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Die Erfindung betrifft eine Wetterkühleinrichtung mit
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von über Tage nach unter Tage führendem Primärkreislauf und einem
oder mehreren nachgeschalteten Sekundärkreisläufen, wobei Kaltwasser als über Umwälzpumpen
geförderter Kälteträger für Primär- und Sekundärkreislauf dient und der Sekundärkreislauf
eine oder mehrere Wasserentnahme- und Wasserzumischstellen aufweist.
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Derartige Wetterkühleinrichtungen werden im untertägigen Bergbau,
insbesondere im Steinkohlenbergbau der Bundesrepublik Deutschland, eingesetzt, um
die die untertägigen Strecken und Bereiche durchstreichenden Wetter auf eine für
den Menschen erträgliche Temperatur zu kühlen. Diese Kühlung ist insbesondere bei
größeren Teufen notwendig, weil die von über Tage herangeführten Wetter durch die
hohen Gebirgstemperaturen stark aufgewärmt bzw. aufgeheizt werden. Es sind Wetterkühleinrichtungen
bekannt, bei denen das von einer über Tage angeordneten Kälteerzeugungsanlage abgekühlte
Wasser über eine Ringleitung nach unter Tage geführt wird. Über unter Tage angeordnete
Wärmetauscher und Kälteerzeugungsanlagen wird dem Wasser des Primärkreislaufes die
Wärme des im Sekundärkreislauf geführten Wassers aufgelastet. Das so abgekühlte
Wasser des Sekundärkreislaufes wird dann bis vor Ort geführt und dort über Wärmetauscher
zur Kühlung der Wetter benutzt.
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Brauchwasser wird in den untertägigen Betrieben, insbesondere im
Bereich der Gewinnung und Förderung, für die verschiedensten Zwecke eingesetzt,
wie z.B. zur Staubbekämpfung, zum Bohrlochspülen beim Bohren und zur Kühlung von
Antriebsmotoren. Das so benötigte Brauchwasser wurde bisher über Frischwasser
bzw.
gesonderte Brauchwasserleitungen von über Tage bis in die untertägigen Verbrauchsbereiche
geführt. Um zusätzliche Rohrinstallationen für derartige Brauchwasserleitungen zu
sparen und um möglichst kühles Wasser als Brauchwasser zur Verfügung zu haben, wird
zunehmend dazu übergegangen, das Brauchwasser aus dem Sekundärkreislauf derartiger
Wetterkühleinrichtungen zu entnehmen. Die entsprechende Menge wird dann vor der
Rückführung des Rücklaufes in den Hochdruckwärmetauscher und die untertägige Kälteerzeugungsanlage
durch der Frischwasserleitung entnommenes Wasser ersetzt. Nachteilig dabei ist,
daß die einzuspeisende Wassermenge, die mit einer Temperatur um 20°C zur Verfügung
steht, durch die Kälteerzeugungsanlage abgekühlt werden muR, was zusätzliche Energie
und einen entsprechend hohen Zufluß an Kälteträger über den Primärkreislauf erfordert.
Nachteilig ist außerdem, daß bei derartigen Wetterkühleinrichtungen die potentielle
Energie der Wassersäule in der über mehrere 100 m anstehenden Vorlaufleitung in
keiner Weise ausgenutzt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die durch die direkte
Wasserentnahme aus dem Sekundärkreislauf entstehenden thermodynamischen Nachteile
aufzufangen, den Energie bedarf zu senken und die Nachspeisung zu automatisieren.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wasserzumischstelle
der untertägigen Kälteerzeugunqsanlage nachgeordnet, dem Vorlauf zugeordnet und
über eine Rohrleitung an die Vorlaufleitung des Primärkreislaufes direkt nschließbar
ist.
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Auf diese Weise wird eine direkte Wasserentnahme aus dem Primärkaltwasserkreislauf
in den Sekundärkaltwasserkreislauf vorgenommen. Dabei muß das hochkarätige Wasser
auf den niedrigeren Druck des Sekundärkreislaufes entspannt werden, kann dann aber
sofort in den Vorlauf des Sekundärkreislaufes eingespeist und den Kühlanlagen im
vor Ort Bereich zugeführt werden. Damit entfällt die Notwendigkeit, diese Wassermengen
zusätzlich über die untertägige Kälteerzeugungsanlage und die vorgeschalteten Hochdruckwärmetauscher
auf die erforderliche Temperatur abzukühlen. Damit ergeben sich erhebliche thermodynamische
Vorteile, zumal die Temperatur im Primärkreislauf in der Regel niedriger ist als
die gewünschte Temperatur im Sekundärkreislauf.
