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"Anlage zur Wetterkühlung im Bergbau mit über Tage aufge-
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stellter Kältemaschine und mehreren Raltwasserkreisläufen" Die Erfindung
betrifft eine Anlage zur Wetterkühlung im Bergbau, bestehend aus mindestens einer
über Tage aufgestellten Kältemaschine und einem oder mehreren Kaltwasserkreisläufen,
von denen ein Sole führender Primärkreis eine Schachtringleitung und mehrere zwischen
Fall- undSteigeleitung eingeschaltete Hochdruckwärmeaustauscher aufweist, die in
einen Sekundärkreis einbezogen sind und wenigstens zum Teil nacheinander von dem
im Sekundärkreis vorzugsweise im Gegenstrom zur Sole geführten Kaltwasser durchströmt
werden.
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Solche Anlagen sind im Prinzip bekannt. Eine bekannte Anlage (Zeitschrift
Bergbautechnik 6, 1966, S. 322, Bild 7) arbeitet mit vier Kältemaschinen über Tage
und einer Kälteleistung von ca. 350.000 kcal/h. Der Primärkreis steht unter einem
Druck von 135 at. In den Sekundärkreis sind die vor Ort Kühler der verschiedenen
Abbaubetriebe eingeschaltet. Die Ubertragung der Wärme auf die Sole erfolgt in einem
Hochdruckwärmeaustauscher. Solche Hochdruckwärmeaustauscher besitzen wenigstens
einen Mantelraum, in dem ein Rohrraum untergebracht ist. Der Wärmeaustausch vollzieht
sich durch die Rohrwandungen der von dem Kaltwasser durchflossenen Rohre auf die
im Mantelraum strömende Sole.
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Schwierigkeiten stellen sich bei solchen Anlagen ein, wenn die vorgegebene
Kälteleistung Soletemperaturen voraussetzt, die im Hochdruckwärmeaustauscher wesentlich
unter dem Gefrierpunkt des Kaltwassers liegen. Das ergibt sich z.B.
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dann, wenn die Schachtleitung einen begrenzten Querschnitt
aufweist
und demzufolge nur eine bestimmte Solemenge im Primärkreislauf geführt werden kann.
Beispielsweise ergibt sich für eine Kälteleistung von 4,6 Mio kcal/h und einem Soledurchsatz
von 160 m3/h am Eingang des an die Falleitung anschließenden Hochdruckwärmeaustauschers
eine Minustemperatur von ca. 4,70 C, während die Temperatur der Steigeleitung bei
+ 25,6° C liegt. Unter solchen Bedingungen besteht die Gefahr, daß das Kaltwasser
des Sekundärkreislaufes einfriert. Das Einfrieren kann zu erheblichen Schäden, u.a.
zum übertreten von Sole in den Sekundärkreis und damit zum Auslaufen der Sole aus
dem Primärkreis führen.
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Die Erfindung geht davon aus, daß man zwar in den Kreisläufen die
Temperatur, den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit der Medien außerhalb der
Wärmeaustauscher fortlaufend messen und den DurchfluB entsprechend regeln kann,
daß aber solche Messungen keine Auskunft über die Strömungsverhältnisse in den Wärmeaustauschern
geben, insbesondere wenn unter praktischen Bedingungen mit Verschmutzungen im Kaltwasser
des Sekundärkreises gerechnet werden muß. Solche Verschmutzungen führen in den Rohren
zu unterschiedlichen Ansätzen, welche einzelne Rohre sogar ganz verstopfen können.
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Infolgedessen kommt es in den Rohren zu unterschiedlichen Wärmedurchgangszahlen,
wobei die Einfriergefahr in verstopften Rohren ungewöhnlich groß ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer begrenzten sOleumlaufmenge
im Primärkreis und Minüstemperaturen der Sole einen zuverlässigen Schutz gegen Einfrieren
des Kaltwassers im Sekundärkreis zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der an
die Falleitung anschließende ochdruckwärmeaustauscher in einen Sole führenden Tertiärkreis
zusammen mit einem Niederdruckwärmeaustauscher einbezogen ist, der im Sekundärkreis
stromabwärts der Hochdruckwärmeaustauscher und einer stromabwärts der ochdruckwärmeaustauscher
liegenden Einmündung einer regelbaren Bypaßleitung angeordnet ist, die stromaufwärts
der Hochdruckwärmeaustauscher abzweigt.
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Durch die Ubertragung der in dem aus den Hochdruckwärmeaustauschern
austretenden Kaltwasser enthaltenen Wärme auf die Sole des Tertiärkreises wird die
Minus temperatur der Sole des Primärkreislaufes im Sole/Sole-Hochdruckwärmeaustauscher
so weit heraufgesetzt, daß die Sole mit einer über dem Gefrierpunkt liegenden Temperatur
in den nachgeschalteten ersten der übrigen Hochdruckwärmeaustauscher eintreten kann,
so daß ein Einfrieren des Kaltwassers nicht mehr stattfindet. Andererseits wird
durch den steuerbaren Bypaß erreicht, daß der Tertiärkreis stets genügend Wärme
erhält, um die Sole des Primärkreises auf die gewünschte Sicherheitstemperatur heraufzusetzen.
