wird.

Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß mit den in ihrer Verfahrensführung für das Kühlwasser und/oder das Kaltwasser jeweils unterschiedlich einstellbaren Betriebszuständen eine bestmögliche Energieeinsparung erzielbar ist. Da aufgrund der im Winterbetrieb gegebenen tiefen Außentemperaturen das Kühlwasser bereits eine Temperatur aufweist, die es als Kaltwasser für die Zuleitung der Betriebspunkte geeignet macht, kann aufgrund der vorgesehenen unmittelbaren Zuleitung des Kühlwassers zu den Betriebspunkten eine Abschaltung der Kältemaschinen einschließlich der zu deren Betrieb nötigen Pumpen erfolgen, womit eine ganz erhebliche Energieeinsparung und Entlastung des für den Betrieb der zentralen Kälteversorgung erforderlichen Maschinenparks gegeben ist. Soweit während einer jahreszeitlichen Übergangszeit mit etwas höheren Außentemperaturen auch die Temperatur des Kühlwassers etwas tiefer liegt als das von den Betriebspunkten zu der Kältemaschine zurückfließende Kaltwasser, so erfolgt eine Verbindung von Kühlkreis und Kaltwasserkreis dadurch, daß das Kühlwasser über den Verdampferteil der Kältemaschine geführt und als Kaltwasser den Betriebspunkten zugeleitet wird. Hierdurch sinkt die erforderliche Kälteleistung der Kältemaschine deutlich ab, womit eine entsprechende Energieeinsparung verbunden ist. Das von den Betriebspunkten herkommende erwärmte Kaltwasser wird dann über den Kondensatorteil der Kältemaschine geführt und anschließend als Kühlwasser der übertägig installierten Kühlanlage zugeleitet.

Bei der Anwendung des Verfahrens kann die der Kühlanlage nachgeschaltete Kältemaschine entweder ebenfalls übertage aufgestellt sein, so daß das von der Kältemaschine bereitgestellte Kaltwasser über eine Schachtleitung und einen am Fußpunkt der Schachtleitung angeordneten Dreikammerrohraufgeber zu den Betriebspunkten geleitet und das von den Betriebspunkten zurückfließende erwärmte Wasser über den Dreikammerrohraufgeber zur übertägig aufgestellten Kältemaschine zurückgeführt wird. Dabei sorgt der Dreikammerrohraufgeber nicht nur für eine Entspannung des über die Schachtleitung mit hohem Druck anströmenden Kaltwassers, sondern verhindert gleichzeitig eine unerwünschte mit der Entspannung sonst verbundene Wärmeaufnahme des Kaltwassers.

In einer alternativen Verfahrensführung kann vorgesehen sein, daß die Kältemaschine untertage aufgestellt wird, so daß das von der übertägig aufgestellten Kühlanlage bereitgestellte Kühlwasser über die Schachtleitung und den, der Druckentspannung dienenden Dreikammerrohraufgeber zu der Kältemaschine geleitet und von hier aus über den Dreikammerrohraufgeber wieder zur Kühlanlage zurückgeführt wird.

Gemäß der Erfindung kann das Verfahren auch in einem sogenannten Kombibetrieb genutzt werden, bei welchem neben der untertage aufgestellten und der Bereitstellung des Kaltwassers für die Betriebspunkte dienenden Kältemaschine zusätzlich eine weitere übertägig aufgestellte Kältemaschine in den Kühlkreis eingeschaltet ist, mittels derer eine zusätzliche Kühlung des von der Kühlanlage bereitgestellten Kühlwassers möglich ist. Im Rahmen eines solchen Kombibetriebes mit einer übertage und einer untertage aufgestellten Kältemaschine kann es auch vorgesehen sein, von der ersten übertage aufgestellten Kältemaschine bereits einen Teilstrom an Kaltwasser abzuzweigen und den nach untertage verbrachten Kaltwasserstrom unmittelbar in den zu den Betriebspunkten führenden Kaltwasserkreis einzuspeisen; zum Mengenausgleich ist dann von dem von den Betriebspunkten zurückfließenden erwärmten Wasser ein Teilstrom entsprechender Größe abzuzweigen und in den Kühlkreis rückzuspeisen. Damit wird die entsprechend ausgelegte Anlage mit Teilströmen betrieben.

In der Zeichnung ist ein für die Einstellung der erfindungsgemäßen Betriebszustände geeignetes Maschinen- und Leitungsnetz für eine Kälteversorgung von untertägigen Betriebspunkten für ein Ausführungsbeispiel mit einer untertägig aufgestellten Kältemaschine in einer schematischen Darstellung wiedergegeben.

