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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Wärme aus
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Verunreinigungen mitführenden, vor allem sauren und salzigen Wässern,
insbesondere des aus Steinkohlengruben gehobenen Grubenwassers. Die Erfindung betrifft
außerdem eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Im Rahmen der allgemeinen Bemühungen zur Energieeinsparung bzw. zur
optimalen Ausnutzung der vorhandenen Energiereserven ist auch das Grundwasser mit
in die Oberlegungen einbezogen worden. Verunreinigungen mitführende Wässer sind
von den Oberlegungen zur Wärmegewinnung wegen ihrer aggressiven Verunreinigungen
oder wegen der zur schnellen Ablagerung neigenden Verunreinigungen ausgeschlossen
worden. Insbesondere die im Steinkohlenbergbau in großen Mengen zu hebenden Grubenwässer
sind wegen ihrer Zusammensetzung bisher in diese Oberlegungen nicht eingeschlossen
worden, da sie die komplizierten Aggregate für die Wärmegewinnung in kürzester Zeit
zusetzen würden. Grubenwässer weisen abgesehen von ihren verschiedenen Schwebstoffen
Härtegrade bis zu 300 auf. Wegen der schlechten Wasserqualitäten wird das teilweise
recht warme Grubenwasser unmittelbar nach Verlassen der Schachthebeleitung dem Abwasserkanal
zugeführt. Die Wassermengen sind erheblich, da auf einzelnen Schachtanlagen zum
Teil eine größere Menge Wasser gehoben als Kohle gefördert wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bisher wegen ihrer
ungünstigen Zusammensetzung ungeeigneten Wässer der Wärmegewinnung zuzuführen und
dafür geeignete Einrichtungen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die im Grubenwasser
gespeicherte und von unter Tage mitgebrachte Wärme dem Grubenwasser durch Wärmetausch
über einen in das Grubenwasser hineingeführten Wärmeträgerkreislauf entzogen und
Wärmeverbrauchern zugeführt wird.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, auch dem
zu Verkrustungen neigenden oder Stahl angreifenden Grubenwasser die Wärme zu entziehen,
da das Grubenwasser erst gar nicht in die bisher üblichen für den Wärmeentzug benötigten
maschinellen Anlagen hineingeführt werden muß. Die aufgrund der gehobenen großen
Wassermengen im Grubenwasser zur Verfügung stehende Wärme kann auf diese Art und
Weise weitgehend für die verschiedensten Verwendungszwecke nutzbar gemacht werden.
Dies bisher von den Fachleuten wegen der schlechten Wasserqualität für unmöglich
gehaltene Ergebnis erbringt bei einer durchschnittlichen Grubenwassermenge von 3000
cbm/d eine Wärmemenge von über 60 Mio. kcal/d.
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Der Wärmegewinnungseffekt kann verbessert und vergleichmäßigt werden,
indem gemäß der Erfindung das Grubenwasser unter Tage zusätzlich durch Obertragung
von bei der Wetterkühlung anfallender Abwärme erwärmt wird, wobei die Abwärme durch
Wärmetausch über einen Wärmeträgerkreislauf auf das Grubenwasser übertragen wird.