Ein Einfrieren kann deswegen auch dann nicht eintreten, wenn z.B. durch Verminderung
der Anzahl der Abbaubetriebe bzw. der Vorortkühler die Wärmemenge im Primärkreislauf
abnimmt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Auslesung des Primärkreises,
d.h. die Bestimmung der Temperatur seines Vorlaufes nicht mehr an die Einfriertemperatur
des Sekundärkreises gebunden ist. Insbesondere bietet die Erfindung daher die Möglichkeit,
mit IIochdruckSingleitungen verhältnismäßig geringen Querschnittes erhebliche Kälteleistungen
zu übertragen. Das wirkt sich bei Neuanlagen in einer vorteilhaften
Begrenzung
der Leitungsquerschnitte im Schacht und bei der Erweiterung vorhandener Anlagen
dahingehend aus, daß vorhandene Ringleitungen benutzt werden können oder nur unwesentlich
erweitert zu werden brauchen. überraschend ist der geringe apparative Aufwand für
den Tertiärkreis, insbesondere die geringen Abmessungen seines Niederdruckwärmeaustauschers,
so daß unter Tage keine nennenswert größeren Räume geschaffen zu werden brauchen.
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Vorzugsweise und gemäß einem weiteren Merkmal ist die erfindungsgemäße
Anlage so ausgeführt, daß die Steuerung der Bypaßleitung aus einer Drossel in dem
stromaufwärts der Hochdruckwärmeaustauscher gelegenen Abzweig und im Bypaß besteht;
sie ist vorzugsweise Teil eines Regelkreises, dessen Regelgrößen mindestens die
Temperaturen im Kaltwasseraustritt und im Sole zulauf des Niederdruckaustauschers
des Tertiärkreises sind.
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Mit diesen Maßnahmen läßt sich erreichen, daß die Kaltwassertemperatur
unabhängig von der u.a. von wechselnden Betriebszuständen der Anlage abhängigen
Abnahme von Kaltwasser und der dieser folgenden Kaltwasseraustrittstemperatur aus
der Anlage konstant gehalten wird. Andererseits lassen sich Minustemperaturen im
Sekundärkreis ausschließen, so daß es nicht zum Einfrieren von Kaltwasser kommen
kann. Das Regelsystem verhindert u.a. ein Absinken der Kaltwasseraustrittstemperatur
auf einen bestimmten, im Bereich des Einfrierens liegenden Temperaturwert. Außerdem
kann im Tertiärkreis die Temperatur der Sole oberhalb der Einfriertemperatur gehalten
werden. Dieser Regelkreis kann Teil der Sicherheits-logik sein, die z.B. bei über
oder Unterschreitung von Grenzwerten der Temperatur oder der Strömungsgeschwindigkeiten
Primär-Sollkreis von der Anlagetrommel.
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Unter Wärmeaustauscher werden im Rahmen der erfindungsgemässen Anlage
einzelne, aber auch gruppenweise zusammengeschaltete Gefäße verstanden, die ihrerseits
jeweils einen Mantel-und einen Rohrraum aufweisen. Erfindungsgemäß sind diese Anlageteile
vorzugsweise so ausgebildet, daß jeweils zwei strömungstechnisch in Reihe geschaltete
Gefäße einen Wärmeaustauscher bilden. Die Schaltung der Wärmeaustauscher kann dabei
so vorgenommen werden, daß mehrere stromaufwärts gelegene Hochdruckwärmeaustauscher
im Kaltwasserkreis parallel und wenigstens einer der stromabwärts folgenden Hochdruckwärmeaustauscher
mit den parallel geschalteten Hochdruckwärmeaustauschern in Reihe geschaltet ist.
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Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anlage in der Zeichnung.
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In der Zeichnung ist in ausgezogener Linienführung der Sekundärkreis
wiedergegeben, in dem Kaltwasser strömt; die gestrichelte Linienführung gibt den
Primärkreislauf wieder, der ebenso wie der in strichpunktierter Linienführung angegebene
Tertiärkreis Sole führt.
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Die Sole des Primärkreises tritt bei 1 aus der nicht wiedergegebenen
Falleitung einer Schachtringleitung aus und strömt über die Leitung 2 zum Verzweigungspunkt
3, sofern das Absperrorgan 7 geschlossen ist. Die Sole gelangt dann in die Leitung
4 und erreicht einen Hochdruckwärmeaustauscher W4, der aus den beiden strömungstechnisch
in Reihe geschalteten
Gefäßen 5 und 6 besteht. Der Hochdruckwärmeaustauscher
W4 ist mit einem Niederdruckwärmeaustauscher W5 in einen Tertiärkreislauf einbezogen,
wobei auch der Niederdruckwärmeaustauscher WS aus den beiden strömungstechnisch
in Reihe geschalteten Gefäßen 8, 9 besteht. Zur Bewegung der Seile im Tertiärkreislauf
dient eine Pumpe 10, wodurch die sole des Tertiärkreislaufes in der durch die Pfeile
angegebenen Strömungsrichtung durch den Tertiärkreis in Bewegung gehalten wird.