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Eine günstige Möglichkeit, das hochkarätige Wasser zu entspannen
und gleichzeitig dem Kaltwasser des Sekundärkreislaufes zuzumischen, ist nach einer
Ausbildung der Erfindung gegeben, bei der die Zumischstelle ein in den Sekundärkreislauf
geschalteter, gleichzeitig als Entspannungsapparat wirkender Speicherbehälter ist.
Der Speicherbehälter und die das Kaltwasser des Sekundärkreislaufes treibende Umwälzpumpesind
hisher vor die untertägige Kälteerzeugungsanlage geschaltet worden, um eine nachträgliche
Erwärmung des Kaltwassers durch die Umlaufpumpe zu vermeiden. Aufgrund der erfindungsgemäßen
Ausbildung wird noch hinter der Umwälzpumpe entsprechend kaltes Wasser zugeführt,
so daß die Umwälzpumpe an günstigstem Ort zwischen der Kälteerzeugungsanlage und
der Wasserzumischstelle angeordnet werden kann.
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Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung ist vorgesehen,
daß in die Rohrleitung ein Druckreduzierventil als Entspannungsapparat geschaltet
ist. Auch mit Hilfe eines entsprechenden Druckreduzierventiles kann das Wasser des
Primärkreislaufes auf den niedrigeren Druck des Sekundärkreislaufes entspannt und
dann entsprechend zugemischt werden. Es ist auch denkbar, vor dem Speicherbehälter
ein entsprechendes Druckreduzierventil anzuordnen, um damit die Sicherheit des Gesamtsystems
zu erhöhen.
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Um die potentielle Energie, die sich aus der Wassersäule des Primärkreislaufes
ergibt, möglichst weitgehend auszunutzen, wird vorgeschlagen, in Fließrichtung hinter
der Umwälzpumpe im Sekundärkreislauf eine Wasserstrahlpumpe in Reihe zu schalten,
die gleichzeitig an die Rohrleitung angeschlossen ist.
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Die mit der Umwälzpumpe in Reihe geschaltete Wasserstrahlpumpe dient
als Entspannungsapparat, wobei sie teilweise oder ganz die Funktion der Umwälzpumpe
übernehmen kann, nämlich dann, wenn entsprechende Wassermengen über die Rohrleitung
aus dem Primärkreislauf abgezogen werden.
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Um die Umwälzpumpe abzusichern und gleichzeitig eine einwandfreien
Betrieb der Wasserstrahlpumpe zu gewährleisten, ist vorgesehen, daß zwischen Umwälzpumpe
und Wasserstrahlpumpe ein Rückschlagventil anzuordnen, das in Richtung Umwälzpumpe
sperrt. Damit ist die Möglichkeit gegeben, daß sowohl die Umwälzpumpe als die Wasserstrahlpumpe
tätig sind, wobei die Hauptlast von der Umwälzpumpe oder von der Wasserstrahlpumpe
getragen werden kann.
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Die Brauchwasserentnahme ist in der Größenordnung und im Zeitpunkt
ungleichmäßig, so daß es zweckmäßig ist, vor die Wasserzumischstelle in die Rohrleitung
ein Regelventil zu schalten, das über ein im. Rücklauf angeordnetes Mengenmeßgerät
schaltbar ist. Über das Mengenmeßgerät, das beispielsweise in der Nähe der untertägigen
Kälteerzeugungsanlage installiert ist, wird die Wassermenge des Rücklaufes fortlaufend
gemessen, in Signale umgesetzt und dann zur Schaltung, d.h. zur öffnung oder zum
Schließen des Regelventiles benutzt. Damit ist sichergestellt, daß jeweils die entnommene
Brauchwassermenge durch Wasser des Primärkreislaufes voll ersetzt wird.
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Eine weitere Möglichkeit der Ausnutzung der thermodynamischen und
energetischen Vorteile besteht erfindungsgemäß darin, eine Peltonturbine, über die
das über die Rohrleitung dem Primärkreislauf entnommene Kaltwasser geführt ist,
als Entspannungsapparat zu verwenden und direkt mit der Umwälzpumpe zu koppeln,
der ein Teil- und Voll-Last-Motor zugeordnet ist. Hierbei wird die aus dem Primärkreislauf
entnommene Wassermenge über die Peltonturbine geleitet, die direkt mit der Umwälzpumpe
des Sekundärkreislaufes gekoppelt ist. Die Umwälzpumpe hat einen vollwertigen Elektromotorantrieb,
wobei huber die Peltonturbine der Motor teilweise oder ganz entlastet wird, je nachdem,
welche Kaltwassermengen dem Primärkreislauf entnormen werden.