Eine solche Auflastung der unter Tage anfallenden Abwärme ist z.B. aus der Patentanmeldung
P 29 o3 402.4 beschrieben, die nicht vorveröffentlicht ist. Mit Hilfe eines derartigen
Verfahrens ist es nicht nur möglich, die Wetterkühlaggregate unter Tage zu entlasten
bzw. durch Verbesserung der Kühlmöglichkeiten deren Leistungsfähigkeit zu steigern,
sondern zugleich wird die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens auch
dadurch
erhöht, daß das über Tage ankommende Grubenwasser wesentlich höhere Temperaturen
aufweist, die ihm über Wärmetausch entzogen werden können.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Einrichtung
benötigt, bei der der Wärmeträgerkreislauf über eine dem Wärmetauscher zugeordnete
Pumpe aufrechterhalten wird. Eine derartige Einrichtung wird dadurch erweitert und
für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbar, daß die Schnittstelle
zwischen Grubenwasser und als Klarwasserkreislauf ausgebildetem Wärmeträgerkreislauf
von einem großflächige Hohl platten aufweisenden Wärmetauscher gebildet ist, deren
Hohlräume zur Durchführung des Klarwassers dienen. Eine derartige Einrichtung verhindert
Absetzungen und Verkrustungen in den schwer zugänglichen Teilen des Wärmetauschers
und verlagert diese wenn überhaupt auf die Außenflächen. Die Außenflächen sind leicht
zugänglich und kennen durch regelmäßiges Reinigen leicht funktionstüchtig erhalten
werden. Der größte Teil der im Grubenwasser mitgeführten und beim Abkühlen eventuell
ausfallenden Teilchen wird aber auf den Boden des Wasserbeckens absinken, von wo
er mit entsprechenden Hilfsmitteln regelmäßig aufgenommen wird. Der Wärmetauscher
selbst ist einfach aufgebaut und daher auch für den relativ rauhen Betrieb und die
ungünstigen Einsatzbedingungen gut verwendbar.
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Die Wartung des Wärmetauschers bzw. die Reinigungsmöglichkeiten sowohl
des Wärmetauschers wie auch des Grubenwasserauffangbehälters werden dadurch verbessert,
daß der als Hohlplattenpaket ausgebildete Wärmetauscher in einen Grubenwasserauffangbehälter
eintauchbar ausgebildet ist. Die Hohl platten, die zu einem Paket zusammengefaßt
sind, können z.B. mit Hilfe einer Einschienenhängebahnanlage, die über den Grubenwasserauffangbehälter,
der vorzugsweise zur Vermeidung von Wärmeverlusten wärmeisoliert ausgeführt ist,
in den Grubenwasserauffangbehälter eingesetzt oder aus diesem herausgehoben und
verfahren werden.
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Insbesondere wenn unter Tage durch Abwärme aufgeheiztes Grubenwasser
verwendet wird, können mit Hilfe des Wärmetauschers dem Wärmeträgerkreislauf so
hohe Temperaturen aufgegeben werden, wie sie von verschiedenen Warmwasserverbrauchern
benötigt werden. Das im Kreislauf geführte klare Wasser kann daher bedarfsweise
und ohne weiteres direkt aus dem Klarwasserkreislauf entnommen und z.B. für Brauseanlagen,
Vorwärmung von Kesselwasser oder ähnliche Bedarfsfalle eingesetzt werden.
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Werden höhere Temperaturen, z.B. für Heizungsanlagen, benötigt, so
ist es zweckmäßig, zwischen den Klarwasserkreislauf und den Wärmeverbraucher einen
zweiten Wasserkreislauf zu schalten. Dabei bildet zweckmäßigerweise eine Kühlanlage,
deren Verdampfer dem Klarwasserkreislauf und deren Kondensator dem Wasserkreislauf
zugeordnet ist, die Schnittstelle zwischen Klarwasserkreislauf und Wasserkreislauf.
Im Grundsatz gleich aufgebaute Anlagen werden auch zur Kühlung der für die Wetterkühlung
eingesetzten Sohle verwendet.
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Um eine derartige Einrichtung für die genannten Einsatzfälle und weitere
verwendbar zu machen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in der Klarwasservorlaufleitung
ein Dreiwegeventil angeordnet ist. Mit Hilfe dieses Ventils kann entweder das im
Wärmetauscher aufgeheizte klare Wasser unmittelbar und insgesamt dem Warmwasserverbraucher
zugeführt werden, kann gleichzeitig dem Warmwasserverbraucher und der zur Temperaturerhöhung
dienenden Anlage oder ausschließlich dieser Anlage zugeführt werden. Dabei ist in
der Klarwasserrücklaufleitung ein Zuspeiseventil angeordnet, daß entsprechend den
dem Kreislauf entnommenen Wassermengen Frischwassermengen aus der Wasserleitung
zuspeist.