Von einer übertägig aufgestellten Kühlanlage 10 strömt das auf eine geeignete Kühlwassertemperatur abgekühlte Kühlwasser über eine Leitung 11 und einen Pumpensatz 12 in eine Schachtleitung 13, in welcher es nach untertage bis zu einem Dreikammerrohraufgeber 14 verbracht wird, der als geeignetes Ventilglied für die Verteilung der Kühlwasserströme sorgt. Von dem Dreikammerrohraufgeber 14 führt eine Ausgangsleitung 15, in welche ein Auf/Zu-Ventil 16 eingeschaltet ist, zu einer Kühlwasserpumpe 17. Von hier aus führt eine Leitung 18 zu den Kondensatorteilen 19 von bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aufgestellten drei Kältemaschinen. Von den Kondensatorteilen 19 führt eine Rückführleitung 20 zum Dreikammerrohraufgeber 14 zurück, über den eine Förderung des erwärmten Kühlwassers in einer Schachtförderleitung 21 bis in eine zu der Kühlanlage 10 führenden Leitung 22 erfolgt. Insoweit ist mit den Leitungen 11, 13, 15, 18, 20, 21 und 22 der Kühlkreis beschrieben.

Die Versorgung der nicht dargestellten Betriebspunkte mit Kaltwasser geht aus von den Verdampferteilen 23 der drei aufgestellten Kältemaschinen, von denen eine Kaltwasserzuleitung 24 zu den Betriebspunkten führt. Das Kaltwasser strömt von den Betriebspunkten über eine Leitung 25 und eine darin eingeschaltete Pumpenstation 26 zurück und wird über eine Leitung 27 den Verdampferteilen 23 der Kältemaschinen wieder zugeführt, so daß der Kaltwasserkreis durch die Leitungen 24, 25, 27 gebildet ist.

Wird bei hohen Außentemperaturen die Kälteversorgung der Betriebspunkte im Rahmen der vorstehend beschriebenen Kreise für Kühlwasser und Kaltwasser betrieben, so bleiben der Kühlkreis und der Kaltwasserkreis voneinander getrennt, und es findet ein Wärmeaustausch in den Verdampferteilen 23 beziehungsweise Kondensatorteilen 19 der Kältemaschinen statt. So kann das mit einer Temperatur von etwa 40°C über die Leitung 22 der Kühlanlage 10 zugeführte erwärmte Kühlwasser in der Kühlanlage 10 bei einer Feuchttemperatur von 18°C auf eine Kühlwassertemperatur von 24,7°C abgekühlt werden, so daß das Kühlwasser etwa mit einer Temperatur von 25°C in den Kondensatorteil 19 der Kältemaschinen eintritt und sich hier durch entsprechende Wärmeaufnahme bis auf die genannte Temperatur von 40°C erwärmt. Mit dieser Wärmeaufnahme ist es möglich, in den Kältemaschinen Kaltwasser mit einer gewünschten Temperatur von 2,50°C zur Verfügung zu stellen.

Soweit nun im sogenannten Winterbetrieb tiefe Außentemperaturen vorherrschen, die bereits für eine Kühlwassertemperatur von beispielsweise weniger als 4°C in der Kühlanlage 10 sorgen, so ist eine Verbindung des Kühlkreises mit dem Kaltwasserkreis über eine Bypaßleitung 30 vorgesehen, die an die Ausgangsleitung 15 des Kühlkreises einerseits und an die Kaltwasserzuleitung 24 des Kaltwasserkreises andererseits angeschlossen ist. Für die entsprechende Regelung sind in die Bypaßleitung 30 ein Auf/Zu-Ventil 31 und in die Kaltwasserleitung 24 ein Auf/Zu-Ventil 32 eingeschaltet. Mittels der entsprechenden Ventilanordnung 16, 31, 32 ist die Überleitung des Kühlwassers in den Kaltwasserkreis vorzunehmen.

In gleicher Weise ist ausgehend von der Kaltwasser-Pum­ penstation 26 eine Verbindung des Kaltwasserkreises mit dem Kühlwasserkreis über eine Leitung 34 ausgebildet, in welche Leitung 34 ein Auf/Zu-Ventil 35 eingeschaltet ist.

Um die Einspeisung des von den Betriebspunkten herkommenden erwärmten Kaltwassers zurück in den Kühlkreis zu ermöglichen, sind in die zu den Verdampferteilen 23 der Kältemaschinen führenden Leitungen 27 jeweils Auf/Zu-Ven­ tile 33 eingeschaltet. Bei geschlossenem Ventil 33 und geöffnetem Ventil 35 erfolgt die Weiterleitung des erwärmten Kaltwassers bis in die zum Dreikammerrohraufgeber 14 führende Rückführleitung 20 des Kühlkreises.