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Da das dem Sekundärkreislauf entnommene Brauchwasser durch Kaltwasser
des Sekundärkreislaufes ersetzt wird, muß die Umlaufmenge im Primärkreislauf ebenfalls
jeweils ergänzt werden.
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IIierzu ist vorgesehen, daß der Primärkreislauf über Tage einen als
Nachspeisestelle dienenden Speicherbehälter mit Zulaufventil
aufweist,
das von dem Mengenmeßgerät im Sekundärkreislauf aus schaltbar ist. Das benötigte
Frischwasser kann dabei der über Tage verlegten Frischwasserleitung entnommen werden,
um dann nach entsprechender Kühlung zusammen mit dem Umlaufwasser nach unter Tage
gepumpt zu werden.
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Eine einwandfreie Versorgung der untertägigen Betriebe mit dem benötigten
Brauchwasser wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sichergestellt, mit dem die
dem Sekundärkreislauf als Brauchwasser entnommene Wassermenge entsprechend aus dem
Primärkreislauf nachgespeist und dabei entspannt wird. Damit wird es möglich, im
vor Ort Bereich für die Kühlung der Motoren, für die Entstaubung und für andere
Arbeiten ein optimal temperiertes Wasser zur Verfügung zu stellen, das gleichzeitiy
auch noch direkt oder indirekt zur Wetterkühlung mit beiträgt.
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Durch den Ersatz des entnommenen Wassers durch entsprechend kaltes
Wasser des Primärkreislaufes wird ein derartiges Verfahren wesentlich wirtschaftlicher,
weil die untertägige Kälteerzeugungsanlage wegen der geringeren Wassermenge im Rücklauf
entlastet werden kann, weil die Umlaufpumpe im Primärkreislauf geringere Mengen
an Wasser über die Rücklaufleitung nach über Tage pumpen muß und weil über Tage
von Natur aus kühleres Wasser für die Zuspeisung in den Primärkreislauf zur Verfügung
steht.
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Eine weitere Optimierung des Verfahrens ist dadurch gegeben, daß die
nachzuspeisende Wassermenge unter Rückgewinnung der potentiellen Energie der Wassersäule
in der Vorlauf leitung in den Sekundärkreislauf eingespeist wird. Damit verbunden
ist in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der Antriebsenergie für die Umwälzpumpe
und gegebenenfalls auch andere Aggregate.
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Die erfindungsgemäße Wetterkühleinrichtung und das Verfahren zur
Versorgung der unter Tage Betriebe mit Brauchwasser zeichnen sich insbesondere durch
folgende Vorteile aus: - über Tage steht daK Frischwasser zur Einspeisung in den
Primärkreislauf im Winter mit einer Temperatur von 7 bis 10° und im Sommer von 16
bis 190 zur Verfügung. Durch diese niedrige Wassertemperatur ist eine erhebliche
energetische Einsparung im Kältemaschinenbetrieb zu erzielen.
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- Da die von der untertägigen Kälteerzeugungsanlage und dem Hochdruckwärmetauscher
abzukühlenden Wassermengen verringert sind, da die entnommene Brauchwassermenge
durch entsprechend kühles Wasser des Primärkreislaufes ersetzt wird, kann die untertägige
Anlage kleiner dimensioniert werden oder es stehen zusätzliche Kapazitäten in der
Kälteerzeugung bzw. Kälteversorgung zur Verfügung.
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- Die Umwälzpumpe im Primärkreislauf wird entlastet, da zwischen
Vorlauf- und Rücklaufmenge Differenzen bestehen, d.h. weil die Rücklaufmenge kleiner
als die Vorlaufmenge ist. Damit verbunden ist eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit
des Druckabfalles, so daß die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors der Umwälzpumpe
entsprechend kleiner ist.
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- Die potentielle Energie der Wassersäule wird durch den Antrieb
der Umwälzpumpe im Sekundärkreislauf ausgenutzt.
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Bei entsprechendem Bedarf, d.h. bei entsprechender Brauchwasserentnahme
aus dem Sekundärkreislauf, kann die Umwälzpumpe direkt über den Entspannungsapparat
angetrieben werden, so daß der Elektromotor als Reserve zur Verfügung steht. In
der Regel wird der Elektromotor
allerdings für Teillastbetrieb
benötigt, so daß ein gewisser Energiebedarf verbleibt.
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- Aufgrund der günstigen Anordnung einer Peltonturbine im Sekundärkreislauf
wird der Wirkungsgrad gegenüber bisher bekannten Einsatzfällen erhöht, so daß die
Energiebilanz insgesamt dadurch verbessert werden kann.