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Die Wartung der Wärmetauscher, die in den aggressiven und zu Verkrustungen
neigenden Grubenwässern angeordnet sind, wird erheblich minimiert, indem die Hohl
platten und die Zuführungsleitungen der Wärmetauscher außen mit einem Ablagerungen
abweisenden Material beschichtet sind. Bei Verwendung derartigen Materials stellt
sich
heraus, daß die an den Hohl platten abgesetzten Teilchen meist durch einfaches Spülen
wieder entfernt werden können.
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Es hat sich herausgestellt, daß der Wärmetausch durch die Beschichtung
mit Ablagerung abweisendem Material nicht oder nur unwesentlich behindert wird.
Dies gilt auch für eine Ausführungsform, nach der die Hohlplatten aus dünnwandigen
im Tiefziehverfahren hergestellten Hohlkörperschalen zusammengesetzt sind. Derartige
Teile können sehr präzise hergestellt und so miteinander verbunden werden, daß formgünstige
Hohl platten entstehen. Der dazu benötigte Kunststoff ist zweckmäßigerweise mit
einem Material gefüllt, das den Wärmeübergang begünstigt.
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Der Wärmeübergang wird weiter gemäß der Erfindung dadurch verbessert,
daß den einzelnen als Hohlplattenpakete ausgebildeten Wärmetauschern Pumpaggregate
zugeordnet sind. Mit Hilfe dieser Pumpaggregate wird auch innerhalb der Hohlplattenpakete
ein dauerhafter und gleichmäßiger Wasserstrom aufrechterhalten, der einen optimalen
Wärmeübergang sicherstellt.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ohne aufwendige
maschinelle Aggregate dem Grubenwasser die mitgeführte oder gar gezielt unter Tage
aufgegebene Wärme über Tage weitgehend wieder entzogen werden kann. Damit ist nicht
nur der Vorteil der Wärmegewinnung gegeben, sondern es wird gleichzeitig auch eine
Abkühlung des Grubenwassers erreicht, was dessen Einleitung in die Abwasserkanäle
erleichtert. Darüber hinaus wird im Rahmen der Wärmeübertragung auf den Klarwasserkreislauf
eine automatisch eintretende Klärung des Grubenwassers von gewissen Schwebeteilchen
erreicht. Je nach Abkühlung können die Ausfällungen aus dem Grubenwasser gezielt
erreicht werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt
ist. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig.
2 einen Grubenwasserauffangbehälter im Querschnitt, Fig. 3 eine Teilansicht mit
zwei Hohlplattenpaketen und Fig. 4 eine Hohl platte in Seitenansicht.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Schaltschema ist auch der untertägige
Teil angedeutet. Dabei ist die untertägige Wasserhaltung mit 1, die Wasserhebevorrichtung
mit 2, die Sumpfstrecke mit 4 und das darin angesammelte Grubenwasser mit 5 bezeichnet.
Das Grubenwasser 5 wird mit Hilfe der Wasserhebevorrichtung 2 durch die Schachtleitung
3 nach über Tage gefördert und dem dort angeordneten Wärmetauscher 7 zugeführt.
Das Grubenwasser 5 kann dabei Temperaturen von über 450 aufweisen, je nach dem,
in welcher Größenordnung ihm mit einer nicht dargestellten Einrichtung unter Tage
Abwärme aufgegeben worden ist.
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Das Grubenwasser 5 durchspült den noch näher zu erläuternden Wärmetauscher
7, gibt dabei einen großen Teil der mitgetragenen Wärme an das Wasser des den Wärmetauscher
7 durchlaufenden Klarwasserkreislaufs ab. Vom Wärmetauscher 7 aus wird das Grubenwasser
dann in der Regel unmittelbar in den Abwasserkanal 8 abgegeben.