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Die aus dem Hochdruckwärmeaustauscher W4 austretende Sole des Primärkreises
gelangt über die Leitung 11 in einen weiteren Hochdruckwärmeaustauscher W3 mit den
beiden in Reihe geschalteten Gefäßen 12 und 13. Die bei 14 aus dem Hochdruckwärmeaustauscher
W3 austretende Sole erreicht zunächst eine Leitungsverzweigung 15und folgt bei geschlossenem
Absperrorgan 16 der Leitung 17, um den Verzweigungspunkt 18 zu erreichen.Je nach
Stellung der Absperrorgane 19 bzw. 20 werden beide oder nur einer der Hochdruckwärmeaustauscher
Wi bzw. W2,bestehend aus den Gefäßen 21, 22bzw.23, 24 betrieben. Die Wärmeaustauscher
W1 und W2 lassen sich aber auch aus dem Primärkreis ausschalten, indem die Absperrorgane
19 und 20 geschlossen und das Absperrorgan 16 geöffnet wird. Bei geschlossenen Absperrorganen
25 bzw. 26 strömt dann die Sole über diteitung 27, den Abzweig 28, den folgenden
Abzweig 29 in die Leitung 30 bzw. 31, um bei 32 die Steigeleitung zu erreichen.
Der Primärkreis kann mit hilfe der Leitung 33 und den beiden Regelorganen 34 bzw.
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35 kurzgeschlossen werden, falls die Anlage abgeschaltet werden muß.
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Der Sekundärkreis wird mit den beiden Pumpen 40 und 41 in den parallelen
Leitungsästen 42 bzw. 43 in Bewegung gehalten.
Kaltwasser strömt
auf diese Weise in Richtung des Pfeiles aus den Abbau durch die Leitung 44 und erreicht
einen Abzweig 45. Der Abzweig 45 liegt stromaufwärts der verschiedenen Hochdruckwärmeaustauscher
W 3 und ist Teil einer Bypaßleitung 46, die bei 49' in die Kaltwasserleitung 55
mündet. Die Bypaßleitung wird mit den beiden Drosseln 49 und 50 geschaltet, die
unter anderem über Temperaturmessungen 51 und 52 einerseits im Auslauf 53 des Niederdruckwärmeaustauschers
W5 und andererseits im Vorlauf 54 des Tertiärkreises vor dem Tauscher WS geregelt
wird.
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Die Bypaßleitung 46 bietet die Dlöglichkeit, erwärmtes Kaltwasser
aus der Leitung 44 dem Niederdruckwärmeaustauscher W5 des Tertiärkreises aufzugeben,
falls die normale Beaufschlagung durch die Leitung 55 nicht ausreicht, um das Einfrieren
des Kaltwassers im Niederdruckwärmeaustauscher W5 zu vermeiden.
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Denn die Hauptmenge des Kaltwassers, das aus den Abbaubetrieben zurückläuft,
gelangt normalerweise übger die Leitung 56 bei geschlossenem Absperrorgan 57 unter
Uberwindung der Verzweigung 58 in die Leitung 59 und die strömungstechnisch auch
im Sekundärkreis parallelgeschalteten Wärmeaustauscher W1 und W2 über die beiden
Leitungsäste 60 und 61 durch die Verzweigung 62 in die Rücklaufleitung 63. Aus der
Rücklaufleitung 63 gelangt das Kaltwasser bei geschlossenem Absperrorgan 64 in die
Leitung 65 durch das normalerweise geöffnete Absperrorgan 66 in den EIochdruckwärmeaustauscher
W3, den es bei 55 verläßt, um seine Restwärme an den Tertiärkreis abzugeben.
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Die dünne Linie 75 bezeichnet den Regelkreis, während die
dünne
Linie 76 den Sicherheitskreis zeigt, der zusammen mit den Temperaturmeßeinrichtungen
51, 52 zur Regelung der Drosseln 49 und 50 Teil eines Mikroprozessors ist, hier
aber nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht, weil er aus sich heraus verständlich
ist. Es soll lediglich der Regelkreis mit den Temperaturmeßeinrichtungen 51 und
52 und den Drosseln 49 und 50 weiter verfolgt werden: Wie aus der Darstellung ersichtlich
ist, enthält der Regelkreis auch einen Temperaturfühler bei 72 in der Leitung 55.
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Mit diesen Meßwerten wird der Kaltwassereintritt in den Niederdruckwärmeaustauscher
WS kontrolliert, so weit er aus dem Hochdruckwärmeaustauscher W3 stammt, der mit
den beiden Hochdruckwärmeaustauschern W2 und W2 strömungstechnisch in Reihe geschaltet
ist.
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71 bezeichnet einen Druckfühler und 72 stellt eine Temperaturanzeige
dar. Der Sicherheitskreis schaltet die Ventile 34, 35, um den Primärkreis von der
Anlage zu trennen.