Die in der Zeichnung dargestellte Anlage ist auf die fakultative Einstellung eines dritten Betriebszustandes ausgelegt, der in der sogenannten Übergangszeit mit etwas höheren Außentemperaturen einstellbar ist, bei welchem das von der Kühlanlage 10 herkommende Kühlwasser beispielsweise eine Temperatur von etwa 14°C aufweist. Hierzu ist der Kühlwasserpumpe 17 eine Verbindungsleitung 40 nachgeschaltet, die die Kühlwasserpumpe 17 mit dem Eingang der Verdampferteile 23 der untertägigen Kältemaschinen verbindet, um das vergleichsweise "kalte" Kühlwasser, welches noch kälter ist als das von den Betriebspunkten zurückfließende Wasser, in den Verdampferteilen 23 auf die gewünschte Kaltwassertemperatur von etwa 2,5°C abzusenken. Für die Einstellung dieses Betriebszustandes ist in die Verbindungsleitung 40 ein Auf/Zu-Ventil 41 und in die von der Kühlwasserpumpe 17 wegführende Leitung 18 des Kühlkreises ein Auf/Zu-Ventil 42 eingeschaltet.

Das in diesem Betriebszustand mit einer Temperatur von etwa 18° von den Betriebspunkten zurückfließende erwärmte Kaltwasser kann nun über eine weitere Leitung 43 an die zu den Kondensatorteilen 19 führende Leitung 18 des Kühlkreises angeschlossen werden, um so das erwärmte Kaltwasser als Kühlwasser für die Wärmeabfuhr aus den Verdampferteilen 23 zu nutzen, wonach das rücklaufende nun als Kühlwasser wirkende Kaltwasser nach Verlassen der Kondensatorteile 19 in die Rückführleitung 20 für das Kühlwasser eingespeist wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Strömungsverbindung von Kühlkreis und Kaltwasserkreis, die im einzelnen über die Auf/Zu-Ventile 41, 42, 33 sowie 44 einzustellen ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (5)

1. Verfahren zur zentralen Kälteversorgung von untertägigen Betriebspunkten in Tiefbaubetrieben des Bergbaus mit einer übertage eingerichteten Kühlanlage (10) zur Bereitstellung eines Kühlwassers und mit wenigstens einer nachgeschalteten, einen Kondensatorteil (19) und einen Verdampferteil (23) aufweisenden Kältemaschine zur Bereitstellung eines den Betriebspunkten zuzuleitenden Kaltwassers, bei welchem in einem ersten Betriebszustand das Kühlwasser über den Kondensatorteil (19) der Kältemaschinen in einem Kühlkreis zurück zur Kühlanlage (10) geführt wird und das den Betriebspunkten zuzuführende Kaltwasser im Kaltwasserkreis über den Verdampferteil (23) der Kältemaschine geführt wird und bei welchem in einem alternativen Betriebszustand das von der Kühlanlage (10) herkommende Kühlwasser unter Ausschaltung der Kältemaschine über einen den Kühlkreis mit dem Kaltwasserkreis verbindenden Bypaß (30) unmittelbar den Betriebspunkten zugeleitet und von den Betriebspunkten in den Kühlkreis zurückgeführt wird und bei welchem in einem weiteren alternativen Betriebszustand das von der Kühlanlage (10) herkommende Kühlwasser über den Verdampferteil (23) der Kältemaschine in den Kaltwasserkreis eingeleitet und als Kaltwasser den Betriebspunkten zugeführt und von hier aus über den Kondensatorteil (19) der Kältemaschine als Kühlwasser zu der Kühlanlage (10) geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der übertage aufgestellten Kältemaschine bereitgestellte Kaltwasser über eine Schachtleitung (13) und einen an deren Fußpunkt angeschlossenen Dreikammerrohraufgeber (14) den Betriebspunkten zugeleitet und das von den Betriebspunkten zurückfließende erwärmte Wasser über den Dreikammerrohraufgeber (14) der übertägigen Kälteanlage (10) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Kühlanlage (10) bereitgestellte Kühlwasser über eine Schachtleitung (13) und einen an deren Fußpunkt angeschlossenen Dreikammerrohraufgeber (14) zu der untertage aufgestellten Kältemaschine und von hier aus über den Dreikammerrohraufgeber (14) und die Schachtleitung (13) zurück zur Kühlanlage (10) geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlanlage (10) eine zusätzliche übertägig aufgestellte Kältemaschine zur weiteren Kühlung des der untertage aufgestellten und der Bereitstellung des Kaltwassers dienenden Kältemaschine zuzuführenden Kühlwassers nachgeschaltet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der übertage aufgestellten Kältemaschine ein Teilstrom an Kaltwasser abgezweigt und nach untertage verbracht und hier in dem Kaltwasserkreis eingespeist wird, und daß der in den Kaltwasserkreis eingespeiste Teilstrom durch einen von dem von den Betriebspunkten zurückfließenden erwärmten Wasser abgezweigten Teilstrom entsprechender Größe durch dessen Einspeisung in den Kühlkreis ersetzt wird.