DE3837153A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung der luft in bergwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung der Luft in Bergwerken großer Tiefe unter Verwendung eines verdampfen­ den und kondensierenden Kältemittels.

Bei der Gewinnung von Erzen und Rohstoffen im Untertagebergbau werden Lagerstätten in immer größeren Tiefen z. B. bis 1300 m in den Kohle­ revieren Nordrhein-Westfalens oder bis 4000 m in den Erzgruben Südafrikas ausgebeutet. In diesen Tiefen herrschen abhängig von den geo­ logischen Verhältnissen Temperaturen von 40°C und mehr im Berg. Zur Bergwärme kommt noch die Wärme der Erzgewinnungs- und Transportma­ schinen hinzu, so daß die Temperaturen im Streb örtlich erheblich höher liegen. Diese Tempera­ turen stellen neben der Arbeit eine zusätzliche Belastung für die Bergleute dar. Nationale Ar­ beitsschutzvorschriften untersagen sogar das Arbeiten bei solchen Temperaturen. Eine Kühlung der Bergwerksluft ist demnach im Untertageberg­ bau bei großen Tiefen unerläßlich.

Zur Ableitung dieser Wärmemengen genügt die in den Schacht mit großen Ventilatoren eingeblasene Frischluft allein nicht. Zum Abführen der Wärme mit der Belüftung sind Großkältemaschinen im Einsatz. Mit diesen Maschinen wird entweder Luft vor dem Einblasen in den Schacht oder Wasser ab­ gekühlt, das untertage einem Wärmetauscher zur Luftkühlung eingespeist wird. Nachteilig ist hierbei, daß sich die Kälteträger Luft bzw. Was­ ser auf dem Weg von der Kältemaschine bis zum Ein­ satzort erwärmen. Während das Wasser im Kreislauf geführt wird und somit wieder unter großem Ener­ gieaufwand nach oben gepumpt werden muß, erwärmt die Selbstverdichtung der hohen Luftsäule durch die Gravitation die in den Schacht eingeblasene Luft zusätzlich. Mit Kältemaschinen, die unter­ tage aufgestellt sind, werden diese Probleme zwar beseitigt. Dieser Aufstellungsort bedingt aber eine zusätzliche Wärmeabfuhr aus der zu kühlenden Umgebung und verschlechtert wegen des Betriebes der Maschine bei der hohen Schachttemperatur deren Wirkungsgrad. Außer­ dem geht vom eventuell untertage ausströmen­ den Kältemittel bei Schäden an der Maschinen­ anlage eine Vergiftungsgefahr aus.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zur Kühlung der Luft in Bergwerken großer Tiefe zu schaffen, womit in einfacher Weise unter optimaler Ausnutzung der installierten Kühlleistung im Störfall frei­ gesetztes Kältemittel auf einen Bruchteil der Füllmenge der Anlage begrenzt ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung, aus­ gehend von einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Gattung, dadurch gelöst, daß die der Luft zu entziehende Wärme untertage das flüssige Kältemittel verdampft, das als Gas aus dem Berg abgeführt, übertage unter Abkühlung kondensiert sowie entspannt und anschließend im Gegenstrom zu dem abzuführenden Gas bei gleichzeitigem Stoffaustausch mit diesem Gas zur erneuten Verdampfung in den Schacht zu­ rückgeleitet wird.