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Im Klarwasserkreislauf hinter dem Wärmetauscher 7 ist eine Pumpe 11
angeordnet, mit der das Wasser entweder im Kreislauf geführt wird oder aber bei
entsprechender Schaltung des in der Klarwassservorlaufleitung 13 sitzenden Dreiwegeventils
12 direkt dem Warmwasserverbraucher 14 zupumpt. Das Dreiwegeventil 12 kann auch
so gestellt werden, daß ein Teil des warmen bzw. heißen Wassers dem Warmwasserverbraucher
14 und ein anderer Teil im Kreislauf weitergeführt wird. Das Dreiwegeventil 12
ist
schaltungstechnisch mit dem Zuspeiseventil 16 verbunden, das eine dem Warmwasserverbraucher
14 zufließenden Wassermenge entsprechende Menge Frischwasser aus der Wasserleitung
17 entnimmt und dem Klarwasserkreislauf lo zuspeist.
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In den Klarwasserkreislauf lo ist als Schnittstelle mit dem Wasserkreislauf
18 eine Kühlanlage 19 eingesetzt. Dabei ist der Verdampfer 20 der Kühlanlage 19
dem Klarwasserkreislauf lo und der Kondensator 21 dem Wasserkreislauf 18 zugeordnet.
Die über den Frigenkreislauf 22 miteinander verbundenen Verdampfer 20 und Kondensator
21 sorgen mit Hilfe des Verdichters 23 und des Entspannungsventils 24 für eine Obertragung
und Erhöhung der dem Grubenwasser 5 entnommenen Wärme.
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Dadurch kann die Temperatur des Wasserkreislaufs 18 so erhöht werden,
daß über die Pumpe 27 dem Wärmeverbraucher 15 ein hochkarätiges Wasser zugeführt
werden kann, das z.B. zur Heizung von Wohn- oder Werkbereichen oder ähnlichen Zwecken
dient.
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Fig. 2 zeigt einen Grubenwasserauffangbehälter 29 im Schnitt. Das
Grubenwasser wird dem zweckmäßigerweise einen geschlossenen Raum darstellenden Grubenwasserauffangbehälter
29 über den Behälterzulauf 30 zugeführt. Im Behälter, der über eine Wärmeisolierung
33 verfügt, sind die Hohlplattenpakete 34, 35, 36 zur Obertragung der Wärme auf
den Klarwasserkreislauf lo angeordnet. Das Wasser wird dabei über die Zuführungs-
und Verbindungsleitungen 37 den Hohlplattenpaketen 34, 35, 36 zugeführt. Der Behälterboden
31 weist eine Neigung zum Behälterablauf 32 auf, so daß absetzende Kleinteilchen
in der Regel noch über den Behälterablauf 32 ausgetragen werden. Außerdem ist durch
die Neigung das Säubern des Grubenwasserauffangbehälters 29 erleichtert.
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Fig. 3 zeigt zwei perspektivisch dargestellte und nebeneinander angeordnete
Hohiplattenpakete 46, 47, die über eine gemeinsame Klarwasserzuleitung 43 und Klarwasserableitung
44 verfügen. In der Klarwasserzuleitung 43 ist ein Dreiwegeventil 45 angeordnet,
so daß je nach Wärneanfall im Grubenwasser mehrere Hohiplattenpakete 46, 47 ein
Hohlplattenpaket 46 oder mehrere Hohl plattenpakete 46, 47 durchspült werden können.
Die einzelnen Hohlplattenpakete 46, 47 bestehen aus mehreren im Abstand zueinander
angeordneten Hohl platten 39, 40, 41, durch deren Hohlräume 38 das klare Wasser
und durch deren Zwischenräume 46 das Grubenwasser geleitet wird. Die Hohl platten
39, 40, 41, von denen eine einzelne Hohiplatte 40 in Fig. 4 gezeigt ist, sind in
Fließrichtung des Grubenwassers parallel zueinander angeordnet. Das Grubenwasser
wird zwischen den einzelnen Hohl platten 39, 40, 41 hindurchgeführt, so daß das
im Inneren befindliche Wasser entsprechend aufwärmen kann.
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Durch eine Abstimmung der Ausmaße des Grubenwasserauffangbehälters
29 und der. einzelnen Hohlplattenpakete 34, 35, 36, 46, 47 kann der Querschnitt
optimal ausgenutzt werden.