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- Über Tage sind vor die Kälteerzeugungsanlage häufig Verdunstungsrückkühler
geschaltet, Diese werden durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. bei Verwendung
der erfindungsgemäßen Wetterkühleinrichtung entlastet oder sogar überflüssig, weil
das Frischwasser über Tage allgemein mit niedrigeren Temperaturen zu Verfügung steht,
als es mit einem Verdunstungsrückkühler normalerweise erreicht werden kann.
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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 Einzelheiten dargestellt
ist.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Schema der erfindungsgemäßen Wetterkühleinrichtung
mit einem Druckreduzierventil, Fig. 2 das gleiche Schema in Teilansicht und mit
einer Wasserstrahlpumpe als Entspannungsaggregat und Fig. 3 eine Wetterkühleinrichtung
gemäß Fig. 1 in Teilansicht mit einer als Entspannunsaggregat dienenden Peltonturbine.
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Das Schema gemäß Fig. 1 zeigt eine Wetterkühleinrichtung mit einem
die übertägigen Anlagenteile mit den untertägigen Anlagenteilen verbindenden Primärkreislauf
1 und dem unter Tage verlaufenden Sekundärkreislauf. Die Vorlaufleitung 2 und die
Rücklaufleitung 3 des Prirnärkreislaufes 1 sind im wesentlichen im Schacht oder
in einem Schacht und einem Blindschacht verlegt. Die von unter Tage über die Rücklaufleitung
3 heraufgeführte Wassermenge wird zunächst in einen Speicherbehälter 4 gegeben.
Dieser Speicherbehälter 4 dient gegebenenfalls gleichzeitig zur Zuführung von Frischwasser,
beispielsweise aus der Frischwasserleitung. Von hier aus wird das Wasser über die
Umwälzpumpe 5 in die Kälteerzeugungsanlage 6 gedrückt und über die Vorlaufleitung
2 nach unter Tage gefördert.
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In der Regel in der Nähe des Schachtes sind die untertägigen Anlagenteile
der Wetterkühleinrichtung angeordnet. Dabei wird das von über Tage herangeführte
Wasser zunächst in einen Hochdruck/Niederdruckwärmetauscher 9 geführt, wo bereits
eine Teilkühlung des Sekundärkreislaufes bzw. des Wassers des Sekundärkreislaufes
1o eintritt. Nach Verlassen des Hochdruck/ Niederdruckwärmetauschers 9 wird das
Wasser des Primärkreislaufes der Kälteerzeugungsanlage 11 zugeführt, die aus dem
Kondensator 12, dem Verdichter 13, dem Entspannungsventil 14 und der Pumpe besteht.
Hier wird das Wasser des Sekundärkreislaufes weiter aufgewärmt und dann über die
Rücklaufleitung 3 nach über Tage gefördert.
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Der Sekundärkreislauf 1o führt das abgekühlte Wasser zunächst in
den Speicherbehälter 15, von wo das Wasser dann über die Umwälzpumpe 16 bis zu den
Wärmetauschern 17 im vor Ort Bereich und von dort aus zurück zu der Kälteerzeugungsanlage
gepumpt wird. Der Vorlauf 18 und der Rücklauf 19 können teilweise
mehrere
Kilometer lang sein, wobei insbesondere der Vorlauf 18 in der Regel aus isolierten
Rohren besteht, so daß die entsprechend gekühlten Wasser auch wirklich mit den vorgegebenen
Temperaturen bis in den vor Ort Bereich gelangen.
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Die Wasserentnahmestellen sind allgemein mit 24 bezeichnet. Dabei
kann es sich um Anlagen zum Niederschlagen des Staubes, beispielsweise an BandUbergabent.
um Kühler von Motoren oder um sonstige Wasserverbraucher handeln. Die hier entnommene
Wassermenge wird dem Sekundärkreislauf über die Rohr leitung 20 wieder zugeführt.
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Die Rohrleitung 20 stellt die Verbindung zwischen Vorlaufleitung
2 des Primärkreislaufes und dem Vorlauf 18 des Sekundärkreislaufes 1o dar. Die direkte
Wasserentnahme aus dem Primärkreislauf 1 in den Sekundärkreislauf lo kann auf die
simpelste Art und Weise dadurch vorgenommen werden, daß dieses Wasser über ein hinter
das Schließventil 21 geschaltetes Druckreduzierventil 22 vom höheren Druck des Primärkreislaufes
1 auf den niedrigeren Druck des Sekundärkreislaufes 1o entspannt wird. Die zufließende
Wassermenge wird dabei über das Regelventil 23 eingestellt.