Mit der erfindungsgemäßen Kühlung der Berg­ werksluft ist es möglich, im Vergleich zu Verfahren, bei denen die Verdampfung und Kon­ densation des Kältemittels untertage stattfin­ det, die zu installierende Kühlleistung wesent­ lich zu verringern, da die Kondensation des Kältemittels übertage in einer in bezug auf die Schachttemperatur kalten Umgebung, aus der die Wärme leicht abzuführen ist, stattfindet und im Schacht keine zusätzliche Erwärmung ausgehend von der Kompression des Kältemittel­ gases vor dessen Kondensation erfolgt. Es ist auch der Energieaufwand zur Förderung des Käl­ temittels relativ gering, da die Hochdruckstufe des Kühlverfahrens erfindungsgemäß vollständig übertage ausgeführt wird und somit das ver­ dampfte Kältemittel als Gas aus dem Schacht auf­ steigt und das kondensierte und entspannte Käl­ temittel als Flüssigkeit in die Tiefe fällt. Die­ se Flüssigkeit ist im stetigen Stoffaustausch mit dem aus dem Berg abgeführten Gas, so daß vor Ort nur der Anteil an Kältemittel als Flüssigkeit vor­ liegt, der zur Erbringung der Kühlleistung durch dessen Verdampfung erforderlich ist. Da somit der größte Teil des Kältemittels im bei Leckagen be­ sonders gefährdeten Bereich untertage als Gas vorliegt, ist die Kältemittelmenge, die im Stör­ fall untertage in den Schacht gelangen kann, be­ grenzt, was das Vorsehen von Schutzmaßnahmen er­ heblich erleichtert.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht aus Verdichter, Kon­ densator, Entspannungsvorrichtung und Verdampfer, durch die das Kältemittel zirkuliert und ist da­ durch gekennzeichnet, daß Verdichter, Kondensa­ tor und Entspannungsvorrichtung übertage angeord­ net sind und der Ausgang der Entspannungsvorrich­ tung übertage in die Saugleitung des Verdichters mündet, die untertage sowohl mit dem Ein- als auch mit dem Auslaß für das Kältemittel des dort vorgesehenen und im Umlaufverfahren betriebenen Verdampfers in Verbindung steht.

Diese neue Vorrichtung ermöglicht die Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens mit nur einer Leitung, durch welche sowohl das verdampfte Kältemittel vom Verdichter angesaugt als auch das vom Kondensator kommende und entspannte Kälte­ mittel zum Verdampfer geleitet wird. Durch die erfindungsgemäß vollständige Anordnung des aus Verdichter, Kondensator und Entspannungsvorrich­ tung bestehenden Hochdruckteiles der Kühlvorrich­ tung übertage herrschen in der Saugleitung des Verdichters bzw. der Förderleitung des Kälte­ mittels zwischen dem im wesentlichen aus dem untertage im Umlaufverfahren betriebenen Ver­ dampfer bestehenden Niederdruckteil und dem Hochdruckteil relativ geringe Drücke. Diese Drücke ergeben sich primär aus dem Sättigungs­ druck des Kältemittels sowie dem statischen Druck von dessen Gassäule in der Leitung und gestatten eine kostengünstige Ausführung die­ ser gegebenenfalls mehrere Kilometer langen Leitung.

Um bei der Entspannung des Kältemittels eine Trennung von Gas- und Flüssigphase sicherzu­ stellen und um zu verhindern, daß der Verdich­ ter flüssiges Kältemittel ansaugt, mündet in einer bevorzugten Ausführung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung der Ausgang der Entspannungs­ vorrichtung in einen in der Saugleitung vorge­ sehenen Dampfabscheider aus dem das flüssige Kältemittel zur Bildung eines Dieselfilmes an die Wandung der Saugleitung abgegeben wird. Da­ bei hat es sich bewährt, als Dampfabscheider in der Saugleitung mindestens im Mündungsbe­ reich des Ausganges der Entspannungsvorrich­ tung eine Trennwand, die sich in Axialrichtung über einen beträchtlichen Teil der Saugleitung erstrecken und perforiert sein kann, vorzusehen.

Zweckmäßigerweise wird die Vorrichtung mit ei­ nem nicht öllöslichen Kältemittel, vorzugswei­ se Ammoniak (NH₃) betrieben und der Verdampfer in einem mit einer Sprinkleranlage ausgestatte­ ten oder in einem mit Wasser gefüllten als Tauchbecken ausgebildeten Raum aufgestellt, um untertage bei Störungen oder Defekten austre­ tendes Kältemittel an Wasser, das mit Salzsäure angereichert sein kann, zu binden und gegebenen­ falls zu neutralisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird noch an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kühlung der Luft in Bergwerken.

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht längs der Linie II-II der Fig. 1.

Oberhalb eines Bergwerkschachtes sind übertage auf dem Niveau ±0 der Verdichter 1, der Kon­ densator 2 und die Entspannungsvorrichtung 3 einer mit Ammoniak (NH₃) betriebenen Kom­ pressionskälteanlage vorgesehen. Der Verdampfer 4 dieser Anlage ist im Schacht auf dem Niveau "-x" z. B. 4000 m untertage installiert und über einen Flüssigkeitsabscheider 6 sowie ei­ ne Saug- oder Förderleitung 5 mit dem Verdich­ ter 1 verbunden.