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Eine Entspannung auf den erforderlichen niedrigen Druck wird ebenfalls
über die Einleitung des hochkarätigen Wassers in den Speicherbehälter 15 erreicht,
wobei dadurch gleichzeitig eine optimale Wasserzumischstelle 25 geschaffen ist.
Im dargestellten Beispiel sind beide Entspannungsmöglichkeiten aus Sicherheitsgründen
vorgesehen.
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In Fig. 2 ist eine Wetterkühleinrichtung dargestellt, bei der außer
den thermodynamischen Vorteilen auch die potentielle Energie, die sich aus der Wassersäule
des Primärkreislaufes 1 ergibt, durch das Einsetzen der Wasserstrahlpumpe 26 als
Entspannungsapparat ausgenutzt wird. Die Wasserstrahlpumpe 26 ist zur Umwälzpumpe
16 hin durch das Rückschlagventil 27 abgeschottet, so daß eine Reihenschaltung beider
Aggregate möglich ist. Soweit die Wasserstrahlpumpe 26 in Tätigkeit kommt, wird
die Umwälzpumpe 16 entlastet oder gar ersetzt.
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Sowohl die in den Fig. 1 und 2 wie auch in Fig. 3 gezeigte Wetterkühleinrichtung
weist verschiedene Sicherheitseinrichtungen, wie das Schließventil 21, das Regelventil
23 und ein Mengenmeßgerät 30 auf, wobei das Mengenmeßgerät 30 in den Rücklauf 19
des Sekundärkreislaufes lo geschaltet ist.
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Uber dieses Mengenmeßgerät wird jeweils das Regelventil 23 so geschaltet,
daß die dem Sekundärkreislauf 1o entnommene Wassermenge über die Rohrleitung 20
dem Sekundärkreislauf 1o aus dem Primärkreislauf 1 wieder zugeführt wird. Über die
in Fig. 2 gezeigte zusätzliche Schaltung der Bypaßleitung 28 ist eine weitere Sicherheit
gegeben. Dabei ist in den Hauptstrang das Regelventil 29 geschaltet, während in
die Bypaßleitung 28 das Schließventil 21 ein Druckreduzierventil 22 und ein Regelventil
23 geschaltet sind.
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Fig. 3 zeigt schließlich eine weitere Möglichkeit der Ausnutzung
der thermodynamischen und energetischen Vorteile, wobei hier die dem Primärkreislauf
1 entnommene Wassermenge über ein Entspannungsaggregat, hier eine Peltonturbine
32, geleitet wird. Die Peltonturbine 32 ist direkt mit der Umwälzpumpe 16 des Sekundärkreislaufes
1o über die Verbindung 34 gekoppelt. Der Pumpe ist ein vollwertiger Elektromotor
33 zugeordnet, der sowohl mit Teil- wie mit Voll-Last zu betreiben ist. Damit wird
des möglich, über die Peltonturbine 32 den Elektromotor teilweise oder ganz zu entlasten.
Es entfällt somit
die komplizierte Regelung einzelner Pumpen, was
zu einer Entlastung des Regelaufwandes führt. Aus alledem ergibt sich, daß eine
derartige Wetterkühleinrichtung auch bei einer hohen Entnahme von Brauchwasser noch
einwandfrei und ohne wesentlichen zusätzlichen energetischen Aufwand betrieben werden
kann. Da die Anlage über die entsprechenden Meß- und Regeleinrichtungen soweit automatisiert
ist, entfällt jeder zusätzliche Personaleinsatz. Der Wartungsaufwand ist gering,
da es sich um einfache Meß- und Regeleinrichtungen sowie Verstelleinrichtungen handelt.
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Statt der unter und über Tage eingesetzten Speicherbehälter 4, 15,
25 können auch geschlossene Zumischstellen verwendet werden, so daß der Primär-
und der Sekundärkreislauf als geschlossene Kreisläufe zu bezeichnen sind. Diese
Art von Zumischstellen werden üblicherweise als Ausgleichsbehälter bezeichnet.
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Neben der Möglichkeit, die Wasserzugabe zum Primärkreislauf mit dem
Mengenmeßgerät 30 zu koppeln, besteht auch die einfacherere Möglichkeit, über Tage
im Speicherbehälter 4 einen Niveaumesser zu installieren, über den die dem Primärkreislauf
entnommene Wassermenge automatisch wieder zugegeben wird. Als Niveaumesser dient
zweckmäßigerweise ein
das in dem Speicherbehälter 4 angeordnet ist. Dabei entfallen die aufwendigen Leitungen
zwischen über und unter Tage.
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