Das kondensierte und entspannte Kältemittel wird übertage in die Saugleitung 5 eingespeist und nach Abscheidung der bei der Entspannung frei­ werdenden Dämpfe untertage über den Flüssigkeits­ abscheider 6 dem Verdampfer 4 zugeführt. Im Ver­ dampfer 4 wird das Kältemittel, dessen Flüssig­ anteil durch diesen und den Flüssigkeitsabschei­ der 6 zirkuliert, durch den in Richtung der Pfei­ le C und D durch den Verdampfer 4 strömenden und abzukühlenden Kälteträger derart erhitzt, daß es siedet. Das aus dem Verdampfer 4 austretende und siedende Kältemittel wird oberhalb des Flüssigkeitsniveaus A in den Flüssigkeitsabschei­ der 6 eingespeist, so daß eine Trennung zwischen Gas- und Flüssigphase erfolgt. Die Kältemittel­ gase oder -dämpfe steigen in der Saugleitung 5 auf, wobei sie im ständigen Stoffaustausch mit dem in dieser Leitung 5 nach unten in den Flüs­ sigkeitsabscheider 6 strömenden flüssigen Kälte­ mittel sind, und werden der Saugseite des Ver­ dichters 1 zugeführt, von wo aus sie nach Ver­ dichtung, Kondensation und Entspannung in die Saugleitung 5 zurückkommen.

Um zu verhindern, daß vom Verdichter 1 flüssi­ ges Kältemittel angesaugt wird, das übertage von der Entspannungsvorrichtung 3 in die Saug­ leitung 5 gelangt, ist mindestens im Mündungs­ bereich des Ausganges der Entspannungsvorrich­ tung 3 in die Saugleitung 5 eine sich axial über einem beträchtlichen Teil der Saugleitung 5 er­ streckende und zum Teil perforierte Trennwand 7 vorgesehen. Das sich entspannende Kältemittel wird beim Eintritt in die Saugleitung 5 gegen diese Trennwand 7 gespritzt, die dabei als Dampf­ abscheider wirkt und den Flüssiganteil des Kälte­ mittels als zum Flüssigkeitsabscheider 6 fließen­ den Rieselfilm der Wandung der Saugleitung 5 zu­ führt.

Der Verdampfer 4 und der Flüssigkeitsabscheider 6 sind untertage in einem separaten Raum 8 ange­ ordnet, der mit Wasser gefüllt ist. Das Wasser, das den Verdampfer 4 und Flüssigkeitsabscheider 6 vollständig umgibt, bindet das untertage bei Störungen oder Defekten austretende Kältemit­ tel Ammoniak, wodurch untertage die vom Kälte­ mittel ausgehende Vergiftungsgefahr behoben wird; denn die Kühlung der Bergwerksluft er­ folgt vor Ort mit dem nicht toxischen Kälte­ träger.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kühlung der Luft in Bergwerken großer Tiefe unter Verwendung eines ver­ dampfenden und kondensierenden Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, daß die der Luft zu entziehende Wärme untertage das flüssige Käl­ temittel verdampft, das als Gas aus dem Berg abgeführt, übertage unter Abkühlung konden­ siert sowie entspannt und anschließend im Gegenstrom zu dem abzuführenden Gas bei gleichzeitigem Stoffaustausch mit diesem Gas zur erneuten Verdampfung in den Schacht zurückgeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus Verdichter, Kondensator, Entspannungsvorrichtung und Verdampfer, durch die das Kältemittel zirku­ liert, dadurch gekennzeichnet, daß Verdich­ ter (1), Kondensator (2) und Entspannungsvor­ richtung (3) übertage angeordnet sind und der Ausgang der Entspannungsvorrichtung (3) über­ tage in die Saugleitung (5) des Verdichters (1) mündet, die untertage sowohl mit dem Ein- als auch mit dem Auslaß für das Kältemittel des dort vorgesehenen und im Umlaufverfahren betriebenen Verdampfers (4) in Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang der Entspannungs­ vorrichtung (3) in einen in der Saugleitung (3) vorgesehenen Dampfabscheider (7) mündet, von dem das flüssige Kältemittel als Riesel­ film an die Wandung der Saugleitung (5) abge­ geben wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Saugleitung (5) mindestens im Eintrittsbereich des Ausganges des Entspan­ nungselementes (3) eines Trennwand (7) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennwand (7) perforiert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) in einem mit einer Sprinkleranlage ausgestatte­ ten Raum aufgestellt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) in einem mit Wasser gefüllten Raum aufgestellt ist.